Cone Bearing Estimation Utilizing a Hybrid HMM and IFM Smoother Filter Formulation

Cone penetration testing (CPT) is a widely used geotechnical engineering in-situ test for mapping soil profiles and assessing soil properties. In CPT, a cone on the end of a series of rods is pushed into the ground at a constant rate and resistance to the cone tip is measured (qm). The qm values are utilized to characterize the soil profile. Unfortunately, the measured cone tip resistance is blurred and/or averaged which can result in the distortion of the soil profile characterization and the inability to identify thin layers. This paper outlines a novel and highly effective algorithm for obtaining cone bearing estimates qt from averaged or smoothed qm measurements. This qt optimal filter estimation technique is referred to as the qtHMM-IFM algorithm and it implements a hybrid hidden Markov model and iterative forward modelling technique. The mathematical details of the qtHMM-IFM algorithm are outlined in this paper along with the results from challenging test bed. The test bed simulations have demonstrated that the qtHMM-IFM algorithm can derive accurate qt values from challenging averaged qm profiles. This allows for greater soil resolution and the identification and quantification of thin layers in a soil profile.

海岸效应对大地电磁响应的影响及校正方法

在近海地区,受海岸效应的影响,当测点到海岸线的距离小于目标频率的趋肤深度时,大地电磁数据会发生畸变。为此,通过大地电磁三维正演模拟,采用误差估计量化海岸效应的影响,分析不同电性结构条件下海岸效应的变化规律,并利用迭代校正法消除海岸效应。海岸效应的影响范围主要取决于测点到海岸线的距离及浅层的电阻率:随着测点远离海岸线,影响范围逐渐减小;浅层电阻率越大,影响范围也越大。海岸效应的强度主要取决于测点到海岸线的距离、海水深度及其深部地层的电阻率:海岸效应强度随着测点远离海岸线而减小,随海水深度增加而增大,随着深部地层电阻率的变化在距海岸线不同的区域有所不同。研究表明,在近海区(距离海岸线小于50km),海岸效应较强,TM和TE模式的海岸效应随深部地层电阻率的减小分别呈现增大和减小的特征;在远离海岸线的区域(距离海岸线50~100km),海岸效应较弱,随深部地层电阻率的减小而减弱。同时,TM模式的海岸效应对低阻软流层较敏感,即软流层越浅,TM模式的海岸效应越强,而TE模式的海岸效应则相对较弱。数值模拟结果表明,在近海区域,海岸效应不可忽视,在数据处理过程中须加以校正;在远离海岸的区域可选择海岸效应较弱的模式进行反演。经验证,迭代校正法可以在一定程度上消除海岸效应。对海岸效应变化规律和校正方法的研究,为近海地区大地电磁数据的校正和反演提供了参考。

地球物理学中的电磁场正演与反演

本文在近年来众多的地球物理研究者的研究基础上,总结了当前地电磁模型正反演已有成果,定量分析了各种主要正反演的性能测试,指出不同正反演法的优点、缺点以及应用范围局限,提出了各种方法的发展趋势以及当前计算地球物理领域的核心内容,指出了计算地球物理领域的数值模拟发展方向.

线源二维瞬变电磁场的正演计算新方法

首先应用有限元直接迭代法 ,在频域中实现了线源二维电磁场正演计算 ,然后利用频时转换中较为简便且有效的数字滤波法 ,实现了频域到时域的转换 ,从而实现了线源二维瞬变电磁场的正演模拟。该方法具有编程简单 ,占用内存小 ,运算速度快和模型输入方便等特点。模拟结果与理论计算结果对比表明 ,该方法具有较高的计算精度。另外 ,该方法对复杂条件下的瞬变电磁勘探方法的研究和二维瞬变电磁反演有重要意义。

有限元直接迭代算法及其在线源频率域电磁响应计算中的应用

采用有限元直接迭代算法实现了线源频率域测深电磁响应的二维正演计算 .首先给出了线源正演问题的有限元直接迭代格式 ,然后由迭代法进行求解 .在处理奇异源问题上 ,采用向内递推的组合网格技巧 ,在源点附近可进行局部加密 ,并实现粗细网格的对接 ,从而较好地解决了奇异源附近的计算问题 .还提出一种迭代求取全区视电阻率的方法 ,避免了远近区的划分 .通过对均匀半空间、层状介质和二维模型电磁响应的计算 ,获得了与大地电磁测深相似的视电阻率曲线 ,验证了算法的正确性 ;通过对计算结果的分析 ,在理论上说明了线源频率域近区测深的可行性 .

