基于自适应遗传算法的波阻抗反演方法及其在南极冰盖应用研究
发布时间：2022-01-27 09:05
极地冰盖对全球气候系统具有重要影响,直接控制着全球海平面升降。在全球气候变暖的大趋势下,理解和预测极地冰盖的稳定性及其演化趋势具有重要的科学意义。冰雷达是测量冰厚、冰下地形以及冰内等时层结构和分布的有效工具并在冰盖探测中取得了巨大成功,成为了冰盖探测的主流和经典工具。目前冰盖结构形态学特征主要从电磁波运动学特征（波至时间、速度等）中获得,而利用反射波的动力学特征（振幅、相位等）以及极化特征来反演、识别冰盖内冰晶体组构参数等物性特征变化状况则是冰雷达研究的前沿重难点领域,具有重要科学意义和实用价值。为了在冰雷达数据中提取冰盖内等时层的波阻抗信息,本文开展了高频电磁波波阻抗反演技术研究,以此来获得介电常数、组构特性等微观参数,为冰盖研究提供关键物性参数。极地冰盖研究相对近地表探测缺少测井等资料提供初始模型,为了避免传统反演方法中严重依赖初始模型的不足。本文尝试把遗传算法应用到波阻抗反演问题,但直接应用遗传算法进行波阻抗反演会出现反演结果收敛不稳定的问题。为了解决上述的问题,本文引入自适应机制和实值编码系统来提高遗传算法的可靠性和收敛性。同时,本研究参考地震勘探的做法,把褶积模型引入冰雷达数...
【文章来源】：浙江大学浙江省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁波于两介质的反射波和折射波
浙江大学硕士学位论文雷达波在冰盖中的传播特征及其正演模拟方法15(,,,)|=≈+12(,,)12(,,)(2.30)式中各个电磁场分量如图2-2所示。图2-2Yee元胞中电磁场各分量在离散空间中的分布利用差分方法能近似地代替微分方程，具有相当高的电磁场模拟精度。有限差分方法是电磁波数值模拟领域主要方法，Giannopoulos(2005)使用有限差分的计算方式开发了探地雷达的模拟程序GPRMax。2.4.2褶积模型正演方法Robinson(1954)于1954年首次提出了地震勘探上的褶积模型，认为观察到的地震数据可以表示为地震子波和地层反射系数的褶积运算结果。在地震勘探中，一般利用尖脉冲作为震源子波，脉冲在地下介质传播时受到各岩层的滤波作用，由于地下各岩石层密度存在差异，使得各个岩石层之间都会形成一个波阻抗界面。当地震子波在地下介质中传播时遇到反射界面时就会有一部分能量反射回传到地面，而地震数据是地下各反射层的反射波叠加而成的数据。雷达波的运动学特征与弹性波类似，因此我们也借鉴地震正演中褶积模型的研究思路并引入到冰雷达正演模拟研究中。在冰雷达勘探中，由于勘探深度远远大于冰雷达的发射天线与接收天线间的距离，可以把电磁波看成垂直入射的状态。当入射角为90°时，式(2.22)和式(2.23)可以简化为=212+1(2.31)
浙江大学硕士学位论文雷达波在冰盖中的传播特征及其正演模拟方法17的子波进行褶积模拟，结果如图2-3(B)所示，可见，波形吻合的情况有改进，但是仍然是无法模拟多次波。然而，多次波相对于反射波来说是比较微弱的，对波阻抗反演影响有限，而且有限差分方法相对于褶积模型计算代价高昂，本文认为在遗传算法波阻抗反演时使用褶积模型对计算进行简化是相对高效且可行的。图2-3有限差分方法的正演数据和褶积模型的正演数据的比较分析，正演数据均采用雷克子波作激励源(A)蓝线为有限差分正演数据，红线为雷克子波的褶积模拟数据(B)蓝线为有限差分正演数据，红线为从有限差分方法的正演数据中截取首个反射波形并进行褶积模拟但使用褶积模型需要作出以下假设:(1)假设地下介质层是由匀速水平层状组成。(2)假设子波在地下介质传播时不会发生变形。(3)假设电磁波为垂直入射到反射界面。在冰雷达探测中，等时层在小尺度上具有良好的水平连续性，接近水平层状介质。同时，勘探深度远远大于天线间距，使电磁波能以接近垂直的情况入射。所以冰雷达的电磁波回波信号可简化为使用褶积模型计算。褶积模型的推导为遗传算法的正向过程的运算提供基础，亦大幅提高了计算雷达数据的运算效率。2.5本章小结本章从Maxwell方程组出发，利用电磁波的本构关系推导出电磁波的波动性，利用波的传播规律，包括惠更斯原理及斯耐尔定律，从几何状态和能量分布的角度
