基于三阶段法的结构损伤识别研究

在输入激励信息未知、仅已知部分测试自由度的动力响应信息的条件下,基于广义复合反演算法,开展了结构损伤识别的研究。将衰减记忆滤波技术引入到扩展卡尔曼滤波算法,构建了衰减记忆扩展卡尔曼滤波算法以削弱滤波的发散现象。考虑了复合反演算法(须知各自由度的动力响应)和衰减记忆扩展卡尔曼滤波算法(须知输入信息)的局限性,借助子结构技术,建立了结构物理参数时域识别的广义复合反演算法。利用单元刚度变化率来判定损伤的程度和位置,建立了基于广义复合反演算法的结构损伤识别及地震动反演的三阶段法。以一个6层框架结构为例进行了结构损伤识别数值模拟研究。结果表明,在噪声存在的情况下,三阶段法能够准确确定损伤位置和损伤程度,且地震动反演时程与真实时程吻合较好,验证了三阶段法在结构损伤识别及地震动反演中的有效性。     

结构物理参数时域识别的振动台试验研究

在输入未知条件下,为了识别非线性参数系统,并消除噪声异常点的影响,引入修正Levenberg-Marquardt法和矩形窗法,建立SVD-mLM法,改进了复合反演算法。为了验证改进算法,设计一个五层单跨钢框架模型进行振动台试验,测试获得含有真实噪声的动力响应,采用改进的复合反演算法,研究了结构物理参数时域识别和输入反演问题。振动台试验研究表明结构物理参数识别和输入反演结果是可信的,验证了SVD-mLM法、矩形窗法和改进的复合反演算法在识别结构物理参数和反演输入时的可行性和有效性。     

土木工程中的物理参数时域识别及地震动反演研究

本文对工程结构、场地水平土层参数识别及地震动反演进行了如下6个方面研究:(1)输入已知、输出不完备条件下,基于经典最小二乘算法的工程结构物理参数时域识别;(2)输入未知、输出不完备条件下,基于复合反演算法的工程结构物理参数时域识别及地震动反演;(3)输入已知、输出不完备条件下,基于渐消记忆的扩展卡尔曼滤波算法的工程结构物理参数时域识别;(4)输入未知、有限测点条件下,基于广义复合反演算法的工程结构物理     

结构参数未知条件下的地震动反演研究

本文运用复合反演的观点研究结构参数未知条件下的地震动反演问题。根据地震作用的力学特性，将其具体化为估计输入的修正条件，文中给出了一类反演算法。理论分析及算例表明，该算法具有稳定的收敛特性以及良好的反演效果。     

固定翼时间域航空电磁数据拟二维整体反演

航空电磁探测数据量大,二维、三维反演算法复杂、计算速度慢,通常采用一维反演,利用层状模型拼接描述地下复杂结构,但航空电磁数据信噪比低,容易引起一维反演结果横向连续性差等问题.本文针对上述问题,基于一维反演算法,通过整合测线观测数据,建立了测线数据整体的目标函数,并根据Tikhonov正则化反演理论,引入包含空间粗糙度和先验信息的模型参数约束项,确定了拟二维整体反演的目标函数,推导了反演迭代方程组,利用超松弛共轭梯度算法,求得由于整条测线整体反演所致的大型稀疏矩阵的极小化解,实现了对整条测线数据同时反演的固定翼航空电磁数据的拟二维整体反演算法.在反演迭代过程中,正则化因子采用线性搜索自适应迭代的方法自动选取,提高了反演结果的稳定性.对比分析了仿真数据的一维反演与拟二维整体反演结果,得出拟二维整体反演算法横向连续性较好,对高导覆盖层下的导体分辨率优于一维反演,同时受高斯噪声的影响较小.最后,将直升机飞行实测噪声加入仿真数据中,拟二维整体反演结果平均相对误差较一维反演结果降低了31.6%,进一步验证了拟二维整体反演算法的有效性.     