频率域线源大地电磁法有限元正演模拟

本文介绍了频率域线源大地电磁法有限元正演模拟的研究结果.在外边界上统一应用适合于人工源的一阶吸收边界条件来形成边值问题,可减小基于平面波假设造成的人为截断边界的影响.程序编辑中设计了两个二维数组分别存储总体系数矩阵的非零元素和在总体结点编号中的位置,使内存占用量减少,且物理意义明确,方便用高斯-赛德尔等迭代法解有限元方程时调用.采用视δ函数模拟线源,提高了解方程组的稳定性.最后通过对1个简单模型和1个复杂模型的模拟,证明所用的方法对异常体能够有明显的反映,说明了该方法的可靠性和有效性.

全模型迭代重建算法(FIRST)在低剂量冠状动脉CTA中的应用研究

目的探讨全模型迭代重建算法(Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution,FIRST)在80 kV低剂量冠状动脉CT血管造影(CT Angiography,CTA)中的应用价值。方法本研究纳入了45例使用Aquilion ONE GENESIS 640层CT行80 kV低剂量冠状动脉CTA扫描的患者,平均体质指数为(24.7±2.7)kg/m^(2),心率小于75次/min。扫描原始数据分别采用FIRST_Cardiac、混合迭代算法和滤波反投影算法进行重建。测量主动脉根部,左主干,前降支近、中、远段,回旋支近、远段及右冠状动脉近、中、远段的管腔及邻近脂肪成分CT值及图像噪声标准差(Standard Deviation,SD),并计算信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)和对比噪声比(Contrast to Noise Ratio,CNR)。右冠状动脉、前降支和回旋支的CT值和SD值为近、中、远段的平均值。双盲法下对冠脉18个节段采用4分法进行图像质量评估。对每一个患者进行剂量长度乘积和CT容积剂量指数的记录并进行有效辐射剂量的测算。结果三组重建图像在右冠状动脉、前降支、回旋支、主动脉根部和左主干的CT值无明显差异(P=0.071、0.081、0.061、0.263、0.409);FIRST_Cardiac组图像的SD值均明显低于其余两组(P<0.001);FIRST_Cardiac组图像的SNR和CNR以及主观图像质量评分均明显高于其余两组(P<0.001)。结论FIRST能够显著降低80 kV低剂量冠状动脉CTA的图像噪声,提高图像质量,满足临床诊断需求。

基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明:基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.

分层粗糙面下方介质目标散射的快速算法

为快速获取分层粗糙面与下方介质目标的复合电磁散射特性,提出了一种基于前后向迭代算法(FBM)和双共轭梯度法(Bi-CG)的快速互耦迭代算法。推导了一维分层粗糙面与下方介质目标(二维散射问题)的耦合边界积分方程组,用FBM求解分层粗糙面的表面积分方程,而用Bi-CG求解目标的表面积分方程,目标和粗糙面的相互耦合作用通过更新两方程的激励项来迭代求解。应用该算法计算了下方存在介质目标时双层介质粗糙面的双站散射系数,与传统矩量法得到的结果相吻合,验证了该算法的正确性;分析了不同极化波入射时该算法的收敛性,讨论了目标尺寸和位置变化对双站散射系数的影响。

处理解释一体化的层间多次波识别与压制——以四川盆地高石梯—磨溪地区灯影组为例

层间多次波的存在严重影响地震资料品质,造成合成地震记录与实际资料不匹配,对油气勘探开发造成许多负面影响。由于层间多次波来自表层以下的反射位置,因而与一次波差异小,且多源叠加造成多次波周期性特征复杂,目前还没有非常有效的压制方法可以借鉴。针对层间多次波“识别难,压制难”问题,在广泛技术调研的基础上,改变思路,提出了一种处理解释一体化的层间多次波识别与压制技术方案,以四川盆地高石梯—磨溪地区灯影组为例,介绍其实际应用效果。首先,研发了基于反射率法的多次波正演模拟技术,通过含与不含多次波正演模拟结果与实际资料对比分析,结合其它多种手段论证了高石梯—磨溪地区井震不匹配主要是由层间多次波造成的,并得到VSP资料的验证。其次,利用剥层法多次波正演模拟与周期性分析,明确了灯影组层间多次波主要来源于其上覆4组速度反转层。其后,在层间多次波模拟与来源层位指导下,通过多次波压制试验优选技术,建立了偏移前、偏移后和叠后分步组合迭代的多次波压制技术流程,并通过层控剩余速度分析与叠加速度优化,以及层控Radon变换解决了层间多次波与一次波速度差异小的瓶颈问题。最后,基于速度谱上速度展度,研发了多次波发育强度平面预测技术,形成了点、线、面完整的多次波压制处理质控技术,保障了在压制多次波的同时不伤及有效波。该技术方案在高石梯—磨溪地区已经得到规模化应用,落实了超深层地层结构,取得了显著地质效果;在GS1井区应用中提高了井震匹配程度,储层预测符合率提高了20%以上;在GS19井区应用中首次在灯影组内幕发现了大量弱“串珠”反射,它们是未来重要的资源接替区;在高石梯东地区应用中消除了台缘带假像,降低了井位部署风险。

