基于ZYNQ处理器的射频大地电磁采集仪器研发

研发基于ZYNQ处理器的ARM嵌入式天然场射频大地电磁法信号采集系统。该系统集成了采集控制模块、数据读取模块和数据滤波模块,采用FPGA高速逻辑门电路、FIR滤波器以及ARM嵌入式系统等技术手段,实现RMT信号的采集、传输、滤波和存储。仿真和对比试验结果表明:该系统性能稳定,滤波模块阻带衰减大于70 dB,系统采集的数据反演结果精准,能提供高精度地质信息,所设计的信号采集系统能够为国产化射频大地电磁法勘探设备研发提供一种技术方案。

基于Julia加速的射频大地电磁法正演模拟与位移电流作用研究

射频大地电磁法(Radio-magnetotelluric, RMT)是浅地表电磁勘探的重要手段之一。由于勘探频段为10~300 kHz,其电磁场传播受地下介质介电常数的影响较大。传统准静态条件下的电磁响应严重制约RMT正演模拟精度,并进一步影响反演成像分辨率。针对这一问题,提出了一种基于Julia并行加速的全电流RMT电磁响应数值模拟方法,利用Julia的分布式计算将各频点的计算发送到不同进程进行求解,从而达到加速计算的目的,同时在计算中考虑位移电流的影响,提升正演的模拟精度。通过计算几种典型高阻/高介电模型的RMT响应,分析并总结了位移电流对射频段电磁场视电阻率及相位响应的影响规律。数值模拟结果表明:当浅部存在高阻覆盖层时,基于准静态假设条件计算的RMT视电阻率和相位响应偏高,且频率越高、覆盖层电阻率越大,响应偏差越大;对于煤炭采空区模型,RMT法能有效反映异常体位置,但忽略位移电流会在采空区及其附近引起较大计算误差;起伏地形的算例表明地形会覆盖地下异常体的RMT数值响应,尤其是地形拐角处;2种不同规模的并行算例对比证明了并行算法的高效性,且随着求解问题规模增大,并行算法效率也随之增大。本文研究提高了RMT的正演速度与精度,为后续快速反演算法的实现奠定基础,数值算例表明RMT法在煤田采空区等实际勘探中具有较好的应用前景。

基于模糊C均值聚类的二维直流电阻率与射频大地电磁联合反演

为结合直流电阻率(direct current resistivity, DCR)与射频大地电磁(radio-magnetotelluric, RMT)法反演优势,开展了二维DCR与RMT数据联合反演研究。在经典最小结构模型正则化的基础上,采用平衡算子调节两个数据间的权重,引入模糊C均值(fuzzy C-means, FCM)聚类对电阻率模型进行约束,根据数据均方根误差自动调整FCM聚类项的权重,提高了联合反演效果。通过单独反演与联合反演结果的对比,分析了两种方法的反演能力,总结了联合反演的优势。模型试算表明,DCR与RMT数据联合反演得到的电阻率模型较单独反演更接近实际模型,FCM聚类约束的应用可进一步提高联合反演的效果。

二维直流电阻率与射频大地电磁双参数聚类联合反演

考虑到射频大地电磁(RMT)法反演介电常数具有可行性,但目前RMT与直流电阻率(DC)联合反演研究中均只进行了电阻率参数的反演,本文基于模糊C均值(FCM)聚类算法,开展了RMT与DC的电阻率与介电常数联合反演.首先,检验了介电常数对RMT观测的影响,并通过DC与RMT法的电阻率参数反演,分析了联合反演相较于单一方法反演的优势;基于双数据集反演电阻率的优势,辅以FCM聚类的双参数联合约束,进一步实现最佳介电常数模型反演.理论试算表明,DC与RMT法的电阻率联合反演,可补足RMT浅部高阻分辨率不理想的缺点,同时改善DC法深部反演能力的不足;此外,通过FCM聚类的联合约束以及真实物性的引导,相较于单一RMT方法,DC与RMT的联合反演可恢复更准确的地下介电常数分布.

基于有限差分法的射频大地电磁二维正演模拟

在大多数二维地电模型中,考虑到射频大地电磁响应不存在解析解,本文建立了均匀网格有限差分正演模拟算法。首先,从电磁场满足的变系数亥姆霍兹方程边值问题出发,导出了有限差分法控制方程的离散表达式,并对边界条件近似处理后求解线性方程组得到射频大地电磁场数值解。其次,对均匀半空间模型进行模拟计算,且与解析法计算结果对比,验证了射频大地电磁有限差分正演算法的正确性和稳定性。最后,模拟计算了射频大地电磁典型二维地电模型的响应,总结了异常响应规律,为实测数据的定性解释提供指导。

CSRMT正交水平发射源电磁场分布规律研究

可控源射频大地电磁法(controlled source radio-magnetotellurics, CSRMT)测量通常使用发送频率1~1 000 kHz的人工场源,正交水平电偶源和正交水平磁偶源是人工源电磁法众多发射源中实现张量电阻率测量的优质场源。为此,本文基于水平电偶极子源和水平磁偶极子源电磁场解析公式,计算了均匀半空间模型正交水平电偶极子源和正交水平磁偶极子源的电磁场。结果表明,发射频率大于100 kHz时,应考虑位移电流;而张量视电阻率和阻抗相位在远区可以忽略位移电流的影响;固定模型电阻率、改变收发距时,模型计算表明高频电磁场远区测量范围更大;固定收发距、改变模型电阻率时,模型计算表明电磁场远区范围受电阻率影响较大,高阻模型需要更高的频率才会出现远区观测条件。磁偶源相较于电偶源,在张量视电阻率和相位上与实际值的偏差更小,更适于地质分析。

基于FCM聚类算法的二维RMT电阻率与介电常数联合反演

射频大地电磁(RMT)是新兴的浅地表勘探法,其工作频段(10 kHz~1 MHz)处于音频大地电磁(AMT)与探地雷达(GPR)之间,随频率的增加,位移电流对RMT观测的影响逐渐增大,单一电阻率参数反演会影响数据解释的准确性.本文在同时考虑传导电流与位移电流影响的条件下,开展二维RMT数据电阻率和介电常数联合反演研究.为提高电阻率与介电常数之间的联合约束效果,在经典最小结构模型正则化约束的基础上,引入模糊C均值(FCM)聚类算法进行联合约束.模型试算表明,基于FCM聚类的二维RMT电阻率与介电常数联合反演可以在丰富解释参数的同时提高反演效果.

二维RMT倾子数据双参数聚类反演研究

本文开展了二维射频大地电磁法(RMT)倾子数据的电阻率与介电常数联合反演研究.通过非结构化网格有限单元法进行倾子正演模拟, 在分析位移电流对倾子影响的基础上, 开展电阻率与介电常数双参数同时反演;采用模糊C均值(FCM)聚类模型联合约束加强反演参数间的物性耦合, 同时利用网格渐进加密策略提高反演稳定性.理论计算表明, RMT倾子数据对电阻率有较好横向分辨率, 但垂向反演能力较差;由于缺少介质物性的绝对信息, 反演结果受初始模型影响较大.同时也证明, RMT倾子数据同时反演电阻率与介电常数具有可行性, 倾子数据对介电常数有较好横向分辨能力, 通过FCM聚类约束可有效提高电阻率与介电常数同时反演效果.