شماره ركورد :
964729
عنوان مقاله :
مدل‌سازي عددي داده‌هاي رادار نفوذي زمين (GPR) با استفاده از روش اجزاء محدود
عنوان به زبان ديگر :
Numerical modeling of round-penetrating radar (GPR) usingfinite-element method
پديد آورندگان :
زارعي، سجاد دانشگاه تهران - مؤسسة ژئوفيزيك - گروه فيزيك زمين , رحيمي دلخاني، امين دانشگاه صنعتي امير كبير - دانشكده مهندسي نفت , اميني، نويد دانشگاه تهران - موسسه ژئوفيزيك - گروه فيزيك زمين
تعداد صفحه :
13
از صفحه :
144
تا صفحه :
156
كليدواژه :
رادار نفوذي زمين , GPR , روش اجزاء محدود , FEM , مدل سازي عددي , شرايط مرزي جاذب , ABC
چكيده فارسي :
در اين پژوهش از روش­ اجزاء محدود (FEM) به‌ منظور مدل­ سازي امواج الكترو مغناطيس استفاده شده است. با توجه به قابليت­ هاي اين روش، ابتدا معادلات ماكسول در حيطه مكان گسسته‌سازي مي­ شوند، سپس شرايط مرزي به‌منظور جذب امواج در كرانه­ هاي مدل اعمال مي­ شود كه از روش مرز جاذب مرتبه­ اول كلايتون و انگكوئيست استفاده شده است. در روش FEM عبارت مرز يك جمله­ جداگانه مي ­باشد، به همين دليل اعمال شرايط مرزي در اين روش بسيار آسان‌ تر از روش تفاضل محدود (FDM) است. پس از گسسته‌ سازي مكاني با استفاده از روش FEM، گسسته‌ سازي زماني معادلات با استفاده از روش تفاضل محدود مركزي صورت مي­ گيرد. گسسته­ سازي زماني معادلات، حجيم ­ترين و زمان­ برترين بخش محاسبات در مدل­ سازي هستند كه نحوه گسسته سازي مكاني نقش بسزايي در اين فرآيند ايفا مي­ كند. با توجه به تُنُك بودن و متقارن بودن ماتريس­هاي تشكيل شده در روش FEM، درصورتي‌كه از الگوريتم­هاي بهينه به‌منظور محاسبات و ذخيره­سازي ماتريس ­ها در اين روش استفاده شود، زمان و هزينه محاسباتي به‌ طور قابل ملاحظه ­اي كاهش خواهد يافت كه در اين تحقيق چند تكنيك به‌منظور كاهش حجم و زمان محاسبات در نرم‌ افزار متلب ارائه شده است. فرمول­ ها و روابط ارائه شده در اين تحقيق به شكل ماتريسي هستند كه به‌راحتي در نرم‌ افزار متلب قابل كد نويسي مي ­باشند. به‌منظور بررسي روش FEM در مدل­ سازي داده ­هاي GPR، الگوريتم­ هاي توسعه داده شده بر روي مدل ­هاي زمين‌شناسي فرضي آزمايش شده است كه نتايج حاصل از مدل­ سازي داراي دقت قابل قبولي هستند.
چكيده لاتين :
Ground-penetrating radar (GPR) is a popular geophysical method for high-resolution imaging of the shallow subsurface structures. Numerical modeling of radar waves plays a significant role in interpretation, processing, and imaging of GPR data. A number of different approaches have been presented for the numerical modeling of GPR data. The most common approach for GPR modeling is the finite-difference method (FDM) because the FDM approach is conceptually simple and easy to program. The difficulties in applying boundary conditions at non-linear boundaries and the lack of sufficient accuracy in complex geometries are the most important drawbacks of FDM. This paper presents a finite-element method, for simulation of ground-penetrating radar (GPR) in two dimensions in the time-domain. FEM is a powerful and versatile numerical technique for handling problems involving complex geometries and inhomogeneous media. The technique is based on a weak formulation of Maxwell’s equations. In the FEM method, the wavefield is discretized on the elements using Lagrange interpolation, and integration over an element is accomplished based upon the Gaussian-quad integration rule. The major difference between the various numerical methods is in the spatial discretization. In the elemental-based methods, the complex geometry of the problem is divided into several smaller and simpler elements, then the integrals are calculated for each element. These methods have no with any regular or irregular geometry. The responses of the model in the finite-element methods are approximated in nodal points, so nodal polynomials of Lagrange are used for interpolation of the model response. Besides, the systematic generality of the method makes it possible to construct general-purpose computer programs for solving a wide range of problems. In this paper, at first, Maxwell’s equations are discretized, then the boundary condition is applied to minimize artificial reflections from the edges of the computation domain. Although the governing equations and mechanisms are completely different between radar and seismic waves, most of GPR data processing approaches are derived from seismic data processing. Due to similarities in these two techniques, accordingly, we implement the first-order Clayton and Engquist absorbing boundary conditions (firstorder CE-ABC) introduced in the numerical finite-difference modeling of seismic wave propagation. This boundary condition is simple to apply. The presented formulations are in matrix notation that simplifies the implementation of the relations in computer programs, especially in MATLAB application. After spatial discretization with FEM, time discretization is done by Finite-Central Difference (FCD). The time discretization is the most massive and time-consuming step in modeling, which spatial discretization has an important role in this process. The stiffness, mass and damping matrices are sparse and symmetrical in FEM; so if we use the optimized numerical algorithms and storages strategies, computational costs and processing-time can be reduced significantly. To investigate the efficiency of FEM, the computer program has been written in MATLAB and has been tested on two models. The results show that the radar wave simulation via FEM is an accurate and effective approach in complex models.
سال انتشار :
1396
عنوان نشريه :
ژئوفيزيك ايران
فايل PDF :
3638908
عنوان نشريه :
ژئوفيزيك ايران
لينک به اين مدرک :
بازگشت