基于时域有限差分法的电性源感应-极化效应三维数值模拟

时域电性源电磁探测法是一种可以有效快速探测矿产资源的方法。极化效应会导致电性源电磁响应快速衰减,发生符号反转现象。本文采用Cole-Cole模型描述极化效应,利用整数阶有理逼近算法实现任意分数阶Cole-Cole模型有理化;采用Yee氏网格对仿真区域进行剖分,基于时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法实现电性源感应-极化效应三维数值模拟。本文对三种典型模型(均匀半空间模型、极化半空间模型和三维极化体模型)的电磁响应进行数值模拟,结果表明:均匀半空间模型的电磁响应与解析解基本吻合,并且相对误差小于10%,证明了三维数值模拟方法的正确性;极化半空间模型与三维极化体模型的电磁响应均在晚期出现了负响应,与极化理论结果相符合。

多辐射场源半航空瞬变电磁法薄层探测能力

多辐射场源半航空瞬变电磁法具有探测深度大、地形适应性强和工作效率高的优点,已逐渐成为当前的研究热点。为了研究其探测能力,本文基于一维正演理论,从多辐射场源布设方式入手,选定典型测点与辐射源组合,通过定义瞬变响应相对异常,分析对比不同模型薄层电阻率、厚度、埋深等参数对薄层探测的影响。结果表明:根据测点位置合理设置发射电流方向可以有针对性地增大采集信号强度,获得形态相对简单的B和dB场响应曲线;与单辐射源相比,多辐射源激励时瞬变响应不仅幅值更大,衰减速度也更快,对大地电阻率的变化更灵敏;B场更适合用于相对异常计算,探讨多辐射场源半航空瞬变电磁法的薄层探测能力,其中x分量的薄层探测能力最强;薄层电阻率与围岩差异越大、厚度越大、埋深越浅,相对异常曲线的幅值越大,薄层越易于分辨;薄层分辨能力与测点位置有关,当测点位于多辐射源内侧时B场各分量相对异常曲线幅值更大,对薄层分辨能力更强。

基于神经网络电性源半航空视电阻率反演研究

为解决目前电性源时域半航空视电阻率反演效率低、适用性差的问题,在快速计算电性源时域半航空感应电动势基础上,将理论计算的感应电动势进行等效变换,建立感应电动势与电阻率单一映射关系的样本集,选用三层误差反向算法(Back Propagation,BP)神经网络和Levenberg-Marquardt算法对样本集进行训练,优选出收敛速度快、误差小的网络参数.基于层状模型,对比了神经网络反演方法与传统方法反演效果,对于均匀半空间模型,神经网络反演结果相对误差在5%以下,传统反演结果相对误差大于20%;对于层状大地模型,结果较传统方法更接近真实模型.基于神经网络的反演方法明显优于传统方法,这为半航空电磁数据提供了新的处理与解释方法.

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。

航空时间域电磁法回线源有限差分初始场计算

针对时间域回线源航空电磁有限差分法初始场中双重贝塞尔函数的数值计算,通过分析回线积分法、宗量近似法和贝塞尔函数展开法的特点,提出将贝塞尔函数展开与小宗量近似相结合的混合法,并用共求解全部空间的初始电磁场,不仅计算速度快,而且精度高,满足有限差分对计算时间和计算精度的要求,为计算全空间复杂地质异常体电磁响应奠定了基础。

