基于多尺度有限元法的频率域航空电磁三维正演研究

正演模拟是电磁数据反演的基础,其计算速度与精度一直是制约电磁反演的两大核心问题.在三维电磁正反演中,传统方法通过加密网格或增加插值基函数阶数提高计算精度,但由此也降低了计算效率,制约了三维电磁反演的实用化.因此,如何实现大尺度模型高精度快速正演是目前电磁三维正反演中亟需解决的问题.本文将多尺度有限元法应用到麦克斯韦方程求解中.我们首先在粗网格尺度上构建满足局部特性微分算子的多尺度基函数,进而在粗网格尺度上对原问题进行求解,通过建立粗细两套网格间场的映射关系,在未知数较少的粗网格上实现电磁问题求解之后,利用粗细两套网格间场的映射关系获取细网格上电磁场响应,由此可以在保证计算精度前提下快速获取不同尺度电磁场正演响应,计算速度得到很大提高.此外,本文还基于八叉树思想进行网格优化,进一步改善三维正演效率.我们通过对典型地电结构进行多尺度有限元正演模拟并与传统有限元结果对比验证算法的有效性.最后,我们通过模拟加拿大Voisey's Bay卵形体镍铜硫化矿区航空电磁响应以检验本文算法模拟地下复杂异常体的能力.

半航空电磁接收系统的设计与应用

利用半航空电磁法进行勘探时,半航空电磁接收系统中线圈传感器获取的电压信号很小且易受噪声等因素干扰,无法直接采样和分析。针对上述问题,设计了一套新型的低噪声半航空电磁接收系统。该系统以双通道匹配晶体管MAT03、MAT12和低噪声放大器AD8429为核心设计了低噪声放大电路,以运算放大器NE5532为核心设计了五阶低通滤波电路。通过仿真验证了设计电路功能的可行性,并对其进行了性能测试和野外试验。测试和试验结果表明:所设计的放大电路增益可调且噪声低于市面上的放大器,低通滤波电路抑制高频干扰效果良好。

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。

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。

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。

半航空电磁法全流程低噪声关键技术研究

半航空电磁法(SAEM)是一种有利于在复杂地形地表条件下高效、低成本开展探测的新兴方法,尤其适合我国国情.SAEM数据受多种系统内外部噪声影响,信号质量不佳;传统去噪方法针对不同噪声逐一处理,步骤多、主观因素强.针对上述问题,本文考虑同时在压制噪声来源与增强去噪方法两方面做工作,提出一套全流程低噪声解决方案:采用降噪搭载结构抑制主要外部噪声,低噪声混合放大电路抑制主要内部噪声,基于深度学习的一站式去噪方法克服主观因素影响,从而在整个SAEM观测与处理流程上实现低噪声.测试表明,在地形复杂、气流条件复杂地区,所研发的SAEM系统可稳定工作,数据可靠性一致性高,未来有望为我国资源探查、深部工程等工作提供更为有力的支撑.

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。

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。

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。

频率域航空电磁法在雄安新区浅层(微)咸淡水调查中的应用

探明含(微)咸水地区的浅层咸淡水分界现状,对于当地浅层水资源的开发利用具有指导意义。笔者通过对雄安新区频率域航空电磁数据反演,得到地下浅层电性结构特征,进而推断新区浅层(微)咸淡水分界线。通过对比1998年、1999年两次水文地质调查咸淡水分界线,结合地面水文地质资料,笔者发现浅层地下水降落漏斗会影响咸水侵入的趋势:雄县东北处的昝岗—米家务—双堂一带(微)咸水侵入是由于昝岗水漏斗的存在而趋于稳定,但水漏斗也同时加剧了昝岗镇地区南部(微)咸水入侵;安新县城西侧由于容城水漏斗水位上升,相较1999年(微)咸水范围有所减少;高阳水漏斗地区水位持续下降,导致芦庄—高阳方向(微)咸水范围将继续扩大。通过预测的(微)咸水侵入趋势为新区建设中水资源的合理开发利用提供了数据依据。

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.

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%.

全波形时间域航空电磁探测分辨率

时间域航空电磁系统的传统记录方式存在不能探测高导异常等不足。以导电薄板为模型,研究了梯形波激励、全波形记录方式下的探测分辨率。采用等效涡流环近似方法,在计算了任意位置两线圈互感的基础上,实现了薄板电流关断期间和断开期间感应电动势的数值计算。数值计算表明：当存在覆盖层时,如果测量系统最小分辨率为5 nV/m2,在电流断开期间可检测目标体电导为1~400 S,在电流关断期间可检测目标体电导为0.1~1 000 S。时间域航空电磁系统采用全波形测量,可以拓宽电磁系统检测异常电导的分辨率孔径。

时间域航空电磁法一维正演研究

基于电磁勘探理论 ,导出了层状大地条件下时间域航空电磁法 (偶极 -偶极装置 )的正演计算公式和算法 ,编制了相应的计算机程序 ,对若干典型地电断面作了正演计算 .计算结果说明时间域航空电磁法的探测能力和探测条件 ,进而为时间域直升机航空电磁系统的设计方案提供了依据 .

频率域吊舱式直升机航空电磁资料的马奎特反演

频率域吊舱式航空电磁系统在国内尚处于研究和试生产阶段,由于缺少有效的数据处理手段,限制了该项技术的进一步应用和发展.本文通过对马奎特方法原理介绍,成功地将其运用到频率域航空电磁资料的反演计算中,并对几个关键技术——雅可比矩阵计算、初始模型赋值、形态模型与物性模型反演效果等进行分析,提出了切实可行的算法,并在计算机上加以实现.最后,通过理论模型和实测数据测试验证了算法的有效性和正确性,填补了国内该应用领域的技术空白,取得了较好的应用效果.

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。

航空电磁法的发展现状

航空物探方法具有低成本快速度,从宏观上探测大区域地球物理场的优势。在我国航空电磁法相对于航磁而言发展较为缓慢,但航空电磁法的物理原理又使它具有其他航空物探方法所不能替代的功能和优势(如寻找地下水、环境调查等)。文章从航空电磁观测系统、航空电磁数据处理和解释以及航空电磁应用等方面阐述了2000年以来国内外航空电磁的最新发展动态,在此基础上分析总结了航空电磁未来发展的趋势和重点。