The modified Snell law for seismic ray in anisotropic media

It is related to the application of Snell law to solute the geometrical parameters for seismic waves on the interface in various kinds of complicated media. Although the application of Snell law in isotropic media is well known, the classic Snell law based on the phase velocity is not easily adapted to anisotropic media and need to be modified because of the difference of the magnitude and direction between the phase velocity and ray velocity (energy velocity), which is important to the study of seismic behavior in anisotropic media. So far, few reports about it have been published. By starting from

水下声学超表面异常折射方向调控研究

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

基于临界折射纵波法的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测

盆式绝缘子是GIS的关键绝缘器件,与两侧气室法兰通过螺栓进行紧固连接,当螺栓松动时会导致盆式绝缘子应力分布不均,从而影响GIS运行的安全性和稳定性。文中提出了一种基于超声临界折射纵波(L_(CR))的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测方法,根据L_(CR)波在盆式绝缘子法兰表面的传播声时差来反映螺栓松动情况。结果表明,当相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓之间的法兰表面声时差变化最大,且变化量大于24 ns;当不相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓正对的法兰表面声时差变化最大,且声时差变化量大于10 ns,并且螺栓松动程度越大,超声传播声时差变化量越大。该检测方法可实现对盆式绝缘子法兰螺栓松动的检测,判断螺栓松动数量及位置,具有一定的工程实用价值。

基于Snell定律的射线追踪程序实现及模拟计算

对基于Snell定律的射线追踪方法进行了研究并编程实现.鉴于追踪过程中根的变化范围较大,采用对分法求根克服了迭代法对迭代初始值的依赖性.通过二次射线追踪实现了对介质中存在超低速区的最短路径追踪,并对混凝土介质中常见的几种速度模型进行了模拟计算,结果表明该方法直观,能够追踪到最短路径,更接近于超声波的实际传播路径.

基于亥姆霍兹共振的超薄弧形声学超表面地毯斗篷

利用局部相位补偿调制的方式设计了一种超薄的弧形声学超表面地毯隐身斗篷.该斗篷由52个亥姆霍兹空腔共振结构单元组成,且结构单元厚度小于波长的0.2倍.数值模拟结果显示:文中所设计的隐身斗篷在深亚波长范围内隐身效果良好,其工作频宽为5850—7550 Hz.进一步探究声波斜入射时地毯斗篷的工作效果,发现在30°的入射角范围内都具有良好的隐身效果.此外,利用余弦相似度(cosine similarity,CSI)函数精确量化分析了该隐身斗篷的工作性能,计算结果展示,在斗篷工作的带宽范围内,覆盖斗篷后的CSI值趋近于无斗篷覆盖地面的CSI值,展示了其在的良好隐身性.本文所设计的斗篷均以超薄的亥姆霍兹共振结构为组成单元,结构简单,易于实现,有利于未来的实际应用.

非均匀平面波与Snell定律

从电磁波方程出发,讨论了它的非均匀平面波解及此情形下Snell定律的推广.通过定义两个复矢量之间的“夹角”以及复数入射角、反射角和折射角,证明此时Snell定律在形式上仍然成立.此时,波的衰减不是仅取决于媒质的电导率或分离常数的虚部,而是与分离常数和入射角或反射角或折射角之正弦这两个复数的乘积有关.

一种基于相位梯度原理的反射型电磁超表面及RCS缩减应用

针对电磁波束调控和电磁隐身问题,本文设计了一种在圆形贴片上开口十字缝隙形式的反射型相位梯度超表面,通过对单元尺寸的调节实现了差异的反射相位覆盖,该系列超表面作用于X波段,按照线性、等相位差形式排布超表面单元能够将反射波最大散射方向偏转至关注角域以外,且通过对相位梯度数值的人为设计,能够精确控制最大散射方向,降低单站后向散射的同时兼顾了降低关注角域内的双站散射,具备针对单站雷达截面积(RCS)减缩、双站RCS散射方向调控的能力,且单元结构采用对称设计方式,具有极化不敏感的特性,基于此相位梯度超表面设计了一维、二维相位梯度超表面阵列结构,一维阵列结构的频带内单站RCS峰值减缩了41.13dB,均值缩减了8.7dB,面内最大散射方向偏转了16.5°;二维阵列结构的频带内单站RCS峰值减缩了16.29dB,均值减缩了9.04dB,最大散射方向发生了俯仰23°、方位135°偏转,均具备较好的单站和双站雷达隐身效果。

