GNSS-R陆面遥感中反射信号的极化特性研究

GNSS-R是利用导航卫星的反射信号对海面或者陆面进行遥感的一种成本低、功耗小、时空分辨率相对较高的新型遥感手段。从机理上讲GNSS-R为双站雷达,以微波电磁散射模型为研究基础,对于右旋圆极化发射,右旋圆极化(RHCP)、左旋圆极化(LHCP)、H极化和V极化接收时,裸土和植被的散射特性进行了理论模拟。裸土散射特征的模拟采用镜像反射率模型和物理光学模型(PO)。对于植被部分,则采用镜像模型Spec-mimics(Specular-mimics)。在后向散射模型Mimics的基础上,加入散射角度(天顶角和方位角),同时修改由于散射角度加入而导致的相位矩阵、消光矩阵和地表反射矩阵、散射矩阵等,可以得到双站散射模型Bi-mimics。在其基础上,将角度设置为镜像,得到Spec-mimics模型。模拟结果表明,在10°～70°的入射角范围内,接收为LHCP极化时,只有在大的入射角(小接收机仰角)下会有散射值。线极化(H极化和V极化)则在整个角度范围内都有响应。而V极化在此角度范围内动态响应最大。因此如果在小入射角时,采用LHCP天线接收地表反射信号,极化损失较为严重;线极化在该入射角度范围内均可接收到地表反射信号,V极化由于对角度响应较好,因此更有利于地物特征研究。该理论模拟对接收机天线的极性设计提供了一定的理论指导。     

GNSS-R Land Remote Sensing about Reflected Signal＇ s Polarization Characteristics

GNSS-R是利用导航卫星的反射信号对海面或：著陆面进行遥感的一种成本低、功耗小、时空分辨率相对较高的新型遥感手段。从机理上讲GNSS-R为双站雷达,以微波电磁散射模型为研究基础,对于右旋圆极化发射,右旋圆极化（RHCP）、左旋圆极化（LHCP）、H极化和V极化接收时,裸土和植被的散射特性进行了理论模拟。裸土散射特征的模拟采用镜像反射率模型和物理光学模型（PO）c对于植被部分,则采用镜像模型Spec-mimics（Specular-mimics）。在后向散射模型Mimics的基础上,加入散射角度（天顶角和方位角）,同时修改由于散射角度加入而导致的相位矩阵、消光矩阵和地表反射矩阵、散射矩阵等,可以得到双站散射模型Bi．mimics。在其基础上,将角度设置为镜像,得到Spec—mimics模型。模拟结果表明,在10°～70°的入射角范围内,接收为LI-ICP极化时,只有在大的入射角（小接收机仰角）下会有散射值。线极化（H极化和V极化）则在整个角度范围内都有响应。而V极化在此角度范围内动态响应最大。因此如果在小入射角时,采用LHCP天线接收地表反射信号,极化损失较为严重;线极化在该入射角度范围内均可接收到地表反射信号,V极化由于对角度响应较好,因此更有利于地物特征研究。该理论模拟对接收机天线的极性设计提供了一定的理论指导。     

奇异的波至现象

1997年，笔者在水力压裂后砂岩产油井中进行高分辨率VSP工作时，除观测到常规纵波及转换波,还观测到来自产油层的几种奇异的慢速波至。由于该慢速波至的性质不明，按视速度从高到低分别命名为W1，W2，W3，…（W为wave的第1个字母），在顺5井裂隙优势方向，1210m深度上观测到5种反射波；反射纵波，反射转换波，W1，W2，W3波，在裂隙非优势方向上，W2，W3波没有出现，在顺4井1532m深度上观测到4种反射波；反射纵波，反射转换波，还有2种慢速波至，为了区别于顺5井中观测到的慢速波至，将其命名为W4，W5波。结合该区钻井，测井，地面地震，井间地震等资料对观测到的慢速波至进行了详细分析，分析结果表明：该慢速波至既不属于不均匀介质产生的绕射波，侧界面产生的反射波，槽波，管波，斯通利波，也与Biot慢纵波动力学特征相悖，现有波动理论不能解释这种慢速波至现象，这意味着地球内部介质中存在人类还未认识的弹性波传播规律。     

