构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法，是帮助地质学家研究构造变形过程和形成机制的重要手段。构造物理模拟的实质是根据相似性原理，在砂箱等实验环境内，通过模拟构造形成过程，研究地质构造的成因和演化机理，对地质构造的成因进行定性和定量分析。本课题的目的是在综合国内外同类设备优缺点的基础上，对构造物理模拟的关键技术进行研究，并研制满足相似理论的实验装置。 构造物理模拟实验装置是一套机电一体化实验系统；论文在对主要地质构造现象与成因分析的基础上，从动力学和运动学的角度，总结了地质体形成的受力与变形规律，提出了实验装置加载单元应该具有的基本功能；按照相似性理论，运用模块化设计方法，完成了加载系统、实验台体、底摩擦仪等部分的概念设计，确定了装置的功能和基本参数，给出了系统的总体方案和各分功能模块的结构设计。设计的实验模型底部分段与隆起加载模块，可实现非均质和分段变形地质体的构造变形模拟，该模块的深度方向动力加载功能，实现了刺穿、窟窿等构造现象的模拟；设计的底部摩擦仪模块，可完成大洋板块俯冲构造和无限长运动的走滑物理模拟；可调向、变位置式加载小车模块，实现了对实验模型的多点多方向加载，与底部加载单元联合使用，可模拟地质体三维受力状态；伺服驱动的运动、力加载单元，可实现位移、速度的精确控制，使实验由定性向半定量、定量化发展；这些结构设计的创新，极大地扩展了地质工作者的实验模拟领域。 根据实验装置机械加载单元实现的功能，论文重点介绍了实验装置电气控制系统的总体方案设计，论述了控制系统的关键技术，以整个系统为对象，优化组合，开发了基于可编程序控制器的分布式运动控制系统，电气系统采用“分散控制、集中管理”结构，既与实验装置模块化的体系相适应，又保证了系统的稳定性及可靠性，实现了易操作、便维护、易扩展、便升级的目的。 为了获得实验过程中地质体顶面变形的完整数字记录信息，实现模拟过程的反演，论文首次将光学三维轮廓术测量技术引入构造物理模拟测量，为解决实验砂箱边界阴影、实验体顶面变形复杂等问题，对滤波、质量图、相位展开、标定等环节进行了改进创新；针对傅里叶变换轮廓术测量复杂顶面形状时，出现频率混叠的问题，使用了多种滤波方法对变形光栅图进行处理，实验表明采用汉宁滤波和小波多分辨率特性提取有效分量，抑制了频谱混叠，提高了测量精度和测量范围；针对传统相位展开算法出现的拉线现象，提出了基于背景梯度-相位导数偏差质量图、结合边缘检测信息的两种相位展开新算法，克服了相位展开中的误差传递问题，有效地恢复了实验体顶面三维信息；文中还提出了一种具有较高标定精度和效率的新三维轮廓术系统标定方法-基于BP和RBF网络结合的两段式相位测量轮廓术标定技术，提高了测量精度；通过上述研究，基本实现了地质体顶面变形信息的数字记录，为实验反演奠定了基础。在进行构造物理模拟实验剖面变形测量、记录时，本文以砂箱侧面获取的剖面图像为研究对象，建立了一种小波域与空域相结合的二维图像预处理技术，取得了较好的图像处理效果；以数字图像处理为工具，运用灰度变换、图像滤波、二值图像处理、目标获取、地质类型判断等技术，编制了地质构造类型的定量判断软件，可进行地质体类型初步识别。数字图像处理与识别技术的应用，对提升实验效率有重要意义。 本文研制的设备通过一年多的运行实践表明，能按照相似理论实现拉张、挤压、剪切、拱升及组合受力条件下的构造模拟；装置采用的交流伺服和控制系统，有效地保障了实验的重复性和可靠性；采集设备和算法先进，可对实验过程进行数字记录、处理和反演分析。该装置为构造物理模拟定量分析提供了有益的探索。