井间地震三维分块正演模拟方法研究

由于开展井间地震勘探的目标井多数为不共面的水平井和斜井,原本为井间地震二维问题转变为三维问题。一般的射线正演方法不能解决复杂构造的运动学正演问题。利用三维分块技术和逐段迭代法提出适用于复杂构造三维井间地震的三维分块正演模拟方法,并编写了井间地震复杂构造三维分块正演模拟程序,实现了井间地震三维分块正演模拟算法。对井间的多种复杂模型进行正演模拟分析表明,该方法及其程序正演结果正确,能够完成各种复杂构造情况的井间地震三维运动学正演。

层析静校正方法在枝江万城地区的应用

通过正反演结合及多次迭代,层析静校正方法能得到一个较准确的近地表地层速度模型,从而计算出较合理的静校正量,有效地解决了万城三维工区复杂地表条件引起的静校正问题。

一种柔性下肢外骨骼控制策略研究

针对非线性柔性下肢外骨骼系统与人共融的难题,为降低穿戴者代谢能消耗,采用前馈模型与比例微分控制(PD)迭代学习算法构建柔性下肢外骨骼控制器,通过感知髋关节角度最大值为起始点,对步态周期进行划分计算。根据髋关节角度变化,实时生成期望力轨迹,动态调控力轨迹的峰值点和结束点;前馈模型分别补偿了柔性外骨骼的非线性刚度和不同穿戴者的运动模型,PD迭代学习控制器逐步减少控制系统中的误差与干扰。通过3名健康的试验者负重25 kg在跑步机上以5 km/h速度行走进行测试,结果表明,期望力与实际助力峰值的均方根误差分别为3.49,3.34和4.12 N;与不穿戴柔性外骨骼相比,代谢能分别降低2.2%,4.0%和5.9%。实验结果证明,所提出的前馈PD迭代学习控制策略可实现精确的力轨迹追踪,降低柔性下肢外骨骼穿戴者的能量消耗。

探究全模型迭代算法对胰腺CT图像质量的改善情况

目的探索全模型迭代算法(Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution,FIRST)对胰腺CT图像质量改善的价值。方法回顾性收集行腹部增强检查并且诊断胰腺正常的患者37例。所有患者均进行了平扫期、动脉期、实质期和延迟期四期扫描,对四期原始数据分别重建三组图像,分别为FIRST图像、混合迭代算法(Adaptive Iterative Dose Reduction 3D,AIDR 3D)图像和滤波反投影算法(Filtered Back Projection,FBP)图像。测量并计算图像的平均CT值、噪声指数SD值、信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)值和对比噪声比(Contrast to Noise Ratio,CNR)值等客观指标,并对三组图像分别进行主观评分统计。从客观和主观两方面来评估FIRST对胰腺CT图像质量的改善效果。结果客观指标的评价结果显示三种重建算法的四期图像CT值无统计学差异(P值均>0.05);SD值、SNR值和CNR值均具有统计学差异(P值均<0.001)。主观评分的结果显示FBP重建图像平扫期和延迟期不能满足诊断需要,其余图像均符合诊断需要,整体评分AIDR3D高于FIRST和FBP。结论FIRST技术相比较AIDR3D和FBP重建算法可以显著降低图像噪声。在满足临床诊断需求的情况下,FIRST技术在胰腺图像质量的客观评估中更具优势。

