浅埋深线圈瞬变电磁场超前探测响应及应用

为有效识别隧道工作面前方采空区、岩溶、导水裂隙带等不良地质情况,预防隧道开挖透水事故,开展浅埋深线圈瞬变电磁理论在隧道超前探测中应用的研究。首先,利用COMSOL软件建立浅埋深线圈超前探测模型,研究工作面前方不同方位电磁场的传播特性和异常响应特征;然后,以青岛地铁13号线嘉陵江路站-香江路站区间隧道工程为例,验证浅埋深线圈瞬变电磁法识别异常体的可行性。结果表明:浅埋深瞬变电磁法可有效识别工作面前方不同位置的低阻异常体;不同方位异常体对于电场响应的影响主要体现在响应强度上;瞬变电磁场可有效区别出空气域和岩体域,但受空气域的影响,电磁场在近地表的高阻围岩中衰减速度加快,导致在反演分析中实际探测工作存在高阻异常。

从瞬变电磁场到波场的优化算法

在波场的正变换中,保证瞬变电磁场的计算精度的同时,应用两步最优化算法,成功地控制和减少了积分系数个数和离散数字积分的采样点个数,解决了在波场反变换式中,由于积分系数过多而产生的欠定方程组的问题,同时改善了第一类算子方程的不适定性.在波场反变换中,将正则化算法用于逆变换过程的计算中,通过采用偏差原理和Newton迭代格式选出最优的正则化参数,使得反变换所得到的波场稳定、可靠.通过对数值计算结果与已知波场函数对比,证明了该方法的有效性和实用性.

瞬变电磁场的直接时域数值分析

为了深入了解瞬变电磁场的勘探原理 ,直接在时间域对负阶跃脉冲激发的二维瞬态场进行了数值分析 .采用的方法是从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发 ,导出时域电场的齐次扩散方程 ,对所研究的空间区域作差分离散 ,源作为初始条件加入 ,利用准静态近似处理空中边界 ,然后进行时间的逐步递推 ,由此展现瞬变电磁场在地下扩散随时间发展的全过程 .通过模拟计算不同时刻瞬态电场在地下的分布形态及地面上感生电动势相应的变化 ,揭示了低阻异常体对感应涡流的聚集作用 ,低阻覆盖层对瞬变场扩散的减速作用 ,及瞬变场的延时效应 .因此 ,瞬变电磁法对低阻体是敏感的 ,有上覆低阻层时探测同样的深度需要较长的时间 ,而延时效应瞬变场的晚期时段可反映埋藏较浅的异常体 .

瞬变电磁场时域格林函数解

近源时间域电磁场具有信号强、探测深度大、精度高等优点,但传统勘探电磁场理论中偶极子近似在近源会引起较大误差,导致这一优势的发挥受到了制约.开展直接时间域电磁场解析式研究,是解决这一问题的途径之一.本文提出在点电荷微元假设下,引入时域格林函数,求取瞬变电磁场时间域解析解.采用积分运算法,把电磁场阻尼波动方程的求解问题转化为求其格林函数积分形式解的问题;建立辅助路径解决奇点问题,利用复分析中的约当引理、留数定理和广义函数等理论和方法,推导计算出时间域格林函数的时空四重广义积分.得到达朗贝尔方程的直接时域格林函数精确解析式,与传统方法"比拟"出的公式具有相同的形式,验证了本文推导的时域格林函数解析公式的正确性;推导出扩散方程的直接时间域解析解.通过与时变点电荷源时间域的电磁响应近似表达式进行对比,得出本文所推导的公式计算精度较高的结论;建立了全空间回线源瞬变电磁场问题的直接时间域求解公式.为解决全场区瞬变电磁场精细探测直接时域解析问题提供了基础理论.