水泥混凝土路面脱空的探地雷达图像特征分析

脱空是水泥混凝土路面的常见病害,也是行车安全的主要隐患。探地雷达法通过观测分析高频电磁波反射信号特征来研究探测目标体的性质与规模,可以快速、有效地确定路面脱空的位置与充填情况。GprMax2D模拟结果、雷达实测资料和开挖验证情况的综合分析成果表明,充泥和充气空洞的雷达图像十分相似,特征明显,在空洞正上方都会出现一组非常明显的强反射信号,同相轴呈弧型,由于介电常数的明显差异,使得空洞充泥时反射波与直达波相位相反,而充气时反射波与直达波相位相同;不密实区域同相轴错断,显示出多条不规则弧形曲线。      

基于震源垂向组合的浅层低速带多次反射折射波压制方法

低速带发育地区地震记录中的多次反射折射波严重影响波场中相近的反射波，导致反射波形态畸变，影响了对地震资料的正确解释。在阐明浅层低速带多次反射折射波产生机理和传播规律的基础上，提出垂向组合双震源的压制方法。根据勘探前期小折射、微测井等方法获取浅层参数信息，结合多次反射折射波与有效波之间相对位置关系，给出需要对多次反射折射波进行压制的前提条件，然后根据震源组合公式计算得到垂向组合参数可选范围，用于调整低速带中垂向设置的两个震源的相对位置，在不影响目的层反射波的基础上压制多次反射折射波。在正演模拟和黄土塬勘探区试验中，对比了常规单炮记录与震源垂向组合记录。结果表明:震源垂向组合方法在一定程度上能较好地压制浅层低速带多次反射折射波，有效提高地震数据信噪比和解释精度。      

矿井反射槽波包络叠加成像方法及其应用

槽波在遇到断层等不连续断面时,会产生反射并被与炮点位于同一条巷道内的检波器接收到,据此可以探测巷道侧帮地质异常发育情况。通常情况下反射槽波能量较弱,信噪比较低。为提升反射槽波信噪比,以山西阳泉煤业集团某矿201工作面为例,将包络叠加方法应用于反射槽波探测,并通过断层模型三维槽波数值模拟以及实际探测资料的验证,证实了包络叠加成像方法的有效性。      

关于深反射地震剖面采集参数的讨论

在深部地质调查中,深反射地震剖面发挥了重要作用。一般情况下,在深反射地震调查的数据采集中,采用宽频带接收、适当长的记录长度和测线跨度、大动态范围的地震仪,有利于获取深陡倾斜界面反射波;采用较大的道间距、较长的接收排列和较高的覆盖次数进行数据采集,不但可获取较准确的波速信息、高信噪比的深层反射波,而且也可提高施工效率、降低成本。     

自由观测条件下共中心点抽道集叠加方法的误差分析

常规共中心点抽道集叠加方法是以水平观测面,水平反射界面、均匀介质为条件,当前提条件不能完全具备时,会带来两个方面的误差,其一是CMP道集整体离散误差,其二是CMP道集内部各道之间的离散误差.通过建立相应数学模型并进行运算分析,界定了误差（离散量）的大小范围及分布规律：离散量与观测面反射界面之间的夹角、观测面高程、反射界面倾角及同道集炮检距等相关,其变化值越大,离散距离越大;相反离散距离会随观测面与反射点空间距离的增大而变小;另外介质波速越小,其垂直离散距离越大;中心点自激自收其离散量为0.对于CMP道集中诸道△t0.离散量常存在大于目的层反射波T/4的现象;炮距越大、观测界面倾角越大、介质波速越小,其△t0离散值越大,其中△t0离散值与炮检距呈非线性关系;相反反射界面埋深越大,其△t0离散越小.根据离散量对资料影响程度的分析,指出了目前共中心点抽道集叠加方法存在着局限性.     

黄土塬区半规则束状观测系统的研究与应用

吕梁山脉中段西部黄土塬区,其浅表层地震地质条件极其复杂,常规规则束状观测系统难以取得有效波地震记录,考虑采集因素和施工特点,决定采用沟中激发、较少炮数、较多接收道数、较多排列线数、颇具灵活性的半规则束状观测系统。在实地踏勘和试验的基础上,利用采集软件对所获得的地震采集参数进行多次论证,以调整排列片的大小及炮点位置,合理编排放炮顺序,确保各目的层有效覆盖次数满足设计要求,同时兼顾资料处理和施工是否方便。实例表明：该区采用的半规则束状观测系统较好地解决了CDP分布以及资料完整性问题,处理后的剖面,其煤层反射波同相轴连续性较好,信噪比较高,主要目的层波组反射特征明显,可连续对比追踪,达到了采集目标的要求。     

井间地震弹性波传播特征数值模拟

采用弹性波方程数值模拟和Zoeppritz方程解相结合的方式,研究了井间地震固-固界面上以及低速和高速夹层中弹性波场特征及传播规律.给出了井间地震弹性波的主要类型,其中包含一种特殊面波,该面波由激发井和接收井内的地层界面处产生的二次源形成,并说明了反射波以广角反射占优势;利用正演模拟记录对广角反射现象进行了分析,得出了在临界角处广角反射波的振幅、相位突变,极性反转,这与反射系数变为复数相对应;提出利用临界反射波特征和临界反射点位置来确定地层速度.震源在高速夹层中激发时,其中传播的弹性波场简单;而在低速夹层中,则弹性波场非常复杂.低速夹层中的导波存在明显的频散现象,其振幅和频率与低速层的速度和厚度密切相关.提出利用导波可以确定低速层的横向变化和连通性.     

Mechanism Analysis of GPS-IR Technology Based on SNR

The available research on technology mechanism of reflected wave reception, the use of the SNR observations of low elevating angle and the form of SNR residuals for GPS-IR is not clear enough, and they are almost interpreted by experiments. This paper analyzed the GPS-IR technology mechanism from the aspects of theories and experiments. The right hand circular polarized wave transmitted by GPS satellite is partly converted into left hand circular polarized wave after one reflection, and the conversion ratio increases with the increase of satellite elevating angle and dielectric constant. When the right hand circular polarized wave is perpendicular to the surface of the perfect conductor, it can be all converted into left hand circular polarized wave after a reflection; At the same time, in the case of the measuring GPS receiver equipped with the baffle plate, because of the diffraction phenomenon, the antenna of the measuring GPS receiver can still receive the right hand circular polarized wave in the reflected signal. When the elevating angle is smaller or the dielectric constant of the reflector is larger, the less GPS incident wave energy of vertically polarized wave and parallel polarized wave is transmitted to the reflector. The more intense the reflected wave is, the worse the SNR is affected by the reflected wave, and there are more right hand circular polarized waves that can be received. Therefore, the GPS-IR uses the SNR observations of low elevating angle (such as under 30°). When the elevating angle changes and the range is smaller, the SNR residuals sequence is approximately "cosine curve", and thus, an inversion model based on SNR residuals is established.     