基于高密度电阻率成像法的陇中半干旱区土壤含水量监测研究

土壤含水量是影响半干旱区农作物生长的重要因素。为了准确测定土壤含水量的变化动态以指导农业高效用水,近年来,利用地球物理测量方法研究高分辨率的水流入渗,已经越来越受到欢迎和重视。本文以陇中半干旱区玉米田为例,通过在土壤表面布置电极,利用高密度电阻率成像法（ERT）对降雨前后土壤二维剖面进行电阻率数据测量,实现对土壤二维剖面电阻率值和含水量监测,解释不同条件下土壤含水量变化的原因,建立陇中半干旱区农田土壤电阻率和含水量之间的相关关系。结果表明：降水入渗使得二维剖面土壤电阻率整体呈明显降低趋势,反演得到的电阻率图像局部电阻值“高-低-高”的变化过程,与一次降水过程前后“干-湿-干”的循环过程一致。土壤含水量实测值与估计值之间有较为显著的线性关系（R^2=0.651 8,n=96）。在0~2.0 m深度范围内,总体估计偏差较小,为0.74%;土壤含水率的估计精度较高,为2.64%。0~0.5 m土层（H1）含水量监测探头分布密集,数据采集较为准确,故H1层估计精度略高于0.5~2.0 m层（H2）。相比之前利用实测工具进行野外测量,ERT测量方法精度较高。本文提供了一个高分辨率的土壤结构二维分布与水分运移过程的图像,同时为实现精确和高效的农业用水管理提供一种新途径。

激励信号对地-空瞬变电磁响应的影响分析

运用数字滤波法和辛普森积分法,计算了阶跃波层状大地地-空瞬变电磁响应;以此为基础,通过卷积方法可得任意激励波形的电磁响应。从激励信号能量角度分析了激励波形的响应,能量大对应的响应就大。通过正演计算,半正弦波和三角波在on-time段响应随电导率的变化不明显;而off-time段高阻异常很快进入噪声区,在数据解释时,无法得到足够多的有用信息。为了解决这一问题,发射波形采用梯形波或方波,同时记录on-time段和off-time段数据进行异常分析,可使反演分辨率更高。

线天线和散射体时域分析的半解析法

针对细线结构电磁辐射和散射问题,构造了一种求解导体上瞬态电流的半解析法。以频域内近似解为初值,结合积分方程,通过迭代得到频域内的改进解,并通过傅里叶逆变换得到时域内的相应迭代方法。与数值方法相比,该方法易于数值实现。辐射和散射实例的数值分析结果与Feko仿真结果相吻合,表明该方法对于细线结构时域分析是有效的。

时域电性源地空电磁系统在煤炭采空积水区勘查中的应用

为实现山区复杂地形条件下,对沁水盆地东南地区煤炭采空区及采空积水区的快速、精确勘查,采用时域电性源地空电磁法对上述区域进行地球物理勘查。时域地空电磁法采用地面发射空中接收的方式,在地面布设接地长导线源,利用大功率发射机向地下发射时域方波信号,在空中利用无人机搭载接收系统沿平行于发射源的预定航线进行飞行探测获取电磁信号和测点坐标信息,发射与接收的电磁数据通过GPS时钟进行同步。利用时域电性源地空电磁探测系统,采集到了信噪比高的电磁数据,同时开展了地空电磁基线校正方法、地空电磁噪声抑制方法及视电阻率成像方法的研究,进一步提升电磁数据的质量和成像分辨率。通过对时域电性源地空电磁数据和空间坐标信息进行处理获得反应测区地电信息时间的电性源地空电磁法视电阻率,结合已知地质信息进行解释,推断解释了煤炭采空区和采空积水区的空间分布特征。时域电性源地空电磁法在极大减少地面工作量的同时,兼顾了勘探深度,因此兼具航空电磁法快速高效和地面电磁法勘探深度大的特征。本次勘查表明:利用该系统开展地空电磁勘查,可以实现工作效率4~5倍的提升,且勘探效果与已知地质信息基本吻合,表明时域电性源地空电磁探测系统可以实现对煤炭采空区的快速、精确勘查。针对本次勘查的效果,可以预期时域电性源地空电磁探测系统将在复杂地形条件下的深部资源探测、环境、工程、灾害地质调查中发挥重要的作用。

火炮自动装弹机故障识别的电流分析法

在分析大量油源供电电瓶电流数据的情况下,对火炮自动装弹系统进行了故障分析。应用MATLAB工具画出霍尔电流传感器采集到的自动装弹机工作时电流变化时域图,对比分析了有无故障情况下电流响应信号的规律,初步判断出故障的原因,再利用小波对自动装弹机的6个动作进行12层分解,最终判断出故障产生的原因。测试结果表明,以电流信号作为识别故障的方法,能快速地对自动装弹系统进行故障诊断。

