圆锥型场源瞬变电磁数据AWPSO算法优化反演

瞬变电磁圆锥型场源装置有效的减小了线圈间的电感,提高了小装置探测地下浅层的分辨率,但常规反演方法需给定初始模型且反演精度不高.针对瞬变电磁法反演计算问题,通过对粒子群优化算法(PSO)和神经网络算法(BP)分析研究,改进了一种基于神经网络算法Sigmoid函数的自适应加权粒子群优化(AWPSO)算法.采用标准测试函数对算法进行试算,建立多个理论层状地质模型对该算法进行理论验证,最后在地质资料已知地区开展现场实验.计算结果表明,新提出的算法具有更高的全局搜索寻优能力和收敛速度快、计算精度高,且不需要给定初始模型;实验结果显示实测数据反演结果与高密度电法探测结果吻合,证明该算法能够对瞬变电磁探测数据进行反演计算且精度较高,可以在同类型的浅层探测任务中提供参考.     

地下核磁共振小尺寸线圈设计和实验

很多国家在进行隧道挖掘、地下矿体开采时,经常会遇到突水涌泥事故.核磁共振方法(Magnetic Resonance Sounding,MRS)作为目前唯一一种直接找水的地球物理技术,在探测诱发灾害的水体方面具有明显的优势.本文首先给出了多匝分离式线圈的MRS信号响应和核函数的计算公式,分析了线圈的匝数、边长和含水层位置对MRS信号响应的影响.分析表明,在限定空间内,利用多匝分离式线圈的设计方法可以提高小尺寸线圈的探测能力.同时,对高匝数线圈给探测系统带来的不利因素进行了分析和改进.最后,为了验证本研究所采用的方法,利用6 m边长的方形线圈和改进型MRS探测系统在中国温州一处在建隧道内的地下场地进行实地探测,探测结果与瞬变电磁方法结果对比表明,6 m边长的方形线圈可以对地下30 m内的含水层进行有效探测.     

瞬变电磁法圆锥型场源特征与电感效应（英文）

应用于煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测的瞬变电磁法常采用多匝小线圈装置,但是多匝线圈装置的互感耦合大,关断时间长,使探测的浅部"盲区"增大。为此,提出了一种圆锥型场源装置,推导了该装置内各匝线圈半径的计算公式。采用理论解析式对均匀介质中圆锥型场源一次场、二次场特征进行了计算分析,对圆锥型场源与多匝线圈互感系数进行了比较;应用快速汉克尔变换和改进的余弦变换数值滤波法,基于叠加原理的思想讨论了圆锥型场源下瞬变电磁正演方法,并以H型和KH型地电模型为例对正演结果进行了"烟圈"反演分析。研究表明:对于等效磁矩为926.1A·m~2的多匝回线和圆锥型场源,前者的互感约为后者的9倍;增大圆锥型场源的高度可减小互感系数,但其底半径的进一步变化对互感影响有限。圆锥型场源一、二次场特征与多匝线圈相似,但其二次场和总场暂态响应强于多匝线圈。所提出的综合视电阻率方法适用于圆锥型场源计算,正演结果和"烟圈"反演结果与初始模型的吻合性良好。本文研究成果为减小瞬变电磁探测"盲区"提供一种选择,也为装置组合形式和非线性反演技术等后续研究提供理论参考。     

