超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究
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摘要
本研究将模态试验分析理论引入超浅层弹性波地震勘探领域，结合浅层地震勘探波动学原理，融介质结构振动响应和介质中弹性波波动动力学响应特征于一体，初步建立了超浅层弹性波有效激励下的波振二相拟模态试验分析的基础理论。从系统分析的角度，基于地球物理勘探广义背景，综合勘探仪器设备、勘探方式方法、非线性反演理论、当代数字信号处理和数字图像处理的相关技术理论，对拟模态试验分析方法和异常反演解释进行了较为全面的理论分析和阐述，从而突破了超浅层地震勘探所沿用的地震勘探传统理论，为超浅层地震勘探方法技术发展和数值反演提供了新的思路和理论依据。
首先简要概述当前国内外浅层乃至超浅层地震勘探理论、技术、方法的研究现状；对地球物理勘探系统与模态试验分析理论原理进行了系统的比较分析，阐释了两者之间的相关关系以及相关问题的研究现状，指出了本文的具体研究内容和方向。
在模态试验分析理论的基础上，引入质量-弹簧-阻尼系统模型，初步建立起介质结构弹性波测试的振动拟模态试验分析理论；结合直达波、瑞利面波、角域地层结构、结构腔体等特殊拟模态的理论分解分析，阐明拟模态试验分析是一个综合分析系统并指出该系统的四个主要分析层面。
结合具体实践，对弹性波拟模态试验分析的有效激励和保真检测等拟模态试验分析的前提条件进行了分析。内容包括震源概述、有效激励、普通传感器频响特性分析以及信号采集系统及装置等等。
从系统分析的角度，论述了地球物理勘探广义背景和异常识别的基础理论；基于拟模态响应四个层面的模态特征，结合小波分析和短时傅立叶变换，介绍了薄层响应分析和拟模态能量团分析的基本问题，同时基于RADON变换介绍了特殊弹性波干涉下拟模态图像识别技术原理；通过拟模态响应信号解释处理中映射系统的建立，指出了拟模态的非线性特征和建立非线性反演系统的必要性，进而介绍了BP人工神经网络反演在实际应用中的基本操作思路。
结论部分，综述本文在超浅层弹性波检测和勘探理论领域中的主要贡献和突破、理论方法研究的不足之处和对后阶段研究工作的展望。
The paper introduces the theory of modal test and analysis(MTA) into the field of ultra-shallow seismic prospecting by elastic wave. Combined with the wave motion principle of shallow seismic exploration, mixed together with the shock response character of medium and structure and the dynamic response character of the wave propagation, the basic theory of the simulated modal test and analysis(SMTA) of the two-phase wave-shock character of ultra-shallow elastic wave by effective excitation was theoretically founded. From the view angle of system analysis, based on the definition of General Background of Geophysical Prospecting, synthesizing the prospecting instrument and equipment, methods, non-linear reversion theory and relevant contemporary techniques and the theory of digital signal and digital image processing, it made a somewhat comprehensive analysis on the method of SMTA and anomaly reversion and explanation, which has broken through those theory and method followed closely the heel of the traditional
seismic survey and will lead new principle and technique for ultra-shallow elastic wave prospecting by SMTA methods.
Firstly, the paper gives a brief introduction on the present research situation of the shallow to ultra-shallow seismic prospecting at home and broad. Systematic comparing and analysis is made between Geophysical exploration system and the theory of modal test and analysis, which shows the relationship of the two fields and the research situation of the relevant problems. The specific research goals are pointed out in the end of this chapter.
Based on the theory of modal test and analysis, a systematical modal of mass-spring-damping was imported and the simulated modal test and analysis theory of the two-phase wave-shock character of ultra-shallow elastic wave by effective excitation was built up. Combined with the detailed theoretical analysis of the special modal character of directly arrived wave, Rayleigh surface wave, wave response of the thinning-out layered structure or other special structure
such as cavities, it shows that the simulated modal test and analysis is a synthetic system. The main four classes of the system were also stated respectively.
Associated with the practice of seismic prospecting, detailed analysis was given to related effective excitation and high-fidelity detecting of simulated signals in the third chapter. It contains wave-excited source introduction, effective excitation, the frequency character analysis of the ordinary transducer and the whole system and equipment for the signal collection.
On the view of system analysis, the next chapter is focus on the discussing of the basic theory of General Background of Geophysical Prospecting and abnormal phenomena distinguishing. Based on the four classes of simulated modal test system, integrated with wavelet analysis and short-time Fourier transformation, the paper introduced the foundation problem of thin-sheet response analysis and simulated modal energy group analysis. Meanwhile, based on Radon transformation theory, the paper showed the basic principle of the technique of the simulated modal image distinguishing. Furthermore, by the construction of the mapping system in the processing and explanation of the simulated modal signal, the non-linear character of the simulated modal response and the necessary of building up a non-linear reversing system were stressed. In the end, the operating idea of leading BP artificial neural network into the practice of the simulated modal test and analysis was presented.
