电磁域主动防御理论研究

长期以来域外国家对中俄实施各种敌对抵近侦察(HCR),这种现象愈演愈烈,并已经提升到“侦察威慑”的理论层次,且呈现体系化、智能化的发展趋势。分析了HCR的威胁、效能机理、技术原理、认知局限性,以及DHCR(拒止敌对进近侦察)传统措施的局限性和认知误区。以电子侦察在电子战中的应用和HCR/DHCR中的雷达反侦察为例,从夺回DHCR中的制电磁权及遏制HCR任务的角度出发,针对性地提出了电磁域主动防御的新理论。结合DHCR任务,针对性地提出了CRJ(反侦察干扰)的新战术任务类型,为DHCR体系化奠定理论基础。

从电磁域到认知域:电子战中的心理战特征浅析

在对电子战与心理战各自研究重点进行对比,以及心理战的概念与内涵简要阐述的基础上,通过对电子战行动中人的作用分析,展现了电子战背后人与人之间的心理较量,体现了心理战通过电子战手段而发挥幕后作用的特点。在此基础上,结合当前认知电子战与认知通信、认知雷达之间的智能对抗发展趋势,分析了具有认知能力的电子设备所具有的类似于人类的初级心理过程,反映了电子战从电磁域进入到认知域的转变,由此揭示了在未来智能化电子设备的电子对抗过程中电子战与心理战交融发展的特点,从而为后续两个学科之间的交叉借鉴与认知电子战中的博弈研究提供了重要参考。

基于等值反磁通装置频率域电磁法研究

人工源近区频率域电磁法具有轻便、分辨率高及抗干扰能力强等优点,但提取地质体二次场响应难题困扰了该方法推广应用。基于等值反磁通原理提取二次场响应,首先,推导出了基于等值反磁通原理的频率域近场垂直磁场响应的表达式;然后,采用层状介质与均匀半空间介质的垂向磁场同相分量的比值定义视电阻率,并计算了典型层状介质垂直磁场的频率响应;最后,通过试验对比时间域与频率域方法对浅埋藏铝板的异常响应。研究结果表明:基于等值反磁通原理能够有效提取近场频率域二次场信号,近场垂向磁场的同相分量与大地电导率的二次方成正比;垂向磁场同相分量的比值定义视电阻率能够清晰反映A型、Q型、H型及K型地电断面的特征。

基于同步提取变换的地空频率域电磁信号幅度提取方法

地空频率域电磁法探测信号为多频非平稳信号,为了解决应用传统傅里叶变换方法提取其幅度时分辨率较差的问题,本文提出了基于同步提取变换(SET)的地空频域电磁信号幅度提取方法。该方法对电磁数据进行SET,得到高分辨率时频图,并利用能量算子使电磁数据时频谱能量更为集中;采用贪心算法提取脊线,得到时频图的高能量带;通过自回归模型自适应地补充了脊线中的0值,解决了由窗函数引起的端点效应问题。根据脊线位置的时频图复数值,得到各频率分量幅度随时间的变化,研究了不同信噪比情况下基于SET的地空频率域电磁信号幅度提取结果的准确性。结果表明:当信噪比≥10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差均小于5%;当信噪比<10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差在10%以内。提取效果良好。将此方法应用于新疆霍拉山隧道工程地空频率域电磁法探测中,成功提取了多频电磁信号各频率分量的幅度,与采用傅里叶变换提取非平稳信号幅度的方法相比,该方法有效地提高了幅度提取结果的分辨率。

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。

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.

半航空频率域电磁法针对铁路勘察的研究进展

随着我国铁路网的不断扩展,在高原及艰险山区构建铁路网已成必然。然而,因地势陡峭,部分线位人员无法抵达,常导致关键勘察数据缺失。为解决这一问题,从传统地面勘察转向空中,采用地球物理技术与无人机技术相结合的半航空频率域电磁法。针对高原艰险山区长大深埋隧道的勘察需求,团队自主设计研发了半航空电磁硬件系统,通过与地面方法的同精度对比验证,其结果一致性达到90%以上。该技术成功应用于某隧道测区的勘察任务,弥补了因地势陡峭导致的勘察数据空白,有效降低了勘察成本,显著提高了工作效率,为我国铁路勘察工作提供了新的技术路径与方法。

