基于BS-MUSIC的定向钻孔雷达三维成像算法

定向钻孔雷达由位于井中的一个发射天线和分布于圆环上的呈等角度分布的四个接收天线组成,能确定井旁地质目标的深度和方位.然而,目标方位确定和三维成像的算法问题一直是该技术面临的挑战.本文将空间谱估计中的BS-MUSIC算法应用于定向钻孔雷达目标方位识别算法中,在此基础上提出并实现了利用四个接收天线的信号对井周地质体进行三维空间成像的算法.使用合成数据对以上算法的效果进行验证,并和通常的MUSIC算法进行比较,结果表明,MUSIC算法和基于波束空间的MUSIC算法均可以在方位确定和三维成像方面取得非常好的效果,但计算速度方面,BS-MUSIC算法相比于MUSIC算法有了非常明显的提升.     

机载探地雷达的进展以及数值模拟

机载探地雷达可能解决危险环境或广域条件下的近地表探测问题,用于解决环境、生态或军事方面的问题.然而由于种种原因,该技术的发展却显得比较慢.为了推进该技术的发展,本文介绍了目前世界范围内机载探地雷达的进展,并利用时间域有限差分法对一些典型模型进行数值模拟,并用特定的偏移成像方法对模拟结果进行成像.目前存在的机载探地雷达主要有三种类型:第一种为将常规探地雷达天线悬挂在直升飞机上,第二种为针对机载探地雷达开发的雷达系统,第三种为具有探地能力的合成孔径雷达.数值模拟结果表明,不管是水平地面的情况下,还是起伏界面的情况下,机载探地雷达都能清楚探测一定深度范围内的地下目标.可见,机载探地雷达是存满希望的一种方法.     

用于宇宙射线μ子成像的MLS-EM重建算法加速研究

宇宙射线μ子检测技术具有穿透力强、对高Z材料敏感等特点,特别适合检测特殊核材料,是监控核材料走私的有效方式.图像重建问题是实现该技术的一个关键难点,MLS-EM算法是目前成像质量较好的算法,但其过长的运算时间制约了该算法在实际μ子检测系统中的应用.根据μ子检测系统的特点,本文提出了一种加速方法,在使用POCA重建图像作为迭代初值基础上进一步采用OS方法进行EM加速.模拟实验结果表明该方法能够有效地对MLS-EM重建算法进行加速,这对于宇宙射线μ子成像技术早日投入实际应用具有积极的意义.     

基于电磁波衰减补偿的探地雷达三维逆时偏移成像

常规探地雷达(GPR)逆时偏移大都未考虑高频电磁波在地下高电导率介质中传播的强衰减特性,致使高衰减区域的成像质量低;实际地下结构呈三维空间分布,二维GPR逆时偏移难以将反射波准确归位和绕射波完全收敛于真实位置.为此,本文构建了一种基于电磁波衰减补偿的三维GPR逆时偏移算法.该算法采用三维时域有限差分法计算正传和反传电磁波场,并通过改变反传电磁波方程中包含电导率的衰减项的正负号,人为保持反传时的时间对称性和反转不变性,以补偿正传时衰减的能量;零时刻成像条件用于获取地下三维结构的成像结果.数值试验结果表明:相比于常规GPR逆时偏移算法,基于电磁波衰减补偿的三维GPR逆时偏移可精确补偿电磁波在地下高电导率介质中正传衰减的能量,高电导率区域的成像精度更高,分辨率更好,抗干扰能力更强,其结果更有利于指导后续雷达剖面的解译.     

曲靖非相干散射雷达观测研究进展与展望

本文介绍了我国曲靖非相干散射雷达的主要技术方案，结合实测数据分析表明该雷达具备了电离层电子密度与等离子体温度观测、空间碎片凝视探测与月球二维成像探测等能力，可用于研究电离层F层气候学特征、电子密度暴时变化与异常增强等天气事件、E-F谷区结构与变化、约3 cm以上尺寸空间碎片的分布特征与模型、月球不同区域的散射回波特性等.下一步将重点开展低电离层与北驼峰结构及演化过程、电离层暴时与扰动特性观测.     

