[发明专利]一种基于多尺度网格的爆炸冲击波超压场分区重建方法

权利要求书

1.一种基于多尺度网格的爆炸冲击波超压场分区重建方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、获取爆炸冲击波超压场中超压传感器采集的冲击波信号，对爆炸点进行定位，计算得到爆心；

S2、采用分区多尺度网格划分方式，以爆炸点为中心，由内至外将测试区域划分为2层以上子区域，每个子区域内部分别再进行网格划分，得到重建网格区域；

S3、在重建网格区域中各个子区域的边界增设虚拟传感器，对虚拟传感器的分布位置进行优化；

S4、采用加权广义逆正则化方法进行分区域重建。

2.根据权利要求1所述的基于多尺度网格的爆炸冲击波超压场分区重建方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下过程：首先通过对冲击波信号进行分析及特征提取，得到冲击波到达时间，即走时；然后利用走时信息采用时差法计算爆炸点位置，即爆心。

3.根据权利要求1所述的基于多尺度网格的爆炸冲击波超压场分区重建方法，其特征在于：步骤S2中，每个子区域的边界采用以爆炸点为中心的长方形或正方形，距离爆炸点越远的子区域内部所划分的网格，其尺寸越大且越稀疏。

4.根据权利要求1所述的基于多尺度网格的爆炸冲击波超压场分区重建方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下过程：

S3.1、根据子区域的网格数目和网格边界增设虚拟传感器，使从爆心向虚拟传感器发射的射线以及爆心向超压传感器方向发射的射线覆盖重建子区域的全部网格；

S3.2、计算当前网格和传感器布局方式下的矩阵D以及矩阵D的秩，矩阵D为M×N阶稀疏矩阵，其元素为d_ij，即第i条射线穿过第j个网格的射线长度，M为虚拟传感器和超压传感器数目的总和，N为网格的数目；

S3.3、如果矩阵D的所有列向量都不为零向量并且矩阵D是满秩的，则将该组布局方式作为优化布局的一个初始模型，否则返回步骤S3.1；

S3.4、当初始模型达到设定数量L时，将目标函数E作为目标函数进行优化，完成传感器优化布局，目标函数E为：

E＝E₁+E₂+E₃

E₂＝cond(D)

其中，λ₁为D^TD的最大特征值；trace(D^TD)为D^TD的迹；rank(D)为矩阵D的秩；cond(D)为矩阵D的条件数；ρ_j表示第j个网格中的射线密度；O_j表示第j个网格中的射线正交性；k₁的取值范围为100～200，k₂的取值范围为10～20。(取值依据在说明书具体实施方式中解释即可)

5.根据权利要求1所述的基于多尺度网格的爆炸冲击波超压场分区重建方法，其特征在于：步骤S4中，按照距离爆心的距离，由近到远依次对各个子区域进行重建；对当前子区域进行重建时，将距离爆心更近的所有子区域的重建结果作为正则化约束项进行重建。

6.根据权利要求5所述的基于多尺度网格的爆炸冲击波超压场分区重建方法，其特征在于：步骤S5中，分区域重建具体包括以下过程：

S5.1、设P和Q分别为数据加权矩阵和模型加权矩阵，其对角线元素分别为：

diag{P}＝T_p^-1

diag{Q}＝K

其中，矩阵T_p的元素为当前的初始模型的各射线的走时，即i＝1,…,M；矩阵K为各射线在第j个网格上的总贡献，其元素为射线穿越网格单元的长度和与相应单元速度乘积，即j＝1,…,N，矩阵T_p和矩阵K均为对角矩阵,对称正定，加权广义逆层析成像方法写为：

S＝Q^-1(PDQ^-1)⁺P·T

S5.2、通过以下两种正则化方式，采用加权广义逆正则化算法进行求解：(1)第一类正则化方式：

对爆炸场进行分区重建时，将近场区重建结果作为正则化约束项，利用广义逆正则化重建算法对次近场区进行重建，即，对次近场区进行重建时，在走时层析成像原理方程DS＝T的基础上增加约束方程W₁S＝S′₁进行求解，其中T＝(t₁,t₂…t_M)'为各条射线走时的M维列向量；S＝(s₁,s₂…s_N)'为待求离散单元慢度值，为N维未知的列向量；

式中，W₁为r₁×N维矩阵，r₁为被紧约束的参数个数；矩阵W₁中的元素w_1i＝[000…10]，i＝1,…,r₁，其中被约束参数的位置为1，其他参数的位置为0；S′₁为比当前子区域距离爆心更近的所有子区域相应网格的重建结果；

(2)第二类正则化方式：

如果模型参数在空间上是平坦的，则在第一类正则化的基础上增加平滑方程组：

W₂S＝S′₂

式中，W₂为r₂×N的一阶差分矩阵，即

S'₂为需要平滑位置的网格速度之差；矩阵W₂中的元素w_2i＝[000…-10…10]，i＝1,…,r₂，其中，需要平滑的相邻两网格位置参数为1和-1，其余为0，r₂为需要平滑的位置数；

根据走时层析成像原理DS＝T得到：

式中，D₀和T₀分别为不考虑正则化信息的距离矩阵和走时矩阵，将改写为DS＝T的形式，其中将D和T代入S＝Q^-1(PDQ^-1)⁺P·T中进行求解。