基于广义Snell定律的声超表面折射

在许多情况下,通过对声波波阵面的自由操控,可实现声波的偏折、弯曲或聚焦。而近年来出现的超材料为操控波阵面提供了一种新的途径。在声超表面研究背景及研究现状的启发下,基于广义Snell定律,利用一种声超表面结构模型,通过对入射声波在声超表面的相位调制,产生了声波的异常折射,从而实现对偏折波方向的有效调控。

一种改进的观测系统双聚焦成像分析方法及应用

基于偏移成像分辨率对观测系统进行量化评价,可在地震采集设计阶段为获得最佳成像效果提供保证。目前基于偏移成像分辨率的观测系统评价方法以双聚焦分析为主,其实现过程包含了波场延拓,因而导致双聚焦计算效率低。针对常规双聚焦分析方法效率低的缺点,对其进行如下改进:首先利用基于有限频斯奈尔定律和粘弹介质模型的高斯束正演得到目标点的CFP道集,再根据计算得到的旅行时,将CFP道集在目标点平面内进行检波点和炮点双聚焦,最后以聚焦主能量的宽度作为偏移成像分辨率对观测系统进行评价。改进后的双聚焦分析方法在射线追踪时考虑了菲涅尔带的影响,同时在动力学追踪时考虑了品质因子的影响以及子波主频的变化,因此计算结果更为真实可靠。该方法原理与叠前深度偏移一致,模型应用结果表明,该方法能够高效、可靠地针对地下某一目标点或目标层进行观测系统偏移成像分辨率量化评价,对于复杂地质目标的三维观测系统设计具有较高的应用价值。

透射型声超表面斗篷的设计

利用2种超表面(相位调控超表面和近零折射率超表面),构建了一种透射型声超表面斗篷.首先,设计了一种具有迷宫结构的近零折射率超表面,该超表面具有近零折射特性,能够使声波绕过障碍物,并沿原入射方向传播;其次,在近零折射率超表面外层基于亥姆霍兹共振结构设计了一种相位调控超表面,该超表面可以通过改变内部空腔长度来实现相位变化,既能调节声波相位,又能保持高透射率,确保声波有效通过.仿真计算结果显示,透射型声超表面斗篷在4960 Hz频率下能有效隐藏方形物体.

采空区覆岩波速模型及微震源定位方法

为构建煤矿小尺度区域微震波传播速度模型,提高矿井含采空区复杂地质结构内微震源定位精度。依据矿山采空区覆岩“三带”岩层变形、层面离层、层内断裂和裂隙发育以及岩体扩容等特征,构建圆弧层面波速模型,分区描述采空区覆岩波速结构。并提出采用考虑岩层变形特征的微震波绕射传播路径增量和基于时间平均方程的裂隙岩层波速折减进行波速模型修正。基于层状均匀介质假设和斯奈尔定律,推导微震波传播路径和走时计算公式,并计算各传播方向上的异向等效波速。基于到时理论定位原理,选择以实测到时差与理论走时差之差构建震源求解目标函数,采用模式搜索算法进行震源位置求解。形成了基于采空区覆岩异向波速模型的微震源定位方法。通过三维算例和煤矿地面微震监测定位应用,验证了所提方法的可行性与定位效果。研究表明:①由于煤矿地质环境中采空区遍布和微震波经由采空区传播的必然性,针对煤矿含采空区复杂地层结构特征,建立相应的异向波速模型,是提高矿山环境下微震源定位精度的关键;②采空区覆岩波速模型充分考虑了岩层形态、离层、断裂、裂隙发育和岩体扩容等对微震波传播路径和等效波速的影响,并通过定量确定微震波传播绕射路径增量和岩层波速折减,宏观表现出采空区地层结构的典型波速异向特征;③针对分层介质下的震源定位,在三维算例中选用异向等效波速模型的定位方法相较于全局平均波速模型,定位结果的平均误差由9.7558 m降至0.4186 m,有效降低了定位误差;④以矿井大能量微震事件的井下微震定位结果为参照,在现场地面微震监测中应用采空区覆岩波速模型,得出该模型定位结果较待定波速而言更接近现场调查结果中确定的煤岩体破裂影响范围。综上,对于依赖波速模型的定位方法,根据地质结构特征建立相应的异向波速模型是高效开展微震监测,提高微震源定位精度的突破点之一。

