彈性波回波成像機理研究技術路線

張星

摘要：彈性波通信理論在研究過程中需要各種理論的支持，才能對探測理論進行全面的研究。基于研究內容，并且為了更精確地探測煤層中存在的地質異常體的位置，提取地質構造的典型特征，需要對在煤系地層中震源發射的彈性波進行接收處理成像，然后分析圖像特點提取地質構造。針對這一需要，本文對彈性波回波成像機理技術路線進行研究。

關鍵詞：彈性波回波；成像；地質構造

在煤田勘探、地層探測等領域，工作面開采掘進過程中會遇到未知煤厚變化和地質異常體分布的情況。事實證明，在情況不明的情況下進行作業，將會危害煤礦井下作業人員生命安全，造成巨大的經濟損失。因此，探明工作面內未知地質異常體，并通過圖像進行重建，成為了煤田勘探中急需的手段。

1 彈性波回波成像機理研究立論背景

彈性波在大地信道中的傳播特性目前已經應用在地震監測等領域，并且擁有一定的理論基礎，為彈性波地層探測的研究提供了基礎。但是彈性波地層檢測的實現仍然存在一系列的問題，本課題所涉及的典型地質構造特征提取方法研究旨在將反射回來的彈性波經過接收處理使其特性直觀的在圖中顯示出來，實現對地質結構的精確判斷，從而能夠有效指導實際生產工作。

電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性特征及幾何形態而變化。故通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或地質體的空間位置及結構[1]。

2 彈性波回波成像機理研究意義

典型地質構造特征提取方法是一種涉及多種原理的技術，包括彈性波的相關物理及數值模擬、探測方法理論、頻散特性分析方法理論、圖像重建理論、反演方法理論以及成像技術等理論。積分幾何學作為成像技術理論的基礎，將隨著構造提取方法的發展而發展，不斷衍生出各種算法。

典型地質探測技術分辨率高、探測距離大，能夠探明煤層的不連續性，如斷層破碎帶、煤層厚度變化、矸石層分布、剝蝕帶、古河床沖刷帶和巖墻等構造，是一種有效的小構造探測方法[2]。而小構造是導致煤炭資源回采困難及煤礦安全事故的主要原因，因此典型地質構造特征提取方法將在挽救人民生命財產方面發揮舉足輕重的作用。

3 彈性波回波成像機理研究內容

將多孔徑雷達成像原理和槽波地震探測方法應用到彈性信號的地質構造探測中，完成反射回來的彈性波的探測和處理，分析彈性波信號的頻散特征，實現彈性波反演成像，根據所成圖像提取典型地質特征。典型地質構造特征原理框圖如下：

根據典型地質構造原理特征，可以明確其主要研究內容包括以下幾點：

（1）闡述典型地質構造特征方法的基本理論，包括彈性波的基本理論、頻散特性的含義、成像技術的研究理論以及數據分析等理論。

（2）介紹彈性波的接收與探測方法，分析槽波的頻散特性，研究影響頻散曲線的因素，重點介紹頻散分析方法中的移動時窗法和相位差法。

（3）將處理后的彈性波反演成像，主要涉及層析成像中的透射法。

（4）基于煤系地層的特殊環境，對整個典型地質構造特征提取系統進行仿真實驗測試。課題實施方案圖如下圖2所示：

整個課題的實施方案為：首先，弄清楚多孔徑雷達成像和槽波地震勘探技術的原理方法；其次，研究彈性波信號的相關知識和相關理論，然后對彈性波勘探理論進行研究，主要包括彈性波的接收探測理論、彈性波的頻散理論以及層析反演算法；再次，依據以上知識，結合彈性波的應用環境建立地質構造特征的提取方法的基礎模型，確定提取方案；然后進而運用仿真軟件進行仿真，實驗以及分析結果，對實驗結果進行分析，進而對方法不斷的進行改進，最終得到典型地質構造特征提取的方法。

四、結語

本課題將彈性波作為震源信號，實現了超低頻率回波信號的成像問題。將合成孔徑雷達技術和槽波地震探測方法應用到彈性波地質構造特征提取方法研究之中。利用COMSOL進行仿真，不斷修正所建模型，不斷的進行算法的修正，以得到以彈性波進行的典型地質構造特征提取方法。

參考文獻：

[1]裴建新.補償吸收衰減的地質雷達數據疊前偏移方法研究.中國海洋大學，2007.

[2]劉天放，潘冬明，李德春，等.槽波地震勘探[M].北京：中國礦業大學出版社，1994.