[发明专利]混合网最小走时射线追踪层析成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及地学层析成像技术，主要应用于岩体工程地质声波探测、孔间地质构造探测及各种人工结构体缺陷检测中的计算机数据图像处理。 

背景技术

目前，地学层析成像技术以射线代数重建法为主，称为射线层析成像方法。 

具体方法是，在地层中打两孔，一孔设有信号激发装置，另一孔设有信号接收装置（单道或多道），形成扇形观测系统，测量探测区域介质速度。通过改变激发点和接收排列的位置，组成密集交叉的射线网络，然后根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元，运用射线追踪理论，采用反演计算方法形成被测区域的声波波速图像。根据射线理论，初至旅行时t与探测区域介质速度v(x,z)有下列关系 

t=∫R(v)1v(x,z)ds---(1)]]>

式(1)中，R(v)为发射点到接收点间的路径，为速度v(x,z)的函数；ds为沿射线路径R(v)的距离增量。将射线穿过的区域离散成网格模型，则可建立如下反演控制方程： 

AX=B   (2) 

式(2)即为层析成像成像方程，其中，A是M×N阶矩阵，M为观测射线条数，N是单元个数，A的元素a_ij是第i次观测中传播路径与第j个网格有关的微分系数，i=1，2，…，M，j=1，2，…，N；X是N维列向量，其元素x_j是第j个网格中的慢度（速度v_j的倒数）；B是M维列向量，其元素t_i是第i次观测得到的初至声波走时。 

式(1)中的初至旅行时与速度分布的关系是非线性的，层析反演需要对(1)式进行线性化处理。迭代一般从某一初始速度模型v₀开始，建立观测旅行时与理论旅行时之差δt满足的线性方程，解出速度的扰动量δv，修正速度模型v＝v₀+δv，得到新的速度模型。矩阵A是通过射线追踪算法追踪激发点与接收点之间的射线路径而形成的，成像效果的优劣取决于射线追踪方法。 

由于工程地质探测现场条件的复杂性，所探测研究对象的外部几何形状大部分情况下是不规则的形状；内部地质异常体在空间结构上更加复杂，有的呈不规则柱状体（如溶洞、陷落柱等），有的呈条带状（如断层、裂缝等）、有的呈层状（如软弱夹层等）。这就对模型参数化提出更高的要求，以满足复杂结构体的探测。 

目前模型参数化一般都采用单一的矩形网或三角网，称为单一网格射线追踪层析成像法。 

在该方法中，矩形网格参数化时，网格大小和形状通常是相同的，这样可使得网格间检索和数据点定位简单；但这样的处理方式也有很多缺点： 

（1）模型剖分的灵活性差，矩形网格大小和形状通常是规则的，这样就不能根据地质构造的复杂程度进行区别对待，为迁就对复杂构造区域的采样精度，矩形网格的尺度需要很小，而网格剖分的均一性要求在构造简单区域必须以同样的尺度划分，增大了剖分网格的数目。 

（2）对速度界面的描述精度差，速度模型和界面模型不一致。界面与网格边界不重合，在用速度值的相对大小表征界面的位置时只能用锯齿状的分布来逼近平滑变化的界面。为了保证逼近的精度，则网格的尺寸必须很小，因而导致网格的数目很多。 

在该方法中，相对于矩形网格参数化，三角网格参数化具有如下优点： 

（1）模型剖分的灵活性强，剖分方式非常灵活，网格大小和形状可根据探测 区域外部几何形状及地下不同区域构造的复杂程度而灵活设置，在构造简单区域采用大网格剖分，在构造复杂区域采用小网格剖分，总体上网格数目少； 

（2）对速度界面的描述精度高，速度模型和界面模型具有一致性。三角网格的弯曲边界和界面的延伸方向完全一致，界面位于三角网格间的分界面上，对速度界面的描述精度高。