地下磁共振响应特征与超前探测

地下（矿井和隧道内）超前探测灾害水源是磁共振测深（Magnetic Resonance Sounding,MRS）方法应用的新领域,在地球物理方法中是一个难题.本文在地面磁共振探测理论的基础上,建立地下全空间模型,推导直立线圈的磁共振响应信号表达式,对比国际标准模型验证了数值计算的准确性.引入旋转系数矩阵,计算任意地磁场方向和线圈方向的激发场垂直分量.研究了磁共振响应信号与线圈法向偏角和倾角的关系,指出当线圈法向方向垂直于地磁场方向时,磁共振响应信号最大.同时,研究表明磁共振超前探测距离与激发脉冲矩和接收灵敏度紧密相关,激发脉冲矩越大,接收灵敏度越高,则超前探测距离越大,但存在极限距离.在地下线圈尺寸受限的情况下,为使检测信号灵敏度为5 nV时,超前探测距离达到30 m,提出了边长2 m线圈的匝数优化方案,共圈模式最少需要100匝,分离线圈模式最少需要10匝发射线圈和160匝接收线圈.仿真模型试验结果证明,随着噪声水平增大,磁共振超前探测距离和反演分辨率均减小.泽雅隧道探测实践表明,本文提出的地下空间磁共振理论在矿井和隧道环境中进行超前探测是可行的.     

基于等值反磁通原理的浅层瞬变电磁法

基于等值反磁通原理的瞬变电磁法是一种新的探测地下纯二次场的方法.该方法采用上下平行共轴的两个相同线圈通以反向电流作为发射源,且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上,测量对地中心耦合的纯二次场.理论计算和物理实验论证了该方法能够有效消除接收线圈本身的感应电动势,从而获得地下纯二次场的响应.理论推导和数值计算证明了该方法采用的双线圈源比传统瞬变电磁法采用的单线圈源对地中心耦合场能量更集中,因而有利于减少旁侧影响、提高探测的横向分辨率.实测试验表明该方法是浅层探测的一种有效方法.     

分离线圈地面核磁共振找水正演

分离线圈地面核磁共振找水方法是将激发线圈与接收线圈分离开来的找水探测方法.文中阐释分离线圈地面核磁共振找水方法正演表达式;利用高斯积分方法计算了分离线圈正演公式中的核函数.通过分析核函数的变化规律,得出分离线圈地面核磁共振方法具有较高的横向分辨率.通过计算全空间的核函数矩阵,将地下含水模型离散化,实现分离线圈地面核磁共振找水3D模型正演快速计算.通过对比计算1D含水模型响应,本文的计算选取网格的越小,正演精度越高.文中计算装置对模型的响应,分析正演曲线随着模型的埋深与装置的不同呈现的变化规律,研究分离线圈地面核磁共振的分辨特性及探测特点.     

瞬变电磁法多匝重叠小回线装置实验研究

文中采用实验方法对瞬变电磁法多匝重叠小回线装置发射磁矩、关断时间、感应信号强度随发射线圈匝数及接收线圈匝数的变化分别进行了研究。对固定发射线圈匝数改变接收线圈匝数与固定接收线圈匝数改变发射线圈匝数这2种实验方式进行了对比,从而找出了更适合地质响应的发射与接收线圈的匝数。同时还分别采用线圈边长为0.5m×0.5m与1m×1m的线框进行了对比实验,通过分析发射磁矩、关断时间、感应信号强度随线圈边长、线圈匝数的变化,找到合理的重叠小回线装置。实验结果表明发射磁矩随线圈的边长与发射线圈匝数的增加而增加;关断时间随发射线圈匝数近乎呈正比增加,与接收线圈无关;感应信号强度与线圈匝数呈正比关系,但是相比之下,接收线圈匝数更占主导地位。     

瞬变电磁接收装置对浅层探测的畸变分析与数值剔除

从理论上对瞬变电磁系统的接收装置频率特性进行分析，得出了瞬变信号在早期发生畸变的根本原因，揭示出接收装置在发射电流关断期间和电流关断后对一次场和二次场的影响关系，给出基于导电球体模型下接收装置的谐振频率与最小取样时间的关系图，进而讨论了接收装置对浅层目标体探测的影响.当瞬变电磁测量系统在电流关断开始时刻记录全程瞬变响应和发射电流波形时，如果接收装置的位置和谐振频率已知，就可以通过数值计算方法从根本上剔除接收装置对早期瞬变信号的影响，即使接收装置存在过渡过程，也同样可以实现近地表浅层的探测，从而缩短瞬变电磁法的浅层勘探盲区，提高近地表的探测分辨率和精度.     

