GPRMAX2D知識(shí)點(diǎn)匯總

1、GPRMAX2D知識(shí)點(diǎn)匯總GprMax是愛(ài)丁堡大學(xué)的Antonis Giannopoulos于1996年推出來(lái)的一種基于時(shí)域有限差分（FDTD）算法和理想匹配層（PML）邊界吸收條件的探地雷達(dá)正演數(shù)值模擬軟件，用于探地雷達(dá)成像研究。其中，GprMax2D是二維正演，GprMax3D為三維正演。該軟件可以在Windows、Linux和MacOS三個(gè)平臺(tái)上使用。本文主要針對(duì)Windows平臺(tái)進(jìn)行說(shuō)明。一、軟件獲得該軟件為免費(fèi)軟件，可以去GprMax官網(wǎng)下載。也可點(diǎn)此直接下載。二、準(zhǔn)備工作軟件無(wú)需安裝，下載后用解壓工具解壓，找到Windows文件夾，直接雙擊GprMax2D.exe即可運(yùn)行。但是為了

2、方便批量模擬，建議把Windows文件夾下的文件（cygwin1.dll、GprMax2D.exe和GprMax3D.exe）全部復(fù)制到系統(tǒng)盤系統(tǒng)搜索路徑下，例如：C:Windows。如果只進(jìn)行二維正演，只復(fù)制cygwin1.dll和GprMax2D.exe即可。當(dāng)然也可放在任意路徑下，只要使用時(shí)包含所在路徑就OK了。筆者習(xí)慣放在系統(tǒng)要目錄下，即C:。另外，最好建立一個(gè)輸入文件和模擬結(jié)果存放的專用文件夾，并且把tools文件夾下的文件（gprmax.m、gprmax2g.m、gprmax3g.m、gprmaxde.m和gprmaxso.m）全部復(fù)制到該專用文件夾下，注意文件夾名最好使用英文。如

3、果只進(jìn)行二維正演，只復(fù)制gprmax.m和gprmax2g.m即可。筆者習(xí)慣使用D:GPR。正演結(jié)果需要用MATLAB進(jìn)行繪圖，因此需要安裝有MATLAB軟件。軟件下載地址和安裝方法此處不再說(shuō)明，以后使用將假設(shè)讀者已經(jīng)成功安裝MATLAB軟件。三、軟件使用一般進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)通常都是若干個(gè)對(duì)比模型進(jìn)行模擬，因此本文只介紹批量模擬的方法。如此一來(lái)，筆者將認(rèn)為讀者的軟件和筆者一樣放在C:，輸入文件和gprmax.m、gprmax2g.m文件已經(jīng)放在D:GPR。欲進(jìn)行正演模擬需要先建立輸入文件，輸入文件的建立將在后面介紹，此處假設(shè)在D:GPR已經(jīng)有若干輸入文件，文件名分別為fname1.in，fnam

4、e2.in，fname3.in。打開(kāi)記事本，寫入以下兩行直線間的內(nèi)容，另存為*.bat文件，例如：GPR.bat。其中括號(hào)里的內(nèi)容為本條語(yǔ)句的說(shuō)明。-path C:;%path% (把軟件所在路徑包含進(jìn)系統(tǒng)搜索路徑)cd/d D:GPR (設(shè)置專用文件夾路徑為活動(dòng)路徑)gprmax2d D:GPRfname1.in （按順序進(jìn)行批量正演模擬）gprmax2d D:GPRfname2.ingprmax2d D:GPRfname3.in-完成后保存并關(guān)閉，然后雙擊運(yùn)行*.bat文件即可進(jìn)行批量正演模擬四、建立輸入文件輸入文件是純文本文件，可以用任何文字處理程序編輯，而且內(nèi)容全部為英文。打開(kāi)記事本，