二维地质体的瞬变电磁场响应特征

直接从时间域出发 ,应用时域有限差分方法 (FDTD)分析地下和地面的瞬变响应。由于二维情况便于图形表示 ,采取了线源二维地电模型。通过对二层均匀地电结构和含二维低阻体时地面垂直感生电动势曲线的计算 ,说明瞬变场响应有滞后现象 ,即异常地质体一旦引起瞬变响应 ,就会往后延时 ,并使响应延续较长时间。在实际的工程勘察中 ,曾用 3～ 5ms以后的延迟时间探测过较浅的异常体 ,如 2 0m至 150m深度范围内的地下老窑采空区 ,并取得了较好的探测效果 ,上述数字模拟结果为以往的实践提供了理论依据。

不规则回线源层状介质瞬变电磁场正反演研究及应用

不规则回线内任一点的电磁场可以看成是其内部多个圆形回线在该点的电磁场之和,因此,只要求出不规则回线内各个圆形回线在该点的电磁场,将它们叠加就可得出不规则回线在该点的电磁场。此种方法的关键是如何在不规则回线内划分圆形回线。采用的方法是首先在不规则回线内以测点为圆心做一个圆,这时整个回线被分为圆内和圆外两部分;然后再将回线内圆外的部分划成众多的小圆形,此时就将求解不规则回线的电磁场转化为求解圆形回线的电磁场。

矿井富水体的瞬变电磁场物理模型实验研究

通过物理模型实验,研究矿井富水异常体的瞬变电磁场响应特征,为改进资料解释方法、提高探测精度提供重要依据。根据物理模型实验相似性准则,设计物理模型参数并校正模型系数;制作矿井富水体物理模型及发射接收装置,并对天线参数及探测能力进行对比分析。实验结果表明:在发射天线参数相同的条件下,接收天线绕制匝数越多,接收到的感应信号就越强;发射线圈中的电流越大,接收到的信号越强;相同条件下,方形天线装置比圆形天线装置接收到的感应信号强。巷道空间及空间内的金属体对富水体感应场的干扰特征实验表明:当天线位于巷道靠近富水体所在一侧时,接收到的响应值最高;当天线位于远离富水体一侧时,由于巷道空间的影响使探测结果的分辨能力降低。巷道内的金属体(工字钢、金属锚网和铁轨)使所接收到的信号值变大,而富水异常体的响应规律则没有变化。

基于Gaver-Stehfest算法的矩形发射回线激发的瞬变电磁场

文中将矩形发射回线看作由无数磁偶源组成,并利用由垂直磁偶源激发的电场对磁矩按回线面积积分,推导出了矩形回线激发的频率域电场表达式,采用G-S(Gaver-Stehfest)算法求得时间域电场表达式,根据法拉第电磁感应定律,利用电场强度阶跃响应最终求得磁感应强度脉冲响应。将不同系数的G-S算法计算的感应电动势与张成范等计算的感应电动势相比较可知:采用14个系数时的G-S算法计算的感应电动势精度最高,最大相对误差为-3.8%,且表现出计算感应电动势的精度早期较高、晚期较低的特点。

瞬变电磁场拟波动方程偏移成像

本文提出了一种新的瞬变电磁场偏移成像方法。该方法满足扩散方程的低频电磁场，并可由积分变换转换为满足波动方程的波场，然后直接利用地震偏移成像技术，求取介质的几何参数。文中针对有源二维地电模型，推导出了与瞬变电磁场定解问题相对应的变换波场的定解问题方程，并采用有限差分逆时深度偏移方法，成功地对有源二维瞬变电磁场进行了偏移成像处理，得到了清晰的、与理论模型吻合很好的偏移断面图像。

变电站开关操作引起的瞬变电磁场及其防护

陈述了变电站隔离开关动作时产生的瞬变电磁场对变电站二次设备及电子设备的危害 ,归纳出该瞬变电磁场持续时间短、幅值大及含有大量高频分量的特征 ;分析其对变电站二次设备干扰的方式 ,提出了屏蔽、接地、滤波及隔离等消除或降低其对二次设备干扰的措施 ,电子设备则应在硬件及软件上采取抗干扰措施。