Conclusion summarized not only the main contribution and the pioneering work in elastic wave prospecting and inspect, but also the defect in both theoretical research and technology research. The follow-up research items were forecasted in the end of this paper.
首先简要概述当前国内外浅层乃至超浅层地震勘探理论、技术、方法的研究现状；对地球物理勘探系统与模态试验分析理论原理进行了系统的比较分析，阐释了两者之间的相关关系以及相关问题的研究现状，指出了本文的具体研究内容和方向。
在模态试验分析理论的基础上，引入质量-弹簧-阻尼系统模型，初步建立起介质结构弹性波测试的振动拟模态试验分析理论；结合直达波、瑞利面波、角域地层结构、结构腔体等特殊拟模态的理论分解分析，阐明拟模态试验分析是一个综合分析系统并指出该系统的四个主要分析层面。
结合具体实践，对弹性波拟模态试验分析的有效激励和保真检测等拟模态试验分析的前提条件进行了分析。内容包括震源概述、有效激励、普通传感器频响特性分析以及信号采集系统及装置等等。
从系统分析的角度，论述了地球物理勘探广义背景和异常识别的基础理论；基于拟模态响应四个层面的模态特征，结合小波分析和短时傅立叶变换，介绍了薄层响应分析和拟模态能量团分析的基本问题，同时基于RADON变换介绍了特殊弹性波干涉下拟模态图像识别技术原理；通过拟模态响应信号解释处理中映射系统的建立，指出了拟模态的非线性特征和建立非线性反演系统的必要性，进而介绍了BP人工神经网络反演在实际应用中的基本操作思路。
结论部分，综述本文在超浅层弹性波检测和勘探理论领域中的主要贡献和突破、理论方法研究的不足之处和对后阶段研究工作的展望。
The paper introduces the theory of modal test and analysis(MTA) into the field of ultra-shallow seismic prospecting by elastic wave. Combined with the wave motion principle of shallow seismic exploration, mixed together with the shock response character of medium and structure and the dynamic response character of the wave propagation, the basic theory of the simulated modal test and analysis(SMTA) of the two-phase wave-shock character of ultra-shallow elastic wave by effective excitation was theoretically founded. From the view angle of system analysis, based on the definition of General Background of Geophysical Prospecting, synthesizing the prospecting instrument and equipment, methods, non-linear reversion theory and relevant contemporary techniques and the theory of digital signal and digital image processing, it made a somewhat comprehensive analysis on the method of SMTA and anomaly reversion and explanation, which has broken through those theory and method followed closely the heel of the traditional
seismic survey and will lead new principle and technique for ultra-shallow elastic wave prospecting by SMTA methods.
Firstly, the paper gives a brief introduction on the present research situation of the shallow to ultra-shallow seismic prospecting at home and broad. Systematic comparing and analysis is made between Geophysical exploration system and the theory of modal test and analysis, which shows the relationship of the two fields and the research situation of the relevant problems. The specific research goals are pointed out in the end of this chapter.
Based on the theory of modal test and analysis, a systematical modal of mass-spring-damping was imported and the simulated modal test and analysis theory of the two-phase wave-shock character of ultra-shallow elastic wave by effective excitation was built up. Combined with the detailed theoretical analysis of the special modal character of directly arrived wave, Rayleigh surface wave, wave response of the thinning-out layered structure or other special structure
such as cavities, it shows that the simulated modal test and analysis is a synthetic system. The main four classes of the system were also stated respectively.
Associated with the practice of seismic prospecting, detailed analysis was given to related effective excitation and high-fidelity detecting of simulated signals in the third chapter. It contains wave-excited source introduction, effective excitation, the frequency character analysis of the ordinary transducer and the whole system and equipment for the signal collection.
On the view of system analysis, the next chapter is focus on the discussing of the basic theory of General Background of Geophysical Prospecting and abnormal phenomena distinguishing. Based on the four classes of simulated modal test system, integrated with wavelet analysis and short-time Fourier transformation, the paper introduced the foundation problem of thin-sheet response analysis and simulated modal energy group analysis. Meanwhile, based on Radon transformation theory, the paper showed the basic principle of the technique of the simulated modal image distinguishing. Furthermore, by the construction of the mapping system in the processing and explanation of the simulated modal signal, the non-linear character of the simulated modal response and the necessary of building up a non-linear reversing system were stressed. In the end, the operating idea of leading BP artificial neural network into the practice of the simulated modal test and analysis was presented.
Conclusion summarized not only the main contribution and the pioneering work in elastic wave prospecting and inspect, but also the defect in both theoretical research and technology research. The follow-up research items were forecasted in the end of this paper.
引文
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