層析成象是在物體外部發射物理信號，接收穿過物體且攜帶物體內部信息，利用計算機圖象重建方法，重現物體內部一維或三維清晰圖象。 層析成象技術**大的特點是在不損壞物體的條件下，探知物體內部結構的幾何形態與物理參數(如密度等)的分布。層析成象與空間技術、遺傳工程、新粒子發現等同列為70年代*際上重大科技進展。層析成像應用非常廣泛，如醫學層析的核磁共振成像技術、工業方面的無損探傷、 在軍事工業中，層析成象用于對炮彈、火炮等做質量檢查、在石油開發中被用于巖心分析和油管損傷檢測等，層析成象是在物體外部發射物理信號，接收穿過物體且攜帶物體內部信息，利用計算機圖象重建方法，重現物體內部一維或三維清晰圖象。  

聲波層析成像技術 

聲波層析成像方法所研究的主要內容，一個是正演問題，即射線的追蹤問題，是根據已知速度模型求波的初**時間的問題；另一個問題就是反演問題，即根據波的初**時間反求介質內部速度或者慢度分布的問題。層析成像效果的好壞與解正演問題的正演算法和解反演問題的反演算法都有直接的關系。 論文詳細研究聲波層析成像的射線追蹤算法，重點探討了基于Dijkstra算法的Moser曲射線追蹤算法，并用均勻介質模型、空洞模型、低速斜斷層等模型使用Moser曲射線追蹤時的計算精度與計算效率，發現了內插節點是影響Moser曲射線追蹤效果的主要因素，得到了內插節點數為5～7之間，計算速度較快，計算精度較高。模型試算的結果表明，正演采用內插10個節點，反演過程中采用內插5個節點，效果**佳。 在層析成像正演算法的基礎上，詳細研究了誤差反投影算法(BPT)、代數重建法(ART)、聯合迭代法(SIRT)；研究了非線性問題線性化迭代的**速下降法、共軛梯度法(CG)；重點推導和建立了層析成像的高斯—牛頓反演法(GN)；詳細研究了非線性**優化的蒙特卡洛法(MC)、模擬退火法(SA)、遺傳算法(GA)；研究了將非線性全局**優化和線性局部**優化方法相結合的混合優化方法，探討了基于高斯牛頓和模擬退火相結合(GN-SA)混合優化算法。在此基礎上，以速度差為10％的低速斜斷層模型為例，詳細探討了線性化算法SIRT、GN；非線性**優化算法SA、GA以及混合優化算法GN-SA五種算法對該模型的計算結果，并探討了直射線和Moser曲射線追蹤的反演效果。數值試驗表明，基于Moser曲射線追蹤的高斯—牛頓反演法的層析成像效果**佳，計算效率**高。 采用基于Moser曲射線追蹤的高斯—牛頓法，對速度差為25％的等軸狀空洞構造、速度差為33％的不連通空洞模型、速度差為33％的高速巖脈進行了反演試算，對于這些理論模型，高斯—牛頓法均取得了較好的成像效果。為進一步驗證各種層析成像法，在實驗室制作了水泥臺和石膏板實物模型，并分別在水泥臺中央制作一個方形空洞，在石膏板中央制作一個倒“L”形空洞。對這兩個實物模型進行了實測，對測量的數據，用高斯—牛頓法進行層析成像反演，均取得了較好的成像效果。 通過本文的研究和數值試驗，得到了以下結論：(1)基于直射線追蹤方法，適用較為簡單的地質體，亦或是測量精度要求不高的問題。由于直射線追蹤方法在成像過程中，只需要追蹤一次就可以求得距離矩陣，這樣它的成像速度比較快，而基于Moser曲射線追蹤的SIRT成像反演法，在迭代過程中，需要不斷地進行距離矩陣的更新，計算速度相當慢。因此，當實際地質情況比較簡單時候，可以考慮先采用直射線方法進行成像，然后采用曲射線追蹤進行構造精細解釋。(2)基于Moser曲射線的射線追蹤方法，追蹤效果與內插節點的數目有較大的關系。(3)在Moser曲射線追蹤基礎上，結合SIRT層析成像反演方法，對正演模擬的旅行時間進行了成像反演。當速度差異小于15％時，基于曲射線的SIRT層析成像反演結果與直射線情況下差異不大；當速度差高達33％時，基于直射線的SIRT層析成像方法對高速異常區的成像效果仍然比較好。但當速度差異大于67％時，基于直射線的SIRT成像效果比較差，但是基于Moser曲射線的追蹤方法，仍然可以給出比較好的成像效果。(4)基于Moser曲射線的高斯—牛頓反演層析成像方法，進行了反演。(5)通過方法的比較，高斯牛頓法一般只需要迭代2～3次，就可以得到比較好的成像效果。而一般的SIRT成像方法，需要迭代10次左右才能得到比較好的成像效果。(6)理論模型的數值試驗表明，盡管非線性**優化方法在理論上可以收斂到全局**優解，但是在實踐過程中，非線性**優化算法SA、GA以及混合**優化方法，目前仍然存在搜索次數太大，搜索時間過長等弊病而無法實用。 這些理論模型和實測資料的反演結果，為建筑物構件等的無損檢測提供了理論依據。  

一．井間地震層析成像技術 

     井間地震層析成像技術是利用地震波在不同方向投射的波場信息, 對地下介質內部精細結構(速度、衰減系數、反射系數等的分布)進行成像, 以其分辨率高、解析成果直觀等特點, 廣泛應用于工業及 民用建筑、公路、鐵路、環境等方面工程地質勘察中。井間層析成像可分為基于射線理論的走時層析成像和波動理論的繞射層析成像兩類。井間地震波場信息豐富復雜, 波場識別和分離比較困難, 而直達波**相對簡單, 故工程勘察中常常采用基于射線理論的直達波**走時層析成像。井間地震層析成像的核心問題是: