磁矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元正演计算方法

全球电磁感应测深方法能获得地球深部电导率结构分布,目前被广泛应用于地球内部结构与热状态研究.地磁台站与地磁卫星观测的电磁感应数据为时间序列信号,在时间域分析全球电磁感应数据,特别是分析频谱极宽的磁暴脉冲响应,具有天然的优势.然而,当前的全球电磁感应数据解释技术一般在频率域进行,缺少时间域中的研究成果.为了弥补缺少时间域全球电磁感应数据解释方法的问题,本文开发了一种基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元并行正演求解方法,具备高精度快速计算源于地球外部时变电流源的地球感应电磁场时间序列的能力,特别适合于计算与分析频谱极宽的磁暴脉冲电磁感应时变响应.首先,建立基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域微分控制方程,结合磁层外部电流源的物理属性建立边界条件和初始条件,从而构建出全球电磁感应时间域初始边界值问题.然后,利用四面体矢量有限元技术和无条件稳定的隐式后退欧拉公式,分别实现磁场矢量势的空间域和时间域离散,进而获得不同时刻的实系数大型有限元线性方程组,借助于高性能并行直接求解器,快速高精度地求解不同时刻的磁场矢量势与感应磁场.最后,利用理论模型验证本文算法的正确性.利用Dst磁暴环电流指数建立的时间域电流源与真实地球三维电性模型,研究"澳科一号"后续卫星200 km轨道对中国和澳大利亚下方地幔转换带高导体的探测能力,结果表明这些地幔转换带异常体在200 km卫星轨道高度能产生明显异常.综上所述,本文开发的时间域全球电磁感应方法不仅具备精确快速计算全球感应电磁场时间序列响应的能力,还能为反演与解释"澳科一号"等我国地磁卫星观测数据提供技术支持.

无人机全航空时间域电磁探测组合脉冲发射技术

针对无人机平台电磁探测需求,提出一种应用于无人机全航空时间域电磁探测的双极性组合电磁脉冲发射技术,利用可调参组合脉冲实现浅表盲区压制、深浅兼顾的近地表精细探测。针对目前轻型发射系统为降低质量普遍采用的无源钳位技术存在钳位电压和介入时间不可调整的缺点,并考虑发射脉冲智能关断需求和难点,提出一种有源自适应可调钳位技术。在对发射系统的质量、体积、功耗有严格限制的条件下,突破钳位电压固定、电流脉冲关断时间不可调的局限性,通过对发射参数实时采集反馈及相应的自适应控制策略实现发射电流下降沿自适应钳位和参数优化,实现电流脉冲关断速率自适应精确调控。研制适用于无人机平台的组合脉冲电磁发射系统,并完成整体系统搭建与集成测试。研究结果表明:发射系统在满足轻量化、小型化的条件下,可以实现高质量双极性组合电磁脉冲的长时稳定高功率发射,不仅发射脉冲的峰值、占空比、周期等参数均可调,且电流脉冲关断速率可实现自适应精确可调与参数优化,满足无人机全航空时间域电磁探测系统应用要求。

基于响应曲线聚类的时间域电磁法地电结构类型划分研究

为了充分利用时间域电磁法正演响应曲线携带的特征信息实现地电结构类型快速预测,通过将曲线的分布特性和形态特性相结合构造了曲线距离,采用相关系数作为权重参数衡量曲线形态相似程度,实现了时间域电磁法正演响应曲线聚类。应用效果表明,依据该方法得到的聚类结果能实现正演响应样本的标签化,从而通过多分类任务神经网络完成地电结构的类型划分。

