GprMax中文说明书
GprMax中GprMax2D的使用方法
V1.3
实验环境：
操作系统：Windows7
软件版本：MATLAB7.1&GprMaxV2.0
参考资料：
[1]UserGuideV2.pdf
一、GprMax2D软件使用
1.1 直接运行
..\GprMaxV2.0\Windows文件夹下的GprMax2D.exe文件，会出现以下窗口(也可以在命令提示符窗口输入命令运行) ：
1.2 输入文件名
注意：要输入文件的全路径；*.in文件只要出现任何语法错误或者路径错误，软件都会自动关闭，不会有任何错误提示。
出现以下画面(以自带例子文件bre1.in为例，*.in的命令参考前面的文章或[1])：
运行完毕会发现..\GprMaxV2.0\Windows文件夹下多了两个文件bre1.out、bre1.geo文件，复制到tools文件夹。
二、数据成像
tools文件夹下有五个m文件：gprmax.m，gprmax2g.m, gprmax3g.m, gprmaxde.m , gprmaxso.m。
这里只讲gprmax2g.m，gprmax.m这两个文件的用法，其他三个以后有空再写。gprmax3g.m是处理GprMax3D的几何数据的；gprmaxde.m用来计算Debye公式(参考[1])介电常数的；gprmaxso.m用于计算激励函数的。
2.1 gprmax2g.m的使用方法
gprmax2g函数用于读取GprMax2D软件仿真探地雷达模型生成的二进制几何数据。
gprmax2g函数的原型：
[mesh,header,media] = gprmax2g( 'filename' )
filename是.geo文件名；
media: 存储介质类型，media.type；
header: 存储模型的几何参数；
header.title: 模型的名称；
header.dx: 模型在X轴每次偏移大小(单位:m)；
header.dy: 模型在Y轴每次偏移大小(单位:m)；
header.dt: 最大允许时间步长(单位:秒)；
header.nx: 模型在X轴的偏移次数；
header.ny: 模型在Y轴的偏移次数；
例子：如输入文件*.in中定义：
#domain: 2.5 0.65
#dx_dy: 0.0025 0.0025
那么：header.dx=0.0025; header.dy=0.0025;
header.dt = 1/(c*sqrt(1/header.dx^2+1/header.dy^2)); (其中c=299792458，为光速，公式参考[1]);
header.nx=2.5/0.0025=1000; header.ny=0.65/0.0025=260;
mesh: 存储模型数据，M x N的数组，其中M为Y轴方向的Yee单元数目，N为X轴方向的Yee单元数目；M=header.nx，N=header.ny；
gprmax2g.m的使用例子：
filegeo = 'bre1.geo';
[meshdata,header,media]=gprmax2g(filegeo);
figure(1);
[MM,NN]=size(meshdata);
imagesc((1:NN)*header.dx,(1:MM)*header.dy,meshdata)
axis('equal');
xlabel('x(m)');
ylabel('y(m)');
2.2 gprmax.m的使用方法
gprmax函数用于读取GprMax2D与GprMax3D软件仿真探地雷达模型生成的二进制波形数据。
gprmax函数的原型：
[Header, Fields] = gprmax( 'filename' )
filename是.out文件名；
1) Header：该变量包括以下成员：
Header.title: 模型的名称；
Header.iterations: 迭代次数；
Header.dx: 在X轴每次偏移大小；
Header.dy: 在Y轴每次偏移大小；
Header.dt: 最大允许时间步长；
Header.NSteps: 仿真次数；等于*.in文件中#analysis:命令的第一个参数；
例子：如输入文件*.in中定义：
#domain: 2.5 0.65
#dx_dy: 0.0025 0.0025
#time_window: 12e-9
……
#analysis: 115 bre1.out b
#tx: 0.0875 0.4525 MyLineSource 0.0 12e-9
#rx: 0.1125 0.4525
#tx_steps: 0.02 0.0
#rx_steps: 0.02 0.0
#end_analysis:
……
那么，Header.iterations=ceil(Header.removed/Header.dt)；