全模型迭代算法(FIRST)在靶扫描靶重建颞骨CT成像的应用研究

目的评估全模型迭代重建算法(Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution,FIRST)对于靶扫描颞骨图像的应用价值。方法回顾性收集了36例行颞骨靶扫描检查的病人,分别使用FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和滤波反射投影(Filtered Back Projection,FBP)四种方式进行颞骨图像重建。将重建后的图像从客观和主观两方面进行图像质量分析。客观图像质量分析采用在横断位图像上测量图像的CT值及噪声标准差(Standard Deviation,SD)值,并计算信号噪声比(Signal to Noise Ratio,SNR)和对比噪声比(Contrast to Noise Ratio,CNR)。主观图像质量分析采用主观盲法对图像质量进行打分。结果在耳后肌肉处、前庭处和耳前皮下脂肪处,四种重建方法的CT值无统计学差异,P值分别为0.966、0.205和0.441。在锤砧关节处、耳后肌肉处、前庭处和耳前皮下脂肪处,与FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP对比,FIRST BODY重建方法图像的SNR、CNR最高,SD值最低,并具有统计学差异(P均<0.001)。四种重建方法的图像都能够满足于临床诊断。结论相比于FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP,FIRST BODY重建方法可以降低图像噪声,提高SNR和CNR,并且在主观上可以满足于临床诊断。

基于全模型迭代算法对腹部CT血管造影图像质量改善探讨

目的探讨全模型迭代(Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution,FIRST)算法对腹部CT血管造影的图像质量改善情况。方法回顾性分析于北京医院放射科行腹部CT血管造影检查的患者30例,分别对其图像进行不同算法的重建:滤波反投影算法(Filtered Back Projection,FBP)、混合迭代重建算法(Adaptive Iterative Dose Reduction 3D,AIDR 3D)和FIRST算法,并对3组图像进行最大密度投影后处理。采用单因素方差分析法对腹部主要血管及肌肉的CT值、噪声(Standard Deviation,SD)、信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)和对比噪声比(Contrast to Noise Ratio,CNR)进行对比,主要包括:第12胸椎水平的腹主动脉(Abdominal Aorta,AA)、腹腔干(Celiac Trunk,CT)、肠系膜上动脉(Superior Mesenteric,SMA)、肾动脉(Renal Artery,RA)、肝右动脉(Right Hepatic Artery,RHA)水平;在主观评价方面,由两名工作经验分别为7年及10年以上的放射科技师,通过双盲法按照5分标准进行评估,通过Kappa分析观察者间一致性,并采用Kruskal-Wallis检验分析3组图像之间的差异。结果与FBP组和AIDR 3D组相比,FIRST组中腹腔干、肠系膜上动脉、肾动脉、背景(肌肉)的SNR、CNR值显著升高(P<0.001);3组腹腔干、肠系膜上动脉、肾动脉、肝右动脉、背景(肌肉)的CT值无统计学意义(P>0.05)。在主观评分方面,FIRST组及AIDR 3D组均可满足诊断需要,主观评分均优于FBP组(P<0.05);此外,FIRST组的主观评分显著优于AIDR 3D组(P<0.05)。结论在腹部CT血管造影的重建算法中,与FBP和AIDR 3D相比,FIRST重建算法可以显著改善图像质量。

100kVp条件下全模型迭代技术对头颈CTA图像质量的影响

目的探讨100 kVp条件下全模型迭代技术(Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution,FIRST)对头颈CT血管造影(CT Angiography,CTA)图像质量的影响。方法分析33例行头颈CTA检查的患者并重建出滤波反投影(Filtered Back Projection,FBP)、混合迭代重建算法(Adaptive Iterative Dose Reduction 3D,AIDR-3D)和FIRST三组图像,对三组图像进行最大密度投影处理。从客观测量和主观评分两方面来评价不同重建方式对头颈CTA图像质量的影响。结果客观指标:三组图像间的CT值在主动脉弓处相比具有统计学差异(P<0.001),其余部位结果比较,差异无统计学差异(P>0.05);三组间的SD值、信噪比和噪声比值,在各血管均具有统计学差异(P<0.05)。主观评分:三组不同重建图像均能满足诊断要求,FBP组与AIDR-3D组图像间评分无统计学差异(P>0.05),FIRST组评分与FBP组、AIDR-3D组相比均具有统计学差异(P<0.05)。结论在头颈CTA检查图像质量上,与FBP和AIDR-3D重建算法相比,FIRST重建技术能够降低图像噪声,提高图像信噪比,在颅内细小血管的显示能力方面表现更佳,可以在临床检查中加以应用。