基于弹性波超表面的Lamb波透射调控

根据广义Snell定律,该文提出了一种新型曲梁型弹性波超表面结构。通过该结构对入射波进行相位调制,实现了板中Lamb波(A_(0)模态)的异常透射调控,从而实现了波的负折射、非对称传输、声聚焦等功能。进一步的研究结果显示,若将该类超表面结构贴置在完整的铝板表面,通过引入吸声材料(阻尼),在保证薄板完整性的同时,可以起到显著消除薄板和超表面透射波场叠加的作用。该方法实现了对完整板结构Lamb波透射方向的有效调控,也为弹性波超表面提供了新的研究思路。

一种最短路径射线追踪的快速算法

为提高最短路径射线追踪的精度,需要增加模型的剖分网格和离散节点,并增加子波传播方向,或者采用其他方法改善计算结果,这些处理会带来大量的额外计算.本文的快速算法改进了波前点的管理和子波传播的计算这两项耗时的工作,较大幅度地提高了传统算法的效率.在波前点的管理上,采用按时间步划分区间的方法,实现了波前点的桶排序管理,其效率高于传统方法中常用的堆排序算法.在子波传播的计算上,利用斯奈尔定律,同时参考来自邻近节点的波的走时,来限定当前子波传播的有效区域,排除大量不需要计算的子波传播方向.模型实算表明,本文快速算法的计算速度是传统方法的几倍至十多倍.

超表面相位调控原理及应用

超构表面是一种基于亚波长结构的功能膜层器件,也称超表面或二维超构材料。超构表面可在平面化的亚波长结构内产生异常的相位突变,从而为包括大口径平面成像、电磁虚拟赋形、大视场全息显示等应用提供有效手段。与传统的光学器件相比,超构表面器件具有亚波长尺度相位、振幅、偏振任意调控,轻薄、易集成、低损耗、表面可共形设计等诸多优点,因而受到广泛关注。本文对超构表面的相位调控原理进行分析,并据此对现有的超构表面进行分类,同时介绍了各类超构表面器件的特点和应用,最后对超构表面领域面临的挑战及有待进一步拓展的方向进行展望。

基于激光视觉的石英摆片厚度精密测量方法

石英摆片厚度的检测能够提供产品生产过程中的重要信息,通过实时检测石英摆片的厚度,可以生产出高质量的产品,并能够识别和排除有缺陷的产品。为了提高石英摆片厚度参数检测的精度和效率,提出了一种利用激光视觉技术进行石英摆片厚度测量的非接触测量方法。该方法根据斯涅尔的基本光学定律,通过视觉测量系统获取激光光斑的图像;利用改进的Zern ike矩边缘定位算法及优化的激光光斑中心定位算法计算石英摆片的厚度。设计了半导体激光器恒功率驱动控制系统和激光光束准直系统,分析了激光入射角角度的选取原则。实验结果表明:该方法稳定性好,测量精度高,可以实现石英摆片厚度的非接触精密测量。

