探地雷达数值模拟及程序实现 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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冯德山，王珣，戴前伟著 著

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• 探地雷达
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• 数值模拟
• 有限差分
• 有限元
• 电磁波传播
• MATLAB
• Python
• 算法实现
• 地球物理勘探
• 信号处理

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出版社： 中南大学出版社

ISBN：9787548730736

商品编码：25275558698

出版时间：2017-11-01

作  者:冯德山,王珣,戴前伟 著 定  价:90 出 版 社:中南大学出版社 出版日期:2017年11月01日 页  数:258 装  帧:精装 ISBN:9787548730736 ●第1章绪论
●1.1引言
●1.2研究背景
●1.3国内外研究现状及进展
●第2章探地雷达的电磁波基本理论
●2.1探地雷达基本原理
●2.2电磁波传播的基本规律
●2.3激励源
●2.3.1布莱克曼-哈里斯脉沖
●2.3.2雷克子波
●2.4完全匹配层吸收边界
●2.4.1坐标伸缩完全匹配层
●2.4.2半空间界面的反射系数和无反射条件
●2.4.3坐标伸缩因子的复数频率移位形式
●第3章探地雷达的时域有限差分法正演理论
●3.1Maxwell方程组和Yee元胞
●3.2直角坐标FDTD更新方程
●3.2.1三维问题的FDTD更新方程
●3.2.2二维问题的FDTD更新方程
●3.2.3一维问题的FDTD更新方程
●部分目录

内容简介

本书介绍探地雷达数值模拟技术及程序实现。全书共六章。靠前章介绍探地雷达数值模拟的历史与现状。第二章介绍探地雷达电磁波方程。第三章到第五章介绍二、三维时域有限差分算法及实例。第五章介绍有限单元法数值模拟及实例。第六章介绍有限单元法及有限差分法的原程序。 冯德山,王珣,戴前伟 著 戴前伟，男，汉族，博士，教授，博士研究生导师。1968年7月出生于湖南省涟源市，1987年-1991年就读于原中南工业大学地质系，获应用地球物理专业学士学位，1991年-1997年硕博连读获中南工业大学应用地球物理专业博士学位，日本东北大学不错访问学者。1997年参加工作，2005年晋升教授，2006年被评为博士生导师。先后担任中南大学地球物理勘察新技术研究所副所长、所长，中南大学信息物理工程学院党委副书记。现为中南大学地球科学与信息物理学院党委书记，学位委员会地质资源与地质工程学科评议组成员、《工程勘察》编委、湖南省地球物理学会副理事长、中国地球物理学会理事。主要从事电磁法勘探理论与应用、工等

复杂地质环境下的电磁波散射与成像技术 本书聚焦于现代地球物理勘探领域中，特别是复杂地质结构背景下，电磁波在地下介质中的传播、散射特性及其反演成像方法。全书紧密围绕如何利用先进的数值模拟技术，构建高精度、高分辨率的地球物理模型，以期解决实际勘探中遇到的诸多难题。 第一部分：电磁波在非均匀介质中的传播理论基础 本部分系统阐述了适用于复杂地层环境的电磁波场正演模拟的理论框架。首先，深入探讨了麦克斯韦方程组在各向异性、非均匀电磁参数介质中的解析与数值求解方法。重点介绍了有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）以及边缘元法（MEM）等主流数值方法在处理复杂边界条件和材料不连续性时的适用性与局限性。 书中对时间域有限差分（T-FDM）方法进行了详尽的推导与分析，特别是针对高精度吸收边界条件（PML）的构建和优化，确保了模型边界对模拟结果的干扰最小化。同时，对比了频域方法在处理宽带源激发信号时的优势，尤其是在建立大规模稀疏矩阵求解体系时的挑战与应对策略。 此外，复杂介质的表征至关重要。本部分详细讨论了如何将实际地质模型（如裂隙带、岩溶、断层破碎带）精确地映射到数值网格中，包括网格自适应细化技术在电磁波传播路径上的应用，以提高对关键地质体边界的描述精度。还包括对介质非线性电磁响应的初步探讨，尽管这通常需要更复杂的本构关系描述。 第二部分：散射理论与逆散射问题的数值建模 逆问题是地球物理勘探的核心。本部分将理论基础延伸至电磁波在复杂目标体上的散射机理，并着重于构建可靠的散射数据反演成像算法。 首先，详细剖析了Born近似和Rytov近似在不同散射强度下的适用范围，并指出了这些线性近似在面对强散射体（如高导或高阻异常体）时失效的根本原因。在此基础上，本书重点介绍了全波形反演（Full Waveform Inversion, FWI）的基本思想及其在电磁波勘探中的发展。 FWI的实现依赖于高效的伴随状态法（Adjoint State Method）来计算目标函数关于模型参数的梯度。本书详细构建了频域和时域下的伴随方程组，并探讨了在处理大规模三维问题时，如何利用GPU加速技术来并行化梯度计算。针对非凸目标函数导致的局部最小值问题，本书探讨了正则化技术（如Tikhonov正则化、L1范数约束）和预处理技术（如预条件共轭梯度法）在稳定和加速收敛过程中的作用。 特别地，针对地表高程起伏和近地表不均匀性对浅层成像质量的影响，书中提出了一种分层迭代的成像策略，即先利用简单模型反演出背景场，再将背景场作为先验信息嵌入到后续的精细反演迭代中，以有效抑制表面波和高次谐波的干扰。 第三部分：面向特定应用场景的数值模拟与数据解释 本部分将理论和算法应用于实际的地球物理勘探场景，展示数值模拟在解决实际工程问题中的能力。 3.1 浅层大功率电磁勘探模拟： 针对浅层高导环境下的瞬变电磁法（TEM）和频率域电磁法（FDEM），本书侧重于模拟电磁场在强衰减和高背景电导率介质中的演化过程。讨论了如何通过高动态范围的数据采集模拟来优化接收器的布局，并设计了专门用于去除或补偿工业噪声干扰的滤波算法。在模型构建上，重点模拟了城市化区域常见的人工金属管线和地下构筑物对电磁场的“遮蔽效应”。 3.2 深部介质结构探测的数值挑战： 在深部地壳和地幔结构研究中，勘探深度远大于源-接收偏移距，这要求数值模拟必须具备极高的计算效率和极大的模型空间覆盖能力。本书探讨了长偏移距激发源（如走深源）的场源建模技术，以及如何利用高阶有限元方法来精确描述长波长、低频信号的传播特性。针对深部岩浆活动等高风险目标，书中详细阐述了如何通过多物理场耦合模拟（如电性与热力学的初步耦合）来约束地质模型的物理参数范围。 3.3 复杂断裂带与矿体识别： 在油气和矿产资源勘探中，复杂断裂带往往是流体运移或矿化富集的关键控制因素。本书展示了如何利用数值模拟来区分由裂隙密度变化引起的电导率梯度与由含矿硫化物引起的离散电导率异常。模拟过程特别关注了各向异性参数（如电导率的主方向）对电磁响应的敏感性，并指导了如何通过优化观测几何（如垂直电磁法 VTEM 的俯视采集）来最大化对各向异性特征的识别能力。 第四部分：面向实际工程的数据处理与可视化 模拟的最终目的是服务于数据解释。本部分侧重于将庞大的模拟数据集转化为直观、可解释的工程成果。 首先，介绍了如何生成具有真实噪声特征的“合成数据”，用于测试和优化实际数据处理流程的鲁棒性。这包括对环境噪声、仪器噪声以及源偏离误差的统计建模。 其次，详细描述了三维电磁数据的成像后处理技术，包括基于波的成像技术，如迁移成像（Migration Imaging）在电磁场中的应用，旨在将散射能量准确地定位到地下真实地质界面上。讨论了如何有效地将数值模拟结果与地质信息进行约束融合，例如，利用已知的钻孔数据或地震资料来限制反演过程中模型参数的物理合理性。 最后，本书提供了多种三维可视化方案，用于展示电磁场在复杂模型中的分布、反演结果的置信度图以及不同迭代步长下的模型收敛趋势，帮助使用者从直观上理解数值模拟对地下结构识别的贡献。 本书旨在为地球物理、石油天然气、环境与工程地质等领域的科研人员和工程技术人员提供一套严谨的理论指导和实用的数值工具框架，以期在复杂地质环境下实现更精准、更可靠的电磁波场探测与成像。

