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。

航空时间域电磁法在澳大利亚新英格兰造山带铜多金属矿靶区优选与评价中的应用

澳大利亚新英格兰造山带构造演化历史复杂,已知铜多金属矿床(点)众多,成矿条件较为优越,是实现铜多金属矿找矿突破的有利区域。通过以航空时间域电磁法测量为核心的工作手段,以航电、磁异常为基础,以"类比—求同"为靶区优选评价指导思想,对新英格兰造山带某探矿权内开展铜多金属矿靶区优选和评价工作。在该地形条件复杂的工作区内,快速、科学有效圈定并优选出铜多金属矿找矿靶区共计9处,其中Ⅰ类找矿靶区3处,Ⅱ类找矿靶区5处,Ⅲ类找矿靶区1处,为在境内外类似工作条件的地区快速有效开展铜多金属矿找矿靶区优选和评价工作提供了参考案例。

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。

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。

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。

基于核主成分分析的时间域航空电磁去噪方法

时间域航空电磁数据往往在测量过程中受到天然和人文噪声的干扰.如果不能很好滤除这些电磁噪声,那么将会降低资料质量、影响反演的精度,甚至获得错误的解释结果.本文提出了一种基于核主成分分析的去噪方法,通过核主成分分析提取叠加后衰减曲线的主成分,然后使用能量占比方法分离反映地下介质的有效信号和噪声,最后使用反映地下介质的特定成分进行重构.本文所推荐的去噪方法不仅能剔除天然噪声,例如天电产生的尖脉冲或者振荡,而且能有效地抑制人文噪声.分别使用基于核主成分分析的去噪方法,以及AeroTEM软件的处理方法对同样的吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统实测数据进行处理,并比较其结果.处理结果表明:所推荐的去噪方法要优于AeroTEM软件.

时间域航空电磁法研究进展综述

本文介绍国内外时间域航空电磁法的发展历史和现状,包括仪器系统、数据处理、正反演算法和应用实例。认为我国的这项技术应朝以下几个目标发展:(1)完善的仪器系统,减小噪声干扰,提取更多的有用信息。(2)高效的数据处理方法,有利于发现小规模的异常体。(3)适合航空电磁数据的正反演稳定算法。(4)精细的解释方法。结合多源信息综合解释,加强与实际勘探相结合,参考其它已有的航空物探方法解释手段,提高解释精度。

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。

半航空时间域电磁数据一维自适应正则化反演

半航空时间域电磁法集成了地面和航空电磁法各自的优势,不仅容易实现大发射磁矩,增大勘探深度,同时还可以提高勘探效率。但是由于半航空时间域电磁法在测量过程中,收、发距会发生变化,因此与地面和航空电磁法相比,其数据处理与反演解释更加困难。以长导线电性源半航空电磁法为例,将自适应正则化反演算法应用于半航空时间域电磁数据反演中。首先给出最平缓模型约束条件下的半航空时间域电磁数据自适应正则化反演算法,并引入并行技术实现了该反演算法的并行计算;然后对两种三层地电模型和一种六层地电模型的理论电磁响应加高斯白噪声后的数据进行反演计算;最后对其反演结果和并行计算的效率进行了详细地分析与讨论。实验结果分析表明:自适应正则化反演算法是一种有效的半航空时间域电磁数据反演解释方法,该方法具有很好的收敛性和稳定性;自适应正则化反演算法并行计算能大大减少反演计算时间,提高反演效率。

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。

时间域航空电磁数据的反演

本文用广义逆矩阵理论讨论了时间域航空电磁数据的反演方法.以水平二层大地和球体模型为例进行了计算,结果表明这种方法对时间域电磁数据的反演是行之有效的.对于理论数据,一般仅需迭代数次即可稳定地收敛到真值.通过奇异值分析,可以确定一个模型中的相对重要参数和无关紧要参数;对于求解某一特定参数,可确定哪些数据起决定性的作用.由奇异值分解而得出的信息密度矩阵、模型分辨矩阵,分别给出了模型响应拟合数据和模型参数分辨率的度量.这些信息对于时间域航空电磁系统的设计、野外测量和资料解释都具有重要的参考价值.最后给出了实例.

应用样条拟合与插值法抑制航空电磁运动噪声

呈现低频特性的运动感应噪声源于电磁感应接收线圈在地磁场中的运动变化,在固定翼时间域航空电磁测量数据中,其幅值往往达到有用信号的成百上千倍,原始数据中运动噪声的精确估计是目前时间域航空电磁法数据去噪技术的重点研究方向。针对电磁感应接收信号的特点,首先应用三次样条拟合法在截取的半周期晚期信号中压制高频干扰,提取低频运动噪声信息,然后用一维样条插值法估计连续的全周期运动噪声,最后从观测信号中减去估计信号,从而实现对运动噪声的抑制。对模拟数据和实测数据的应用研究结果表明,样条拟合与插值法对低于发射基频运动噪声的抑制效果显著,选用较小的均衡参数可以提高噪声压制能力,选用较大的延迟取样点,可以减轻对晚期有用信号的损伤,提高深部探测能力。

时间域航空电磁2.5维非线性共轭梯度反演

对于时间域航空电磁法二维和三维反演来说,最大的困难在于有效的算法和大的计算量需求.本文利用非线性共轭梯度法实现了时间域航空电磁法2.5维反演方法,着重解决了迭代反演过程中灵敏度矩阵计算、最佳迭代步长计算、初始模型选取等问题.在正演计算中,我们采用有限元法求解拉式傅氏域中的电磁场偏微分方程,再通过逆拉氏和逆傅氏变换高精度数值算法得到时间域电磁响应.在灵敏度矩阵计算中,采用了基于拉式傅氏双变换的伴随方程法,时间消耗只需计算两次正演,从而节约了大量计算时间.对于最佳步长计算,二次插值向后追踪法能够保证反演迭代的稳定性.设计两个理论模型,检验反演算法的有效性,并讨论了选择不同初始模型对反演结果的影响.模型算例表明:非线性共轭梯度方法应用于时间域航空电磁2.5维反演中稳定可靠,反演结果能够有效地反映地下真实电性结构.当选择的初始模型电阻率值与真实背景电阻率值接近时,能得到较好的反演结果,当初始模型电阻率远大于或远小于真实背景电阻率值时反演效果就会变差.

