【摘要】：煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源。在追求煤炭高產(chǎn)高效的同時(shí),絕對(duì)不能忽視地質(zhì)安全保障系統(tǒng)的建設(shè)。災(zāi)害源是引起礦井災(zāi)難事故的重要原因。在礦井采煤過(guò)程中,通過(guò)探測(cè)災(zāi)害源的空間信息和特征屬性,預(yù)測(cè)可能的隱伏災(zāi)害源,可為煤礦安全生產(chǎn)提供科學(xué)的地質(zhì)保障,是避免煤礦事故的有效手段,也是我國(guó)煤礦企業(yè)急迫解決的重大安全科學(xué)和工程問(wèn)題。地質(zhì)雷達(dá)作為一種快速、無(wú)損、高效的地球物理探測(cè)方法,是目前精確度最高的物探方法,但探測(cè)距離是限制地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在礦井應(yīng)用的主要因素。層析成像探測(cè)利用的是單程直達(dá)波的走時(shí)等數(shù)據(jù),能夠有效提升地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)距離,可直接在工作面巷道內(nèi)對(duì)工作面進(jìn)行近距離探測(cè),實(shí)現(xiàn)地面地球物理勘探方法無(wú)法達(dá)到的地質(zhì)勘探效果。本論文以國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)“礦井災(zāi)害源探測(cè)儀器研制與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”(2012YQ030126)為背景,對(duì)礦井復(fù)雜構(gòu)造雷達(dá)波走時(shí)層析成像反演算法進(jìn)行研究。研究?jī)?nèi)容包括礦井雷達(dá)波走時(shí)層析成像技術(shù)的觀測(cè)技術(shù),礦井非線性介質(zhì)雷達(dá)波走時(shí)層析射線追蹤算法,基于動(dòng)態(tài)射線追蹤與稀疏存儲(chǔ)的反演優(yōu)化算法,不規(guī)則觀測(cè)區(qū)域的走時(shí)層析成像反演算法,以及處理層析成像大數(shù)據(jù)的并行化反演算法,并通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)與物理模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的可行性。通過(guò)研究礦井復(fù)雜構(gòu)造雷達(dá)波走時(shí)層析成像反演算法,將極大地拓展地面地質(zhì)雷達(dá)在礦井災(zāi)害源探測(cè)中的應(yīng)用范圍,為煤礦關(guān)系到社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等重大安全生產(chǎn)問(wèn)題提供有效的技術(shù)支撐,對(duì)我國(guó)礦井災(zāi)害預(yù)防及煤礦安全生產(chǎn)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文建立了適用于矩形、梯形與楔形觀測(cè)區(qū)域的礦井環(huán)境的雷達(dá)波走時(shí)層析成像觀測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)層析成像探測(cè)方法的特點(diǎn),介紹了多偏移距數(shù)據(jù)采集方法與連續(xù)掃描數(shù)據(jù)采集方法。在進(jìn)行走時(shí)層析成像反演時(shí),首先將觀測(cè)區(qū)域離散化,將觀測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)網(wǎng)格,再進(jìn)行射線追蹤,獲取射線在網(wǎng)格中的路徑,求取反演方程組中的系數(shù)矩陣。針對(duì)礦井觀測(cè)區(qū)域的特點(diǎn),以及目前直射線追蹤算法與彎曲射線追蹤算法的局限性,提出了一種改進(jìn)的射線追蹤算法——礦井非線性介質(zhì)二次剖分動(dòng)態(tài)射線追蹤算法。該算法分為三個(gè)過(guò)程:直射線追蹤確定波速向量初值并計(jì)算當(dāng)前反演走時(shí),通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法篩選出異常射線并確定其曲線傳播起始點(diǎn),在后續(xù)反演迭代中對(duì)異常射線進(jìn)行線性插值追蹤。由于每一道射線只經(jīng)過(guò)觀測(cè)區(qū)域中的少數(shù)網(wǎng)格,導(dǎo)致系數(shù)矩陣中存在大量零元素。