基于gprMax和matlab的复杂地下模型正演----以地下空洞为例

概要

gprMax 非均匀介质建模,如地下空洞、富水等等

整体架构流程

1.利用python或matlab生成h5文件
2.导入gprMax的in文件中
3.为h5文件的格个网格填充介电常数
4.gprMax正演开始
5.matlab或python处理out文件(一般只做增益即可)

技术细节

以探测公路空洞为例
matlab生成h5文件,代码如下

close all
clear
clc

% 此程序是写gprmax随机介质建模的几何文件
% 创建任意随机介质
% 创建地下层状多相随机介质

% 给定网格单元边长
dx = 0.002;
dy = 0.002;
dz = 0.002;

% 网格单元个数,注意x,y,x的方向
nex = 1;
ney = 1000;
nez = 2000;

% 设置保存的文件名
file_name = 'kongdong.h5';
if exist(file_name, 'file') == 2
    % 如果文件存在,删除文件
    delete(file_name);
end
% 创建一个HDF5文件
h5create(file_name,'/data',[nex ney nez]);
dx_dy_dz = [dx dy dz];

% 创建一个充满随机数的大矩阵
data = zeros(nex,ney,nez);

% 第一层填充0
% 第一层默认为0
data(:,1
### GPRMax空洞模拟的实现 #### 创建复杂地下模型并定义空洞结构 为了在GPRMax中创建复杂地下模型,特别是带有空洞的情况,可以采用Python或MATLAB来生成HDF5文件作为输入数据。这些工具能够精确控制模型中的每一个细节,从而确保空洞位置、大小以及周围介质属性得到准确表示[^3]。 ```python import h5py import numpy as np def create_cavity_model(filename, dimensions, cavity_position, cavity_size): """ Create an HDF5 file with a defined cavity structure. :param filename: Name of the output HDF5 file :param dimensions: Tuple (nx, ny, nz) representing grid size :param cavity_position: Center point coordinates for the cavity within the model space :param cavity_size: Dimensions tuple (dx, dy, dz) indicating extent along each axis Example usage: >>> create_cavity_model('cavity.h5', (100, 100, 100), (50, 50, 50), (20, 20, 20)) """ nx, ny, nz = dimensions dx, dy, dz = cavity_size cx, cy, cz = cavity_position # Initialize array filled with background material properties epsilon_r = np.ones((nz, ny, nx)) * 8.9 # Background relative permittivity value # Define air-filled cavity by setting its region to have lower dielectric constant z_start, y_start, x_start = int(cz-dz/2), int(cy-dy/2), int(cx-dx/2) z_end, y_end, x_end = int(cz+dz/2)+1, int(cy+dy/2)+1, int(cx+dx/2)+1 epsilon_r[z_start:z_end, y_start:y_end, x_start:x_end] = 1.0 # Save data into HDF5 format compatible with gprMax f = h5py.File(filename,'w') ds_epsilon = f.create_dataset('/dielectric_materials/relative_permittivity', shape=(nz,ny,nx), dtype='f4', compression="gzip", compression_opts=9, ) ds_epsilon[:] = epsilon_r[:] f.close() ``` 此函数`create_cavity_model()`用于构建具有指定尺寸位置的空气腔体,并将其保存为适合gprMax读取的`.h5`格式文件。通过调整参数,可轻松改变空洞的具体形态及其所在环境特性。 #### 导入至gprMax IN文件配置 一旦完成了上述步骤,在IN文件里引入所生成的HDF5文件就变得简单明了: ```plaintext # Import geometry from external HDF5 file containing dielectric constants distribution geometry_view 'cavity.h5' /dielectric_materials/ ``` 这段指令告诉gprMax去加载外部存储器上的特定路径下的材料属性分布情况,进而完成整个场景搭建工作。 #### 执行仿真过程与结果分析 启动仿真实验之后,最终会获得一系列输出文件(通常是`.out`),其中包含了随时间变化而产生的电磁波响应信息。对于这类数据集来说,通常只需要执行简单的增益处理便能直观展示出探测信号特征;当然也可以借助Paraview这样的可视化软件进一步深入探究内部物理现象[^1]。
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