随着能源消耗量的逐年上升以及能源战略储备需求，建立能源储藏体系刻不容缓，而将巨大的地下溶腔作为石油和天然气的仓储设施，将具有非常重要的战略意义。在地下溶腔的开挖和利用过程中，溶腔的形态精细探测具有举足轻重的地位，关系到整个溶腔的技术控制以及安全稳定性问题，然而由于溶腔内部环境的复杂性，目前溶腔探测的主要装备及技术掌握在国外几家公司手中，导致国内溶腔的形态探测成本较高，此外，普遍使用的声纳探测设备存在适应能力弱、探测精度不够、探测数据稀疏等缺点。　　本论文针对目前声纳探测存在的技术难题，开展了基于多频超声的溶腔内部介质声学特性及探测系统设计方法研究，着眼于溶腔构造精细探测的系统实现和工程应用，围绕最佳探测频率的选择理论、溶腔精细构造的计算方法以及多频超声探测系统的设计原理三个方面开展了深入研究，其主要的研究工作与成果如下:　　(1)结合大量的实验分析，阐述和明确了影响超声波传播特性的两类环境影响因素:介质环境与探测对象;鉴于介质环境的复杂性主要体现在卤水浓度与不溶物大小存在区别，探测对象的复杂性主要体现在探测距离的远近以及探测对象表面的非光滑反射程度之间的差异，将溶腔的复杂环境划定为存在卤水、不溶物、非光滑反射岩壁的三种可能情况，进行了声学传播实验分析，总结了复杂环境下的声学传播特性。　　(2)分析和明确了导致超声波测距误差的两个重要参数——声速和声时;针对常规声速测量法中存在的标定距离测量误差和时序控制电路中的时间传播获取误差等技术难题，在超声波频谱测距法的基础上，根据频谱特征之间的关系，提出了改进的超声波频谱声速测量法，提高了声速的测量精度;由于声时的获取精确程度与回波信号的强弱存在密切关系，鉴于回波信号较强则获取声时精度更高的特点，论述了影响回波信号幅度的介质环境参数:声阻抗和不溶物大小，并提出了相应的计算方法来实现高精度的参数提取，解决了介质声学参数获取的棘手问题。　　(3)根据波动方程与声学边界条件，结合实验数据以及关系推导，在散射场理论的基础上，建立了非光滑表面的分析模型;借鉴声纳方程的关系构建理论，定义了适用于溶腔超声探测的系统探测频率方程，实现了超声探测装置和复杂探测环境的统一描述;在系统探测频率方程的基础上，通过构建系统探测频率响应函数和反射函数来确定探测装置的系统响应频率，为确定系统的最佳探测频率的选择提供频率选择基础，结合非光滑表面的分析模型，确立了最佳探测频率的表达式，为溶腔精细探测的频率选择提供了理论基础。　　(4)在溶腔的水平断面轮廓重构方法研究中，结合多频相位特征，推导了不同频率超声回波信号首脉冲之间的对应关系，并在希尔伯特信号包络的基础上，提出了多频超声测距计算方法，实现了溶腔水平断面的高精度测距，为水平断面轮廓的重构提供了较为精确的数据;随后，提出了圆柱投影法来实现水平断面扫描点的数据修复，并将二次贝塞尔曲线应用到溶腔水平断面轮廓的重构中，实现了溶腔水平断面轮廓的精细重构，为溶腔的立体形态精细重建提供了较为精细的水平断面扫描点与轮廓曲线数据。在溶腔立体形态的精细重建方法研究中，针对水平断面轮廓存在稀疏的问题，结合溶腔形态特征，构建了水平断面轮廓之间的轮廓线映射函数，为增设过渡轮廓线提供了更加精确的增设基准，同时，采用同步三角网络模型进行网格重建，实现了溶腔精细构造的重建，为基于多频超声的溶腔探测系统的设计提供了方法支撑。　　(5)在最佳探测频率的选择原则与溶腔精细构造计算方法的基础上，开展了基于多频超声的溶腔探测系统设计方法研究，将系统设计划分为:硬件结构设计、软件结构设计和工作模式设计三个部分，其中，硬件结构设计与软件结构设计为系统的基础支撑结构设计，而工作模式设计主要是针对溶腔内部结构的探测特点而开展的适应性更强的工作模式设计研究，并提出了一种多频超声探测模式，以适应不同的溶腔探测。　　(6)完成了探测系统的研制和综合测试。测试结果表明，通过选择合适的探测频率，系统获取的超声波回波信号更加精细;多频超声探测方法的测距精度可以达到0.5％以内，重建的轮廓相关指数高于传统重建方法;探测系统能够适用于较广的探测范围及探测领域。系统测试结果验证了探测系统的可行性和正确性。