零元素的存儲(chǔ)與計(jì)算耗費(fèi)了大量的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間。本文改進(jìn)了系數(shù)矩陣的稀疏存儲(chǔ)與求解方法,可以大大降低層析反演算法的時(shí)間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度,提高反演算法的效率。三組數(shù)值模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了采用稀疏存儲(chǔ)后三種算法的計(jì)算時(shí)間都顯著縮短。雷達(dá)波走時(shí)層析成像的反演算法有多種,本文針對(duì)三種通用的算法,即art、sirt和lsqr算法,結(jié)合動(dòng)態(tài)射線追蹤與稀疏存儲(chǔ)做了優(yōu)化。迭代終止條件一般是檢驗(yàn)最小二乘條件,即計(jì)算根據(jù)反演結(jié)果計(jì)算出的反演走時(shí)同采集到的走時(shí)的差的范數(shù)。本文將走時(shí)殘差改為相對(duì)走時(shí)殘差,并增加了走時(shí)殘差變化值與反演結(jié)果變化值兩個(gè)條件,當(dāng)反演結(jié)果趨于穩(wěn)定或者精度不再提高時(shí),即停止迭代計(jì)算,提高了算法的效率,避免結(jié)果穩(wěn)定后依然計(jì)算直至最大迭代次數(shù)才停止反演。當(dāng)觀測(cè)區(qū)域含塊狀高速異常時(shí),三種算法均可識(shí)別異常區(qū)域的位置和大小。art與dampinglsqr的結(jié)果相近,明顯優(yōu)于sirt算法,art算法的反演結(jié)果中異常部位的波速值最準(zhǔn)確。當(dāng)觀測(cè)區(qū)域含塊狀低速異常時(shí),art與dampinglsqr均可識(shí)別異常區(qū)域的位置和大小,sirt只能識(shí)別異常區(qū)域的位置。當(dāng)觀測(cè)區(qū)域含帶狀異常時(shí),art與dampinglsqr均可識(shí)別帶狀異常的位置和大小,sirt只能識(shí)別平行于透射方向的帶狀異常的位置和大小。此外,使用一定角度范圍內(nèi)的射線的走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演時(shí),效果優(yōu)于使用全部射線的走時(shí)數(shù)據(jù),在一定程度上避免了大角度射線對(duì)反演結(jié)果的干擾。本文還討論了網(wǎng)格大小的確定依據(jù),網(wǎng)格數(shù)目增多,會(huì)改善反演效果,網(wǎng)格數(shù)目與走時(shí)數(shù)據(jù)道數(shù)近似是一個(gè)較優(yōu)的選擇。在實(shí)際反演過(guò)程中,可以先將觀測(cè)區(qū)域劃分為網(wǎng)格邊長(zhǎng)較大的模型,再逐漸縮小,直至走時(shí)均方根誤差趨于穩(wěn)定并且等值線圖中異常部位的輪廓清晰為止。梯形與楔形觀測(cè)區(qū)域反演時(shí),大角度射線占據(jù)比例高,系數(shù)矩陣稀疏度提高,并且每條射線經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格數(shù)減少,導(dǎo)致反演方程組病態(tài)程度加劇。根據(jù)其反演的特殊性,本文提出了基于投影分區(qū)的加權(quán)排序art優(yōu)化算法。優(yōu)化算法包括兩部分:第一部分是對(duì)射線追蹤的優(yōu)化,將不規(guī)則觀測(cè)區(qū)域投影到矩形邊界,根據(jù)斜邊與網(wǎng)格的位置關(guān)系不同劃分為三個(gè)區(qū)域,將初始射線投影至矩形邊界后重新進(jìn)行射線追蹤,降低了反演方程組的病態(tài)程度;第二部分通過(guò)設(shè)計(jì)射線角度權(quán)系數(shù)和慢度差值權(quán)系數(shù),并在迭代過(guò)程中根據(jù)慢度差值權(quán)系數(shù)排序計(jì)算,對(duì)傳統(tǒng)的art算法進(jìn)行了優(yōu)化。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,梯形觀測(cè)區(qū)域?qū)嶒?yàn)中,空洞模型、含水區(qū)模型與帶狀破碎帶模型,異常的大小、位置與性質(zhì)都可以準(zhǔn)確識(shí)別。含水區(qū)模型的波速相對(duì)誤差比其他模型更嚴(yán)重,導(dǎo)致圖像出現(xiàn)部分虛假異常。帶狀破碎帶模型中水平破碎帶的反演效果很好,垂直破碎帶靠近斜邊一端比較準(zhǔn)確,但整體仍可判斷為帶狀破碎帶。楔形觀測(cè)區(qū)域?qū)嶒?yàn)的結(jié)果與梯形觀測(cè)區(qū)域基本一致。帶狀異常的方向與反演精度呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)性規(guī)律,與帶狀異常方向傾角較小的射線數(shù)據(jù)量大時(shí),該異常的反演效果較好。如果在采集數(shù)據(jù)時(shí),布置不同方向的測(cè)線,多邊發(fā)射多邊接收,會(huì)改善反演效果�？朔@一影響的另一個(gè)方法是圖像融合技術(shù)。本文采用基于小波變換的圖像融合技術(shù),對(duì)兩種測(cè)線布置獲取的走時(shí)數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到的圖像進(jìn)行融合。融合圖像很好的綜合了兩幅原始圖像中的異常信息,減小了背景噪音,并確定了8~12層為較優(yōu)的小波分解層數(shù),db4與sym4為綜合性能較優(yōu)的小波基函數(shù)。為檢驗(yàn)本論文提出的算法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性,使用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的CT透射地質(zhì)雷達(dá),利用按照礦井實(shí)際開(kāi)采尺寸的1:1~1:3大小制作的巷道物理模型,進(jìn)行了矩形觀測(cè)區(qū)域與楔形觀測(cè)區(qū)域的實(shí)驗(yàn)研究。矩形實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,多偏移距與連續(xù)掃描兩種方法采集的走時(shí)數(shù)據(jù)基本一致,但楔形實(shí)驗(yàn)中,二者存在明顯的差異,并且對(duì)反演結(jié)果造成了影響。因此,在選擇走時(shí)數(shù)據(jù)采集方法時(shí),應(yīng)綜合考慮測(cè)線長(zhǎng)度、布點(diǎn)個(gè)數(shù)與檢測(cè)分辨率的要求。矩形實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ART與Damping LSQR算法的反演結(jié)果較好,優(yōu)于SIRT算法,可以準(zhǔn)確、全面的反映探測(cè)區(qū)域的介質(zhì)分布情況。楔形實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于投影分區(qū)的加權(quán)排序ART優(yōu)化算法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也是有效的,可以準(zhǔn)確識(shí)別探測(cè)區(qū)域中空洞異常的大小、位置與介質(zhì)波速。雷達(dá)波走時(shí)層析成像數(shù)據(jù)處理主要包括射線追蹤與反演計(jì)算兩部分,本文分別設(shè)計(jì)了這兩部分的并行化策略。結(jié)合射線追蹤算法的特點(diǎn),對(duì)射線數(shù)據(jù)進(jìn)行均勻分塊。ART算法逐網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,適合進(jìn)行并行化處理,對(duì)網(wǎng)格區(qū)域采用不均勻劃分策略,令劃分節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處,并使分塊數(shù)據(jù)近似平均。采用關(guān)聯(lián)式MapReduce并行框架的迭代組合應(yīng)用,一次框架實(shí)現(xiàn)射線追蹤的并行化,二到N次框架實(shí)現(xiàn)ART算法的并行化。通過(guò)搭建完全分布式模式的Hadoop云計(jì)算平臺(tái),應(yīng)用上述并行框架組合,對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行并行化反演實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于MapReduce的并行框架組合應(yīng)用在雷達(dá)波走時(shí)層析成像的并行化反演中得到了較好的應(yīng)用,提高了反演效率。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P631

【參考文獻(xiàn)】

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10 張文生,何樵登;有限差分法精確計(jì)算地震走時(shí)[J];物探化探計(jì)算技術(shù);1996年04期

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本文編號(hào)：2786884