基于卷积神经网络的地震偏移剖面中散射体的定位和成像

本文提出了一种基于深度学习卷积神经网络(CNN)的全波形反演方法,可对地震散射波场中的散射体进行成像和定位.本文的灵感来自如下猜想:在散射波场剖面上的每个点附近的局部波场与该点到各散射体之间的最小距离有关系,并且这个关系可以被CNN网络所识别.我们将该最小距离定义为散射距离场,并将散射距离场的类别(即大小等级)作为CNN网络的预期输出,而输入就是该点附近的局部波场.最后用上述CNN网络对散射波场进行逐点训练和识别.计算结果证实了我们的灵感猜想,即上述CNN网络能够在复杂散射波场中对散射体进行成像.只通过一个训练模型的学习,CNN网络即可反演多种散射模型的偏移剖面,最后得到"类别函数预测值"和"滤波剖面"两种成像结果,由此可以辨识出在复杂的偏移剖面中各散射体的位置.     

面向全球变化探测的月基成像雷达概念研究

全球变化研究日益受到世界各国政府与科学界的高度关注．合成孔径成像雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）作为一种主动微波遥感成像手段,在对地观测中发挥着重要作用．为实现对地球的大尺度、连续性、长期性动态观测,更好满足全球变化科学问题研究的需要,并形成与星机载对地观测技术互补的能力,本文提出在月球上建立一个成像雷达系统,基于月球平台展开面向全球变化的观测的设想．月基成像雷达系统具有高分辨率、宽测绘带幅宽的特点,条带模式下测绘带幅宽可达数千公里,采用扫描模式一天可以覆盖地球表面的40％,其空间分辨率可达10m级甚至更高．通过简化的观测模型,本文定量分析了月基成像雷达的空间分辨率和覆盖范围,并通过模拟观测青藏高原和亚马逊平原的覆盖范围．结果表明,该系统大部分天数能完全覆盖青藏高原,而观测亚马逊平原的覆盖率在40％～70％之间．通过月基成像雷达可以提供大范围、长期而且稳定的时间序列数据,为全球变化研究提供有力的支持．     

基于探地雷达的混凝土无损检测反演成像方法

本文针对水利水电工程中的混凝土构件无损探测问题,提出了一种新的反演成像方法.传统方法主要依赖人工经验观察偏移探测数据,精度无法保证.这种方法以Maxwell方程的TM问题为数学模型,在混凝土的表面放置发射源与接收器,根据探地雷达的接收数据,采用同伦优化方法结合收敛速度较快的阻尼高斯牛顿方法作为反演算法,其成像结果更具定量化和可视性.该成像方法克服了传统雷达剖面图只能近似地反映混凝土中埋藏物及缺陷的深度、大小等缺点,不仅能够探测混凝土内部异物的位置,而且能够比较准确地确定异物的大小及属性.通过计算机模拟以及对实际资料的处理,验证了该反演成像结果直观、可靠、具有一定的应用价值.     

逆时偏移在声反射成像测井中的应用方法研究

声反射成像测井中常用的基于射线理论的Kirchhoff积分偏移算法和基于单程波理论的F-K偏移算法均可实现井旁缝洞反射体的快速偏移成像,但其仅适用于地层垂向变化较弱的速度场和高陡角裂缝的偏移成像,无法实现低角度反射体的准确偏移归位,产生偏移假象误导测井解释.逆时偏移基于全波动方程,可适应强垂向变化速度场,实现近似水平反射体的偏移成像.本文详细分析了将逆时偏移应用于声反射成像测井时存在的数据准备、时间采样间隔匹配和成像条件改进等若干问题,通过设置多组理论模型来说明算法对井旁不同反射体的识别能力.模拟资料和实际资料处理结果证实,较F-K偏移算法,逆时偏移算法成像精度更高、收敛性更好,可有效实现近似水平构造偏移归位.改进的归一化互相关成像条件可解决深部地层的远井壁成像衰减问题,降低测井解释的多解性.逆时偏移将成为声反射成像测井高精度偏移技术的发展方向.     