瞬变电磁场的波场变换算法

瞬变电磁场的波场变换拟地震解释是目前电磁勘探领域中一项很有前景的解释方法，而实现瞬变电磁场的波场变换又是其中的关键。本文基于物理场所满足的基本方程，推导出了适于多种场源激发方式及观测分量的波场变换公式及其数值离散形式。由于波场变换问题为不适定问题，故我们采用奇异值分解算法实现了瞬变电磁场的波场变换，并针对影响波场变换的诸因素（阻尼系数α的选取，时窗宽度、误差）进行了系统研究和计算，证明了我们研究的算法稳定、快速、精度高。

3D瞬变电磁场的有限差分正演计算

文中研究的 3D地电介质时间域电磁场的有限差分计算方法 ,激发源为水平电偶极子 ,并且向地下供以交变电流。经分析研究和不同模型的试算表明 ,其结果稳定、可靠 ,精度较高 ,计算速度快。该计算结果为

瞬变电磁场信号在地下的扩散及地面上的时域响应特性

瞬变电磁测深是近年来发展较快的电磁勘探方法 ,是实现精确勘探的一个突破点。本文应用时域有限差分算法分析了瞬变场在二维地电模型情况下低阻体对“烟圈”的吸收现象、瞬变场的滞后现象 ,对进一步的时频分析和高维反演提供了正演基础。

瞬变电磁场的波场变换研究

通过对不同条件下层状介质模型瞬变电磁场数据的波场变换、分析，提高了对瞬变电磁场波场变换物理意义的认识，并总结出若干有价值的规律。指出这种通过数学方法变换出的波场，不仅在形式上满足波动方程，而且在导电介质中也存在“传播”现象，在“传播”过程中，当遇到电性分界面时，也存在“反射”和“透射”。这些结论为在瞬变电磁法中，正确合理地引入地震处理解释方法提供了重要的理论依据。

线源二维瞬变电磁场的正演计算新方法

首先应用有限元直接迭代法 ,在频域中实现了线源二维电磁场正演计算 ,然后利用频时转换中较为简便且有效的数字滤波法 ,实现了频域到时域的转换 ,从而实现了线源二维瞬变电磁场的正演模拟。该方法具有编程简单 ,占用内存小 ,运算速度快和模型输入方便等特点。模拟结果与理论计算结果对比表明 ,该方法具有较高的计算精度。另外 ,该方法对复杂条件下的瞬变电磁勘探方法的研究和二维瞬变电磁反演有重要意义。

矿井全空间三维主轴各向异性介质瞬变电磁场响应特征研究

研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题,可以为各向异性条件下的地下全空间瞬变电磁法资料处理解释工作提供理论指导,对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。为了研究矿井全空间条件下主轴各向异性介质的瞬变电磁场响应特征,采用改进的交错网格有限差分方法实现了主轴各向异性介质的瞬变电磁场三维正演。将电导率张量加入麦克斯韦方程组,对Yee氏交错网格进行了改进以便于对主轴各向异性介质中的瞬变电磁场进行差分离散处理,形成了全空间三维主轴各向异性有限差分正演算法。在均匀全空间模型中对比各向异性有限差分数值解及均匀全空间解析解,验证了算法的正确性。建立了不同各向异性类型和不同各向异性对称主轴姿态模型,分别计算了其瞬变电磁场响应,最后结合工程探测实例,通过正演模拟分析了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征,解释了探测结果存在偏差的原因。研究表明:在矿井超前探测模式下,对于HTI-X介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场的影响不明显,不同各向异性系数条件下的感应电动势曲线差异较小;对于HTI-Y介质和VTI介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场有明显的影响,随着介质各向异性系数增大,介质瞬变电磁场响应不断变小;随着各向异性介质对称主轴方向与探测方向之间夹角的增大,各向异性介质产生的瞬变电磁场响应不断增大,当对称主轴方向与探测方向一致时(HTI-X介质),各向异性介质产生的感应电动势最弱,而对称主轴方向与探测方向垂直时(VTI介质),各向异性介质产生的感应电动势最强;不同类型的主轴各向异性介质具有明显的各向异性瞬变电磁场响应特征。