【参考文献】：
期刊论文
[1]应力张量反演的遗传算法及其在青藏高原东北缘的应用[J]. 李振月,万永革,胡晓辉,李泽潇,杨帆,闫睿. 地球物理学报. 2020(02)
[2]基于蚁群算法的层状结构介电特性反演方法[J]. 丁鑫,郭乙霏,方宏远,刘小梅,张小旺. 人民黄河. 2019(06)
[3]混合粒子群算法在地震波阻抗反演中的应用[J]. 刘玉敏,高松岩. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(05)
[4]基于改进的遗传算法在函数优化中的应用[J]. 闫春,厉美璇,周潇. 计算机应用研究. 2019(10)
[5]改进的遗传算法在电测深反演中的应用[J]. 程勃,熊彬. 矿产与地质. 2018(01)
[6]改进的自适应遗传算法在函数优化中的应用[J]. 杨从锐,钱谦,王锋,孙铭会. 计算机应用研究. 2018(04)
[7]随机等效介质探地雷达参数递推阻抗反演研究（英文）[J]. 曾昭发,陈雄,李静,陈玲娜,鹿琪,刘凤山. Applied Geophysics. 2015(04)
[8]南极冰盖内部等时层研究进展综述[J]. 唐学远,孙波,崔祥斌. 极地研究. 2015(01)
[9]东南极冰盖DomeA的内部等时层结构[J]. 唐学远,孙波,张占海,张向培,崔祥斌,李鑫. 中国科学:地球科学. 2010(11)
[10]数字化雷达正交解调的设计与仿真实现[J]. 于爽,蒋洪晖. 四川兵工学报. 2010(08)
博士论文
[1]东南极冰盖断面特征及Dome A积累率时空变化研究[D]. 王甜甜.武汉大学 2017
[2]基于冰雷达的南极冰盖冰厚和冰下地形探测及其演化研究[D]. 崔祥斌.浙江大学 2010
[3]基于双频极化雷达技术的东南极冰盖内部结构特性研究[D]. 王帮兵.吉林大学 2007
硕士论文
[1]基于人工蜂群算法的大地电磁非线性反演研究[D]. 邸龙.河北地质大学 2018
[2]探地雷达数据波阻抗反演方法及其应用研究[D]. 刘钰.浙江大学 2018
[3]基于遗传算法的大地电磁各向异性一维反演研究[D]. 陶博文.中国地质大学(北京) 2016
[4]波阻抗遗传算法反演的研究[D]. 李强.中国地质大学（北京） 2011
[5]波阻抗的遗传算法反演方法研究及应用[D]. 李晶.成都理工学院 2001
本文编号：3612187
【文章来源】：浙江大学浙江省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁波于两介质的反射波和折射波
浙江大学硕士学位论文雷达波在冰盖中的传播特征及其正演模拟方法15(,,,)|=≈+12(,,)12(,,)(2.30)式中各个电磁场分量如图2-2所示。图2-2Yee元胞中电磁场各分量在离散空间中的分布利用差分方法能近似地代替微分方程，具有相当高的电磁场模拟精度。有限差分方法是电磁波数值模拟领域主要方法，Giannopoulos(2005)使用有限差分的计算方式开发了探地雷达的模拟程序GPRMax。2.4.2褶积模型正演方法Robinson(1954)于1954年首次提出了地震勘探上的褶积模型，认为观察到的地震数据可以表示为地震子波和地层反射系数的褶积运算结果。在地震勘探中，一般利用尖脉冲作为震源子波，脉冲在地下介质传播时受到各岩层的滤波作用，由于地下各岩石层密度存在差异，使得各个岩石层之间都会形成一个波阻抗界面。当地震子波在地下介质中传播时遇到反射界面时就会有一部分能量反射回传到地面，而地震数据是地下各反射层的反射波叠加而成的数据。雷达波的运动学特征与弹性波类似，因此我们也借鉴地震正演中褶积模型的研究思路并引入到冰雷达正演模拟研究中。在冰雷达勘探中，由于勘探深度远远大于冰雷达的发射天线与接收天线间的距离，可以把电磁波看成垂直入射的状态。当入射角为90°时，式(2.22)和式(2.23)可以简化为=212+1(2.31)