大地微动测深与时间域激电测深在金矿床中的勘查应用——以河南省嵩县东湾金矿床为例

河南省嵩县东湾金矿是受陡倾斜断裂构造带控制的构造蚀变岩型矿床,其近南北向断裂构造F_(1)是该矿区的主要含(控)矿构造,沿该含(控)矿构造F_(1)向深部仍存在大规模成矿的可能。传统物探方法为以往矿区中浅部找矿勘查起到了良好的指导作用,但难以适应目前矿区对深部探测的需求,常规的大深度、高分辨率电磁探测方法则因受该矿区较强的电磁干扰和复杂的人文因素制约了其应用。为提高探测精度和深度,确定含(控)矿构造F_(1)在深部的延伸状态及高极化体赋存位置,采用不受电磁背景干扰、探测深度大、分辨率高的大地微动测深与可提供深部金矿化蚀变信息的大功率时间域激电测深联合勘查。根据获得的视S波速度(V_(x))、视电阻率(ρ_(s))和视极化率(η_(s))异常,结合已知地质剖面先验信息,有效地识别了不同岩性地层界面,推测含(控)矿构造F_(1)在纵向上的空间展布特征,认为沿F_(1)构造带的中-低速度、中-低电阻、高极化区为找矿有利部位,据此圈定了深部找矿靶区,为该矿区深部找矿勘查提供了良好的地球物理依据。该研究方法及结果可为东湾金矿区及周边类似矿区深部勘查提供参考。

时间域航空电磁法在多年冻土调查研究中的应用

多年冻土空间分布调查在冰冻圈研究中具有重要意义。目前国内冻土空间分布调查通常采用地面物探结合测井的探测方法,获得局部点上或线上数据,或者采用不同的遥感模型,模拟估算区域性多年冻土厚度。笔者利用获取的时间域航空电磁数据,根据电阻率计算结果推断多年冻土空间分布特征。推断结果与已知测井资料对比分析表明,根据时间域航空电磁数据反演结果推断的多年冻土层厚度与已知测井测温确定的结果平均误差为18.5%,表明采用时间域航空电磁法开展多年冻土厚度调查是有效的,具有较高的准确性。由于时间域航空电磁测量具有高效、受地形影响小等技术优势,可应用于青藏高原、东北大兴安岭等地区的大面积、快速、定量化的多年冻土调查,为全面调查研究多年冻土空间分布及其对生态环境变化的影响提供新的、有效的技术解决方案。

应用于低功耗模/数转换器的低电源电压时间域比较器

针对传统逐次逼近型模/数转换器(Successive Approximation Analog to Digital Converter,SAR ADC)中的电压域比较器存在延迟大、功耗高等问题,本文设计了一款应用于SAR ADC的低功耗时间域比较器。该比较器通过引入高增益的时间放大器(Time Amplifier,TA)成功实现了相位积累速度的指数级增加,有效减小了输入信号相位脱离鉴相器的“死区”所需的振荡周期数,缩短了比较延迟,优化了比较的速度和功耗。该比较器基于65 nm CMOS工艺进行设计,在0.4 V电源电压下功耗仅5.24 nW,失调电压为5.99 mV。

井间电磁波层析成像中的高精度时间域正演计算

为提高井间电磁波层析成像的分辨率,正演计算中需保持较高的计算精度.本文正演计算中采用时间域伪谱(PSTD)法模拟井间电磁波的传播.该算法在时间域有限差分(FDTD)法的基础上采用快速傅立叶变换(FFT)计算麦克斯韦方程中的空间导数.该算法除了具备时间域有限差分法的优点外,在计算条件完全相同的情况下,计算精度明显高于时间域有限差分法.时间域伪谱法的正演计算为井间电磁波高分辨率层析成像奠定了重要基础.

电磁波场数值计算中时间域有限差分法与时间域伪谱法的对比研究

为提高电磁波场数值计算精度,对时间域有限差分法与时间域伪谱法进行了对比研究。时间域有限差分法是一种目前流行的电磁场时域数值计算方法,已被广泛应用于求解与时间有关的偏导数方程。对于大规模数值计算,时间域有限差分法需要较多的内存空间。时间域伪谱法基于时间域有限差分法,该方法使用快速傅里叶度换来计算麦克斯韦方程中的空间导数。由于傅里叶变换的准确性,时间域伪谱法使计算精度提高,数值计算时所需的格子数大大减少,这极大地节省了计算机内存空间,适合于大规模正反演问题的数值计算。

全波形时间域航空电磁响应三维有限差分数值计算

全波形时域航空电磁测量具有解释精度高、分辨率高等优点,已成为新一代时域航空电磁探测发展的趋势.为此,本文基于无源有限差分法,将发射电流离散为若干梯形脉冲元,将脉冲元在时间上产生的电磁场转换为空间初始场,在差分迭代过程中分时引入差分方程,逐步将有源有限差分方程转换为无源有限差分方程,最终实现了发射电流为任意波形时,全波形时间域航空电磁响应的三维数值计算.计算结果表明:在梯形波发射时,对于典型地电模型的航空时间域电磁响应,计算稳定时间大于10ms;与积分方程法相比,发射线圈中心点二次场响应平均误差小于1%.任意源三维全波形数值计算的实现为全波形三维反演和仪器设计奠定了基础.

