吊舱式时间域直升机航空电磁系统集成研究

时间域航电磁系统在国际上已经取得广泛应用,国内吊舱式时间域直升机航空电磁系统研发起步晚,相关的仪器研发技术正在不断提升。本文从仪器系统的集成思路出发,提出仪器系统的连接接口和连接技术要求。通过隔离保护、海量数据融合、系统电磁兼容等关键技术的研究,保证集成系统性能的稳定,集成后系统经地面和空中动态测试工作状态稳定,为生产试验工作奠定基础。

基于AeroTEM直升机时间域航空电磁响应曲线分析

在航空电磁实际勘查中,有较多因素影响系统的勘探精度和分辨率。这里以Aer-oTEM系统为例,基于MAXWELL软件正演模拟算法,对异常体横向距离变化、异常体倾角变化及异常体埋深变化对电磁响应曲线的影响进行分析。正演模拟结果表明:时间域直升机航空电磁系统具有较高的横向分辨率,对不同倾角的异常体都有较好的响应以及具有较大的勘探深度。

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。

同心补偿式直升机时间域航空电磁法吊舱校准装置研究

直升机时间域航空电磁法(Helicopter-borne time-domain electromagnetic method,HTEM)的多次空中仪器校准可消除飞行过程中仪器系统受外界环境的时变影响.吊舱校准装置可解决地面环线方式无法实现的空中飞行过程中仪器校准问题.本文从研究同心补偿吊舱装置模型出发,提出了吊舱装置空间模型和线圈电路模型,分析了发射磁场的空间分布、补偿环作用及其与接收线圈的关系、校准装置的空间信息和信号的检测方法,得到结论如下:(1)以损失发射面积0.89%的补偿环可提高信号44.5 dB的动态范围;(2)校准装置水平安置在补偿环与发射线圈之间,其匝数越多、半径越大、离补偿环越近,信号响应越强;(3)校准线圈电感越大、电阻越小,其e指数衰减越慢;信号检测起点由含匹配电阻接收线圈的阻尼特性决定.通过校准线圈的曲线特性和装置位移实验,得出反映装置特性的时间常数实测误差小于1.3%,验证了线圈电路模型和装置空间模型.本文提出的模型和方法同样适用于偏心补偿式HTEM系统校准的研究和高阻地层上已知环线的静态检测.

直升机频率域航空电磁系统在均匀半空间上方的电磁响应特征与探测深度

直升机频率域电磁系统的最大勘探深度究竟是多少 ,一直是有争议的问题。在实际工作中 ,通常认为其最大勘探深度为 15 0m ,但这些都是根据实际的勘查经验得出的 ,没有统一的标准。针对这一问题 ,根据均匀半空间模型 ,推导了不同装置的频率域电磁响应的理论公式 ,分析了不同装置的频率域电磁响应特征 ,探讨了电磁响应特征与穿透深度的关系 ,并给出了不同装置的频率域电磁系统的理论探测深度。

基于FPGA的时间域航空电磁多波脉冲发射电路控制设计

时间域航空电磁法是航空地球物理领域重要的技术方法,具有大深度探测能力,为实现大探测深度兼顾浅层分辨能力,需要研发一种多波脉冲发射装置,能够同时发射大电流半正弦波和快速关断小峰值电流梯形波。该文利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为硬件平台,采用硬件描述语言(Verilog),通过脉冲频率调制或脉宽调制方式来精确控制发射电流的波形、频率和脉宽,从而实现数字化控制,产生精度高、可控性强的多路数字驱动信号。与传统的半正弦波发射电路相比,其主波发射脉冲由两个1/4正弦波组成,上升沿和下降沿的时长和陡度可以通过程序独立调节,副波发射脉冲为快速关断沿的小幅值梯形脉冲,通过实测试验验证了该文方法的可行性,能够满足深地与近地表探测的要求。

基于Debye模型的时间域航空电磁激电效应正演模拟

时间域航空电磁法是一种高效的地球物理勘查方法。由于激电效应的存在,晚期道电磁数据经常会出现符号反转现象。此时,传统的不考虑激电效应的成像和反演方法无法恢复地下真实电性结构,因此需要开发含激电效应的电磁正反演模拟技术。本文提出了一种基于非结构有限元的时间域航空电磁激电效应三维正演算法。为描述介质的激电效应,引入Debye模型,利用频时转换将其变成时间域导数形式,进而采用无条件稳定的二阶后推欧拉方法进行时间离散。之后,采用基于非结构四面体网格的矢量有限元法,对麦克斯韦方程进行空间离散,实现含激电效应的时间域航空电磁正演问题求解。通过与均匀半空间模型的一维半解析解进行对比,验证了该算法的准确性。最后,计算了半空间和三维地质体具有不同极化条件时的电磁响应,发现可以根据航空电磁响应曲线的衰减特征,有效识别围岩及异常体的极化特征。此外,激电参数对时间域航空电磁系统的影响特征研究表明,地质体电阻率越高或者充电率越强,极化效应影响越严重。

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.

