地基GNSS-R在复杂地形条件下的积雪探测

GNSS-R技术是一种以GNSS为信号源的全新遥感技术, 可用于监测海洋和陆地.在地基GNSS-R积雪探测研究中, 反射区域内的复杂地形不仅会引起积雪的不均匀分布, 还使得接收机能在同一时刻接收到来自多个反射界面的反射信号, 从而增加了积雪探测的难度.针对该问题, 本文利用北极圈内斯匹次卑尔根岛上布设的GNSS-R测站, 开展了复杂地形条件下的积雪探测研究.根据不同界面上的反射信号具有不同多普勒频移的特点, 本文提出了基于傅里叶变换的谱分析方法, 将不同界面的反射信号从混合信号中分离出来, 并根据特定多普勒频率段的功率来监测地表积雪变化.基于该方法, 本文分析了反射路径位于Schetelig山地区域的8颗卫星在2014年间的反射信号, 计算结果表明: 卫星PRN 2、12和28与积雪地面介电常数之间的相关系数分别为0.02、0.20和0.05, 表明这三颗卫星的反射信号与地面介电常数之间不相关; 卫星PRN 14和20与地面介电常数之间的相关系数分别为0.29和0.26, 为低度相关; PRN 17、18和25与地面介电常数之间的相关系数分别为0.43、0.54和0.44, 为中等程度相关.研究证明本文提出的方法, 可用于探测复杂地形下的地表积雪.

     

瑞雷波多阶模式频散曲线稀疏正则化反演方法研究

目前瑞雷波多阶模式频散曲线反演中仅考虑数据的拟合,缺乏对模型的约束,不能很好地刻画地层间断面的问题,针对此问题,研究了瑞雷波多阶模式频散曲线稀疏正则化反演方法.正演模拟基于广义反射-透射系数法,数值计算上采用一种快速求根方法,与二等分方法相比,能够在很短的时间内达到最优的收敛效果;反演建模时采用L1范数正则化方法对模型进行稀疏性刻画,使反演结果更加符合地质实际;在反问题的数值实现上,针对稀疏正则化模型提出一种隐式迭代正则化算法,其迭代算子具有非膨胀特性,可以收敛到极小化问题的解.数值实验结果表明,新的反演方案具有计算效率高,模型"逐块"光滑的特性刻画好,对非高斯噪声鲁棒性强的特点.     

利用直达波导频信号的高频外辐射源雷达接收阵列校正方法

基于数字调幅广播(DRM)的特点,提出了一种利用直达波频率导频信号的高频外辐射源接收阵列幅相一致性校正新方法。首先介绍了DRM广播的信号结构,分析了其导频信号作为校正源的可行性;考虑到高频段电磁环境和传播环境的时变非平稳特性,提出了一种基于平移不变阵元偶在时间上优选直达波校正数据的方法;最后结合地波模式和天波传播模式高频外辐射源雷达实测多通道数据,比较了该方法与其他辅助定标源方法用于接收阵列校正的效果,分析结果证实了该方法的有效性。     

基于SAR多普勒质心频移的海面流场迭代反演算法

为了克服SAR多普勒质心频移法反演海面流场时风场贡献去除困难的难题,本文提出了基于M4S模型的弦截下山法,利用其迭代计算局部区域的海面流场;然后估算整幅SAR图像中风场对多普勒速度的风贡献因子$\gamma $;最后去除风场对多普勒速度的贡献。将该算法用于Radarsat-2数据反演海面径向流速,并利用匹配的实测数据验证反演精度。研究结果表明,本文提出的弦截下山法具有良好的收敛性和较高的收敛速度,而且对本文中使用的两景SAR数据,反演的海面径向流速偏差分别为0.04 m/s和0.15 m/s。     

海底沉积物的基本地声结构与地声模型

为准确建立海底地声模型,本文探讨地声模型的基本组成和基本结构。通过样品实验室测量,分析南海海底表层沉积物的密度、孔隙度与声速随着埋深变化的关系,得出海底实际存在的低声速表面–声速缓慢变化类型、低声速表面–声速增大类型、高声速表面–声速缓慢变化类型和高声速表面–声速增大类型4种典型地声结构;对比钻探测量,分析黄海海底沉积物的密度、孔隙度与声速随埋深变化关系,得出海底地声模型分层特征与地声结构组合特征。研究表明,地声模型可以归结为4种基本地声结构的组合,通过与底层海水声速、同层内声速剖面以及与上层海底沉积物下表面声速的比较,可以建立各种海底地声模型;基于实验室测量法建立的地声模型可以作为参考地声模型,但需要考虑实际海底温度和压力梯度以及海底沉积物的频散特性等,借助于声速比校正法和频散性理论模型进行计算及修正。     