时间域相邻道地震波衰减成像研究

在时间域中 ,利用地震记录中的振幅与上升时间信息可以计算出岩石介质的品质因子Q值 .由于震源能量难以测量 ,本文通过共炮点道集相邻道循环对比的方法 ,消除了震源对计算过程的影响 ,推导出时间域相邻道振幅与上升时间衰减成像的计算公式 ,并在振幅衰减成像的计算过程中 ,去除了非粘滞性衰减成分 .为了更全面地综合利用波形信息 ,并充分利用各种方法的长处 ,将波速成像、振幅衰减成像、上升时间衰减成像集成到一个处理流程中 ,通过在岩体结构研究中的实际应用 ,证明这种综合方法具有灵活、实用。

基于异常线圈的时间域AEM系统测试和标定方法研究

为了检验和测试时间域航空电磁系统的测量精度和有效性,采用地面铺设闭合的异常线圈模拟地下有限导体的方法,将异常线圈的电磁响应理论值与系统实测数据进行拟合分析,来确定系统误差和飞行几何参数误差.在计算异常线圈电磁响应的基础上,研究了衰减曲线、剖面曲线与线圈的电性、几何参数关系,设计了野外测试实验方案.在长春市大鹅岛附近,采用吊车进行了系统测试,测试结果表明:单点实测数据的平均绝对误差为0.48 mV,系统相对误差小于1%,飞行高度误差为0.4 m、水平偏移误差为0.2 m.基于异常线圈进行时间域航空电磁系统的测试和标定,是一种准确、快速、经济可行的方法,具有野外施工便捷、参数调整灵活等特点,适用于任何时间域电磁测量系统的检测.

时间域航空电磁法一维正演研究

基于电磁勘探理论 ,导出了层状大地条件下时间域航空电磁法 (偶极 -偶极装置 )的正演计算公式和算法 ,编制了相应的计算机程序 ,对若干典型地电断面作了正演计算 .计算结果说明时间域航空电磁法的探测能力和探测条件 ,进而为时间域直升机航空电磁系统的设计方案提供了依据 .

时间域全波场各向异性弹性参数反演

从各向异性弹性波的有限元正演方程出发 ,导出了反问题中时间域雅可比矩阵求解的计算公式 .它具有与时间域有限元正演方程相同的表达形式 ,故可通过有限元正演计算来获得雅可比矩阵 .研究了有限元正演算法的效率和精度、吸收边界条件等方面的问题 ,以提高反演系统的效率和精度 .在此基础上 ,实现了叠前全波场各向异性弹性参数反演 .计算表明 ,在初始模型偏离真实模型较大的情况下 ,层状模型和横向不均匀模型的反演结果均能准确地收敛到真实模型上 .

固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展

基于国产Y12IV型轻型固定翼飞机平台,开展了专用飞机改装、大磁矩发射、三分量接收、海量数据实时收录等关键技术攻关,研制了具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁勘查系统样机;成功开展了半航空试验试飞,系统样机功能、性能等达到了世界先进水平。固定翼时间域航空电磁勘查系统研发取得关键进展。

基于交叉梯度约束的时间域激发极化法二维同步反演

时间域激发极化法(Time-domain induced polarization method,简称为TDIP)已有的反演算法采用的是分步反演的思路,即先由视电阻率资料反演电阻率,固定电阻率再由视极化率资料反演极化率,这样就存在极化率结果严重依赖于电阻率反演结果的问题.为了有效解决这一问题,本文实现了TDIP二维数据空间分步反演算法,提出了基于交叉梯度约束的TDIP二维同步反演策略,实现了交叉梯度约束的电阻率和极化率二维同步反演算法.分别用电阻率和极化率结构一致和不一致的二维模型合成数据进行了分步和同步反演试算,对不同模型试算结果进行了对比分析.结果表明:对于电阻率和极化率结构一致和不一致模型,同步反演结果比分步反演结果能更好地确定异常体的空间分布范围,反演得到的电阻率和极化率值更接近真值.理论模型算例表明本文提出的同步反演算法有效解决了分步反演的问题,优于分步反演算法,具有更好的实用性.