基于不同稳定泛函约束的大地电磁极值边界反演研究及其在高放废物处置库选址中的应用（英文）

通常基于不同稳定泛函的反演对目标体边界的刻画存在着差异,尤其对复杂地质构造。为此,本文提出了面向电性边界识别的基于不同稳定泛函的极值边界反演算法。首先选择最平滑、最小支撑两种稳定泛函研究自适应正则化反演算法对不同稳定泛函的适用性,然后通过引入极值边界反演算法,研发基于不同稳定泛函的电性边界识别技术。研究结果表明:自适应正则化反演方法适用于不同的稳定泛函,而且对初始模型的依赖性较低;极值边界反演算法得到的光滑和聚焦上下界并集的比值可以作为划分电性界面的有效依据。在此基础上,本文以内蒙古塔木素地区高放废物粘土岩处置库场址预选为例,将本文提出的反演算法应用于该区的大地电磁测深(MT)数据反演,利用光滑反演了解区域构造,利用聚焦反演了解局部细节,并结合地表地质和钻孔资料,基于地下地质体的电性边界的识别,圈定了目标层的厚度,得到的目标层的厚度满足高放废物处置库选址的要求。     

基于精确Zoeppritz方程三变量柯西分布先验约束的广义线性AVO反演

常规AVO三参数反演是通过Zoeppritz方程的近似公式来建立AVO正演模拟的过程,然而在P波入射角过临界角和弹性参数在纵向上变化剧烈的情况下,Zoeppritz方程近似公式精度有限.针对这种情况,可以使用精确的Zoeppritz方程来构建反演目标函数,由于精确Zoeppritz方程中P波反射系数和弹性参数之间是一种复杂的非线性关系,通常解决途径是利用非线性的优化算法来进行数值计算,但是非线性优化算法的缺点是计算量过大;另外一种途径是利用广义线性反演的方法,通过泰勒一阶展开式将P波反射振幅展开后,用线性关系近似表达非线性关系,经过几次迭代后,在理论上可以达到很高的精度,但是广义线性反演算法的核心部分--Jacobian矩阵由于矩阵条件数过大,往往会造成反演算法的不稳定,其应用范围得到了限制.贝叶斯反演方法是通过引入模型参数的先验分布结合噪声的似然函数,生成模型参数的后验分布,通过求取模型参数的最大后验概率分布来得到模型参数的反演解,由于引入模型参数的先验分布信息,可以有效的降低反演的不适定问题.本文将两种反演算法的思想相结合,利用广义线性反演算法的思想,构建AVO正演模拟的过程来提高大角度地震数据反演的精度,同时结合贝叶斯理论,通过引入模型参数的先验分布信息构建反演目标函数的正则化项,可以有效降低由于Jacob矩阵条件数过大带来的反演不适定问题,该算法假设模型参数服从三变量柯西分布.     

二维地震资料波动方程非线性反演

针对反演的要求和实际问题的需要，提出利用地震资料叠前数据进行二维波动方程反演，采用最小平方拟合修正模型参数的非线性反演方法，构造了问题的加速迭代算法．反演算法充分利用了冗余的叠前数据和多道相关性，可以分离噪声和信号，使噪声不参与或很少参与反演，算法抗噪能力强．数值模拟例子表明算法有效和稳定，得到了令人满意的结果．     

基于混合差分进化算法的地球物理线性反演

地球物理反问题线性化处理之后, 各种反演算法归结为对病态线性方程组的求解. 为了快速准确地计算出地球物理参数, 本文提出了一种全新的基于LSQR算法的混合差分进化算法(Hybrid Differential Evolution Algorithm, HDE). 该算法利用LSQR算法给出DE算法的初始种群, 提高DE算法的计算速度和稳定性. 在不同噪声水平下, 对四种正则化方法Tikhonov、TSVD、LSQR和HDE的反演结果进行详细比较. 理论模型和实际数据反演的结果都表明: 改进的HDE算法应用于地球物理反问题的求解是成功的: 反演结果与原设定模型具有较高的相关性, 在稳定性和准确性上较常规的反演算法都具有一定的优势; 而且不需要给定正则化参数, 具有更强的实用性.     