Header.dx=0.0025；Header.dy=0.0025；
Header.dt= 1/(c*sqrt(1/Header.dx^2+1/Header.dy^2));
Header.NSteps=115；
Header.TxStepX=0.02/Header.dx=8; Header.TxStepY=0.0/Header.dy=0; Header.RxStepX=0.02/Header.dx=8; Header.RxStepY=0.0/Header.dy=0; Header.ntx:
Header.nrx:
Header.nrx_box:
Header.tx=0.0875/Header.dx=35；
Header.ty=0.4525/Header.dy=181；
Hea der.source=’MyLineSource’；
Header.delay=0；(等于#tx:命令的第四个参数)
Header.removed=12e-9；(等于#tx:命令的第五个参数)
Header.rx=0.1125/Header.dx=45；
Header.ry=0.4525/Header.dy=181；
2)Fields: 该变量包括以下成员：
Fields.t: 每个波形的时间轴。数组大小Header.iterations*1；
Fields.ez: Z轴方向磁矢量数据。数组大小Header.iterations*1* Header.NSteps；Fields.hx: X轴方向电矢量数据。数组大小Header.iterations*1* Header.NSteps；
Fields.hy: Y轴方向电矢量数据。数组大小Header.iterations*1* Header.NSteps；由于GprMax仿真是基于FDTD算法的，以上三者的关系为：
详细可参考FDTD算法的相关文献。
gprmax.m的使用例子：
fileout = 'bre1.out';
[Header,Fields]=gprmax(fileout);
N=1:Header.NSteps; %移动次数
Position=Header.dx*Header.tx+(N-1)*(Header.dx*Header.TxStepX); %天线每次所在位置
Data(:,:)=Fields.ez(:,1,:); %转换数组格式
figure(2);
imagesc(Position,Fields.t*1e9,Data);%画图
colorbar
xlabel('Antena Position (m)');
ylabel('t(ns)');
GprMaxV2.0中GprMax2D输入文件的命令实验环境：
操作系统：Windows 7
软件版本：MATLAB 7.1 & GprMaxV2.0
参考文献：
GprMaxV2.0软件manual文件夹下的UserGuideV2.pdf。GprMaxV2.0下载地址：https://www.wendangku.net/doc/8713788189.html,/Download.html
说明：翻译得不好，还望大家见谅，因为我也是边看边译的。
3.1 GprMax2D命令的一般注意事项
为了描述GprMax2D/3D命令及其参数，我们作以下约定：
f表示浮点数(如1.5或15e-1、1.5e1)
i表示整数
c表示字符
str表示字符串
file表示输入文件名
所有空间距离的基本单位为米
所有时间的基本单位为秒
所有频率参数的基本单位是Hz
3.2 GprMax2D 2.0版本共有32条命令：
#title:
#domain:
#dx_dy:
#time_step_stability_factor:
#time_window:
#messages:
#number_of_media:
#nips_number:
#media_file:
#geometry_file:
#medium:
#abc_type:
#abc_order:
#abc_stability_factors:
#abc_optimization_angles: #abc_mixing_parameters: #pml_layers:
#box:
#cylinder:
#x_segment:
#y_segment:
#triangle:
#analysis:
#end_analysis:
#tx:
#rx:
#rx_box:
#snapshot:
#tx_steps:
#rx_steps:
#line_source:
#excitation_file:
以下可以运行于GprMax中的命令在GprMax2D版本2.0中将不再支持：
#scan:
#csg:
#extra_tx:
另外，一些命令的旧的参数规则亦发生了变化：
#tx:
#snapshot:
3.3 GprMax2D命令参数
为了更好地介绍GprMax2D命令，我们将它们分成四类：
一般命令：包括用于指定的大小和模型的离散
ABC相关命令: 允许定制和优化吸收边界条件
介质和对象的构造命令: 用不同的参数来在模型中引入不同的介质和构造简单的几何形状
激励和输出命令：用来放置源代码和模型的输出点
运行GprMax2D最低限度的命令如下：
?#domain:
?#dx_dy:
?#time_window:
?至少一个#analysis:及与其对应的结束命令#end_analysis:
至少一个#tx:与#rx:，或者#rx_box:命令
? 为了使#tx: 命令正确运行，同时需要一行新的#line_source:命令
3.3.1一般命令
#title:
模型的题目
#title: str
Str即是模型的题目，必须是单行的。
#domain:
模型的范围(单位：米)
#domain: f1 f2
f1与f2分别代表x和y轴上的量度大小
#domain: 1.0 1.5
表示1.0*1.5的大小范围
#dx_dy:
表示x和y轴上的偏移量(如△x、△y)
#dx_dy: f1 f2
表示x轴偏移f1和y轴方向上偏移f2
#domain: 1.0 1.5
#dx_dy: 0.1 0.1
则模型的单元数为10*15
#domain: 1.0 1.5
#dx_dy: 0.01 0.01
则模型的单元数为100*150
最大允许时间步△t与△x、△y的约束关系如下：
(3.1)
C为光速，GprMax2D中计算△t使用3.1式等号。
#time step stability factor:
通过该命令，你可以修改GprMax2D所计算的△t的值，但必须满足3.1式的要求。
#time_window:
用于指定所需的总的模拟时间。语法：
#time_window: f1
或者
#time_window: i1
总的迭代次数和模拟时间窗口：(3.2)
#number_of_media:
但你需要使用大于10个介质时必须使用该命令，因为GprMax2D只初始化了10个介质的使用空间。
#number_of_media: i1
i1大于10。
#media_file:
使用该命令，你可以定义常用介质所描述的结构参数的文件路径与名称。
#geometry_file:
使用该命令，你可以定义模型的几何信息的二进制文件。这些信息可以用于创建模型的图像与检查创建的正确与否。
#geometry_file: model.geo
#messages:
使用该命令，你可以控制软件运行时在屏幕上的输出信息。
#messages:c1
#nips_number:
该命令仅当在GprMax2D需要时才用于你的输入文件中。
#nips_number:i1
4.1 GPRMAX3D命令一般注释
大多数能够用在GPRMAX3D的命令几乎和GPRMAX2D是一样的。但是，有一些命令是GPRMAX3D独有的。为了简明扼要，这里只论述与GPRMAX2D不同的命令。
基本的空间和暂时离散步骤分别为△t和△x，△y，△z。
4.2 命令清淡
在版本2里面，GPRMAX3D一共有42个命令用在3D GPR建模中。他们是：
#title：
#domain:
#dx_dy_dz:
#time_step_stability_factor:
#messages:
#number_of_media:
#nips_number:
#media_file:
#geometry_file:
#medium:
#abc_type:
#abc_order:
#abc_stability_factors:
#abc_optimization_angles:
#abc__mixing_parameters:
#pml_layers:
#box:
#cylinder:
#cylinder_new:
#cylindrical_segment:
#sphere:
#plate:
#edge:
#triangle:
#bowtie:
#thin_wire:
#analysis:
#end_analysis:
#tx:
#rx:
#rx_box
#snapshot:
#tx_steps:
#rx_steps:
#huygens_surface:
#hertzian_dipole:
#voltage_source:
#transmissio_line:
#plane_wave:
#excitation_file:
4.3 GPRMAX3D命令参数
为了更好地介绍GprMax2D命令，我们将它们分成四类：
1.一般命令：包括用于指定的大小和模型的离散
2. ABC相关命令: 允许定制和优化吸收边界条件
3.介质和对象的构造命令: 用不同的参数来在模型中引入不同的介质和构造简单的几何形状