基于位移逆有理Krylov子空间算法的频率域可控源电磁快速正演

本文开发了一种双重复极点位移逆(SAI)有理Krylov子空间算法,实现了频率域可控源电磁法(CSEM)多频电磁场值的快速计算.在有理Krylov子空间算法中,极点选择是保障CSEM正演精度的关键,单重复极点有理Krylov子空间算法在频率域可控源电磁法应用最为广泛,但其缺点在于正演计算频段范围有限,增加极点个数能够获取更宽频段响应.为此,立足于有理Krylov子空间基本理论,推导了多重复极点位移逆算法Rayleigh商一阶秩修改公式,并利用该模型降阶算法开展了可控源电磁法正演模拟.另外,本文利用粒子群算法求解多极点收敛率函数,可以快速获取最优多极点,从而确保正演模拟精度.相比于单重复极点,多重复极点位移逆算法会增加极点计算时间,但能在更宽的频率范围内准确计算电磁场值.根据频率范围选定合适的极点后,该方法仅需要求解与极点数相同的多个线性方程组,通过场源项和系数矩阵求得有理Krylov子空间,再将正演算子投影到有理Krylov子空间中,显著降低正演算子的自由度,提高多频正演的计算效率.设计了均匀半空间和块状异常模型,并开展了算法测试,计算结果表明:在保证精度的情况下,相比于常规矢量有限元算法,单重复极点、双重复极点位移逆模型降阶算法的加速比超过10倍以上;双重复极点位移逆模型降阶算法总体计算精度要优于相应的单重复极点算法,且具有更宽的计算频带.

四叉树网格线源频率域电磁法二维正演研究

可控源电磁法正演面临的问题,主要表现在源的奇异性和边界条件的处理困难.本文首先利用面积分将源的模拟精度转化为网格的离散精度,然后利用四叉树网格局部任意加密的特性,有效解决了奇异源模拟精度不高的问题.由于大地中的电磁场迅速衰减,在距源很远的侧边界,地下的电磁场主要是由空气中的电磁场感应产生的,而非从源经由大地传播而来,因此在地中使用一维平面波侧边界条件比一阶吸收侧边界条件更为合理,精度更高.通过算例分析,我们还发现空气侧边界的场强叠加了大地介质感应的二次场而显著改变,因此空气侧边界使用基于一次场的一阶吸收边界条件,是导致线源正演边界处计算精度不高的主因.本文中,我们使用四叉树网格将边界发散式向外扩展,以较少的网格覆盖更大的边界区域,来确保核心区的计算精度.研究还发现,线源全区视电阻率能较好地反映地下电性结构的变化,且趋势形态与大地电磁卡尼亚视电阻率相似,使用成熟的大地电磁反演技术对线源全区视电阻率进行反演,可以得到地下电性结构较好的近似模型.特别是倾子计算的全区视电阻率也能反映地下结构的变化,这为无电场观测的地下结构探测提供了可能.但二者之间仍存在差别,线源全区视电阻率还具有一定的几何测深能力,需开发基于线源全区视电阻率正演的二维/三维反演技术.

用于地下金属浅层探测的便携式频域电磁探测系统降噪方法研究

浅地表电磁探测的接收信号是十分微弱的,其受宇宙辐射电磁噪声、电源频率、谐波干扰以及工业电器噪声等环境因素影响,采用电磁感应法时不可避免地会受到线圈耦合的影响,会导致频域电磁系统信噪比低、一次场干扰严重且接收信号很容易淹没在噪声中。因此本文通过对差分模型的互感建模分析,提出了一种收-发线圈水平共轴差分式组合设计方案来去除一次场干扰;在系统采集模块提出了一种二次场数字正交矢量解调算法,用来提取电磁信号中的幅值和相位;在数据处理模块提出了一种小波阈值去噪技术,利用信噪比、均方根误差对实测数据与小波变换的去噪效果对比分析,最后基于上述技术设计相应的便携式频率域电磁地下金属探测原理样机系统。实验结果表明,水平共轴差分方案可以有效抑制一次场的干扰,数字正交矢量解调算法可以有效地从噪声信号中提取出有用信号的幅值和相位,通过对比分析小波变换,将系统信噪比提高了27.32 dB。本文研究成果对频率域电磁法探测系统提取二次场信号和对采集信号进行噪声去除具有实际应用价值。

