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应用地球物理  2018, Vol. 15 Issue (3-4(2)): 710-715    DOI: 10.1007/s11770-018-0724-3
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基于提升方案的第二代小波有限元探地雷达正演
冯德山,张华, 王珣
1.中南大学 地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083;
2.有色金属成矿预测教育部重点实验室, 长沙,4100833
Second-generation wavelet finite element based on the lifting scheme for GPR simulation
Feng De-Shan, Zhang Hua, Wang Xun
1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China.
2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha 410083, China.
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摘要 探地雷达是一种高效快速无损的浅地表勘探方法,为了提高探地雷达探测的解释精度,需要开展探地雷达高精度的数值模拟方法研究。因此,本文将第二代小波有限元引入探地雷达的正演模拟中,以提升方案构造的第二代小波尺度函数代替多项式函数作为有限元基函数,具有多尺度、多分辨的特性。该算法可根据实际需要,任意改变分析尺度,在大梯度处采用小的分析尺度以提高分析精度,而在小梯度处采用大的分析尺度以提高分析效率,从而有利于捕捉解的局部突变特征,在不改变网格剖分的前提下提高分辨率,实现GPR 正问题的高效求解。将该算法应用于具有解析解的线电流辐射源及隧道衬砌不密实模型的数值模拟中,结果表明:第二代小波有限元的求解结果与解析解及常规有限元算法求解结果都能较好地吻合,验证了第二代小波有限元算法的正确性,而且第二代小波有限元可以根据实际问题的需要任意改变分析尺度,不需要网格单元的重新剖分,是一种优于传统单元网格加密和阶次升高的自适应算法,特别适合于求解大梯度、奇异性的复杂GPR 正演模拟问题。
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关键词探地雷达   波动方程   第二代小波有限元   提升方案   正演模拟     
Abstract: Ground-penetrating radar is a high-efficient, fast and non-destructive shallow surface exploration method. In order to improve the interpretation precision of detection, high-precision numerical simulation method is employed. The second-generation wavelet finite element is introduced into the forward modeling of ground penetrating radar. As the finite element basis function, the second-generation wavelet scaling function constructed by the scheme has the characteristics of multi-scale and multi-resolution. It can change the analysis scale arbitrarily according to actual needs. We can adopt small analysis scale at large gradient to improve the analysis precision, while adopt large analysis scale at small gradient to improve the analysis efficiency, which is beneficial to capture the local mutation characteristics of the solution and improve the resolution without changing mesh subdivision to realize the efficient solution of the forward GPR problem. The algorithm is applied to the numerical simulation of the line current radiation source and the tunnel non-dense lining model that have analytical solutions. The results show that the solution results of the second-generation wavelet finite element are in good agreement with the analytical solutions and the conventional finite element solutions, which verify the correctness of the second-generation wavelet finite element algorithm. Besides, the second-generation wavelet finite element algorithm can change the analysis scale arbitrarily according to the actual problem without subdividing grids again. The adaptive algorithm is superior to traditional scheme in grid refinement and order raise, which is especially suitable for solving complex GPR forward modeling problems with large gradient and singularity.
Key wordsGround Penetrating Radar   wave equation   the second-generation wavelet finite element method   the lifting scheme   forward modeling   
收稿日期: 2018-09-29;
基金资助:

本项目由国家自然科学基金资助项目(41574116,41774132), 湖南省研究生科研创新项目(CX2017B052)及中南大学研究生自主探索创新项目(2018zzts693)共同资助

通讯作者: 王珣 (E-mail:wangxun0727@csu.edu.cn)     E-mail: wangxun0727@csu.edu.cn
作者简介: 冯德山,博士,教授、博士生导师。在中南大学地球科学与信息物理学院工作。2006年毕业于中南大学,获得地球探测与信息技术工学博士学位,2013-2014年在美国Rice(莱斯)大学做访问学者。主要从事地球物理数据处理、正演模拟与反演成像、小波分析等理论与方法研究。E-mail: fengdeshan@126.com 王珣,通讯作者,博士研究生,2013年毕业于中南大学地球信息科学与技术专业,获学士学位,2016年获中南大学地质工程专业硕士学位;现为中南大学地球探测与信息技术专业在读博士,研究方向为主要从事电磁法数值模拟研究。E-mail: wangxun0727@csu.edu.cn
引用本文:   
. 基于提升方案的第二代小波有限元探地雷达正演[J]. 应用地球物理, 2018, 15(3-4(2)): 710-715.
. Second-generation wavelet finite element based on the lifting scheme for GPR simulation[J]. APPLIED GEOPHYSICS, 2018, 15(3-4(2)): 710-715.
 
没有本文参考文献
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