探地雷达FDTD数值模拟中不分裂卷积完全匹配层对倏逝波的吸收效果研究

摘要：

介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏逝波产生的机理,分析了决定逝波性吸收性能的影响因素.均匀介质的波场快照、检测点的反射误差及全局反射误差对比,说明了3种边界条件对传输波都具有较好的吸收能力,而对低频倏逝波的吸收表现迥异,其中CPML因为引入了参数a,对倏逝波的吸收效果最佳,但离散化造成的全域误差也最大.最后,应用加载UPML和CPML边界条件的FDTD程序,开展了GPR二维剖面法、宽角法矩状地电模型及三维复杂模型的正演,展示了倏逝波反射对雷达正演剖面及波场快照的影响.进一步对比了UPML与CPML对倏逝波的吸收表现优劣,结果显示,CPML可有效减少边界反射误差,并能取得满意的精度,综合考虑对倏逝波的吸收、全域误差、编程难易程度等因素,在GPR正演中推荐使用CPML.

关键词：探地雷达、不分裂卷积完全匹配层、单轴各向异性完全匹配层、倏逝波、时域有限差分法

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分类号：P631

资助基金：国家自然科学基金资助项目41574116,中南大学创新驱动项目2015CX008,教育部新世纪优秀人才支持计划NCET-12-0551,中南大学教师研究基金2014JSJJ001,中南大学升华育英人才计划,湖湘青年创新创业平台培养对象项目共同资助.

在线出版日期：2017-01-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页码：4733-4746