基于稀疏特性的地下管线电磁散射高效算法研究

Nowadays, the buried pipes play an important role for our modern city. In order to avoid the accidents caused by confused management in city updating and expansion, it is necessary and meaningful to research on detection method for buried pipes. Since the merit of ground penetrating radar is efficient, non-destructive and high resolution, it becomes the most attractive research field for detection of buried pipeline. However, the irregular layered soil and the inhomogeneous meida make the underground environment much complex. Accordingly, it is inaccurate for traditional ground penetrating radar to detect the underground pipes. This issue aims at exploring new numerical algorithms for accurate calculation of scattering from buried pipes. An EM scattering feature library of buried pipeline will be built by new numerical algorithms and used to improve the results of pipeline detection. In order to further reduce the computation complexity, the sparse property of coupling and scattering field is exploited to generate more efficient algorithms. The EM theory of underground pipeline is able to be verified and improved by both of the simulation and experiment. The study of this issue will provide the theory, simulation and experimental verification for accurate detection of buried pipes.

目前地下管线已成为城市赖以生存的物质基础，研究地下管线的探测方法，在城市的改建、扩建工程中，能够避免因管理分散带来的各类安全事故，具有重大的意义。探地雷达具有高效、无损、高分辨率的特点，是当前地下管线探测中最具吸引力的研究方向。通常地下环境具有不规则的层状结构，且媒质呈现不均匀的特点，使传统探地雷达技术探测地下管线时，存在难以识别、精度不高的问题。本课题拟研究积分类数值算法，精确计算地下管线的电磁散射，进而建立管线的电磁散射特征库，提高管线的探测精度。针对数值算法中计算复杂度高的难题，利用地下管线耦合场、散射场中蕴含的稀疏性，研究更为高效的混合算法，从根本上降低数值算法的计算时间。数值仿真和外场测量相结合，改进理论研究结果。课题的研究将为地下管线的精确探测提供理论依据、仿真数据和实验验证。

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，主要包括给水、排水、燃气、电力、电信、热力、工业等流程元素，这些元素是城市发展的“血管”和“神经”，日夜担负着输送物质、能量和信息的作用，是城市赖以生存的物质基础。研究地下管线的探测方法，在城市的改建、扩建工程中，能够避免因管理分散带来的各类安全事故，具有重大的意义。探地雷达具有高效、无损、高分辨率的特点，是当前地下管线探测中最具吸引力的研究方向。通常地下环境具有不规则的层状结构，且媒质呈现不均匀的特点，使传统探地雷达技术探测地下管线时，存在难以识别、精度不高的问题。本课题研究积分类数值算法，利用矩量法求解积分方程，精确计算地下管线的电磁散射，进而建立地下管线的电磁散射计算平台，提高管线的探测精度。计算平台的搭建，兼顾考虑了不同材质管线所带来的问题，并提出了一种连接策略处理多目标时的电磁耦合问题。针对数值算法中计算复杂度高的难题，利用地下管线远区耦合场的稀疏性，采用基于ACA的矩阵压缩方法，降低计算复杂度；利用多激励源的相关性，提出自适应插值和ACA相结合的右边向量压缩方法，降低方程求解次数和采样率，从而提升计算效率，降低计算时间。数值仿真获得的计算结果，用来改进理论研究结果。课题的研究将为地下管线的精确探测提供理论依据和仿真数据。