基于差分进化算法的瞬变电磁一维反演

实际采集的瞬变电磁数据包含电磁感应和激发极化效应,如何准确提取电阻率和极化率信息是电性源瞬变电磁数据处理的关键。首先,基于Cole⁃Cole复电阻率模型实现有限长电性源瞬变电磁法一维正演,在此基础上提出一种基于差分进化算法的电性源瞬变电磁一维反演方法。然后,在传统差分进化算法的基础上引入反向学习策略及控制参数自适应调节,加快反演的收敛速度,同时在目标函数中引入约束条件,构成最小构造反演,降低反演的多解性。最后,基于典型的三层地电模型和复杂多层模型进行理论模型测试,反演结果可有效恢复模型的电阻率和极化率。利用实测资料进行反演,反演得到的电阻率与OCCAM反演电阻率基本一致。在此电阻率约束的基础上,进一步反演得到极化率信息。反演结果准确地提取了实测数据中的电阻率信息,得到了地下介质的极化率分布,证明了算法的准确性和适用性。

基于两步变异差分进化算法的激电测深一维反演

激电测深一维反演是一个多参数非线性优化问题。本文基于改进的两步变异差分进化全局最优化算法实现了激电测深的一维反演。传统的差分进化算法包含变异、交叉和选择操作,变异为单步变异。本文提出的两步变异法分步将最优个体与随机选取的两个个体经变异后产生新个体。加强了最优个体的影响度,提高了全局寻优能力。通过模型试算结果表明,两步变异法比传统方法寻优能力更强。利用等效电阻率法加载极化率参数,通过数字滤波算法可快速正演计算层状模型表面激电测深电阻率曲线,在此基础上应用两步变异差分进化算法不断变异产生新个体,正演计算电阻率与观测值进行拟合,选择适应度值趋近于最大适应度值的个体作为反演结果。本文反演方法操作简便,计算速度快。通过对H型和KH型地电模型进行计算,得出本反演方法有较高的拟合精度。

浅部约束的地磁测深C-响应一维反演

地磁测深研究的周期范围通常为10~5~10~7s,缺少反映浅部电性结构的短周期信息,而C-响应受浅部电阻率影响明显,因此本文提出在反演中增加浅部(约200 km)电阻率约束以提高深部反演的稳定性和可靠性.在磁层环状电流满足P_1~0假设的条件下,球坐标系中一维导电薄球层状地球的C-响应和电导率分布关系由边界条件通过递推的方法计算得到.反演采用有限内存拟牛顿(L-BFGS)法;浅部电阻率约束通过将目标函数对模型参数的梯度设为零来实现;通过置信区间分析评价约束反演结果的可靠性.合成数据的无约束反演虽然最终的拟合效果很好,但浅部电阻率受初始模型影响,差异较大;采用浅部约束后,反演结果对初始模型依赖性明显减小,同时还能显著提高200~600 km范围内反演结果的准确性.对全球近地轨道卫星观测的C-响应数据约束反演后结果与前人一致,表现为地幔电导率整体上随着深度的增加而增加.参数置信区间分析表明,由于约束反演加入了浅部信息,电阻率的变化范围更加紧致,说明反演结果更加可靠.因此,有必要通过其他地球物理方法,如长周期大地电磁测深等获得浅部电阻率分布,作为先验信息参加反演,进行浅部约束的C-响应反演,获得更可靠的一维全深度电性结构,为地磁测深数据解释奠定基础.