吊舱式直升机频率域电磁系统性能及应用效果

IMPULSE系统是2003年2月从加拿大Scintrex公司引进的吊舱式直升机频率域电磁、磁综合系统.该系统采用新型的宽带技术,数字化程度较高,系统较为灵活,尤其适合于地形较为复杂地区的矿产和水工环勘查工作.目前该系统已经完成了飞行试验和4个测区的试生产测量工作,并在地下煤火勘查、矿产勘查等方面取得了明显的效果,实践证明该系统在地质和水工环勘查中具有良好的应用前景.

时间域航空电磁激发极化参数三维反演研究

时间域航空电磁中心回线(或重叠回线)装置晚期道数据受激电效应影响常出现符号反转现象.这类数据与多个激电参数相关,并且各参数之间灵敏度差异较大,导致反演存在严重的非唯一性.本文提出一种基于Pearson相关性约束和深度学习算法相结合的时间域航空电磁激发极化参数反演策略.该反演策略首先基于深度学习预测时间域航空电磁激电参数,进而给时间常数和频率相关系数一个较小的约束范围后再反演电阻率和极化率,由此大大减少反演的多解性.针对电阻率和极化率的反演,我们采用统计学中Pearson相关系数构建两种物性参数的相关性约束,进一步减少反演多解性.为验证反演策略的有效性,我们对双棱柱模型和拱形模型分别进行反演试算.理论测试结果表明,基于Pearson相关性约束的电阻率和极化率的反演结果比传统的高斯-牛顿反演结果更接近真实模型,而基于深度学习预测时间常数和频率相关系数后的电阻率和极化率反演结果与给定真实时间常数和频率相关系数后的反演结果效果相当.最后,我们对来自澳大利亚的带激电效应的航空电磁实测数据在考虑和不考虑激电效应条件下进行反演,结果表明考虑激电效应的反演无论数据拟合还是地电断面的连续性均得到明显改善.

航空电磁时间域数据工频干扰研究与去除

时间域航空电磁系统在飞行作业过程中,信号受人文噪声中的高压输电线影响,导致测得的响应中含有工频干扰信息而不能真实地反映地下介质分布情况,因此本文开展了工频干扰噪声去除研究,提出一种可直接在时间域中对数据进行处理的梳状滤波器,该滤波器的提出不仅节省了时—频和频—时转换的时间,也避免了繁琐的转换步骤,降低了转换过程中可能出现误差的风险。利用梳状滤波器的关键点是通过理想阻带来抑制工频频率信号及其k次谐波,达到对工频干扰压制的目的。本文不仅研究了IIR型和FIR型梳状滤波器,同时对比了单一陷波滤波器对工频干扰的去除效果,期望通过该研究可以为时间域航空电磁数据处理提供一种高效的工频干扰去除手段。

时间域航空电磁法在水文地质勘查中的应用研究

时间域航空电磁法具有机动灵活、更适用于地形复杂区域进行大面积勘探等优点,是一种高效的地球物理勘查方法,该方法广泛应用于各个领域,具有广阔的应用前景。工作区人文干扰大,地面物探开展工作困难。通过时间域航空电磁法在空中探测,结合地面物探勘查工作,提高了该区的水文地质研究程度,同时为区内基础地质研究提供地球物理资料。本文所使用的观测系统为AeroTEM-IV时间域航空电磁系统,将测量数据转换为电导率深度信息,结合地质资料对该区的电性结构进行分析。利用水文测井解释成果验证航空电磁数据的可靠性;为提高解释结果的准确性,结合航空磁力数据进行综合解释;对全区数据进行转换计算后,得到反映区内电性分布的三维数据体,推断出第四系地层厚度以及含水体分布。研究和解释结果表明时间域航空电磁法可以作为水文地质调查和基础地质调查中的一种有效手段,是地面物探工作的有效补充。

