复杂结构声波电磁波层析成像方法和应用研究

论文摘要

声波和电磁波探测技术在水电、铁路、煤炭、石油及建筑等领域中作为工程地质勘查、岩体工程稳定性研究、工程质量无损检测、工程安全评价等方面的一种重要技术手段发挥了非常重要的作用。实际大型工程地质探测的特殊性要求探测仪器和数据处理方法能够适应大尺度复杂结构体的高分辨率探测。基于此,在声波探测仪器、声波层析成像正反演算法和实际探测应用以及电磁波衰减时频特性方面开展了系统的研究。第1章概述了层析成像的发展历史和常见的几种图像重建算法;重点分析了目前声波、地震波射线追踪算法的发展现状,指出了开展三角网射线追踪研究的意义。针对矿井电磁波透视存在的问题,指出了在频域内开展电磁波衰减特性研究的意义。第2章首先给出了大透距声波探测仪的系统组成、性能指标及大功率超磁声波换能器的结构和特点;其次详细叙述了仪器采集系统的信号采集、显示及信号处理等各项操作功能;最后给出了在顶煤厚度探测和大跨度混凝土结构无损检测中的应用实例。第3章围绕着二维复杂区域的三角剖分,根据剖分区域点、线、面的拓扑关系,遵循Delaunay三角剖分的优化准则实现了适合复杂二维区域特点、地球物理正反演要求的三角网剖分算法,并且在生成节点和网格的同时,考虑了密度控制函数,实现了自适应功能。第4章提出并研究了复杂结构三角网射线追踪全局算法。在第2节定义了三角单元射线追踪的拓扑关系及相关概念;从波前邻域点最小走时计算及相应次级源的选定、波行面扩展和波传播路径的向源检索三个方面论述了节点次级源近似全局算法;实际次级源检索采用了双曲线近似全局算法。在第3节给出了三种不同类型模型的射线追踪结果,并对二水平层介质模型的理论计算结果与数值模拟结果进行了比较。第5章叙述了声波层析成像的基本理论,讨论了基于三角网的射线层析成像图像重建技术。对不规则区域内含有薄板低速子域和圆状低速子域的复杂结构模型进行了层析反演数值模拟,详细给出了7次迭代过程的射线追踪结果和层析反演速度分布结果。数值模拟结果表明,三角网射线层析成像方法具有复杂区域适应性强、速度界面描述灵活、分辨率高、成像结果更接近实际结构形态特征的显著特点。第6章给出了大透距声波层析成像技术在煤层底板破坏深度和大跨度混凝土结构工程质量检测方面的试验研究成果。在第1节介绍了采场底板岩层移动破坏规律及底板破坏的波场响应特征;给出了底板破坏声波层析成像探测的观测方案和探测成果;详细分析了底板岩体声波速度在时间和空间上随工作面推进的动态变化过程,准确地确定了煤层开采后底板破坏带深度。第2节给出了跨度12m的混凝土结构体的纵波和横波速度的层析成像结果。第7章以煤矿采场中存在高电阻率或低电阻率电性地质异常体为实际背景建立物理模型,采用有限差分法对电磁波波动方程进行二维正演数值模拟。根据正演模拟结果,研究了采场电磁波衰减的时频特征,对比分析了场强衰减法层析成像和质心频移法层析成像的效果。在结论部分,对论文工作进行了全面总结,并指出了今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 声波射线层析成像发展概况
• 1.2.1 射线追踪方法发展概况
• 1.2.2 声波层析成像反演发展概况
• 1.3 矿井电磁波层析成像发展概况
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 本文结构
• 第2章 大透距声波探测仪研制
• 2.1 硬件系统
• 2.1.1 主机
• 2.1.2 声波换能器
• 2.2 仪器操作系统
• 2.2.1 仪器操作采集软件的安装
• 2.2.2 信号采集
• 2.2.3 信号分析
• 2.3 大功率声波检测仪应用实例
• 2.3.1 煤矿工作面顶煤厚度探测
• 2.3.2 大跨度混凝土结构声波穿透试验
• 2.4 本章小结
• 第3章 二维复杂结构三角网剖分方法
• 3.1 引言
• 3.2 二维复杂区域三角形网剖分准则
• 3.2.1 Delaunay 三角剖分定义
• 3.2.2 Delaunay 三角剖分的优化准则
• 3.3 二维复杂区域三角网剖分方法
• 3.3.1 二维复杂区域的数据组织
• 3.3.2 构造单元密度控制函数
• 3.3.3 边界节点加密
• 3.3.4 生成节点和单元
• 3.3.5 含孔区域及控制线处理
• 3.3.6 三角网优化和加密处理
• 3.4 剖分实例
• 3.5 本章小结
• 第4章 二维复杂结构三角网射线追踪全局算法
• 4.1 引言
• 4.2 二维复杂区域三角网全局射线追踪法
• 4.2.1 基本原理描述
• 4.2.2 三角单元射线追踪的拓扑关系及相关概念
• 4.2.3 节点次级源近似全局算法
• 4.2.4 次级源双曲线近似全局算法
• 4.3 数值模拟
• 4.3.1 算例
• 4.3.2 算法精度检验
• 4.4 本章小结
• 第5章 三角网透射波层析成像理论基础与方法
• 5.1 引言
• 5.2 层析成像的数学基础
• 5.2.1 Radon 变换
• 5.2.2 Radon 逆变换图像重建
• 5.2.3 Fourier 变换图像重建
• 5.2.4 褶积滤波图像重建
• 5.3 三角网模型射线层析成像技术
• 5.3.1 射线层析成像三角网模型及方程
• 5.3.2 射线层析成像图象重建算法
• 5.3.3 三角网射线层析成像实现
• 5.4 三角网声波射线层析成像数值算例
• 5.4.1 声波层析反演数值模型
• 5.4.2 层析反演数值模拟过程
• 5.5 本章小结
• 第6章 声波层析成像应用研究
• 6.1 煤层底板破坏深度声波层析成像探测试验研究
• 6.1.1 采场底板岩层移动破坏规律
• 6.1.2 底板破坏的波场响应
• 6.1.3 底板破坏的声波探测试验研究
• 6.2 大跨度混凝土结构体声波层析成像试验研究
• 6.3 本章小结
• 第7章 采场电磁波衰减层析成像数值模拟研究
• 7.1 引言
• 7.2 二维电磁波透射有限差分正演
• 7.2.1 Maxwell 方程和Yee 氏网格
• 7.2.2 电磁波场二维差分格式
• 7.2.3 数值稳定性
• 7.2.4 吸收边界条件
• 7.2.5 激励源的选取
• 7.2.6 采场模型正演模拟
• 7.3 电磁波衰减层析成像
• 7.3.1 吸收系数α的时域表达式
• 7.3.2 吸收系数α的频域表达式
• 7.3.3 质心频移数值模拟
• 7.3.4 采场电磁波衰减时频特性分析
• 7.3.5 采场模型电磁波衰减层析成像
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历