大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演研究(英文)

在对张量阻抗数据、倾子数据和共轭梯度算法深入分析的基础上,我们实现了大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法。基于全信息资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了同时利用五个电磁场分量整理得到的大地电磁资料进行三维反演定量解释的方法以及全信息数据在三维反演中的作用。理论模型合成数据的反演结果表明,在三维反演中使用张量阻抗和倾子数据结合的全信息数据的反演结果优于只使用张量阻抗数据(或只使用倾子数据)的反演结果,提高了反演结果的分辨率和可信度。合成数据的反演算例也验证了所实现的大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法的正确性和稳定性。     

无需测速的微震源反演数学模型研究

微震源反演数学模型、反演算法等对象是微震源定位误差的重要来源。针对P波速度易衰减、首波到时数据拾取误差较大的情况,基于到时差模型(ATD)和P波到时方程组,建立到时差比值法反演数学模型(ATDRM),从目标函数中消除了P波速度和发震时刻等参数;同时,引入范数概念,得到改进的L1、L2、L3、L4范数模型,设计一系列反演模型对比实验和反演算法对比实验综合分析研究这些模型的优越性。工程数据显示：ATDRM模型的定位效果整体比经典ATD模型更好,ATDRM-L1模型震源误差可减少13.437 0 m;反演模型的定位误差受反演算法影响较大,单形替换法相比遗传算法(GA)、非线性最小二乘法(NLSM)、模拟退火算法(SA)等方法定位精度更高,稳定性更好;在应用单形替换法求解模型时,反演误差会随着范数参数N的增加(L1→L4)呈现先下降再上升的现象;ATDRM模型及其范式形式对提高微震源定位精度有一定价值。     

基于自适应遗传算法的MRS-TEM联合反演方法研究

地面磁共振法(MRS)因具有定性、定量分析地下水能力,而备受关注.传统磁共振地层含水量反演多采用均匀半空间模型,忽略电阻率分布信息对结果的影响.针对这一问题,本文基于多层电介质中磁共振响应理论,提出MRS与瞬变电磁(TEM)联合反演方法,通过电阻率分布信息对含水量反演过程的实时修正,提高了解释结果的准确度.反演算法采用自适应遗传算法(AGA)进行,基于繁殖规则,动态调整交叉概率和变异概率,解决了标准遗传算法易未成熟收敛而难以得到全局最优解问题.模型数据表明,含噪10%情况下,联合反演仍能较准确地反映地下含水单元模型结构,对比MRS单独反演优势明显.同时,内蒙古白旗野外观测数据联合反演结果与钻井资料基本一致,充分验证了AGA反演算法的实用性及MRS-TEM联合反演的实际意义.     

ZTEM三维数据空间OCCAM反演研究

Z轴倾子电磁法(ZTEM)是一种极具前景的新型天然源频率域航空电磁法,具有勘探深度较大,工作效率高的特点.本文基于大地电磁法(MT)三维数据空间OCCAM反演算法,实现了三维ZTEM倾子资料的数据空间反演算法.将该算法应用到理论合成算例中进行反演,反映出ZTEM倾子反演对模型横向边界的约束优于垂向的特性,并且与MT阻抗反演结果进行对比,验证了所实现的倾子资料三维数据空间反演算法的有效性,表明ZTEM倾子反演在约束电阻率模型横向位置能力上更具优越性.该反演算法可用于ZTEM所整理得到的倾子数据进行三维定量反演,实现大区域的地质构造三维成像,获得地下地质模型的电阻率结构信息.     

HTI介质PS波叠前偏移及各向异性校正方法应用研究（英文）

在对张量阻抗数据、倾子数据和共轭梯度算法深人分析的基础上,我们实现了大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法。基于全信息资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了同时利用五个电磁场分量整理得到的大地电磁资料进行三维反演定量解释的方法以及全信息数据在三维反演中的作用。理论模型合成数据的反演结果表明,在三维反演中使用张量阻抗和倾子数据结合的全信息数据的反演结果优于只使用张量阻抗数据(或只使用倾子数据)的反演结果,提高了反演结果的分辨率和可信度。合成数据的反演算例也验证了所实现的大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法的正确性和稳定性。     

基于矢量有限元的带地形大地电磁三维反演研究

研究了基于矢量有限元方法的大地电磁带地形三维反演算法并开发了三维反演计算程序代码.在大地电磁场正演数值模拟方面,采用并行直接稀疏求解器PARDISO且无需进行散度校正的快速正演方案,对典型地形模型,在中等规模计算条件下,与双共轭梯度法(BICG)计算结果比较,发现PARDISO比BICG快10倍以上;通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了带地形三维正演计算程序的正确性.在反演方面,本研究基于共轭梯度方法编写了大地电磁带地形三维反演代码,为了避免直接求取雅可比矩阵,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次“拟正演”问题,进而将PARDISO的快速正演方案应用于“拟正演”问题的求解,以提高反演计算效率.利用开发的反演算法对多个带地形地电模型的合成数据进行了三维反演,反演结果能很好地重现理论模型的电性结构,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了某矿区大地电磁实测数据,反演得到的三维电性结构清晰地反映了研究区的地电特征,将反演结果与该区已有地质资料结合进行解释,应用效果明显,进一步验证了本文算法的有效性.     