海洋可控源电磁场的一维反演

介绍一种海洋可控源电磁场一维反演方法,海洋可控源电磁一维正演是通过汉克尔变换求得的。采用正则化高斯牛顿法对海洋可控源电场分量和磁场分量进行反演。在一维典型海底高阻模型上进行反演方法的正确性和有效性验证。结果表明:高斯牛顿反演方法在反演初期收敛很快,数据拟合误差在10次反演迭代内即可下降到2.0左右,在反演后期收敛放缓并出现震荡收敛现象;但在20多次迭代收敛,反演结果能较好指示高阻薄层的位置,与理论模型吻合较好。

瞬变电磁数据一维反演的初值选取研究

在进行瞬变电磁数据一维反演时,如何合理选取初值对反演结果影响较大。文中利用视纵向电导能够划分电性层位的优势,根据视深度—视纵向电导曲线特征,结合视深度—似电阻率和视深度—全区电阻率曲线,相互对比,确定曲线拐点;根据拐点个数给出层数,再利用拐点对应的坐标值选取层参数。以此作为一维线性反演的初始模型进行反演。试算结果表明,当初值选取合理时,利用常规的线性反演方案就可使反演曲线获得快速、稳定收敛和等值性减小的效果。

有限长导线源频率测深有限内存拟牛顿一维反演

本文采用有限内存拟牛顿法实现有限长导线源频率测深阻抗响应数据的一维反演。水平层状介质有限长导线源阻抗频率响应由基于虚界面法获得的地表水平正交电场和磁场计算得到;一维反演优化问题的求解利用有限内存拟牛顿法,结合光滑模型约束,直接对阻抗的频率响应数据进行反演。在反演过程中,正则化参数的调整采用目标函数自适应技术。反演模型剖分为多层,各层厚度自地表按比例增加。反演从均匀半空间开始,终止条件为目标函数相对变化小于10^(-4)。分别对理论模型和实际数据进行了反演模拟。为考察反演的稳定性,还对理论数据添加10%随机噪声后进行了反演。数值计算结果表明:有限内存拟牛顿方法可以用于有限长导线源频率测深阻抗频率响应的反演;该反演方法对初始模型的依赖性弱,从均匀半空间模型出发基本可以恢复到真实模型;反演初期收敛较快,后期收敛速度变慢,反演结束一般需要迭代40次左右。噪声数据反演结果表明,随机噪声对反演结果影响不大,说明有限内存拟牛顿法具有较好的抗干扰能力。本文研究成果给出了可控源电磁数据反演的一种新方法;同时,利用本文的研究成果,可以为二维或三维反演建立合适的初始模型。

基于自适应遗传算法的CSAMT一维反演

传统的CSAMT反演方法大多依赖于初始模型的选择,并且在反演过程中可能会因为出现病态矩阵而导致反演失败。本文提出了一种基于自适应遗传算法的CSAMT一维反演方法,该方法具有不依赖于初始模型的优点,并且反演过程中不会出现病态矩阵。首先,通过水平层状模型对标准遗传算法和自适应遗传算法进行比较,证明后者的改进效果;然后,在数据中加入随机噪声,证明其具有抗噪性;最后,将其运用到实测数据中,证明了该方法的实用性。

中心回线方式瞬变电磁测深虚拟全区视电阻率和一维反演方法

根据半无限均匀介质空间中场的表达式 ,分析了一维层状介质情况下的中心回线方式瞬变电磁测深法的全区视电阻率定义的基本性质 ,并讨论了求解方法。特别地 ,引入了基于感应电动势的“虚拟全区视电阻率”概念 ,从而解决了全区视电阻率解的唯一性和存在性等问题。“虚拟全区视电阻率”能连续和直观地反映地下一维电性层电性垂向变化特征 ,对瞬变电磁测深资料的定性解释具有重要的意义 ,同时也为一维反演 (构制初始模型和确立目标函数 )奠定了基础。模型试验表明 ,根据“虚拟全区视电阻率”曲线 ,采用一维“正演修正法”进行反演是一种可行的方法。

混合遗传算法在大地电磁一维反演中的应用

遗传算法是近些年来产生和发展的一种模拟生物进化过程的自适应启发式全局优化的搜索算法。它不完全依赖于初始猜测,且具有全局收敛的特点,可以被用来解决各种复杂的实际问题,如工程优化设计,人工智能和决策系统,以及地球物理反演等。尽管遗传算法是一种效率很高的全局优化算法,但许多仿真结果表明,它具有计算时间长,局部搜索能力弱的缺点。而共轭梯度法属于非启发式全局优化搜索方法,收敛速度快,但容易陷入局部极值,且严重依赖初始猜测。根据遗传算法和共轭梯度法的特点,这里提出了一种混合遗传算法,用来进行地球物理反演。该算法既具有遗传算法的全局收敛性,又有共轭梯度法的快速收敛性,经实际应用,取得了良好的效果。

基于姿态参数的海洋可控源电磁数据一维反演

基于姿态信息的海洋可控源数据一维反演采用Occam方法进行,反演数据为不同收发距离观测到的电场振幅(MVO)。接收器和发射器姿态参数同时引入到反演中,正演过程引入发射源姿态参数,借助矢量分解将任意姿态的发射源分解为3个正交坐标轴分量源,分别计算接收点处电场响应,叠加得到总电场响应;根据接收器姿态信息,将计算坐标系中的电场矢量进行欧拉旋转获取任意姿态时测量到的电场响应。理论模型与实际数据反演结果表明,基于姿态信息进行海洋可控源勘探数据反演是可行的。

考虑关断时间效应的瞬变电磁一维反演

为克服因关断时间校正而带来的误差,尝试直接对包含关断时间效应的瞬变电磁资料进行反演。正演采用将斜阶跃波离散为多个阶跃波之和的方法,反演采用经典的马奎特法。对模型试算的结果表明,采用该方法直接对斜阶跃响应进行反演,结果比较理想,计算速度也可以接受。

井间电磁场的一维反演

开发了一种快速高效的井间电磁场一维反演方法 .通过矩阵求逆计算纵向成层地层中的Green函数并同时得到雅可比矩阵的元素 ,加快了计算速度 .反演时采用正则化最小二乘法求解超定方程 ,由于发射 -接收的组合数目大大超过待反演的地层参数的数目 ,因而反演结果精度高 .数值计算举例表明 ,无论是低电导率对比地层还是高电导率对比地层 ,反演结果均与模型完全吻合 .井间电磁场一维反演可以对实测数据进行预处理 。

地面回线源瞬变电磁法一维反演系统及其应用

瞬变电磁法现阶段的资料处理解释仍以一维反演为主,因此开发一套功能齐全、高效稳定的一维反演系统对进一步提高国内瞬变电磁法的应用水平仍具有重要意义。本研究开发的地面回线源瞬变电磁法一维反演系统包括了基于高斯牛顿法的最小构造反演和Occam反演,也包括了基于阻尼最小二乘法的横向约束反演和空间约束反演。以内蒙古那仁宝力格煤田玄武岩岩体形态探测为例,将该反演系统的最小构造反演和Occam反演结果与商业软件IX1D进行了对比验证,发现不同反演方法获取的电阻率二维断面图中,玄武岩岩体形态相似、电阻率范围一致;结合钻孔资料,这些一维反演结果清晰反映了玄武岩岩体除岩浆上涌通道区域外的分布形态。将横向约束反演和空间约束反演应用于该实例,结果表明:相邻测点间玄武岩岩体电阻率差异缩小,玄武岩与沉积岩界面的连续性得到增强。

瞬变电磁晚期场资料的一维反演

本文研讨了由垂直磁偶源和水平电偶源所激发的瞬变电磁晚期场的垂直磁场时间偏导数及其视电阻率的性态特征。探讨了其一维反演的某些问题，研制出了对该时间域电磁响应函数的一维实用化反演程序，表明具有较好的使用效果。

带约束的瞬变电磁自适应一维反演方法

为了改善Ooccam反演方法计算量大的问题,提出了一种带约束的瞬变电磁自适应一维反演方法。该算法中拉格朗日因子的选择,除了采用CMD方案外,还考虑了反演矩阵的病态性和反演结果的收敛性;在利用Ooccam反演方法中粗糙度矩阵的同时,对模型修正量采用可行域概念进行了约束,使反演模型不易陷入局部极小,减少了反演模型的多解性,并且整个反演过程对初始模型依赖性不高。最后通过三层H型、K型和四层HK型、KH型模型以及实测资料证明了反演算法的可靠性。