浙江大学硕士学位论文雷达波在冰盖中的传播特征及其正演模拟方法17的子波进行褶积模拟，结果如图2-3(B)所示，可见，波形吻合的情况有改进，但是仍然是无法模拟多次波。然而，多次波相对于反射波来说是比较微弱的，对波阻抗反演影响有限，而且有限差分方法相对于褶积模型计算代价高昂，本文认为在遗传算法波阻抗反演时使用褶积模型对计算进行简化是相对高效且可行的。图2-3有限差分方法的正演数据和褶积模型的正演数据的比较分析，正演数据均采用雷克子波作激励源(A)蓝线为有限差分正演数据，红线为雷克子波的褶积模拟数据(B)蓝线为有限差分正演数据，红线为从有限差分方法的正演数据中截取首个反射波形并进行褶积模拟但使用褶积模型需要作出以下假设:(1)假设地下介质层是由匀速水平层状组成。(2)假设子波在地下介质传播时不会发生变形。(3)假设电磁波为垂直入射到反射界面。在冰雷达探测中，等时层在小尺度上具有良好的水平连续性，接近水平层状介质。同时，勘探深度远远大于天线间距，使电磁波能以接近垂直的情况入射。所以冰雷达的电磁波回波信号可简化为使用褶积模型计算。褶积模型的推导为遗传算法的正向过程的运算提供基础，亦大幅提高了计算雷达数据的运算效率。2.5本章小结本章从Maxwell方程组出发，利用电磁波的本构关系推导出电磁波的波动性，利用波的传播规律，包括惠更斯原理及斯耐尔定律，从几何状态和能量分布的角度
【参考文献】：
期刊论文
[1]应力张量反演的遗传算法及其在青藏高原东北缘的应用[J]. 李振月,万永革,胡晓辉,李泽潇,杨帆,闫睿. 地球物理学报. 2020(02)
[2]基于蚁群算法的层状结构介电特性反演方法[J]. 丁鑫,郭乙霏,方宏远,刘小梅,张小旺. 人民黄河. 2019(06)
[3]混合粒子群算法在地震波阻抗反演中的应用[J]. 刘玉敏,高松岩. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(05)
[4]基于改进的遗传算法在函数优化中的应用[J]. 闫春,厉美璇,周潇. 计算机应用研究. 2019(10)
[5]改进的遗传算法在电测深反演中的应用[J]. 程勃,熊彬. 矿产与地质. 2018(01)
[6]改进的自适应遗传算法在函数优化中的应用[J]. 杨从锐,钱谦,王锋,孙铭会. 计算机应用研究. 2018(04)
[7]随机等效介质探地雷达参数递推阻抗反演研究（英文）[J]. 曾昭发,陈雄,李静,陈玲娜,鹿琪,刘凤山. Applied Geophysics. 2015(04)
[8]南极冰盖内部等时层研究进展综述[J]. 唐学远,孙波,崔祥斌. 极地研究. 2015(01)
[9]东南极冰盖DomeA的内部等时层结构[J]. 唐学远,孙波,张占海,张向培,崔祥斌,李鑫. 中国科学:地球科学. 2010(11)
[10]数字化雷达正交解调的设计与仿真实现[J]. 于爽,蒋洪晖. 四川兵工学报. 2010(08)
博士论文
[1]东南极冰盖断面特征及Dome A积累率时空变化研究[D]. 王甜甜.武汉大学 2017
[2]基于冰雷达的南极冰盖冰厚和冰下地形探测及其演化研究[D]. 崔祥斌.浙江大学 2010
[3]基于双频极化雷达技术的东南极冰盖内部结构特性研究[D]. 王帮兵.吉林大学 2007
硕士论文
[1]基于人工蜂群算法的大地电磁非线性反演研究[D]. 邸龙.河北地质大学 2018
[2]探地雷达数据波阻抗反演方法及其应用研究[D]. 刘钰.浙江大学 2018
[3]基于遗传算法的大地电磁各向异性一维反演研究[D]. 陶博文.中国地质大学(北京) 2016
[4]波阻抗遗传算法反演的研究[D]. 李强.中国地质大学（北京） 2011
[5]波阻抗的遗传算法反演方法研究及应用[D]. 李晶.成都理工学院 2001
本文编号：3612187
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