新型Landsat8卫星影像的反射率和地表温度反演

Landsat 8卫星自2013年2月发射以来,其影像的定标参数经过了不断调整和完善,针对Landsat 8开发的各种算法也相继问世.本文采用最新的参数、算法和引入COST算法建立的大气校正模型,对Landsat 8多光谱和热红外波段进行了处理,反演出它们的反射率和地表温度,并与同日的Landsat 7数据和实测地表温度数据进行了对比.结果表明,现有Landsat 8多光谱数据的定标参数和大气顶部反射率反演算法已有很高的精度,本文引入COST算法建立的Landsat 8大气校正模型也与Landsat 7的COST模型所获得的结果几乎相同,相关系数可高达0.99.但是现有针对Landsat 8提出的地表温度反演算法仍不理想,已提出的劈窗算法误差都较大.鉴于TIRS 11热红外波段的定标参数仍不理想,因此在现阶段建议采用单通道算法单独反演TIRS 10波段来求算地表温度,但要注意根据大气水汽含量的情况选用正确的大气参数计算公式.     

基于最小二乘正则化的自然电场场源反演成像

自然电场对多种地下污染物敏感,开展相应的场源反演成像研究可帮助有效监测污染源活动.把目标区域内的多种自然电场场源进行统一处理,利用有限单元构建二维地电模型,实现自然电位正演的高精度计算.采用最小二乘正则化反演迭代,实现自然电场场源的二维反演.在设计二维自然电场场源反演算法的基础上,利用加入高斯噪声的合成模拟数据,对反演算法进行测试.测试结果表明:基于有限单元二维模型的最小二乘正则化反演算法能有效地实现对自然电场场源的反演成像,并能准确地确定自然电位异常源的位置和深度,且算法收敛快速稳定,具有一定的抗噪声能力.     

倾子资料三维共轭梯度反演研究

在对倾子响应和共轭梯度算法深入分析的基础上,我们实现了倾子资料三维共轭梯度反演算法.基于倾子资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了利用倾子资料进行三维反演定量解释的方法.通过对理论模型合成数据 进行反演试算,验证了所实现的倾子资料三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.该反演算法可用于对大地电磁测深和地磁测深(地震地磁台站进...     

GNSS极化掩星信号反演雨团垂直结构方法

本文紧跟国际上新兴起的GNSS提取降雨信息这一研究思路,重点针对利用GNSS极化掩星信号提取雨团垂直结构问题进行了建模、解算和仿真研究.以GNSS-LEO掩星事件为背景,基于GNSS掩星信号经过雨团产生极化相移的物理特性,借鉴计算机层析技术的原理,构建了层析雨团垂直结构的数学物理模型,并提出了采用两种反演算法(TSVD法、Tikhonov法)及两种正则化参数选取方法(L曲线准则、GCV准则)的反演方案;通过数值模拟,分别研究了该方案在超定和欠定情况下的可行性,并对比分析了不同反演算法的效果.结果 表明:超定情况时,上述算法均能较准确地重构出雨团垂直结构,和原始分布的相关系数超过0.96.且不同算法采用不同正则化参数选取方法时结果相同;欠定条件下,甚至在未知数个数远大于观测量个数时,该方案仍可重构出雨团信息,不同仿真试验最优结果的相关系数位于0.75～ 0.98之间,且Tikhonov法明显优于TSVD法.该研究对利用GNSS信号获取区域雨团信息进行了有益探索,为后续低轨卫星载荷方案设计和论证提供了技术支撑.     

一种迭代算法在结构物理参数识别中的应用

本文在利用复合反演方法进行剪切型结构物理参数识别过程中,引入一种迭代算法来求解关于参数的病态方程组,探讨了几种比例阻尼形式的比例系数识别的处理方法。以10层剪切型框架结构为例,利用该迭代算法研究了无阻尼、三种比例阻尼形式以及噪信比为5％、10％的高斯白噪声等情形下的参数识别问题。结果表明,该迭代算法能很好地求解参数的病态方程组,且对四种阻尼形式和两种噪信比的噪声有很好的适应性。