5、寫入輸入文件內(nèi)容，另存為*.in即可。輸入文件必需包括模擬模型的所有必要信息，每一個(gè)有效命令行都必須以符號(hào)（#）開(kāi)始，否則該命令行無(wú)效。所有命令的一般語(yǔ)法為：#命令名: 參數(shù)1 參數(shù)2 參數(shù)3 為了方便介紹GprMax2D的命令及參數(shù)，做了以下約定：f 代表實(shí)數(shù)，如1.5i 代表整數(shù)，如15c 代表單個(gè)字母，如ystr 代表字條串，如airfile 代表文件名，如test.in所有的長(zhǎng)度單位均為m所有的時(shí)間單位均為s所有的頻率單位均為Hz模型空間的坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0）在左下角輸入文件中除了#analysis:和#end_analysis:命令外，先后順序一般是沒(méi)有要求的。GprMax2D 2.0

6、版一共有32個(gè)命令：-#title: str輸出文件的標(biāo)題，包含在輸出文件中。#domain: f1 f2指定模型空間大小，單位是米。f1 x方向的大小f2 y方向的大小#dx_dy: f1 f2指定網(wǎng)格步長(zhǎng)，單位是米。f1 x方向的步長(zhǎng)，即xf2 y方向的步長(zhǎng)，即y模型劃分的網(wǎng)格數(shù)目是由#domain:和#dx_dy:兩個(gè)命令共同決定的。網(wǎng)格劃分越小模型越精確，但模擬的計(jì)算量也越在，需要權(quán)衡確定。#time_step_stability_factor: f1時(shí)間步長(zhǎng)的穩(wěn)定系數(shù)，取值范圍（0，1，實(shí)際使用時(shí)間為f1t。#time_window: f1 or i1時(shí)窗大小，單位是秒。f1 為時(shí)窗

7、，如f1=16e-9，時(shí)窗為16nsi1 為時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)，時(shí)窗為i1t。#messages: c1是否開(kāi)啟屏幕信息。y(es)開(kāi)啟n(o)關(guān)閉，默認(rèn)n。#number_of_media: i1介質(zhì)數(shù)目，i1應(yīng)大于10。系統(tǒng)分配了10種介質(zhì)（自由空間即空氣free_space，金屬pec和8種用戶自定義介質(zhì)）的內(nèi)存空間，當(dāng)模型中使用介質(zhì)數(shù)量超過(guò)10種時(shí)需要使用該命令。#nips_number: i1指定分配的空間。存儲(chǔ)重要信息模型的數(shù)組大小可以在內(nèi)部計(jì)算，但通常比實(shí)際需要的大，可以使用較小的數(shù)字節(jié)省空間。如果分配過(guò)小，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤并提醒分配更多空間#media_file: file1要包含的介質(zhì)

8、文件的文件名（如果有必要還包括文件路徑）。介質(zhì)文件格式為：# f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1參數(shù)的具體含義參考#medium:命令。#geometry_file: file1存儲(chǔ)模型文件（*.geo）。#medium: f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1在輸入文件中定義介質(zhì)屬性。f1 靜態(tài)時(shí)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)f2 在理論上的無(wú)限頻率的相對(duì)介電常數(shù)f3 介質(zhì)的弛豫時(shí)間（秒）f4 靜態(tài)時(shí)介質(zhì)的電導(dǎo)率（西門子/米）f5 相對(duì)磁導(dǎo)率的介質(zhì)f6 介質(zhì)的磁導(dǎo)率str1 介質(zhì)的名稱如果不想使用debye介質(zhì)，可設(shè)置f3為0.0，此時(shí)系統(tǒng)將只使用f1和f4來(lái)描述介質(zhì)介電性能。如果介質(zhì)為

9、非磁性，則設(shè)置f5為1.0，f6為0.0。如果使用f3的值，該值應(yīng)始終高于模型中使用的時(shí)間步長(zhǎng)t。-該組命令不建議使用，除非是熟悉ABC的人用來(lái)定制和優(yōu)化吸收邊界條件。#abc_type: pml恢復(fù)默認(rèn)的PML邊界。#abc_order: i1ABC次序。取值范圍1，2，3，默認(rèn)為3。次序越低，性能越差。#abc_stability_factors: f1 f2 f3指定ABC的穩(wěn)定系數(shù)。#abc_optimization_angles: f1 f2 f3優(yōu)化ABC為特定的入射角。#abc_mixing_parameters: f1 f2 f3 f4 f5 f6改變使用ABC的時(shí)間和偏導(dǎo)數(shù)的