成层介质中平面内自由波场的一维化时域算法

提出了一种弹性水平成层半空间中平面内波动斜入射时自由波场时域计算的一维化有限元方法。首先,基于弹性波在斜入射情形下的传播特点对计算区域进行自动虚拟网格划分。然后将集中质量有限元法和中心差分法相结合建立节点的二维运动方程组,并根据采用的离散化准则和显式有限元法的特点将其转化为一维方程组。求解此方程组,即得到自由场中竖向一列节点的运动。最后根据行波的传播规律得到全部自由波场。以P波为例给出了理论分析和数值算例。结果表明,该方法不仅简单实用,而且具有较高的精度和良好的稳定性。

成层半空间出平面自由波场的一维化时域算法

提出了一种计算出平面SH波斜入射时弹性水平成层半空间中自由波场时域计算的一维化有限元方法．在进行有限元网格划分时,竖向单元取满足有限元模拟精度的任意尺寸,水平向网格尺寸由时间离散步长和水平视波速确定,并自动进行虚拟网格划分．基底设置人工边界,并将波动输入转化为等效荷载施加在边界节点上．然后将集中质量有限元法和中心差分法相结合建立节点运动方程,并将水平方向相邻节点的运动用该节点相邻时刻的运动表示,从而将求解节点运动的二维方程组转化为一维方程组．求解此方程组,即得到自由场中竖向一列节点的运动．最后根据行波传播的特点,可方便地确定全部自由波场．理论分析和数值算例表明,该方法具有较高的精度和良好的稳定性．

横向各向同性介质中纵波和转换横波的快速射线追踪方法

首先根据横向各向同性介质中群速度与相速度的关系 ,以及横向各向同性介质中射线参数的表达式 ,推导出适用于做射线追踪的射线参数解析表达式。在介质的对称平面内 ,利用逐段迭代的射线追踪方法导出了任意形态光滑界面反射点和透射点的一阶修正量公式 ,可适用于纵波、转换横波的射线路径及旅行时的计算。公式推导未做弱各向异性的假设 ,对任意强度的各向异性介质都适用。通过用水平界面各向异性介质时距曲线公式 (Tsvankin 1994 )和波面计算法对相同模型的对比计算表明 ,本文的算法计算速度快 ,计算精度高 ,对介质不需做任何假设。

高阶优化走时计算方法及在地震成像中的应用

本文根据水平层状介质中Snell定律的特点,提出了基于Taylor高阶展开式的优化走时计算方法。理论计算结果表明,本文所提出的高阶优化走时计算方法不仅适用于速度梯度为正的正常水平层状介质,同时,在出现负速度异常的水平介质中也有比一般Taylor展开式更高的计算精度。最后,利用本方法对川东北P区复杂山地三维地震数据进行叠前时间偏移处理,得到了较满意的结果。

成层饱和介质平面波斜入射问题的一维化时域方法

地震波斜入射下自由场的输入是大型结构抗震分析中亟待解决的问题之一,尤其是成层饱和多孔介质自由场问题,由于问题的复杂性,目前研究甚少.本文基于Biot提出的饱和多孔介质动力方程,建立了一种新的求解平面波斜入射下基岩上覆饱和多孔介质成层场地自由场分析的一维化时域计算方法.该方法首先根据Snell定律将饱和多孔介质二维空间问题转化为一维时域问题,通过对深度方向的有限元离散,得到饱和多孔介质波动问题的一维化有限元方程,然后采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,通过考虑基岩与饱和多孔介质间透水或不透水边界条件以及不同饱和多孔介质交界面边界条件,形成基岩上覆成层饱和介质系统的整体有限元方程,最后采用中心差分法与Newmark平均加速度近似格式相结合的方法对时间进行离散,得到节点的动力时程的显式表达.典型场地的地震反应分析表明,本文方法的计算结果与传递矩阵法结合傅里叶变换的计算结果完全吻合,证明了其有效性.