全模型迭代重建算法在头颈CT血管成像中改善图像质量的应用

目的探讨全模型迭代重建(FIRST)算法对100 kV低剂量头颈CT血管成像(CTA)图像质量改善的价值。资料与方法回顾性收集2021年9—10月在北京医院行头颈CTA检查的患者32例,对其原始数据进行重建并分为滤波反投影(FBP)算法图像组、混合迭代(AIDR 3D)算法图像组及FIRST算法图像组。比较3组图像头颈部主要血管(颈总动脉,椎动脉,颈内动脉C1、C4段,大脑中动脉M1、M3段,大脑前动脉A1、A3段)、背景(肌肉、脑组织)的平均CT值、噪声、信噪比及各血管的对比噪声比,并比较3组图像质量的主观评分。以数字减影血管造影(DSA)为“金标准”,评估各重建算法对头颈部血管狭窄的检出情况。结果与AIDR 3D组、FBP组相比,FIRST组显著降低了头颈部血管以及背景(肌肉、脑组织)的图像噪声(t=-13.19~-7.28,P均<0.001),其信噪比、对比噪声比明显高于FBP组与AIDR 3D组(t=2.17~9.67,P均<0.001)。颈总动脉、颈内动脉C1、C4段,大脑中动脉M1段、大脑前动脉A1段FIRST组的CT值高于AIDR 3D组(t=1.28~3.60,P均<0.05);FIRST组背景(肌肉、脑组织)的CT值显著低于FBP组与AIDR 3D组(t=-7.63~-4.03,P均<0.001),差异有统计学意义。对于头颈部血管的显示,FIRST组与AIDR 3D组图像满足诊断要求,主观评分均高于FBP组图像(P均<0.05),且FIRST组图像评分高于AIDR 3D组(P<0.05)。与DSA相比,FBP算法对于轻、中度狭窄诊断效能不佳,FIRST、AIDR 3D算法对血管狭窄程度评估结果与DSA一致。结论在100 kV低剂量头颈CTA联合扫描中,与传统FBP、AIDR 3D算法相比,FIRST算法可以有效改善头颈CTA图像质量,满足头颈部血管疾病的诊断要求。

一种基于正反演过程的油田注水管网计算方法

为了确定油田注水管网中注水方案,采用一种正演反演迭代的算法。该算法的主要思想是:对于油田注水管网首先进行反演计算,计算泵站的需求流量,然后进行正演计算,判断所有注水井是否满足配注要求,如果所有注水井满足配注要求则停止计算,否则减少不满足的注水井一定步长的需求配注流量,进入下一次迭代运算。该算法不需要列写注水管网系统方程组,实现简单,使用迭代方法,适合计算机编程。实验结果表明,该算法具有快速性和准确性。

全模型迭代重建技术(FIRST)在改善冠状动脉支架成像中的价值

目的探讨全模型迭代算法(Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution,FIRST)在改善冠状动脉CT血管造影(CT Angiography,CTA)支架成像质量中的价值。方法回顾性纳入于我院接受冠脉CTA检查的44例冠脉支架(59枚)置入术后患者。使用FIRST-Cardiac(FIRST-C),FIRST-Cardiac Sharp(FIRST-CS),混合迭代重建法(Adaptive Iterative Dose Reduction 3D,AIDR-3D)和滤波反投影法(Filtered Back Projection,FBP)四种算法重建图像。对所有图像行包括管腔信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)、对比噪声比(Contrast-to-Noise Ratio,CNR)、支架可见内径及支架内腔衰减率(Stent lumen Attenuation Increase Ratio,SAIR)等在内的客观评价,由2位医师采用5分值行双盲主观评分。比较四组图像间客观与主观评价的差异。结果图像质量客观分析显示,管腔SNR、CNR、支架可见内径和SAIR值在四组间差异均有统计学意义(P<0.001)。FIRST-C的管腔SNR、CNR显著优于其他三组(P<0.05);FIRST-CS组支架可见内径最大(1.96±0.42)mm,管腔衰减率最低0.32±0.27,优于其他三组。主观评分中,FIRST-C与FIRST-CS图像均满足诊断要求,FIRST-CS组评分最高,依次高于FIRST-C、AIDR-3D组和FBP组。结论与AIDR-3D、FBP相比,FIRST有助于改善冠脉支架图像质量,FIRST-C能有效提高管腔SNR,FIRST-CS在支架内腔可视化中更具优势,能为临床提供高质量图像。