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重力梯度测量探测地下人造空洞的研究

作　者: 江东
导　师: 吴晓平
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 重力梯度测量地下人造空洞探测能力 Oasis Montaj 防护设计欧拉反褶积方法
分类号: P223
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

地下人造建筑(指挥所、防空洞、战略工厂、仓库等)有很强的隐蔽性和抗打击能力，其国防安全意义重大，很多国家都在积极营造地下建筑，用于防护重要军事设施。因此，研究地下目标的探测技术在高技术战争中很有价值。重力探测技术是最重要的地球物理探测技术之一，它通过测量重力场的微小变化来解释地下物质的分布情况，达到探测目的。重力梯度技术是重力探测技术的最新发展，其观测精度高、分辨力强的优点受到研究人员的普遍关注。国外已经研究并开展这项技术在军备控制、武器核查、地下目标探测方面的应用。本文针对地下人造空洞的探测问题，来研究重力探测技术的分辨能力和地下空洞的反演解释。文中分析了重力梯度测量对浅埋深异常质量的探测优势及其在一定观测和环境下的探测能力；从反侦察角度出发，对地下设施的设计指标提出建议；并用欧拉反褶积方法反演解释地下目标，分析各种因素对反演结果的影响。所作的主要工作和创新点如下：1、简要介绍了重力测量在国民经济、科学研究和国防安全领域的重要作用；详细分析了重力梯度测量技术的发展和应用情况，及国外在梯度测量探测地下目标物方面的研究进展。2、详细研究了重力梯度测量技术的探测能力问题，主要包括：(1)分析了重力梯度分量的数学物理含义；(2)推导了四种规则形体的正演计算公式；(3)分析了目标体的剩余密度、埋深和质量大小与重力效应的关系；(4)实验研究了重力垂直梯度测量对地下空洞的探测效果；(5)比较了重力测量和梯度测量的分辨能力，结果表明：梯度测量在探测浅层异常质量时，具有信噪比高、分辨准确等优点；3、根据地下人造设施的应用情况，模拟设计了三种不同类型的防护设施，利用规则形体的正演公式求得防护设计指标：指挥所、防空洞、隧道的设计埋深分别为：60m，90m，40m。4、研究了使用欧拉反褶积方法反演确定地下场源体位置的方法，主要包括：(1)给出了欧拉反褶积方法的原理和计算过程，并分析该方法的优点和不足；(2)改进了欧拉反褶积方法的计算步骤，有效地克服了反演结果较多，不收敛等问题；(3)分析了影响探测效果的各种因素，并设计了使用欧拉反褶积方法反演场源体位置的实验；(4)定量计算了目标体形状、位置、观测数据和观测误差等因素对目标体反演效果的影响。结果表明：欧拉反褶积方法是一种较好的反演方法，可以较为稳定的对目标体位置做出反演解释。通过本文的研究，可以得到以下的结论：(1)借助高精度的重力测量设备，可以探测到浅层地下目标体；(2)重力梯度测量的优点在于：对浅埋深的场源体有更好的探测能力，且多个梯度分量能够更加细致的反映场源体的信息；(3)重力资料联合梯度数据进行反演可以有效地改善反演结果的精度，表明重力梯度数据包含更多的高频信息，可以加强对浅层场源体做出解释；(4)欧拉反褶积方法用于反演解释，在计算参数正确、反演数据选择合适的情况下，可以得到较准确的解释，这表明：欧拉反褶积方法是一种稳定性好、准确度高的反演计算方法；(5)重力梯度测量技术可以在局部区域内探测到地下目标，理论分析表明：它可以从技术层面上很好的解决地下目标的探测。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-12
第一章绪论  12-21
  1.1 引言  12-14
  1.2 地下目标探测技术的发展与比较  14-16
    1.2.1 多种探测技术的分析与比较  14-15
    1.2.2 重力梯度探测技术的特点与优势  15-16
  1.3 国内外的研究情况介绍  16-19
    1.3.1 国外研究进展  16-18
    1.3.2 国内研究进展  18-19
  1.4 重力梯度探测的关键技术  19-20
  1.5 本文主要研究内容  20-21
第二章重力场基本理论知识  21-32
  2.1 重力和重力加速度  21-23
  2.2 位场理论知识  23-26
  2.3 重力异常和梯度异常的物理含义  26-29
    2.3.1 重力异常的物理含义  26-27
    2.3.2 重力梯度异常的物理含义  27-29
  2.4 勘探领域重力异常的定义  29-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章重力探测技术的发展  32-44
  3.1 重力梯度仪的发展和改进  32-36
    3.1.1 第一代航空重力仪  32-35
    3.1.2 Lockheed Martin 公司旋转加速度计重力梯度仪  35-36
    3.1.3 超导重力梯度仪和冷原子梯度仪  36
  3.2 重力梯度测量的应用情况  36-40
    3.2.1 资源勘探  37
    3.2.2 重力梯度辅助惯性导航  37-38
    3.2.3 地球重力场探测  38-39
    3.2.4 武器控制核查  39
    3.2.5 地下空洞和人造设施探测  39-40
  3.3 重力梯度技术探测地下人工建筑的研究  40-41
  3.4 地球物理勘探软件 Oasis montaj  41-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章重力梯度测量的探测能力研究  44-68
  4.1 几种规则形体的正演计算  44-49
    4.1.1 正演计算的基本公式  44-46
    4.1.2 球形体、圆柱体和长方体的正演公式  46-49
  4.2 重力测量与梯度测量的探测能力比较  49-65
    4.2.1 剩余密度、埋深和异常质量大小与重力效应的关系  49-54
    4.2.2 重力垂直梯度测量的初步探测实验  54-57
    4.2.3 重力测量与重力梯度测量的分辨力比较  57-65
  4.3 地下人造建筑的隐蔽设计要求  65-67
  4.4 本章小结  67-68
第五章欧拉三维反褶积反演实验  68-100
  5.1 欧拉三维反褶积方法基本原理和特点  68-73
    5.1.1 欧拉反演方法简介  68-69
    5.1.2 欧拉反褶积方法原理  69-73
  5.2 欧拉反褶积方法反演实验与结论  73-99
    5.2.1 实验设计  74-75
    5.2.2 单一目标体的形状和位置对探测效果的影响  75-86
    5.2.3 多目标体时，欧拉反褶积方法探测效果分析  86-98
    5.2.4 反演实验结论  98-99
  5.3 本章小结  99-100
第六章总结与展望  100-102
  6.1 本文主要工作和结论  100-101
  6.2 研究展望  101-102
参考文献  102-104
作者简历攻读硕士学位期间完成的主要工作  104-105
致谢  105

重力梯度测量探测地下人造空洞的研究

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