井间电磁法综述

地面电磁法在实际工作中在很大程度上受到了探测深度和分辨率的限制.为了克服这些缺点,出现了井间电磁法.井间电磁法指的是在两个(或多个)钻孔中分别发射或接收电磁波信号,利用电磁波信号进行成像并探测井间物理性质的地球物理方法.由于发射机和接收机可以分别放置在很深钻孔中,其具有大透距、大探测深度的特点,因而广泛应用于工程环境物探、矿产勘查、石油勘探等中.针对不同的应用,产生了各具特点的一些特殊方法,包括井间无线电波成像、跨孔雷达、井间电磁成像.井间无线电波成像仪目前只测量电场强度数据,工作频率低,一般是单频的电磁波,频率范围通常在1 kHz至10 MHz.由于缺少走时数据修正射线路径,井间无线电波成像主要是进行基于直射线追踪的衰减层析成像.井间无线电波成像既可用于工程与环境地球物理也可用于找矿.跨孔雷达是钻孔雷达的一种探测方式,用高频电磁脉冲探测两个井孔间介电常数和电导率的变化.跨孔雷达层析成像也叫地质雷达CT,既可进行走时成像,还可进行衰减成像.一般来说,地质雷达CT的电磁波工作频率较高,中心频率通常在10 MHz和1 GHz之间,因此在分辨率指标上占有优势,跨孔雷达主要用于工程与环境地球物理.井间电磁成像采用更低的频率,测量复电磁信号,适合油气储集层监测,是一种地球物理前沿技术.经过在多个试验区初步试验表明,井间电磁成像是油藏研究的有效手段,可用于分析剩余油分布,寻找油气富集区,进而达到提高钻探高效井成功率和提高采收率的目的.本文详细介绍对比了这三种方法在理论和实践中的一些特点,并对未来的发展进行了展望.     

机载探地雷达数值模拟及逆时偏移成像

机载探地雷达可以用于人类无法到达的危险地区、植被严重覆盖的地下目标体探测,然而由于机载探地雷达的特殊性,影响机载探地雷达探测效果的因素包括天线的极化方向、天线的飞行高度以及地表粗糙度等.为了研究这些影响因素与探测效果之间的关系,用三维时间域有限差分模拟电磁波的传播过程,以沙漠地区地下空洞掩体的机载探地雷达探测为实例,分别模拟了不同天线极化方向、天线高度及地表粗糙度情况下的机载探地雷达剖面,分析了各因素对机载探地雷达探测地下空洞目标体的影响.天线极化方向与目标体走向垂直更有利于地下目标体探测;天线距离地表越近,可以获得更高分辨率的雷达剖面;沙漠地表起伏越大,雷达剖面中的散射杂波能量越强,浅部地下目标体信号容易被掩盖.为了消除起伏地形造成的散射杂波,提出用逆时偏移成像技术对共炮集机载探地雷达数据进行偏移成像,成像结果优于基尔霍夫偏移成像结果.     

基于Tikhonov正则化的双频电磁波电导率成像反演

本文将Tikhonov正则化方法与active-set算法相结合,利用双频电磁波电导率成像原理,求解其反演成像方程.不仅对现有算法进行了改进,也促进了算法的实际应用.本文研究了在双频电磁波电导率成像方程建立后,如何根据其严重病态性质,选择合适的算法求解矩阵成像方程.针对电导率非负的特性,引入正则化参数,将问题转化为一个非负最小二乘问题,并用active-set算法求解.采用改进后的迭代算法对理论模型进行了数值模拟计算,验证了该方法的有效性.应用到实际电导率成像反演,与常规的LSQR、SP-LSQR、Tikhonov正则化等算法进行比较,取得了满意的结果.     

宽带全息重建算法应用于亚毫米波成像系统初探

毫米波全息成像技术是人身安检的重要技术手段,为进一步提高成像的分辨率和图像质量,研究宽带高频的亚毫米波成像系统具有重要的意义。本文基于亚毫米波全息成像系统的系统构成,给出了适用的宽带全息重建算法,对利用亚毫米波全息成像系统实际测得的相位和幅度信息进行重建并获得了目标图像。实验结果表明,上述宽带全息重建算法在亚毫米波波段内可以有效地重建图像,并验证了使用宽带成像可以有效提高图像分辨率、抑制散斑效应。      

高频雷达在混凝土无损检测中的应用及关键技术

本文阐述了混凝土体无损检测的基本方法技术。将地质雷达方法引入该领域中,结合工程实例研究地质雷达在混凝土非破损检测中的应用效果。并针对实际问题,利用分形技术对雷达资料进行处理,以提取雷达高分辨率信息。     

大地电磁场偏移成像方法的改进与应用

本文在对电磁场成像技术进行系统研究和总结的基础上,分析综述了大地电磁场成像技术的研究现状与存在问题,进而提出了改进的有限差分法大地电磁场偏移成像技术,使差分方程精度和成像分辨率得到了提高,并对客观选取背景电导率、两种极化模式联合成像以及多参数和再次成像进行了创新研究,最后利用模型试验和实际大地电磁场资料的实例展示了该方法偏移成像的成果及其实用性.     

考虑实际投影成像平面位置的扇束滤波反投影(FFBP)算法

扇束滤波反投影(Fan-beam Filtered Back Projection- FFBP)算法理论公式中,投影成像平面位于旋转中心;而实际CT扫描系统中,投影成像平面与旋转中心都存在一定距离.考虑到实际投影成像平面位置,本文推导了它的FFBP算法(即IFFBP-Improved Fan-beam Filtered Back Projection算法),比较了此两种情况下(即忽略成像平面与旋转中心距离)FFBP、IFFBP算法重建质量.计算机模拟和实验结果证明了IFFBP算法的正确性.     

逆时偏移成像条件研究

本世纪初高性能计算技术进步促进了逆时偏移技术的应用与发展.为解决逆时偏移存在的低频噪音等问题,可利用优化的角度域成像条件对成像进行改进;为实现真振幅逆时偏移,选择合适的成像条件也至关重要.根据不同的成像目的,有必要对逆时偏移使用的成像条件进行深入的分析.本文给出了逆时偏移的五类成像条件,并主要从噪音与振幅等方面对各种方法分别进行了分析说明,为逆时偏移的进一步应用提供方法对比.     

大地电磁场成像方法综述与新进展

对电磁场成像技术进行了系统总结，分析阐述了大地电磁场成像技术的研究现状与存在问题，并对各种方法的特点进行了比较和归纳，进而在Zhdanov等对偏移电磁场的研究和成像技术基础上提出了改进的有限差分法大地电磁场偏移成像技术，该方法提高了差分方程的精度和成像分辨率，并对客观选取背景电导率、两种极化模式联合成像、多参数和再次成像以及全频段成像和成像结合反演技术进行了研究。     

康普顿散射成像图像重建算法综述

康普顿散射成像技术因其灵活的系统结构、较低的辐射剂量而广泛应用于传统透射成像技术无法应用的场合,受到研究者的关注。图像重建算法是康普顿散射成像技术的核心,直接决定着重建图像的质量。本文从康普顿散射成像的正向模型讲起,分别对解析和迭代两种重建算法进行了介绍,着重对解析重建算法中的圆弧Radon变换模型和迭代算法中正则化过程中引入的全变分最小化方法进行了阐述和分析。最后,对康普顿散射成像重建算法存在的问题及发展趋势进行了总结。     

地震时频分析与分频解释及频谱分解技术在地震沉积学与储层成像中的应用

基于非平稳信号时频分析及其地震时频属性技术应用的有关研究成果,对地震信号时频分析、分频解释与频谱分解及其在地震沉积学与地震储层成像中的应用进行系统总结与阐述.从时频分析的基本原理出发,探讨地震分频解释和频谱分解的实现方法及其在地震沉积学与储层成像中的应用策略与效果.分析指出,发展高精度时频分析理论和算法,一体化统筹谋划地震资料叠前与叠后处理解释,针对不同地质条件探索相应的时频响应规律等,是分频解释技术及其在地震沉积学和地震储层成像研究中有效应用中值得深入研究的问题.