4.激励和输出命令：用来放置源代码和模型的输出点
4.3.1 一般命令
#title：
与GprMax2D用法形同
#domain：
用来指定模型的尺寸（单位：米）
#domain：f1 f2 f3
f1，f2和f3分别是模型x，y，z方向上的大小
#dx_dy_dz:
指定x，y，z方向上的增量
#dx_dy_dz: f1 f2 f3
f1是空间步x方向上的增量，f2是空间步y方向上的增量，f3是空间步z方向上的增量。空间离散化控制最大允许时间步△t和为了达到所需要仿真时间窗而提出的解决方案。△t和△x，△y，△z之间的关系是：
（4.1）
其中c为光速。在GPRMAX3D中，上式取等号。4.1中，一个小的△x，△y，△z 值导致△t得小值，这个△t小值意味着为了达到所给的仿真时间而需要更多的迭代次数。但是，需要指出更小的△x，△y，△z和△t值会让模型更精确。
#time_step_stability_factor：
用法与GPR2D的相同。可以修改△t的值。
#time_window：
用法与GPR2D的相同。
#number_of_media:
用法与GPR2D的相同。
#geometry_file：
用法与GPR2D相同。
#messages：
用法与GPR2D相同。
#nips_number：
用法与GPR2D相同。仅当GPRMAX3D被要求用时，才必须用到他。
4.3.2 ABC 相关命令
在GPRMAX 3D这些影响Higdon ABCs配置和性能的命令与GPRMAX 2D用法相同。但是，GPRMAX3D用了更有力的PML ABC。
#abc_type: pml
#abc_type: higdon 可以设置ABC的默认参数。
#pml_layers: i1
i1是pml所占Yee单元的数目。默认值为8。所占用的Yee单元数越多，PML性能越好，但是所花的计算资源也越多。而且，有两点要注意：
a）PML是几何模型的一部分。但是，PML层里的域不参与计算并且用他们来计算就是错的。因此，不要把源和接收器设置在这个区域。PML的深度是用YEE 单元来度量而不是距离。
b）注意：当前PML仅用于非磁介质。因此，如果你的模型需要用到磁性参数，你必须用Higdoon ABC而不是PML。
4.3.3 介质和对象的构造命令
在GPRMAX3D中，这些命令用来容易的引入模型中不同的介质和介质结构。在处理一般命令之后，GPRMAX3D建立一个初始化为free space（air）任意尺寸的模型。
注意，free space和pec已经被定义在GPRMAX3D中,你不必再去定义这两种介质。因此，关键词free_space和pec能够直接用而不需要再定义参数。
其他介质他们的参数必须通过下面之一来设置：
l #media_file：命令包含各种各样的经常用的介质的定义（见附录A）
l #medium：输入文件中的命令
#medium：
和GPRMAX2D中的用法相同。而且，同一种介质文件能够不改变他们的结构下既用到GPRMAX2D又用到GPRMAX3D
#thin_wire：
引入细电线模型。细电线被用作介质标示符给#dege：对象结构命令。
#thin_wire：f1 str1
f1是电线的半径，而且为了建立合适的细电线的物理模型，必须必△l小。Str1是介质ID。Thin wire被认为是pec。
例：#thin_wire：0.001 MyWire
#box：f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1
f1 f2 f3是左下角坐标，f4 f5 f6是右上角坐标。Str1是#medium：定义的标示符。
#plate：f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1
f1 f2 f3是金属板左下角坐标。f4 f5 f6是金属板右上角的坐标。str1 是介质标示符。
#triangle：
三角行块。
#triangle：f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 str1
f1 f2 f3，f4 f5 f6 ，f7 f8 f9分别是三角形的三个顶点坐标。str1是介质标示符。
#bowtie：
蝴蝶天线。由两个三角形块组成
#bowtie：c1 c2 f1 f2 f3 f4 f5 str1
C1是蝴蝶天线的方向，x，y或者z。c2是剩余的方向。F1，f2，f3是天线馈电点
的x，y，z坐标。F4是天线元的长度（完整蝴蝶天线长度的一半）。f5是展开角。Str1是介质标示符。
#edge：
一个天线。这个天线仅仅是YEE元的边缘，当建立电阻或者细电线是能够用他。#edge：f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1