城市活断层探测的高分辨率浅层地震数据采集技术

在简要介绍城市浅层地震勘探干扰波特点的基础上 ,结合福州市活断层探测的浅层地震试验探测资料 ,阐述了抗干扰高分辨率浅层地震勘探的技术装备、地震数据采集的技术方法以及在强干扰背景条件下围绕抗干扰和提高地震资料信噪比与分辨率而采取的技术措施。试验结果表明 :采用可控震源和与其相匹配的地震仪器以及小道间距、小偏移距、多通道和高频检波器接收的工作方法 ,是实现抗干扰高分辨率浅层地震数据采集的有效途径     

斜阶跃电流激励下多匝小回线瞬变电磁场延时特征

采用Duhamel积分对斜阶跃电流激励的瞬变电磁场进行直接计算,应用叠加原理得到了多匝小回线全域瞬变电磁响应.研究了多匝小回线的早、晚延时临界条件以及等磁矩单匝大回线与多匝小回线的延时和关断时间特征,分析了电阻率、厚度等参数变化时斜阶跃电流对层状模型瞬变响应的影响特征,最后采用实测数据验证了关断效应的校正效果.结果显示,回线边长越小或表层电阻率越大,瞬变响应越早离开早期并进入晚期.多匝小回线的关断时间远大于等磁矩的单匝大回线,但由前者激发的瞬变响应进入晚期的时间却大幅提前,更有利于晚期条件下各种理论公式的使用.斜阶跃影响校正结果显示,增加多匝小回线的匝数可以扩展反演深度的范围,减少匝数则可以提高反演电阻率的精确性;实测数据处理结果显示校正方法产生了一定的效果.本研究补充了多匝小回线瞬变电磁理论内容,研究结果可以为复杂环境中小尺寸多匝线圈的工作参数选择提供参考.     

ATTEM系统中电流关断期间瞬变电磁场响应求解的研究

在瞬变电磁法中,由于发射电流关断时间不为零、接收线圈的谐振频率有限,早期瞬变电磁信号发生畸变,只能舍弃,因此存在着探测盲区. 针对这一问题,研究了瞬变电磁方法中发射电流关断期间总磁场的形成过程,论证了一次场、二次场和总瞬变场的关系,分析了接收线圈的频率特性和关断时间对瞬变电磁场的影响,提出从总磁场中剔除一次磁场影响的方法,从而获得电流关断期间和电流关断后的早期瞬变电磁场. 采用吉林大学自主研制的瞬变电磁测量系统(ATTEM)在长春市伊通河活断层进行勘探,进一步验证了算法的有效性,缩短了瞬变电磁法的勘探盲区,实现了近地表4 m以下的勘探,可以清晰地分辨近地表的低阻异常,提高了浅层探测精度和分辨率.     

环状刻槽钻铤中随钻方位电磁波响应的混合算法

为了提高随钻电磁波测井仪器的抗震能力,仪器传感器中所有发射与接收线圈均安装在柱状金属钻铤上的环状刻槽中,同时槽中充填高磁导率的铁氧体,以提高发射和接收效率.本文针对多环状刻槽钻铤中发射与接收线圈分布,研究建立一套随钻电磁响应的混合模拟算法.首先,根据环状刻槽几何尺寸以及轴向边界,将整个钻铤与外部的井眼和地层划分成多个不同电导率和磁导率分布的轴对称非均质各向同性层状模型,并应用混合法建立层状非均质地层中电磁场的半解析解与各个线圈上感应电动势的计算方法.其次,利用摄动原理给出随钻电磁测井中振幅比与相位差的空间灵敏度计算公式.然后,通过数值结果考察铁氧体磁导率和地层电导率变化对发射线圈的发射功率和接收线圈上感应电动势的影响,并确定各个接收线圈上感应电动势的动态变化范围,为仪器设计过程中选择合适的铁氧体提供理论依据.最后,通过空间灵敏度分布特征考察振幅比与相位差在探测特征上的差异.     