多辐射场源半航空瞬变电磁法多分量响应特征分析

多辐射场源半航空瞬变电磁法是对电性源半航空瞬变电磁法的发展和补充,具有探测深度大、地形适应性强和工作效率高的优点。基于一维正演理论,本文对平行辐射场源、带角度多辐射场源和单个源模型在空中产生的三分量瞬变响应特征进行分析,结果表明:整体来说z分量瞬变响应曲线形态最为简单,多辐射场源情况下响应增强的特点最明显,最利于数据处理和解释;x分量瞬变响应形态最为复杂,在全场域经常表现出极性反转的变号现象,但晚期信号幅值总是增大;y分量瞬变响应受电流方向和接收点位置的影响最大,曲线形态和响应幅值变化均较为复杂。结合偏移距变化下响应衰减幅度,建议工作区域偏移距控制在辐射源长度的5~6倍内为宜。本文的研究结果可为实际勘查工作的野外施工布置及定性分析提供参考,同时获得了对该方法的初步认识。

半航空频率域电磁测深2.5D正演模拟中几个关键问题

基于伪随机发射的半航空频率域电磁测深方法具有信号强、采集速度快、成本低廉的勘探优势,近年来得到迅速发展,实际应用取得了较好的勘探效果.本文针对该领域在2.5D数值模拟中存在的一些核心问题.采用有限单元数值方法,分析讨论了电偶源加载方式、网格剖分、边界处理、观测区域、以及感应磁场随收发距和频率的分布特征.模型计算表明,采用均匀网格剖分、增加吸收边界条件能够提高有限单元法模拟精度.发现电偶极场源和长导线场源产生的感应磁场三分量Hx、Hy、Hz的场值在距离地面20 m的空气中具有如下特征:(1)当场源为电偶极源时,Hy对异常不敏感,而Hx和Hz及其转换的视电阻率异常特征明显,Hx在低阻体上方表现为“高阻特征”,且低频段特征比高频段特征明显;Hz的异常比较复杂,在AB偶极源中垂线两侧的异常会出现“对称特征”:左侧的低阻体特征为“先低后高”,右侧的低阻体为“先高后低”,左侧的高阻体特征为“先低后高”,右侧的高阻体为“先高后低”.(2)当场源为供电长导线时,感应磁场三分量对异常体都有反映,Hx异常特征复杂,Hy和Hz特征明显,低阻体上方表现为低场值特征,高阻体上方表现为高场值特征,Hz的异常特征强于Hy.接地电磁场源的偶极长度影响电磁场特征,特别是感应磁场三分量影响较大,且有限单元法的网格、边界也会影响电磁场特征.当场源为偶极电源时,感应磁场Hx特征明显,而Hy特征不敏感,Hz异常明显但特征比较复杂.本次研究丰富了非理想电偶极源(近似点源)时一些电磁场特征,为半航空电磁法的发展提供科学依据.

岩溶隧道勘察接地源半航空瞬变电磁三维响应规律研究

半航空瞬变电磁探测方法将长导线发射源布设于地面,发射阶跃脉冲电流激发瞬变电磁信号,使用无人机在空中吊载接收线圈来接收瞬变电磁二次场信号,最终实现探测.然而与传统地面瞬变电磁相比,半航空瞬变电磁的不同之处在于其正演计算时需考虑飞行高度、接收偏移距等因素.针对上述问题,开展半航空瞬变电磁数据的三维时域有限差分正演理论研究,推导了加入接地源电流项Js的Maxwell方程组时域有限差分格式,并进行三维正演模拟.首先,通过均匀半空间模型和多种层状模型,对比分析感应电动势衰减曲线形态特征以及不同电阻率参数和层厚参数对衰减曲线的影响;然后,建立包含高阻异常体、低阻异常体和高-低阻混合异常体的三维模型,对比分析接收高度、异常体电阻率、规模和偏移距对感应电动势衰减曲线的影响特征,研究三维地下目标对半航空瞬变电磁探测的影响因素和响应规律,并开展试验验证,为后续半航空瞬变电磁观测设计提供了参考.