F1 f2 f3是边缘的起始坐标，f4 f5 f6是边缘结束坐标。Str1是介质标示符。
#cylinder：
有限维的3D圆柱模型。
#cylinder：c1 f1 f2 f3 f4 f5 str1
C1是圆柱轴的方向，可以是x，y或z。f1和f2分别是圆柱轴高低坐标。F3，f4是其他重要坐标用来表示两个圆柱的圆形面的中心。
l X方向的圆柱（f1，f3，f4）为（x1，y，z），（f2，f3，f4）为（x2，y，z）
l y方向的圆柱（f3，f1，f4）为（x，y1，z），（f3，f2，f4）为（x，y2，z）
l z方向的圆柱（f3，f4，f1）为（x，y，z1），（f3，f4，f2）为（x，y，z2）
f5是圆柱圆盘的半径，str1是介质标示符。
#cylinder_new：
有限维3D圆柱。与#cylinder：不同的是，它的轴向可以是任意的。
#cylinder_new：f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 str1
F1 f2 f3 是圆柱底面圆心的坐标，f4 f5 f6是圆柱顶面的圆心坐标。F7是圆柱底面半径。Str1是介质标示符。
#cylindrical_segment：
圆柱的一段。
#cylindrical_segment：c1 f1 f2 f3 f4 f5 str1 c2 f6 f7
C1是圆柱的轴向，可以是x，y，z。f1,f2是圆柱轴向上部和下部的坐标。F3，f4是表示圆柱顶，底部的其他两个坐标。F5是顶，底部半径。C2是片段变化的方
向。F6，f7是片段起始和结束点。
#sphere：
球体。
#sphere：f1 f2 f3 f4 str1
F1 f2 f3是球心坐标f4是球半径。Str1是介质标示符
4.3.4 激励和输出命令
#excitation_file：
允许用户指定单个包含能够激励模型的幅度值的清单ASCII文件。这些值至少要和迭代次数相等。
#excitation_file：str1
Str1是ASCII文件的名字。
例：#excitation_file：mysource.dat
#hertzian_dipole：
定义最简单的激励。
#hertzian_dipole：f1 f2 str1 str2
F1 f2分别是源波形的幅度和频率。Str1是波形标示符。Str2是源标示符。
例：#hertzian_dipole：1.0 600e6 ricker MyDipole
与GPRMAX2D里面的#line_source等价
#voltage_source：
定义电压源。它引入一个电压器件的位置，可以是一个硬源或者一个内部集成电阻。
#voltage_source：f1 f2 str1 f3 str2
F1 f2是源波形的振幅和频率。Str1是波形标示符。F3是内部电阻R。
例：#voltage_source：1.0 600e6 gaussian 50.0 MyVolt
#transmission_line：
定义能够刺激天线的1D两线传输线的参数。
#transmission_line：f1 f2 str1 f3 f4 str2
F1 f2是源波形的振幅和频率，str1是激励类型。F3是传输线的长度。F4是阻抗特征，str2是源标示符
例：#transmission_line：1.0 600e6 gaussian 0.5 200.0 MyLine
#plane_wave：
描述平面波源
#plane_wave：f1 f2 str1 f3 f4 f5 str2 str3
F1 f2是源波形的振幅和频率，str1是激励类型。F3 f4分别是0到pi和0到2pi 的角度。
#huygens_surface：
必须与平面波同时用。
#huygens_surface：f1 f2 f3 f4 f5 f6 str1
F1 f2 f3是huygens表面左下角坐标，f4 f5 f6是右上角坐标。Str1是要用到#plane_wave的标示符
例：#huygens_surface：0.2 0.2 0.2 0.8 0.8 0.8 MyHugens
#tx：c1 f1 f2 f3 str1 f4 f5
C1源的极化方向，可以是x，y，z。f1 f2 f3是源的坐标。Str1是源ID，f4是激励掩饰，f5是源移去时间。
#rx：f1 f2 f3
F1 f2 f3是输出点的坐标
#rx_box：f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9
F1 f2 f3是输出体积的左下坐标，f4 f5 f6是输出体积右上坐标，f7 f8 f9是定义每一方向输出点的步数。最小值为f7为△x，f8为△y，f9为△z。