航空时间域电磁法测量系统:回顾与前瞻

本文首先回顾了20世纪70年代参与研究开发中国第一套航空时间域电磁法系统感应脉冲瞬变航电仪(M-1型脉冲式航电仪)的情况。然后比较详细地介绍目前世界上著名的4种固定翼飞机时间域电磁法观测系统和6种直升飞机时间域电磁法观测系统:GEOTEM,MEGATEM,TEMPEST,SPECTREM;He-liGEOTEM,ExplorHEM,NEWTEM,VTEM,SKYTEM,ORAGS TEM。提出了关于研究和开发我国航空时间域电磁法测量系统的建议。

直升机载频率域电磁系统在我国环境和工程勘查中的应用前景

本文根据国际上采用直升机载频率域电磁系统进行环境和工程勘查的应用效果,结合我国引进的航空电磁系统的性能和特点,探讨了采用直升机载频率域电磁系统在我国进行环境和工程勘查的应用前景。

基于CDI和拟二维反演的时间域航空电磁数据级联解释方法

时间域航空电磁法(ATEM)是一种具有大面积探测,探测速度快、相对成本较低、受地形地貌影响较小等优点的地球物理方法。由于航空电磁数据量巨大,三维反演成本太大,目前主要使用一维反演或者拟二维反演方法来进行解释。对于航空电磁探测而言,大面积探测区域和复杂地形条件使得研究人员很难获取到勘探区域的地质信息,因此反演时选取初始模型变得很困难。而电导率-深度成像(CDI)无需建立初始模型,即可快速获得地下介质的大致电性分布情况。因此CDI结果可以用来作为反演的初始模型,应对缺少地质信息的区域。本次研究中,提出CDI与拟二维反演的级联解释方法。首先使用CDI方法来近似估计地下介质的电导率和深度;其次在此基础上建立反演的初始模型;最后采用横向约束反演(LCI)方法对ATEM数据进行反演。通过对理论数据和实测数据的实验得出,CDI与拟二维反演的级联解释方法能够在获得较好的反演结果的同时减少计算时间。

固定翼时间域航空电磁系统的线圈姿态影响研究

在固定翼时间域航空电磁测量时,固定在飞机上的发射线圈和吊舱内的接收线圈受飞行速度、风向和地形等的影响,会发生姿态变化,导致线圈与大地之间的耦合关系发生变化,给测量的电磁数据带来姿态误差,降低系统测量的分辨率,因此有必要对线圈姿态误差规律进行研究。在建立发射线圈和大地系统双坐标系以及飞机姿态变化时坐标系间转换矩阵的基础上,推导了感应一次场的计算公式,重点分析了线圈发生摇摆、俯仰及偏航旋转时对一次场以及二次场的影响,为姿态误差的校正方法研究奠定基础。

两种时间域航空电磁系统响应曲线对比分析

目前,航空电磁测量系统的研制、方法理论研究以及数据处理解释软件开发逐渐成为国内研究热点,针对以上问题,本文利用Maxwell内置的正演模拟算法,通过二维薄板模型的电磁响应曲线分析,对目前国外广泛使用的直升机和固定翼航空电磁测量系统的空间分辨率和探测深度进行了综合研究及对比分析,在正演曲线剖面图上清晰得到了两种系统各自的特点,为理论研究时间域航空电磁响应的分布规律提供了新的思路,也为研究航空电磁反演奠定了基础。

时间域航空电磁系统姿态变化影响研究

航空电磁系统的收发线圈受外界因素影响会发生姿态变化,使测量结果产生一定偏差.传统的数据处理方法考虑姿态变化情况单一,且主要以频率域系统为主,而目前复杂姿态变化对时间域航空电磁系统全时响应的影响尚未有系统研究.本文在前人研究基础上拓宽思路,不仅研究姿态的角度变化,同时改进前人计算方法,研究线圈发生位置变化的影响,并将线圈与大地的耦合感应效应考虑在内.本文通过定义姿态变化前后两种坐标系,确定姿态变化的角度和旋转矩阵,并将一维层状半解析解与姿态角度变化和位置变化进行整合,推导出收发线圈任意姿态变化的表达式.以直升机吊舱分离装置为例,对时间域航空电磁系统收发线圈任意姿态变化进行细致分析.基于重叠偶极子的假设,给出可应用于实际工作中的姿态校正因子,以提高实测数据的处理效率与精度.

固定翼时间域航空电磁系统的飞机选型问题

对国外典型固定翼时间域航空电磁系统飞机平台及国产飞机平台的各项性能进行了对比分析,对改装能力、运行费用、安全性等几个方面进行了评价,总结了固定翼时间域航空电磁系统设计飞机选型的基本经验和规律,提出了用综合效费比指标来指导飞机选型工作。