弹性波回波成像机理研究技术路线

张星

摘 要：弹性波通信理论在研究过程中需要各种理论的支持，才能对探测理论进行全面的研究。基于研究内容，并且为了更精确地探测煤层中存在的地质异常体的位置，提取地质构造的典型特征，需要对在煤系地层中震源发射的弹性波进行接收处理成像，然后分析图像特点提取地质构造。针对这一需要，本文对弹性波回波成像机理技术路线进行研究。

关键词：弹性波回波；成像；地质构造

在煤田勘探、地层探测等领域，工作面开采掘进过程中会遇到未知煤厚变化和地质异常体分布的情况。事实证明，在情况不明的情况下进行作业，将会危害煤矿井下作业人员生命安全，造成巨大的经济损失。因此，探明工作面内未知地质异常体，并通过图像进行重建，成为了煤田勘探中急需的手段。

1 弹性波回波成像机理研究立论背景

弹性波在大地信道中的传播特性目前已经应用在地震监测等领域，并且拥有一定的理论基础，为弹性波地层探测的研究提供了基础。但是弹性波地层检测的实现仍然存在一系列的问题，本课题所涉及的典型地质构造特征提取方法研究旨在将反射回来的弹性波经过接收处理使其特性直观的在图中显示出来，实现对地质结构的精确判断，从而能够有效指导实际生产工作。

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构[1]。

2 弹性波回波成像机理研究意义

典型地质构造特征提取方法是一种涉及多种原理的技术，包括弹性波的相关物理及数值模拟、探测方法理论、频散特性分析方法理论、图像重建理论、反演方法理论以及成像技术等理论。积分几何学作为成像技术理论的基础，将随着构造提取方法的发展而发展，不断衍生出各种算法。

典型地质探测技术分辨率高、探测距离大，能够探明煤层的不连续性，如断层破碎带、煤层厚度变化、矸石层分布、剥蚀带、古河床沖刷带和岩墙等构造，是一种有效的小构造探测方法[2]。而小构造是导致煤炭资源回采困难及煤矿安全事故的主要原因，因此典型地质构造特征提取方法将在挽救人民生命财产方面发挥举足轻重的作用。

3 弹性波回波成像机理研究内容

将多孔径雷达成像原理和槽波地震探测方法应用到弹性信号的地质构造探测中，完成反射回来的弹性波的探测和处理，分析弹性波信号的频散特征，实现弹性波反演成像，根据所成图像提取典型地质特征。典型地质构造特征原理框图如下：

根据典型地质构造原理特征，可以明确其主要研究内容包括以下几点：

（1）阐述典型地质构造特征方法的基本理论，包括弹性波的基本理论、频散特性的含义、成像技术的研究理论以及数据分析等理论。

（2）介绍弹性波的接收与探测方法，分析槽波的频散特性，研究影响频散曲线的因素，重点介绍频散分析方法中的移动时窗法和相位差法。

（3）将处理后的弹性波反演成像，主要涉及层析成像中的透射法。

（4）基于煤系地层的特殊环境，对整个典型地质构造特征提取系统进行仿真实验测试。课题实施方案图如下图2所示：

整个课题的实施方案为：首先，弄清楚多孔径雷达成像和槽波地震勘探技术的原理方法；其次，研究弹性波信号的相关知识和相关理论，然后对弹性波勘探理论进行研究，主要包括弹性波的接收探测理论、弹性波的频散理论以及层析反演算法；再次，依据以上知识，结合弹性波的应用环境建立地质构造特征的提取方法的基础模型，确定提取方案；然后进而运用仿真软件进行仿真，实验以及分析结果，对实验结果进行分析，进而对方法不断的进行改进，最终得到典型地质构造特征提取的方法。

4 结语

本课题将弹性波作为震源信号，实现了超低频率回波信号的成像问题。将合成孔径雷达技术和槽波地震探测方法应用到弹性波地质构造特征提取方法研究之中。利用COMSOL进行仿真，不断修正所建模型，不断的进行算法的修正，以得到以弹性波进行的典型地质构造特征提取方法。

参考文献：

[1]裴建新.补偿吸收衰减的地质雷达数据叠前偏移方法研究.中国海洋大学，2007.

[2]刘天放，潘冬明，李德春，等.槽波地震勘探[M].北京：中国矿业大学出版社，1994.