评分☆☆☆☆☆

我接触过不少关于地球物理勘探的专业书籍，但很少有能像这本书一样，在“计算”与“实现”这两个维度上做得如此详尽和深入。作者显然是一位深谙编程艺术的实践者，他不仅仅是提出了算法，更是在引导读者如何将这些复杂的数学模型转化为高效、稳定的计算机程序。书中对数值离散化误差的控制策略、内存管理的高效技巧，以及在不同硬件平台上进行并行计算的初步思路，都进行了非常实用的阐述。特别是关于边界吸收层（PML）的具体代码实现细节，那些教科书里往往被简化处理的“陷阱”问题，作者都在这里进行了坦诚的剖析和解决方案的提供。这对于我们这些需要搭建自有仿真平台的工程师来说，简直是省去了无数次试错的弯路。这种“手把手”的指导风格，使得这本书更像是一位耐心的导师，而不是冷冰冰的参考手册。它成功地弥合了纯理论研究与实际软件开发之间的鸿沟，让读者真正拥有了从零开始构建一个强大模拟工具的能力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容组织逻辑性极强，简直是一部严谨的学术史诗。作者似乎对这个学科的发展脉络有着超乎寻常的掌控力，他没有采取简单的技术罗列，而是构建了一个清晰的、层层递进的知识体系框架。初读之下，你会发现它从最基础的麦克斯韦方程组的推导开始，每一步都走得极其扎实，仿佛在为读者打下坚不可摧的地基。随后，关于各种边界条件处理的讨论，展示了作者处理实际工程问题的深厚经验，那些教科书上往往一笔带过、却在实际操作中困难重重的环节，在这里被剖析得淋漓尽致。我尤其欣赏作者在介绍不同数值方法（比如有限差分、有限元等）时的对比分析。他没有偏袒任何一种方法，而是客观地指出了每种方法的适用范围、优缺点以及在特定地下结构建模中的局限性，这种辩证的思维方式，让读者能真正掌握“选择”的艺术，而不是盲目套用公式。这种由宏观理论到微观细节，再到工程实践的递进结构，保证了即便是初学者也能步步为营，而资深研究人员也能从中找到新的启发点。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计实在太用心了，拿到手里就能感受到作者对细节的打磨。封面那深邃的蓝色调，配上精妙的几何线条和微光处理，立刻就营造出一种探索未知、深入地下的神秘感。内页纸张的质地也非常考究，触感温润，即便是长时间阅读也不会感到疲劳。我特别喜欢那种清晰锐利的印刷字体，每一个公式、每一个图表的线条都界限分明，这对于理解复杂的理论模型至关重要。翻开前言，就能察觉到作者在遣词造句上的深厚功力，他没有直接抛出干涩的技术术语，而是像一位经验丰富的老教授在循循善诱，用一种近乎诗意的笔触引导读者进入这个高深莫测的领域。比如，他描述电磁波在复杂介质中传播的场景时，那种画面感极强的文字，一下子就将原本抽象的物理概念具象化了。这种对阅读体验的重视，远超出了普通技术书籍的范畴，更像是一件精心制作的艺术品。这本书的排版布局也值得称赞，章节之间的过渡自然流畅，大量的插图和案例分析穿插得恰到好处，使得整个阅读过程像是在进行一次有条不紊的、充满美感的认知旅程，而不是枯燥的知识堆砌。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值体现在它所提供的“思维工具箱”，而非仅仅是知识点的堆砌。通过阅读，我深刻体会到作者对研究范式的理解和把握。他不仅展示了如何解决既有的、经典的问题，更重要的是，他培养了我们面对未来未知挑战的能力。在探讨反演问题的章节中，作者着重阐述了数据不足和噪声干扰对结果可靠性的影响，并提出了基于贝叶斯框架的概率性解释方法，这体现了当代地球物理研究的前沿趋势——从确定性走向不确定性量化。这种前瞻性的视野，让这本书的内容保持了很强的生命力，不会因为技术的快速迭代而过时。更让我受益匪浅的是作者在某些案例分析中展现出的批判性思维：他敢于质疑传统模型的局限性，并勇敢地尝试引入新的数学工具来克服这些障碍。这种勇于创新、不拘泥于既有框架的精神，比任何一个具体的公式都要宝贵，它激励着我们以更加开放和审慎的态度去面对未来的科研工作。

评分☆☆☆☆☆

这本书在理论深度和工程实用性之间找到了一个近乎完美的平衡点，这在同类著作中是极其罕见的。它不仅仅停留在对现有方法的介绍，更深层次地揭示了背后的物理机制和数学原理。书中对电磁波在非均匀、各向异性介质中传播的散射理论进行了深入的探讨，很多公式的推导过程被细致地展示出来，对于那些希望从根本上理解算法“黑箱”的读者来说，简直是福音。我花了好大力气去啃那些关于高频近似和低频极限的章节，发现作者在处理这些复杂条件下的近似误差分析时，展现了惊人的数学功底。更令人惊喜的是，这种高屋建瓴的理论讨论，很快就会被转化成具体的工程应用场景。例如，在介绍如何优化探地雷达的发射源波形时，作者不仅给出了理论模型，还结合了实际探查浅层地质构造的案例，明确指出在何种频率范围内，哪种波形能最大程度地抑制表面杂波。这种“知其然，更知其所以然”的写作风格，极大地提升了这本书的价值上限。