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gprMax User Guide
Release 3.0.0b20
Craig Warren and Antonis Giannopoulos
May 24, 2016
Introduction
1 Getting Started 1
1.1 What is gprMax? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Package overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Running gprMax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Installation for developers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Software Features 7
2.1 What’s new/changed? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Key features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Guidance on GPR modelling 13
3.1 Basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Coordinate system and conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Spatial discretisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 Absorbing boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 Input file commands 19
4.1 Essential commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2 General commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3 Material commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4 Object construction commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.5 Source and output commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 PML commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5 Geometry and Snapshot files 37
5.1 Geometry files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Snapshot files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6 Output file 41
6.1 File structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2 Viewing output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7 Plotting 45
7.1 A-scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.2 B-scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.3 Antenna parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.4 Built-in waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8 File utilities 53
8.1 inputfile_old2new.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8.2 outputfiles_merge.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
i
9 Python scripting 55
9.1 Constants/variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
9.2 Antenna models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
9.3 Functions for input commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
10 Parallelism - OpenMP/MPI 59
10.1 OpenMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
10.2 MPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
10.3 HPC job scripts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
11 Introductory/basic 2D models 63
11.1 A-scan from a metal cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
11.2 B-scan from a metal cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
12 Antenna models 69
12.1 Wire dipole antenna model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
12.2 Bowtie antenna model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
12.3 B-scan with a bowtie antenna model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
13 Advanced modelling 77
13.1 Building a heterogeneous soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
14 FAQs 81
15 Screencasts 83
15.1 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
16 Analytical comparisons 85
16.1 Hertzian dipole in free space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
17 Numerical comparisons 87
17.1 FDTD/MoM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
18 References 89
Bibliography 91
Python Module Index 93
ii
CHAPTER 1
Getting Started
1.1 What is gprMax?
gprMax (http://www.gprmax.com) is free software that simulates electromagnetic wave propagation. It solves
Maxwell’s equations in 3D using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. gprMax was designed for
modelling Ground Penetrating Radar (GPR) but can also be used to model electromagnetic wave propagation for
many other applications.
gprMax is released under the GNU General Public License v3 or higher (http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html).
gprMax is written in Python 3 (https://www.python.org) and includes performance-critical parts written in
Cython/OpenMP (http://cython.org).
1.1.1 Using gprMax? Cite us
If you use gprMax and publish your work we would be grateful if you could cite gprMax using the following
references:
• Warren, C., Giannopoulos, A., & Giannakis I. (2015). An advanced GPR modelling framework –
the next generation of gprMax, In Proc. 8th Int. Workshop Advanced Ground Penetrating Radar
(http://dx.doi.org/10.1109/IWAGPR.2015.7292621)
• Giannopoulos, A. (2005). Modelling ground penetrating radar by GprMax, Construction and Building
Materials, 19(10), 755-762 (http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2005.06.007)
1.2 Package overview
gprMax/
conda_env.yml
docs/
gprMax/
LICENSE
README.rst
setup.py
tests/
tools/
user_libs/
user_models/
• conda_env.yml is a configuration file for Anaconda (Miniconda) that sets up a Python environment with
all the required Python packages for gprMax.
• docs contains source files for the User Guide. The User Guide is written using reStructuredText
(http://docutils.sourceforge.net/rst.html) markup, and is built using Sphinx (http://sphinx-doc.org) and Read
the Docs (https://readthedocs.org).
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