10、離散化。默認(rèn)使用box。#pml_layers: i1指定PML使用的網(wǎng)格數(shù)量。默認(rèn)為8。數(shù)量越多性能越佳。-#box: f1 f2 f3 f4 str1使用定義好的介質(zhì)定義一個(gè)矩形模型。f1 矩形左下角x坐標(biāo)，單位米f2 矩形左下角y坐標(biāo)，單位米f3 矩形右上角x坐標(biāo)，單位米f4 矩形右上角y坐標(biāo)，單位米str1 使用的介質(zhì)的名稱#cylinder: f1 f2 f3 str1使用定義好的介質(zhì)定義一個(gè)圓形模型。f1 圓心x坐標(biāo)，單位米f2 圓心y坐標(biāo)，單位米f3 圓半徑R，單位米str1 使用的介質(zhì)的名稱#x_segment: f1 f2 f3 f4 f5 str1使用定義好的介質(zhì)定義一個(gè)圓

11、沿x軸裁剪的模型。f1 圓心x坐標(biāo)，單位米f2 圓心y坐標(biāo)，單位米f3 沿x軸開(kāi)始的位置f4 沿x軸結(jié)束的位置f5 圓半徑R，單位米str1 使用的介質(zhì)的名稱#y_segment: f1 f2 f3 f4 f5 str1使用定義好的介質(zhì)定義一個(gè)圓沿y軸裁剪的模型。f1 圓心x坐標(biāo)，單位米f2 圓心y坐標(biāo)，單位米f3 沿y軸開(kāi)始的位置f4 沿y軸結(jié)束的位置f5 圓半徑R，單位米str1 使用的介質(zhì)的名稱#triangle: f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1f1 第一頂點(diǎn)x坐標(biāo)，單位米f2 第一頂點(diǎn)y坐標(biāo)，單位米f3 第二頂點(diǎn)x坐標(biāo)，單位米f4 第二頂點(diǎn)y坐標(biāo)，單位米f5 第三頂點(diǎn)x坐

12、標(biāo)，單位米f6 第三頂點(diǎn)y坐標(biāo)，單位米str1 使用的介質(zhì)的名稱模型的建立是有先后順序的，后建立的模型會(huì)把先建立的模型覆蓋住。-該組命令是數(shù)值模擬的核心。一個(gè)輸入文件中可以出現(xiàn)多組數(shù)值模擬命令，但是數(shù)值模擬的控制命令必須放在#analysis:和#end_analysis:之間。#analysis: i1 file1 c1數(shù)值模擬開(kāi)始的命令。i1 總步數(shù)file1 模擬結(jié)果輸出文件名（*.out）c1 類型，取值范圍a（文本文件）或b（二進(jìn)制文件）#end_analysis:數(shù)值模擬結(jié)束的命令，無(wú)參數(shù)。#tx: f1 f2 str1 f3 f4發(fā)射天線的屬性。f1 發(fā)射天線位置的x坐標(biāo)，單位米

13、f2 發(fā)射天線位置的y坐標(biāo)，單位米str1 定義過(guò)的發(fā)射天線的名稱f3 發(fā)射天線的延遲時(shí)間f4 發(fā)射天線的清除時(shí)間#rx: f1 f2接收天線的屬性。f1 接收天線位置的x坐標(biāo)，單位米f2 接收天線位置的y坐標(biāo)，單位米#rx_box: f1 f2 f3 f4 f5 f6接收區(qū)域的屬性。f1 接收區(qū)域左下角的x坐標(biāo)，單位米f2 接收區(qū)域左下角的y坐標(biāo)，單位米f3 接收區(qū)域右上角的x坐標(biāo)，單位米f4 接收區(qū)域右上角的y坐標(biāo)，單位米f5 接收區(qū)域在x軸的步長(zhǎng)，即x，單位米f6 接收區(qū)域在y軸的步長(zhǎng)，即y，單位米#snapshot: i1 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 file1 c1或#

