探地雷达正演模型中目标体定义方法简述
2020-07-01白育铭陶国志李瑶瑶
白育铭 陶国志 李瑶瑶
摘 要：在探地雷达（Ground Penetrating Radar， GPR）的原位测试中，常用的地下目标体有多种，如常涉及到的管线、管线、管道、电缆、砾石、砌体等。本文就其中重要目标体以及相关在正演软件中的定义进行了简单的归类和介绍。
关键词：探地雷达;测试;目标体
在探地雷达（Ground Penetrating Radar， GPR）的原位测试中，常用的地下目标体有多种，如常涉及到的各种尺寸的管线、管道、电缆、砾石、砌体等。本文就其中重要目标体进行了简单的归类和介绍。
对于管线形式的地下目标体，应用GPR进行探测的主要目的是检测管线的存在与否，追踪管线的位置和分布，找到交叉点，尤其是找到较大的管线。对于空洞形式的地下目标体，主要是检测空洞的存在与否，追踪其位置。对于土层等结构，测量土层的厚度和土层种类;依据大小区分岩石块）。对于砌层和金属物体，其位置及大致形状是探测的主要目的（U S Inan， 2011）。
所以，在GPR正演设计地下介质模型的时候，也需要考虑上述需求。以gprMax2D为例，通过#medium：命令，可以在模型中引入一组本构参数描述给定媒介的。命令的语法是
#medium：f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1。该命令的参数为：
f1介质的直流（静态）相对介电常数 rs
f2理论无限频率下的相对介电常数 r∞
f3介质的弛豫时间τ （秒）
f4介质的直流（静态）电导率σ （西门子/米）
f5介质的相对渗透率?r
f6介质的磁导率σ*
而一般常见的介质的主要参数（如相对介电常数、电导率）如下图所示，
在雷达正演软件gprMax（C Warren et al.， 2016）中，为了完成这项任务，GprMax2D/3D用时域有限差分法求解麦克斯韦方程组方法（FDTD）。有关使用时域有限差分法进行探地雷达建模的详细信息。以BRE4模型为例（X Dérobert and L Pajewski， 2018），模型中通过设置埋深不同和不同尺寸的金属球、空洞，而其背景介质为湿沙，其模型图见下图，
在GprMax上述模型可用如下的参数定义：
#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
通過上述参数，地下介质及地下目标体的介质参数和位置分布及埋深完成了定义，从而通过正演软件对地下剖面进行正演模拟。
参考文献：
[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.
本文是由大学生创新创业项目（202010191038）支持。
（吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，吉林 长春 130118）