用双椭圆方法确定反射点位置

在反射波地震勘探中使用动校正确定反射点位置用到很多假设,如勘探深度要远远大于炮检距;假定倾斜反射界面的反射点与水平反射界面反射点都位于炮检距的中点;近似认为倾斜反射界面的动校正量等于水平反射界面的动校正量;假定反射面倾角固定且较小等,上述假设一定会造成勘探误差。由于反射点位置和反射面倾角未知,所以理论上无法唯一地确定反射点位置。如果反射波传播的介质的波速一定,从炮点发出的地震波,经反射点后,在接收点被接收,其可能的反射点是椭圆的一部分,但还不能唯一确定反射点;再取炮点和另外一个接收点,其可能的反射点是另外一个椭圆的一部分。如果假定反射面是平面,可以是水平面,也可以是有固定倾角的倾斜平面,该平面在地震波射线平面内是一条直线,该直线一定是两椭圆的公切线。把两椭圆方程和切线方程联立,就可以求解出公切点位置,公切点位置就是反射点位置,这就是用双椭圆确定反射点位置的方法。通过建立模型对勘探方法进行了检验,证实了用双椭圆方法确定反射点位置的有效性。双椭圆方法有一个重要的副产品,就是在确定反射面位置的同时计算出反射面的视倾角。     

用双椭圆方法确定反射点位置

在反射波地震勘探中使用动校正确定反射点位置用到很多假设,如勘探深度要远远大于炮检距;假定倾斜反射界面的反射点与水平反射界面反射点都位于炮检距的中点;近似认为倾斜反射界面的动校正量等于水平反射界面的动校正量;假定反射面倾角固定且较小等,上述假设一定会造成勘探误差。由于反射点位置和反射面倾角未知,所以理论上无法唯一地确定反射点位置。如果反射波传播的介质的波速一定,从炮点发出的地震波,经反射点后,在接收点被接收,其可能的反射点是椭圆的一部分,但还不能唯一确定反射点;再取炮点和另外一个接收点,其可能的反射点是另外一个椭圆的一部分。如果假定反射面是平面,可以是水平面,也可以是有固定倾角的倾斜平面,该平面在地震波射线平面内是一条直线,该直线一定是两椭圆的公切线。把两椭圆方程和切线方程联立,就可以求解出公切点位置,公切点位置就是反射点位置,这就是用双椭圆确定反射点位置的方法。通过建立模型对勘探方法进行了检验,证实了用双椭圆方法确定反射点位置的有效性。双椭圆方法有一个重要的副产品,就是在确定反射面位置的同时计算出反射面的视倾角。     

探地雷达测量土壤水含量的进展

包括探地雷达(Ground Penetrating Radar)在内的许多电磁方法正越来越多的应用于近地表水文地质领域。探地雷达技术基于介质的电磁特性,通过介质介电常数和速度的变化来反映土壤的体积水含量。水的相对介电常数为81,而周围介质的相对介电常数约为2~30,这样大的介电常数差异使探地雷达成为监测和分析地下水的有效工具。介绍4种应用探地雷达测量土壤水含量的方法,包括:探地雷达反射波法、探地雷达地面波法、钻孔探地雷达方法、以及探地雷达地表反射系数方法4种方法各有不同的适用条件,其中反射波方法最为常用。     

P波在弹性介质与饱和冻土介质分界面上的透反射问题研究

基于弹性波在冻结饱和多孔介质与单相弹性介质中的传播理论,研究了平面P波在饱和冻土介质与单相弹性介质分界面上的透反射问题。利用Helmholtz矢量分解定理,根据分界面上的边界条件,获得了平面P波从单相弹性介质入射到饱和冻土介质分界面上透反射振幅比的理论表达式。通过数值计算,分析了在不同入射频率、胶结参数、孔隙率、饱和度和接触参数下,弹性波的透反射振幅比随入射角变化的关系。研究结果表明：P波从单相弹性介质垂直入射到饱和冻土介质分界面上时只有反射P波和3种透射P波产生,当掠入射时只产生反射而没有透射现象发生。入射频率、胶结参数、孔隙率、饱和度以及接触参数等参数对反射波和透射波的振幅比影响显著。     

Model of Reflection Spectra of Rock Surface in 2π Space

This paper deals with reflection spectra and polarized reflection spectra of 20 sorts of rock in 2π space, and then creates a model of reflection spectra of rock surface in 2π space. We measured the change of reflection and polarized reflection spectra as altering the incidence angle, vertex angle, azimuth angle, band and polarization. The results show that influence of the incidence angle on spectral curves is very strong. And when the vertex angle is constant, the horizontal azimuth polarizes rock spectra, and distorts the circular spectrum to become elliptic. The polarization influences the reflection intensity of rock spectra, but has no evident influence on the characteristics of wave forms of rock in 2π space. Therefore, we can describe the whole reflection spectral characteristics, including polarization, of rock surface in 2π space by measuring and calculating the e and p values in several key directions.     