时间域航空电磁响应数值模拟的精度分析

分析说明了G-S变换和汉克尔变换的计算精度,当n=12或16时,G-S变换适用范围广且能保证精度;而汉克尔变换计算的相对精度达到10-6数量级;并且基于时间域航空电磁法偶极—偶极装置一维正演算法,在选取不同参数时,对航空电磁响应数值模拟精度进行了分析。结果表明G-S变换n值的选取对计算精度影响相对较大,而汉克尔变换中滤波参数的选取对计算精度影响较小。

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.

利用时间域航空电磁资料再论华北地台北界的划分

华北地台北缘矿产资源十分丰富,但其与内蒙古中部地槽褶皱系界线的划分问题历来争议不断。通过对大朝阳沟地区最新获得的大比例尺、高精度时间域航空电磁资料不同时间道电磁响应情况、时间常数特征和视电阻率变化规律的研究,精确厘定了区内华北地台的北界。平面上,该界线沿西南沟—小朝阳沟—上东三家一线呈向北凸出的弧形展布;垂向上,界面总体外倾,倾角50°~70°,在两端先内倾,后外倾,呈扭动弯曲的曲面向下延伸。上述研究成果不仅有助于区域大地构造的研究,而且对区内的地质矿产勘查具有重要意义。

时间域航空电磁横向分段组合约束反演

在时间域航空电磁数据反演过程中,为了保证反演结果的横向连续性,往往施加横向粗糙度约束。但是这种横向约束反演需要多个测点同时计算,当测点数增加到一定数量时,计算时间会急剧增加。针对时间域航空电磁数据量巨大的问题,提出了一种横向分段组合约束反演方案。首先,对测线上的测点数据进行分段;然后,对每一数据段同时使用横向和垂向粗糙度约束,并且在数据段之间使用横向先验信息约束;最后,分析横向和垂向粗糙度约束以及横向先验信息约束对反演精度和计算时间的影响。此方案通过分段以减少计算时间,使用横向和垂向粗糙度约束保证较高的反演精度。理论模型和实测数据的计算结果验证了横向分段组合约束反演方案反演精度高,计算时间较少,具有一定的实用性。

磁化效应对三维时间域航空电磁数据的影响

磁性异常对时间域航空电磁观测数据有明显影响,但关于同时存在电导率和磁导率异常的时域航空电磁三维正演模拟的工作还未见报道。本文发展了考虑磁化效应的频率域电磁三维矢量有限元数值模拟技术,在此基础上,利用时-频转换实现同时考虑地下电导率和磁导率异常的三维时间域航空电磁正演计算,理论模型验证了该算法的准确性和稳定性。结果表明:磁化异常显著增强了时间域航空电磁响应强度,特别是在强磁性环境背景下,时间域航空电磁的响应值在良导体中反而比在高阻体中更小,这个新现象对具有潜在异常磁导率地区的时间域航空电磁数据解释及其应用有重要影响。

正交多项式法在航空电磁运动噪声去除中的应用

时间域航空电磁测量数据中常伴有表现出低频特性的运动噪声,其幅值远大于航空电磁探测系统的磁场强度,因此能否正确、高效地对其进行去除成为了时间域航空电磁数据预处理的关键问题。经过研究,本文采用正交多项式拟合方法对时间域航空电磁数据中的运动噪声进行去除。对数据中每个半周期时间序列利用正交多项式进行拟合,从而作差达到去除数据中运动噪声的目的。通过对理论数据和实测数据运动噪声去除的效果可以看出,正交多项式拟合方法可以有效的去除运动噪声,同时提升了航空电磁实测数据质量,提高了数据的信噪比。

固定翼航空电磁系统的线圈姿态及吊舱摆动影响研究与校正

固定翼时间域航空电磁探测系统在实际飞行测量过程中,发射线圈、接收线圈姿态和吊舱摆动状态不断变化,在测量数据中引入如发射磁矩方向、接收分量方向以及系统收发距等参数的误差,影响数据反演成像效果.本文基于固定翼时间域航空电磁正演理论,利用姿态变换,引入发射线圈、接收线圈双旋转矩阵;根据发射、接收线圈相对位置的几何关系,求得摆动格林张量;推导了任意姿态角度以及任意摆动角度情况下的固定翼航空电磁响应三分量计算表达式.通过层状大地模型的仿真计算,分别研究了发射、接收线圈各姿态以及吊舱摆动状态对航空电磁响应的影响,得出发射线圈、接收线圈俯仰旋转和吊舱同向摆动对系统电磁响应影响最强;仿真分析了实际测量中,三种角度同时存在情况下,航空电磁响应的定量变化规律.在此基础上,讨论了响应系数与大地电导率的关系,同时给出基于响应系数的固定翼航空电磁系统线圈姿态和摆动状态校正方法,准二维层状大地模型反演结果表明,校正后数据的反演精度提高了33.1%.