探地雷达和瞬态瑞雷波海堤隐患探测数据处理及联合反演研究

For using ground penetrating radar（GPR）and transient Rayleigh wave as the detections to the potential failure zone in seawall, there are still many limitations including the strong attenuation of GPR wave, phase distortion of dispersion curve caused by phase-frequency characteristic difference of seismometers and data acquisition channels, and the simple integration of different detection results. By considering the attenuation characteristics of the materials in seawall, frequency compensation algorithm based on Maxwell equation has been proposed to increase the higher frequency component of the reflected wave. Meanwhile, we try to extract the dielectric parameters by studying the empirical relationship between the reflection co-efficient and the conductivity (or water content) of the materials. On the other hand, the phase distortion caused by seismometers and data acquisition channels, will be corrected by optimizing the data acquisition method of transient Rayleigh wave. Combined with the full wave-field simulation for Rayleigh wave, the extraction of dispersion curves would be improved to enhance the capability of target detection, especially in recognize the boundary of the potential failure zones. Based on the experiential model between the dielectric constant and shear velocity, joint inversion with mutual constraints to GPR and Rayleigh wave can be achieved by constructing a suitable objective function. Joint inversion can give the dielectric and elastic parameters of the seawall and potential failure materials, which would make it more reasonably to obtain the distribution and characteristics of the hidden weak points in seawall.

雷达波深部信号的强衰减特性、检波器及采集通道差异引起的瑞雷波频散曲线相位畸变，以及探测结果的简单综合，严重制约了探地雷达和瞬态瑞雷波海堤隐患探测技术的发展与推广。项目从Maxwell方程出发，探索考虑介电损耗及色散的雷达波频率补偿算法，增强深部反射信号的高频成份，以提高雷达图像分辨率；研究雷达波界面反射系数与含水量（电导率）的关系，获取介质电性参数剖面。在优化瑞雷波数据采集方式的基础上，对因检波器及采集通道差异引起的相位畸变进行校正，结合瑞雷波全波场数值模拟研究，改进频散曲线提取方法，提高频散曲线对介质分层或隐患边界等探测目标的刻划能力及准确度。根据介电常数与剪切波速的经验关系，构建合理的联合反演目标函数，开展互为约束的探地雷达与瞬态瑞雷波联合反演研究，提高探测数据解释成果的合理性和准确性，获取与海堤介质及隐患性质有关的电性和弹性参数，实现准确探测海堤隐患分布范围并判定隐患性质的根本目标。

海堤工程作为沿海地区社会经济发展的重要保护屏障，其安全检测和隐患探测需求愈益迫切。采用探地雷达技术，并以瞬态瑞雷波法作深度标定性测试或进一步明确判定异常性质，已成为海堤隐患探测的有效工作模式。但雷达波深部反射信号的强衰减特性、检波器和地震仪对瑞雷波频散曲线的相位畸变影响，以及不同方法探测成果的简单综合分析，已成为制约海堤隐患探测技术发展的瓶颈。.项目组以时频分析方法为主要突破口，采用广义S变换频率补偿方法解决了探地雷达波高频成份的吸收衰减问题。针对瑞雷波数据采集过程中存在的相位畸变，提出并实现了全新的改进瑞雷波观测装置的双边激发对称源法，通过对称震源的设置消除由不同检波器个体之间以及地震仪不同采集道之间频响特的差异性造成的相位畸变，在消除相位畸变的同时，也大幅提高了瑞雷波数据的信噪比。同时，结合快速广义反射透射系数法和久期函数族，提出了一种改进的快速广义反射透射系数法，该算法不仅可以提高多模态频散曲线的正演效率，并且在含低速层情况下不易出现“漏根”现象，有效地提高了面波多模态频散曲线正演的精度和稳定性。结合目标函数为频散方程的遗传算法和等厚薄层阻尼最小二乘算法，提出并实现了一种多模态面波频散曲线的混合反演优化算法，该混合优化算法无需人为的模态判别，在反演结果中会自动进行模态判别，并且结合全局优化算法和局部优化算法特性，混合优化算法可以得到一个更优的解。在前述基础上，根据介电常数与剪切波速的经验关系，构建合理的联合反演目标函数，开展了互为约束的探地雷达与瞬态瑞雷波联合反演研究，在探地雷达数据处理和瑞雷波反演的过程中将深度信息视作唯一交叉项进行互为约束，尤其是将探地雷达探测结果中的浅部地层资料加入后，将使得剪切波速度的计算精度得到有效的提高，实现了准确探测海堤隐患分布范围并判定隐患性质的根本目标。研究成果对促进工程地球物理学科发展、保障海堤工程健康运行具有极大科学意义和实用价值。