伴随成像及其在地球深部结构研究中的应用

基于高精度的三维波场模拟和伴随方法,伴随成像成功实现了天然地震全波形成像在区域和全球尺度下的应用。伴随成像技术基于谱元法,使用全三维、多参数的初始模型对地震波场进行数值模拟,通过正演波场和伴随波场的相互作用快速求取目标函数的梯度,结合高性能计算技术,实现大尺度全波场成像。相比于传统的地震层析成像方法,伴随成像对地球内部结构异常体的描述更加精细和全面,更适用于构造活跃地区的深部动力学研究。本文首先介绍伴随成像方法的基本原理,随后阐述其具体实现流程,并回顾该方法在地球深部结构研究中的应用,最后对其未来发展做出展望。

地震波形伴随层析成像: 1.SEM-FDM混合正演方法

地震波形伴随成像是通过正演波场和伴随波场构建误差泛函关于模型的Fréchet导数. 在波形伴随成像中, 需要数值求解地震波运动方程得到正演波场和伴随波场. 目前, 谱元法(Spectral-element method, SEM)作为地震波场正演模拟方法在地震波形伴随层析成像中得到了广泛应用. SEM具有网格的灵活性, 计算精度高, 且能自然满足自由地表边界条件. 然而, 在复杂模型中SEM能否得到高精度地震波场, 取决于能否构建高质量网格模型. 当模型复杂时较难构建高质量网格模型. 为了实现复杂模型中地震波场高效数值模拟, 本文发展了谱元法和有限差分法(Finite-difference method, FDM)混合方法, 即SEM-FDM混合方法, 其核心思想是避免使用复杂网格模型. SEM-FDM混合方法在近地表处使用SEM模拟地震波场, 利用傅里叶级数近似起伏地表, 根据傅里叶级数和控制参数自动快速生成网格. 在远离起伏地表的区域, 利用FDM模拟地震波场, 采用规则网格刻画模型, 借助非均匀有限差分格式模拟非均匀介质中地震波传播. SEM-FDM混合方法通过设置数据传输层将SEM和FDM耦合. 本文进行了多组数值算例, 用于验证SEM-FDM混合方法模拟复杂模型中地震波传播的高效性. 数值算例说明了复杂模型中使用SEM-FDM混合方法可获得高精度的地震波模拟结果. 本文研究为复杂模型中地震波形伴随层析成像提供了高效正演模拟工具.

检测爆炸物和毒品的伴随粒子成像方法

评述检测爆炸物和毒品的伴随粒子成像方法的基本原理、主要性能和研究进展。

伴随粒子成像技术及其研究进展

综述伴随粒子成像技术的基本原理、主要性能和研究进展．伴随α粒子方法可以实现位置灵敏，可以用于需要位置灵敏的检查中，如机场隐蔽爆炸物的检查和毒品的检查，有着重要的应用前景．

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像(Adjoint Tomography)通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.

第一代伴随粒子靶管的研制

研究伴随粒子成像技术(API),就必须研制带有伴随粒子探测器的伴随粒子靶管,因而对D-T反应及其产物中子与α粒子的关系、伴随α粒子探测器及其输出电路等关键技术进行了研究。综合考虑不同类型的D-T中子发生器,制作了一个相对可靠、安全的D-T中子发生器。通过实验测试了多阳极光电倍增管(PSPMT)及其两种输出电路的性能,证明了SCDC输出电路路具有比DPC输出电更小的畸变和更高的位置分辨。实验验证了第一代带伴随粒子探测器的伴随粒子靶管的设计方案的可行性,测得伴随α粒子与中子在时间和位置上的关联,中子角度不确定度为7°,与理论相符。

毒品/炸药快速无损探测技术在安检中的应用

在高速流动的人群、货物群中如何快速、准确地将隐藏的毒品或炸药检测出来,已成为一项十分紧迫和亟待解决的技术难题。本文针对传统探测技术的局限,介绍几种快速无损探测新技术在安检中的应用。

复杂声速剖面约束下的深海水层速度反演

为对复杂声速剖面进行反演,笔者采用速度分析建模与伴随状态法层析成像反演建模相结合的方法获得声速剖面沿垂向速度。采用Munk公式描述水层速度垂向变化,并引入随机声速剖面复杂速度建模。在此基础上,使用海底反射走时伴随状态法层析成像反演复杂声速剖面。将声速剖面较准确的速度分析结果作为初始迭代,通过求解伴随偏微分方程得到非线性目标函数的梯度,避免了对Fréchet导数的大量计算。较准确叠加速度初始模型的引入提高了迭代效率与计算精度。最终得到了与真实模型速度吻合的结果。