大地电磁非线性共轭梯度一维反演

非线性共轭梯度(nonlinear conjugate gradient,NLCG)反演法具有较好的稳定性和反演精度,在二维反演中得到了广泛的应用,但是正则化因子选取困难以及计算量较大等问题限制了其在一维反演中的应用。针对上述问题,结合一维反演实际,提出了一种改进的NLCG优化算法。该算法以Bostick反演结果为初始模型,采用正则化因子自适应迭代调整方案,每次迭代时根据目标函数自动调整正则化因子,无需再对正则化因子进行不断尝试反演;简化了预处理因子和最优步长的计算,用单步线性搜索法代替迭代法求最优步长;对反演结果进行优化并做二次NLCG反演,进一步提高了反演精度,使非线性共轭梯度一维反演算法更高效。通过几个模型算例分析了优化算法的有效性。实际大地电磁数据NLCG反演结果与钻井资料吻合好、精度高;与Occam反演结果相比分层更加清晰,未出现异常高阻层,对地下电性结构的划分更加可靠。

地下瞬变电磁法一维反演

瞬变电磁法在地下工程中得到了广泛地应用,但目前地下瞬变电磁的解释方法却仍主要沿用地面勘探的理论。为了进一步提高地下瞬变电磁法的解释精度,介绍一种带约束一维反演方法。基本思想是利用电偶极子等效方法进行地下瞬变电磁正演,并合理构建目标函数,利用阻尼最小二乘法进行带约束反演。首先将回线源看成是多个电偶极子产生的场的叠加,利用偶极子叠加的原理求取回线的电磁响应,并进行全域视电阻率定义,以此建立反演的初始地电模型,最后利用阻尼最小二乘法实现地下瞬变电磁数据的带约束反演。利用带约束反演方法进行数据测试,取得了较好的效果。

倾斜地层条件下瞬变电磁一维反演的适应性研究

为了研究倾斜地层条件下瞬变电磁一维反演的适应性,以典型的K型和H型模型为基础,分析了倾斜地层条件下瞬变电磁的响应特征。发现K型倾斜地层的瞬变电磁响应在高阻层埋深较浅时早期响应幅值较小,随着高阻层埋深增大幅值逐渐增大,而H型模型的响应变化规律刚好与K型相反。进一步对4组不同倾斜角度的H型和K型模型进行瞬变电磁一维OCCAM反演,结果表明,在地层倾斜角度较大时,不管是H型还是K型模型的反演电阻率扭曲严重,反演结果均不能代表实际地层的电性特征;在地层倾角较小时,K型模型反演的高阻层电阻率随着埋深增大幅值逐渐减弱,而H型模型在地层倾角较小时,一维反演的结果与实际模型吻合度较高,这也说明一维反演对H型倾斜地层适应性更好。最后通过实测数据证明在小倾角地层条件下,只要能区分倾斜地层与局部异常体的反演电阻率特征,瞬变电磁一维反演仍然是适用的。

CSAMT一维反演的实现

一维音频大地电磁测深OCCAM优化反演算法和一维音频大地电磁测深法正演算法,通过对水平层状大地电模型的离散剖分,对可控源音频大地电磁测深法的探测结果,进行一维层状大地反演成像模拟计算,确定出水平层状地球介质的分布结构和物性特点。

基于U-Net的一维大地电磁反演方法

大地电磁法在地球物理勘探中扮演着关键的角色,能够通过地表观测数据反演地出下电性结构的分布。然而,传统的大地电磁反演方法存在一些明显的缺点,例如对初始模型的依赖性以及反演过程中较高的计算消耗。为了解决这些问题,文章提出了一种基于深度学习的反演方法。该方法利用神经网络出色的非线性拟合能力,借助构建的大量样本集,实现了对大地电磁数据的一维演。这种方法不仅能够克服传统反演方法的缺陷,还能够通过大规模样本的学习提高反演的准确性和效率。在网络训练完成后,本文对提出的方法进行了详细验证,证明了方法的可靠性和稳健性。