層析成象是在物體外部發(fā)射物理信號(hào)，接收穿過物體且攜帶物體內(nèi)部信息，利用計(jì)算機(jī)圖象重建方法，重現(xiàn)物體內(nèi)部一維或三維清晰圖象。 層析成象技術(shù)**大的特點(diǎn)是在不損壞物體的條件下，探知物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)與物理參數(shù)(如密度等)的分布。層析成象與空間技術(shù)、遺傳工程、新粒子發(fā)現(xiàn)等同列為70年代*際上重大科技進(jìn)展。層析成像應(yīng)用非常廣泛，如醫(yī)學(xué)層析的核磁共振成像技術(shù)、工業(yè)方面的無損探傷、 在軍事工業(yè)中，層析成象用于對(duì)炮彈、火炮等做質(zhì)量檢查、在石油開發(fā)中被用于巖心分析和油管損傷檢測(cè)等，層析成象是在物體外部發(fā)射物理信號(hào)，接收穿過物體且攜帶物體內(nèi)部信息，利用計(jì)算機(jī)圖象重建方法，重現(xiàn)物體內(nèi)部一維或三維清晰圖象。
聲波層析成像技術(shù)
聲波層析成像方法所研究的主要內(nèi)容，一個(gè)是正演問題，即射線的追蹤問題，是根據(jù)已知速度模型求波的初**時(shí)間的問題；另一個(gè)問題就是反演問題，即根據(jù)波的初**時(shí)間反求介質(zhì)內(nèi)部速度或者慢度分布的問題。層析成像效果的好壞與解正演問題的正演算法和解反演問題的反演算法都有直接的關(guān)系。 論文詳細(xì)研究聲波層析成像的射線追蹤算法，重點(diǎn)探討了基于Dijkstra算法的Moser曲射線追蹤算法，并用均勻介質(zhì)模型、空洞模型、低速斜斷層等模型使用Moser曲射線追蹤時(shí)的計(jì)算精度與計(jì)算效率，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)插節(jié)點(diǎn)是影響Moser曲射線追蹤效果的主要因素，得到了內(nèi)插節(jié)點(diǎn)數(shù)為5～7之間，計(jì)算速度較快，計(jì)算精度較高。模型試算的結(jié)果表明，正演采用內(nèi)插10個(gè)節(jié)點(diǎn)，反演過程中采用內(nèi)插5個(gè)節(jié)點(diǎn)，效果**佳。 在層析成像正演算法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了誤差反投影算法(BPT)、代數(shù)重建法(ART)、聯(lián)合迭代法(SIRT)；研究了非線性問題線性化迭代的**速下降法、共軛梯度法(CG)；重點(diǎn)推導(dǎo)和建立了層析成像的高斯—牛頓反演法(GN)；詳細(xì)研究了非線性**優(yōu)化的蒙特卡洛法(MC)、模擬退火法(SA)、遺傳算法(GA)；研究了將非線性全局**優(yōu)化和線性局部**優(yōu)化方法相結(jié)合的混合優(yōu)化方法，探討了基于高斯牛頓和模擬退火相結(jié)合(GN-SA)混合優(yōu)化算法。在此基礎(chǔ)上，以速度差為10％的低速斜斷層模型為例，詳細(xì)探討了線性化算法SIRT、GN；非線性**優(yōu)化算法SA、GA以及混合優(yōu)化算法GN-SA五種算法對(duì)該模型的計(jì)算結(jié)果，并探討了直射線和Moser曲射線追蹤的反演效果。數(shù)值試驗(yàn)表明，基于Moser曲射線追蹤的高斯—牛頓反演法的層析成像效果**佳，計(jì)算效率**高。 采用基于Moser曲射線追蹤的高斯—牛頓法，對(duì)速度差為25％的等軸狀空洞構(gòu)造、速度差為33％的不連通空洞模型、速度差為33％的高速巖脈進(jìn)行了反演試算，對(duì)于這些理論模型，高斯—牛頓法均取得了較好的成像效果。為進(jìn)一步驗(yàn)證各種層析成像法，在實(shí)驗(yàn)室制作了水泥臺(tái)和石膏板實(shí)物模型，并分別在水泥臺(tái)中央制作一個(gè)方形空洞，在石膏板中央制作一個(gè)倒“L”形空洞。對(duì)這兩個(gè)實(shí)物模型進(jìn)行了實(shí)測(cè)，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)，用高斯—牛頓法進(jìn)行層析成像反演，均取得了較好的成像效果。 通過本文的研究和數(shù)值試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：(1)基于直射線追蹤方法，適用較為簡單的地質(zhì)體，亦或是測(cè)量精度要求不高的問題。由于直射線追蹤方法在成像過程中，只需要追蹤一次就可以求得距離矩陣，這樣它的成像速度比較快，而基于Moser曲射線追蹤的SIRT成像反演法，在迭代過程中，需要不斷地進(jìn)行距離矩陣的更新，計(jì)算速度相當(dāng)慢。因此，當(dāng)實(shí)際地質(zhì)情況比較簡單時(shí)候，可以考慮先采用直射線方法進(jìn)行成像，然后采用曲射線追蹤進(jìn)行構(gòu)造精細(xì)解釋。(2)基于Moser曲射線的射線追蹤方法，追蹤效果與內(nèi)插節(jié)點(diǎn)的數(shù)目有較大的關(guān)系。(3)在Moser曲射線追蹤基礎(chǔ)上，結(jié)合SIRT層析成像反演方法，對(duì)正演模擬的旅行時(shí)間進(jìn)行了成像反演。當(dāng)速度差異小于15％時(shí)，基于曲射線的SIRT層析成像反演結(jié)果與直射線情況下差異不大；當(dāng)速度差高達(dá)33％時(shí)，基于直射線的SIRT層析成像方法對(duì)高速異常區(qū)的成像效果仍然比較好。但當(dāng)速度差異大于67％時(shí)，基于直射線的SIRT成像效果比較差，但是基于Moser曲射線的追蹤方法，仍然可以給出比較好的成像效果。(4)基于Moser曲射線的高斯—牛頓反演層析成像方法，進(jìn)行了反演。(5)通過方法的比較，高斯牛頓法一般只需要迭代2～3次，就可以得到比較好的成像效果。而一般的SIRT成像方法，需要迭代10次左右才能得到比較好的成像效果。(6)理論模型的數(shù)值試驗(yàn)表明，盡管非線性**優(yōu)化方法在理論上可以收斂到全局**優(yōu)解，但是在實(shí)踐過程中，非線性**優(yōu)化算法SA、GA以及混合**優(yōu)化方法，目前仍然存在搜索次數(shù)太大，搜索時(shí)間過長等弊病而無法實(shí)用。 這些理論模型和實(shí)測(cè)資料的反演結(jié)果，為建筑物構(gòu)件等的無損檢測(cè)提供了理論依據(jù)。
一．井間地震層析成像技術(shù)
井間地震層析成像技術(shù)是利用地震波在不同方向投射的波場(chǎng)信息, 對(duì)地下介質(zhì)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)(速度、衰減系數(shù)、反射系數(shù)等的分布)進(jìn)行成像, 以其分辨率高、解析成果直觀等特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于工業(yè)及 民用建筑、公路、鐵路、環(huán)境等方面工程地質(zhì)勘察中。井間層析成像可分為基于射線理論的走時(shí)層析成像和波動(dòng)理論的繞射層析成像兩類。井間地震波場(chǎng)信息豐富復(fù)雜, 波場(chǎng)識(shí)別和分離比較困難, 而直達(dá)波**相對(duì)簡單, 故工程勘察中常常采用基于射線理論的直達(dá)波**走時(shí)層析成像。井間地震層析成像的核心問題是:
