探地雷達(dá)正演模型中目標(biāo)體定義方法簡(jiǎn)述

白育銘 陶國(guó)志 李瑤瑤

摘 要：在探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar， GPR）的原位測(cè)試中，常用的地下目標(biāo)體有多種，如常涉及到的管線、管線、管道、電纜、礫石、砌體等。本文就其中重要目標(biāo)體以及相關(guān)在正演軟件中的定義進(jìn)行了簡(jiǎn)單的歸類和介紹。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);測(cè)試;目標(biāo)體

在探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar， GPR）的原位測(cè)試中，常用的地下目標(biāo)體有多種，如常涉及到的各種尺寸的管線、管道、電纜、礫石、砌體等。本文就其中重要目標(biāo)體進(jìn)行了簡(jiǎn)單的歸類和介紹。

對(duì)于管線形式的地下目標(biāo)體，應(yīng)用GPR進(jìn)行探測(cè)的主要目的是檢測(cè)管線的存在與否，追蹤管線的位置和分布，找到交叉點(diǎn)，尤其是找到較大的管線。對(duì)于空洞形式的地下目標(biāo)體，主要是檢測(cè)空洞的存在與否，追蹤其位置。對(duì)于土層等結(jié)構(gòu)，測(cè)量土層的厚度和土層種類;依據(jù)大小區(qū)分巖石塊）。對(duì)于砌層和金屬物體，其位置及大致形狀是探測(cè)的主要目的（U S Inan， 2011）。

所以，在GPR正演設(shè)計(jì)地下介質(zhì)模型的時(shí)候，也需要考慮上述需求。以gprMax2D為例，通過(guò)#medium：命令，可以在模型中引入一組本構(gòu)參數(shù)描述給定媒介的。命令的語(yǔ)法是

#medium：f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1。該命令的參數(shù)為：

f1介質(zhì)的直流（靜態(tài)）相對(duì)介電常數(shù) rs

f2理論無(wú)限頻率下的相對(duì)介電常數(shù) r∞

f3介質(zhì)的弛豫時(shí)間τ （秒）

f4介質(zhì)的直流（靜態(tài)）電導(dǎo)率σ （西門(mén)子/米）

f5介質(zhì)的相對(duì)滲透率?r

f6介質(zhì)的磁導(dǎo)率σ*

而一般常見(jiàn)的介質(zhì)的主要參數(shù)（如相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率）如下圖所示，

在雷達(dá)正演軟件gprMax（C Warren et al.， 2016）中，為了完成這項(xiàng)任務(wù)，GprMax2D/3D用時(shí)域有限差分法求解麥克斯韋方程組方法（FDTD）。有關(guān)使用時(shí)域有限差分法進(jìn)行探地雷達(dá)建模的詳細(xì)信息。以BRE4模型為例（X Dérobert and L Pajewski， 2018），模型中通過(guò)設(shè)置埋深不同和不同尺寸的金屬球、空洞，而其背景介質(zhì)為濕沙，其模型圖見(jiàn)下圖，

在GprMax上述模型可用如下的參數(shù)定義：

#material： 6.0 0.005 1.0 0.0 concrete

#material： 20.0 0.1 1.0 0.0 wet_sand

---------------------------------------------------------------------

#domain： 2.5 0.2 0.0025

#dx_dy_dz： 0.0025 0.0025 0.0025

#time_window： 12e-9

---------------------------------------------------------------------

#box： 0.0 0.0 0 2.5 0.15 0.0025 wet_sand

#cylinder： 0.15 0.1 0 0.15 0.1 0.0025 0.0125 pec

#cylinder： 0.35 0.075 0 0.35 0.075 0.0025 0.0125 pec

#cylinder： 0.55 0.07 0 0.55 0.07 0.0025 0.0125 pec

#cylinder： 0.75 0.05 0 0.75 0.05 0.0025 0.0125 pec

#cylinder： 0.95 0.1 0 0.95 0.1 0.0025 0.0375 free_space

#cylinder： 1.15 0.075 0 1.15 0.075 0.0025 0.0375 free_space

#cylinder： 1.35 0.07 0 1.35 0.07 0.0025 0.0375 free_space

#cylinder： 1.55 0.05 0 1.55 0.05 0.0025 0.0375 free_space

#cylinder： 1.75 0.1 0 1.75 0.1 0.0025 0.005 pec

#cylinder： 1.95 0.075 0 1.95 0.075 0.0025 0.005 pec

#cylinder： 2.15 0.07 0 2.15 0.07 0.0025 0.005 pec

#cylinder： 2.35 0.05 0 2.35 0.05 0.0025 0.005 pec

通過(guò)上述參數(shù)，地下介質(zhì)及地下目標(biāo)體的介質(zhì)參數(shù)和位置分布及埋深完成了定義，從而通過(guò)正演軟件對(duì)地下剖面進(jìn)行正演模擬。

參考文獻(xiàn)：

[1] Inan U S. Numerical Electromagnetics The FDTD Method[M]. Cambridge University Press： ?2011.

[2] Warren C， Giannopoulos A， Giannakis I. gprMax： Open source software to simulate electromagnetic wave propagation for Ground Penetrating Radar[J]. Computer Physics Communications， 2016， 209： 163-170.

[3] Dérobert X， Pajewski L. TU1208 Open Database of Radargrams： The Dataset of the IFSTTAR Geophysical Test Site[J]. Remote Sensing， 2018， 10（4）： 530.

本文是由大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（202010191038）支持。

（吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）