均匀半空间瞬变电磁场直接时域响应数值分析

近源时域电磁场具有信号强、探测深度大和精度高等优点,但传统瞬变电磁场理论中偶极子近似在近源区会引起较大误差,推导瞬变电磁场直接时域解析式是解决这一问题的关键.本文在点电荷微元假设下通过时域格林函数,采用分离变量等方法推导出了上半空间一次有源波动场和反射波的时域解析式和下半空间二次无源波动场的时域解析式,结合均匀半空间瞬变电磁场的边界条件给出了均匀半空间瞬变电磁场的直接时域解析式,进而利用第一型曲线积分,通过沿回线源叠加推导出圆回线源在瞬变电磁场中的直接时域解析式.然后在半空间表面上,与传统的电偶极源假设下的表达式作了比较.数值结果表明两者在远源区的计算结果相差甚微,而近源区则存在很大误差.本文利用真正点元(点电荷)严密推导给出的均匀半空间表面上瞬变电磁场的直接时域解析式适用于全场区探测,克服了偶极子假设下只适用远场区的不足,为瞬变电磁法的进一步发展和实际勘探提供了新的理论基础.

瞬变电磁场辐照下液晶显示模块的电磁兼容预测

由于大功率TEA CO2激光器系统中的液晶显示模块易于耦合电磁干扰,从而影响激光器的正常工作,本文研究了在瞬变电磁场辐照下预测液晶显示模块电磁兼容(EMC)能力的方法。分析了液晶显示模块集成于激光器系统时受干扰耦合的机理;从场线耦合干扰的角度,采用Taylor形式的BLT方程对液晶显示模块耦合的场线电磁干扰进行了分析计算,并采用实验手段对预测结果进行了验证。计算结果显示:连接线缆耦合电磁场在液晶显示模块数据线上产生的干扰电压为1V,超出了电路的噪声容限,需要采取EMC控制措施保证液晶显示模块的工作性能。验证实验结果表明:得到的EMC预测的结果能够正确反映液晶显示模块的实际EMC性能。该方法对大功率TEA CO2激光器电磁辐射近场区内电气设备的电磁兼容预测与设计具有指导意义。

层状介质任意形状回线源瞬变电磁场正反演

任意形状回线的电磁场可以看成是多个水平电偶极子的电磁场累加而成,因此,不论回线是何形状,只要将回线剖分为水平电偶极子,就可利用水平电偶极子的电磁场求取任意形状回线的电磁场。为了将回线剖分为电偶极子,根据测点到回线各边的距离将回线各边剖分为多个小段,使每小段满足水平电偶极子的条件;再将水平电偶极子进行数值积分,可得整个回线的电磁场。实验证明该方法在减小计算量的同时还能提高计算精度。

瞬变电磁场探测中低阻屏蔽层影响的时-频分析

瞬变电磁法在低阻覆盖层地区施工时会受到低阻层的屏蔽影响。虽然观测数据如感应电动势有较大的数值,但实际上探测深度却大大减小了。当有上覆低阻层存在时,要探测同样的深度,需要较长的观测时间。采用平滑伪Wigner-Ville分布和Gabor展开,分别将典型的二层地电模型(D、G型)与三层地电模型(H、A、K、Q型)的感应电动势衰减曲线映射成为时间-频率平面上的二维信号,通过对时-频能量谱的分析及模型之间的对比研究表明,瞬变电磁场能量在低阻层中聚集和损耗,尤其是对于描述我国华北型煤田的A型地电模型(地表为低阻层),瞬变电磁场的能量在由地面向下扩散的过程中,能量通过基底以上各低阻层的聚集和损耗,到达最有观测意义的底层界面(奥灰与煤系的界面)时,已经消耗殆尽。因此,当在A型模型地层地区进行瞬变电磁勘探时,应充分考虑低阻屏蔽层的影响,在施工设计时应选择较长的观测时窗以保证探测深度,并采用大功率仪器来提高信噪比。