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。

浅部频率域电磁勘探方法综述

适用于近地表(2000m以内)勘探的频率域电磁法主要有音频大地电磁法(audio-frequency magnetotellurics,AMT),无线电大地电磁法(radio-magnetotellurics,RMT),可控源音频大地电磁法(controlled source audiofrequency magnetotellurics,CSAMT),广域电磁法(Wide Field Electromagnetic Method,WFEM).本文拟从最新的数据采集技术、数据处理技术、正反演算法、实例等四个方面,论述适用于浅部勘探的AMT,RMT,CSAMT和WFEM方法的国内外最新进展,总结目前AMT,RMT,CSAMT和WFEM方法遇到的困难,对潜在的发展方向提出建议.综述表明:(1)张量测量、多站阵列、多站叠加可提高AMT、RMT和CSAMT数据的质量.利用近区数据WFEM法可获得良好的效果.国产与国外仪器在质量方面的差距正在逐步缩小.(2)数学形态滤波技术、Hilbert-Huang变换等可有效分离出有用的数据,局部畸变仍然是亟待解决的难题,需要更为深入的研究.(3)矢量有限元与非结构网格的出现大幅度提高了有限元处理复杂电磁问题模拟的精度与应用范围,成为目前电磁正演的首选工具.完全非线性反演算法仍然局限于1D、2D问题,共轭梯度法和高斯牛顿算法等为解决3D问题的发展趋势.地质约束的引入和多数据联合反演可以减小反演的非唯一性.各向异性的反演为目前反演研究的热点之一.(4)野外数据解释的正确性严重依赖于对地下结构先期的维性判别,在2D特性不明显、3D特性明显时,需要采用3D进行反演解释.

一种时域电磁法剩余油探测装置的参数研究

提出了一种非接触式剩余油探测装置的参数设计方法。通过两种观测装置在均匀介质中时域电磁响应特性的对比,确定了最佳观测装置结构。分析了发射信号脉冲宽度和关断时间对响应信号的影响。研究了发射线圈电性与实际发射波形关断时间的关系,提出了发射线圈参数的选择原则。讨论了斜阶跃波激励下接收线圈的过渡过程,并给出了匹配电阻和接收线圈分布电容的估算方法。根据分析结果最终设计了装置参数并进行了室内实验。结果表明,不论从响应信号幅度还是延迟时间,均可对不同电导率的介质进行有效识别,为今后时间域电磁法剩余油探测的井下实验奠定了基础。

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.

频率域电磁法在煤矿采空区调查中的应用

采取有效技术手段进行煤矿采空区调查已成为矿区生态环境治理、矿井安全生产和重大工程建设项目选址中亟需解决的问题。本文以频率域电磁法基本原理为基础,对比分析EH-4电导率成像系统和可控源音频大地电磁法(CSAMT)的方法特点,通过数值模拟探讨不同介质充填采空区的电性响应特征,并结合典型工程实例对EH-4电导率成像系统和可控源音频大地电磁法探测煤矿采空区的实际应用效果进行分析。数值模拟结果和工程实践表明,煤矿采空区相对围岩具有显著的电性差异,以此为物性基础采用频率域电磁法进行采空区探测可以取得较为理想的效果。频率域电磁法在探测煤层采空区方面是一种行之有效的方法,可以成为煤矿防治水和采空区地质灾害调查的有效技术方法。

时间域电磁探测发射电流过冲产生原理及抑制

针对时间域电磁探测系统中发射电流过冲造成接收盲区的问题,建立了电流过冲产生和抑制的交流等效模型,运用电路理论对模型进行了分析,提出加速电阻增大过冲电流振荡阻尼的方法,对时间域电磁探测发射机进行了改进。实验表明改进后系统稳定可靠,并使波形早期道信号前移110μs,达到缩小近地探测盲区的目的,为时间域电磁探测全电流波形收录提供了硬件前提,也可为基于无人机的电磁法探测装备的研发提供参考。

三维地形频率域人工源电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算频率域人工源三维地形电磁场的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件,将上半空间(空气)和下半空间(地下介质)两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中,假设单元中电磁场为无限大气空间电磁场与地形影响的叠加,并假设地形影响为常项,这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算,每一个矢量面积分方程分解为对应三个坐标方向的三个常量线性方程,这些线性方程组成了对角占优的线性方程组,可用SSOR方法求解.文中给出了垂直磁偶源的垂直磁场地形影响的例子.

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.

频率域海底电磁法三维正演研究

为了研究频率域海底电磁法在油气勘探中的可行性,根据海底电磁法的观测特点,建立海底三维地电模型,采用频率域FDTD三维正演模拟程序,计算不同参数时频率域电磁响应,获得了不同模型、不同频率下电磁场的响应。