14、snapshot: i1 f1 f2 f3 f4 f5 f6 i2 file1 c1獲取模型一個(gè)區(qū)域內(nèi)，某一時(shí)刻的電磁場(chǎng)的快照。i1 第幾道的掃描，值介于1和#analysis:命令中的總步數(shù)。f1 區(qū)域左下角的x坐標(biāo)，單位米f2 區(qū)域左下角的y坐標(biāo)，單位米f3 區(qū)域右上角的x坐標(biāo)，單位米f4 區(qū)域右上角的y坐標(biāo)，單位米f5 區(qū)域在x軸方向上的采樣間隔，單位米f6 區(qū)域在y軸方向上的采樣間隔，單位米f7 快照的時(shí)刻，單位秒i2 快照的迭代次數(shù)file1 快照存儲(chǔ)的文件名（*.out）c1 類型，取值范圍a（文本文件）或b（二進(jìn)制文件）#tx_steps: f1 f2發(fā)射天線的移動(dòng)步長(zhǎng)。f1 發(fā)

15、射天線沿x軸的移動(dòng)步長(zhǎng)，單位米f2 發(fā)射天線沿y軸的移動(dòng)步長(zhǎng)，單位米#rx_steps: f1 f2接收天線的移動(dòng)步長(zhǎng)。f1 接收天線沿x軸的移動(dòng)步長(zhǎng)，單位米f2 接收天線沿y軸的移動(dòng)步長(zhǎng)，單位米-#line_source: f1 f2 str1 str2f1 發(fā)射天線的振幅f2 發(fā)射天線的頻率str1 信號(hào)波形，有五種： cont_sine 連續(xù)正弦波 sine 脈沖正弦波 gaussian 高斯波 ricker 雷克子波 user 用戶自定義的激勵(lì)函數(shù)str2 發(fā)射天線的名稱#excitation_file: str1選擇用戶自定義的激勵(lì)文件。自定義激勵(lì)文件是文本文件。-五、MATLAB繪

16、圖筆者使用MATLAB7.0，以該版本為例進(jìn)行說(shuō)明，其他版本可參考使用。為方便說(shuō)明，筆者假設(shè)讀者已對(duì)MATLAB具有最基本的了解和使用能力，同時(shí)主要以命令來(lái)完成操作。讀者若對(duì)MATLAB一無(wú)所知，請(qǐng)另行學(xué)習(xí)。1.設(shè)定當(dāng)前目錄和搜索路徑。-cd D:GPR %設(shè)定當(dāng)前目錄 addpath D:GPR %設(shè)定本次搜索路徑-2.模型文件繪圖-geo = fname1.geo;mesh,header,media = gprmax2g(geo);M,N = size(mesh); %獲取模型大小imagesc(1:N)*header.dx,(1:M)*header.dy,mesh) %繪圖xlabel(

17、Distance/m); %設(shè)置x軸標(biāo)簽ylabel(Depth/m); %設(shè)置y軸標(biāo)簽-3.輸出文件繪圖-out = fname1.out;Header,Fields = gprmax(out);NN = 1:Header.NSteps; %移動(dòng)次數(shù)Position = Header.dx*Header.tx+(NN-1)*Header.dx*Header.TxStepX); %天線每次所在位置Data(:,:) = Fields.ez(:,1,:); %轉(zhuǎn)換數(shù)組格式imagesc(Position,Fields.t*1e9,Data) %繪圖colorbar; %顯示色彩條xlabel(D

18、istance/m); %設(shè)置x軸標(biāo)簽ylabel(Time/ns); %設(shè)置y軸標(biāo)簽-繪出的圖像請(qǐng)及時(shí)保存。例子：#medium: 6.0 0.0 0.0 0.01 1.0 0.0 concrete#medium: 20.0 0.0 0.0 0.1 1.0 0.0 wet_sand-#domain: 2.5 0.5#dx_dy: 0.0025 0.0025#time_window: 12e-9-#box: 0.0 0.0 2.5 0.45 wet_sand- Get a cylinder of free space and then put a slab of concrete to cut it in half -#cylinder: 1.05 0.3 0.2 free_space #box: 0.0 0.3 2.5 0.45 concrete#cylinder: 0.25 0.375 0.0125 pec#cylinder: 0.45 0.375 0.0125 pec#cylinder: 0.65 0.375 0.0125 pec #cylinder: 0.85 0.375 0.0125 pec #cylinder: 1.05 0.