不同饱和度土层分界面上剪切波的反射与透射

基于多相孔隙介质弹性理论,给出了非饱和土中不同弹性波的传播方程。根据分界面上的边界条件,建立了各势函数波幅值之间的关系式,讨论了入射剪切波在不同饱和度土层分界面上的反射与透射问题。在无限空间非饱和土体中存在3种压缩波和1种剪切波,因此,当剪切波传播到不同饱和度的非饱和土层分界面上将分别在上、下土层激发产生4种反射波和4种透射波。推导出不同反射波和透射波的振幅比例系数和能量比例系数的理论表达式,并且在此基础上进行数值分析。在数值算例中分别研究了各反射波与透射波的能量比例系数（即能量反射率和能量透射率）受入射频率、入射角度以及上、下土层土体饱和度变化的影响情况。计算结果表明：各能量反射率和能量透射率不仅与入射角和入射频率有关,而且其受上、下土层饱和度变化的影响也同样不能忽视。     

不同煤岩介质模型的波场特征研究

准确和形象地分析煤矿微地震波在不同介质中的传播规律,能够为煤矿主动地震勘探以及反演煤矿不同区域内部介质结构提供有效的理论依据。基于二维介质模型,以煤矿典型的煤、岩单一均匀介质模型、煤岩组合多层介质模型、含断层煤岩介质模型以及含水煤岩双相介质模型为例,利用高阶有限差分法对不同煤岩介质进行了波场模拟,分析不同介质的波场特征。研究结果表明,高阶有限差分法可以准确、形象地得到煤岩不同介质条件下的纵横波的波场特征;不同介质模型的波场特征各不相同,在多层煤岩介质中不同介质的分界面会发生纵横波的反射、透射和转换,产生透射波、透射转换波、反射波和反射转换波;在含断层煤岩介质中断层处不仅可以产生透射波、透射转换波、反射波和反射转换波,还可以发生绕射产生绕射波;在含水煤岩双相介质中不仅有快纵波和横波,也会产生慢纵波。不同时刻的波场快照可以进一步形象地描述波场动态特征,都为矿山微震波场分析打下了理论基础。     

含流体薄层时移地震AVA/AVF特征分析

随着地震勘探的不断深入,对薄互层反射机理的研究变得越来越重要。为了准确获得薄层的频率特性并了解其时移变化规律,本文从弹性波动理论出发,讨论分析了薄层的反射AVA/AVF(amplitude variation with incident angle/amplitude variation with frequency)特征,并进行了数值模拟实验予以验证;基于实际测井资料和岩石物理等效介质理论,分析了含流体薄层的时移地震AVA/AVF特征。研究表明:薄层厚度和频率对薄层反射振幅响应的影响是等价的。随着薄层厚度的增加,薄层反射频率特性逐渐出现周期性变化;随着入射角度的增加,薄层反射频率特性逐渐向高频方向延伸。在薄层油气藏注水开发过程中,随着含水饱和度的增大,薄层反射P波频率特性向高频方向延伸,而薄层反射P-SV波频率特性基本保持不变。     

基于VSP的透射PS波成像

利用弹性波动方程进行了非零偏移距VSP波场的数值模拟,通过偏振投影和中值滤波技术相结合进行波场分离,对分离后的反射P波和透射PS波利用动校正(NMO)和VSPCDP叠加技术进行成像。成像结果表明:透射PS波成像与反射P波成像具有同样良好的效果,而且透射PS波成像是反射波成像很好的补充。利用透射PS波成像不需要增加数据采集的成本,所以透射波成像技术将会在石油工业中被广泛采用。