大风影响下的莱州湾西岸单站底层泥沙输运特征分析

基于2018年10月21日至11月6日莱州湾西岸连续站观测数据,本文利用集合经验模态分解、希尔伯特−黄变换和小波分析法对底层单宽输沙率的小尺度特征做分析,并针对观测期间出现的大风天气对泥沙输运的影响进行了探究。结果表明,单宽输沙率在观测时间段内具有高频、潮周期、低频以及长周期尺度变化特征,周期尺度从小到大。其中高频和潮周期分量方差贡献率及所含能量最高,对输沙率的影响最强。边际谱显示东西方向输沙率的显著周期为13.3 h,南北方向大于11 h的周期较为显著。观测期间底层净泥沙通量分别为东向305.77 kg/m、南向597.25 kg/m,余流分量贡献最大,低频和高频分量贡献最小。上强迫风场主要在风速衰减期通过湍流和波浪影响输沙速率的时频分布,使其低频变化显著增强的同时,产生1 h周期左右的高频波动。交叉小波分析显示,风速和单宽输沙率在低频波段上相干性较强,且单宽输沙率会滞后风速1/4至1/2个周期。另外,风浪会增强泥沙输运的涨落潮不对称性,进而增加潮周期分量上的泥沙净输运。     

地中电偶极源极低频电磁场的分布与传播特征

利用层状大地中偶极源响应的正演算法, 计算地中电偶极源激发的极低频地震电磁场并分析其在地球环境下的传播特征.设计了多个水平层状地球模型, 分别模拟和展示了深埋地中的电偶极源的响应和空间分布特征.重点分析了含地壳波导+LAI波导模型的高阻大地中, 倾斜电偶极源激励响应随观测点的偏移距和垂直位置、激励源深度、地壳波导结构和参数变化时各场量响应的幅频特征.研究表明, 用倾斜电偶极源模拟和分析高阻大地中孕震电磁辐射的响应及在大地电磁系统中的传播特性是可行的; 模拟的高阻大地中的电磁辐射在地壳波导和LAI波导中均表现有慢衰减或幅值增强特性, 但两个波导效应具有不同的频率选择性; 高阻大地中的电磁辐射在波导的高阻介质中具有幅值强、衰减慢的特点.建议在高阻地层出露的地表、井中或海底的高阻岩层中以及大气层中布设测站.

     

一种可模态分离的高分辨率频率-波数法及其工程应用

高分辨率频率-波数法是通过计算F-K谱从能量角度获取主导表面波频散信息的一种常用方法。然而,由于高模态瑞利波的能量通常低于基阶波的能量,因此难以分离多模态频散信息。本文通过建立多模态瑞利波模型,并讨论其相速度、波数和能量特性,提出一种可模态分离的高分辨率频率-波数法。通过增强F-K谱上的高模态能量,提取其多模态能量的局部极值,进而得到相速度点,对所有相速度点进行概率分布并拟合,得到多模态频散曲线。工程应用表明,改进的高分辨率频率-波数法能够较好地还原多模态瑞利波信息,通过对提取的多模态频散曲线进行联合反演,可以得到与工程钻孔结果匹配较好的剪切波速度结构。     

基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟

通过数值模拟研究探地雷达（GPR）高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件（CFS-PML）以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明：本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度.

     

利用单点六分量地震提取面波频散谱的数值验证

面波频散反演是揭示地下速度结构的一项重要手段.传统面波勘探技术侧重于多台站阵列数据频散分析.旋转地震学理论框架下六分量地震观测时,仅利用单台站记录的平动与旋转分量就可以获得面波频散曲线.本文从频率域谐振分析出发,利用模态叠加正演方法,讨论了不同模型下平动与旋转联合估算Rayleigh波相速度的可靠性.结果表明：单台站多分量地震数据估算的频散曲线受多种因素影响,估计过程存在一定的系统误差;典型浅层地质模型下,单点估算与多道面波分析方法（MASW）提取的Rayleigh波频散曲线在低频段吻合性好;若要降低单点多分量地震估算的系统误差,仍需研发配套的波场分离与不同阶频散谱的高精度提取技术.