2D共炮时间域高斯波束偏移

针对传统射线方法在奇异区成像精度不高,而2D频率域高斯波束叠前深度偏移需要计算成像点处每个频率的格林函数,影响计算效率的问题,本文通过使用复走时代替实走时,改变频率域下成像公式的积分顺序,给出了在时间域下进行高斯波束偏移的方法和计算公式.本文使用复杂数值模型验证了2D时间域高斯波束叠前偏移方法的正确性,并同传统射线偏移成像结果做了对比.对比结果表明时间域高斯波束偏移在成像精度上优于传统射线偏移.

基于神经网络的时间域直升机电磁数据电导率深度成像

采用G-S变换以及高斯数值积分法,形成了时间域直升机的航空电磁响应正演样本集,分析了飞机测量过程中吊舱高度变化对电磁响应的影响,并将吊舱高度的变化等效成电导率为零的假层厚度的变化,以去除高度计等的影响.以假层半空间模型为基础,研究了基于人工神经网络的电导率深度成像算法,通过分析两个三层模型的电导率深度成像结果得出,神经网络方法计算时间域航空电磁探测的视电导率精度较高,特别是对高阻层的视电导率计算.

基于线网运营协调的城市轨道交通首末班列车发车时间域研究

首末班列车的换乘衔接在城市轨道交通网络化运营条件下具有特殊意义。在分析网络首末班列车协调必要性的基础上,从多线换乘接续的可达性和合理性两方面构造多向列车换乘衔接模型,根据早晚间客流特点建立首末班列车发车时间域的计算方法。将换乘站内部的列车到发时序衔接与网络换乘节点间的协调相结合,设计分层协调的优化策略和算法,实现网络列车运行的综合协调。以某城轨线网为例,模拟验算首末班列车发车时间域,结果表明该方法可根据需求产生相应方案,为网络运营组织提供决策依据。

时间域单频干扰波的压制

在野外地震数据采集过程中 ,地震测线上方如果有高压输电线通过 ,在地震记录中就存在一个 50 Hz左右的强单频干扰波。这种干扰波在地震记录的整个时间段上具有很强的能量 ,并且其频率、相位和振幅可认为基本保持不变。采用频率域压制方法仅仅是对噪声和信号同时压制一定的倍数 ,并没有完全消除这种干扰 ,即没有改善单频分量频率附近的信噪比。因此 ,我们尝试在时间域内采用余弦波来逼近这种干扰波 ,并从地震记录中减去它 ,以实现压制这种干扰波的目的。本方法的最大优点是只压制单频干扰波 ,不伤害有效信号 ,从而使单频频率分量附近信噪比得到提高。通过理论和实际数据的试算 ,说明了本方法的有效性和可行性。

旅客列车发车时间域优化研究

在大量问卷调查的基础上,根据旅客对不同到发时间域选择的偏好,确定了各发车时间域旅客出行的方便系数。利用目标规划原理,以旅客出行方便程度最大为目标,构造了三级控制策略。在考虑客运站到发线能力,以及旅客列车必须在合理的时间域发车等约束条件下,建立旅客列车发车时间域的目标规划模型。利用该目标规划模型,可根据旅客列车实际运行的需要,通过变化控制策略和赋予各目标的优先因子,实现对列车发车时间域的优化。根据模型约束目标正负偏差变量,计算了各级控制策略实现程度系数。最后,以太原站始发旅客列车为实例,利用变换方案对该目标规划模型的运用进行了分析,并将目标规划优化结果和传统确定发车时间域的结果以及指派模型优化结果进行比较分析。