半航空频率域电磁探测三分量线圈传感器设计

半航空频率域电磁探测方法(semi-airborne frequency domain electromagnetic method,简称SAFEM)通常借助水平线圈传感器观测垂直分量磁场信号.然而,在实际探测过程中,观测单一分量磁场信号不仅缺失水平分量磁场信息,并且在磁场响应畸变区域难以校正,造成视电阻率解释结果精度低、误差大等问题.为此,本文设计并研制了一种能够用于SAFEM探测的三分量空心线圈传感器,采用三组相互垂直的接收线圈分别接收三个分量的磁场信号.首先,为满足旋翼机载重要求,设计0.5 m直径的小尺寸圆形线圈用于接收垂直方向磁场,两个0.01 m边长的方形线圈用于接收水平方向磁场,并对三组线圈的互耦情况进行分析,确定了线圈的最佳相对位置.其次,针对线圈传感器的物理结构特点,综合线圈的寄生电阻、电感和电容值大小的分析结果,确定最终的物理结构参数.进一步地,通过分析不同阻尼状态下的传感器及前置放大电路的频率响应特性,确定了最佳的阻尼系数调节范围.在此基础上,设计了带有阻尼状态调节的低噪声差分前置放大器电路作为SAFEM信号调理模块.最后,开展屏蔽室测试实验和野外探测实验验证三分...     

多源干扰条件下瞬变电磁法电性响应规律研究

本文通过采用瞬变电磁法对井下及地面常见干扰因素进行探测试验,从单一干扰因素(综掘机、镏子、锚网、钢管等铁器)到多源干扰因素(铁器、电力不同组合)进行了系统的瞬变电磁场特征分析,通过对比分析归一化感应电压、视电阻率等电磁场参数,寻找干扰规律.结果表明:巷道内单一铁器(综掘机、镏子、锚网、钢管等铁器)在瞬变电磁探测中是一种"高压低阻"响应,超前探测时,综掘机建议远离探测位置10 m之外,发射-接收线圈边缘离镏子至少0.5 m、距离锚网至少0.6 m,尽量将发射-接收线圈法线方向及线圈边缘远离钢管方向;多源干扰条件下,一般铁器尺寸大的比尺寸小的影响范围要大,阻值更低、归一化电压更高,呈现"高压低阻"特征,铁器使曲线跳点减少、曲线更圆滑,电力一般比铁器影响范围及程度更大,电力影响使曲线跳点增多,起伏增大,阻值更高、归一化电压更低,呈现"低压高阻"特征.     

济南市区内千佛山断裂的地表探测研究

本文论述了影响城市工程物探探测效果的主要因素,并根据实际工作条件,为最大程度提高采集精度,采用浅层地震勘探和地震映像两种方法探测了千佛山断裂在济南市区内同一地点的隐伏位置及产状。并且在断层两盘布置钻孔,验证探测结果的可靠性。综合分析认为,物探结果表现了较高的信噪比和分辨率,充分说明这两种方法在城市工程物探中有较好的适用性。     

电极布置方式对高密度电法探测分辨率的影响

高密度电法据观测到的视电阻率数据及其反演后的电阻率剖面来推断地下地质结构.传统高密度电法受限于测线长度和电极装置,存在着一些弊端,如探测深度较浅,在测线端点处分辨率差,并且分辨率随深度增加而下降,特别当存在浅层低阻屏蔽时,电流难以向深部传播,分辨率降低.针对上述问题,为提高高密度电法探测的分辨率,本文介绍了一种新型高密度电法野外布极方式:多电极埋入技术(Multi-Electrode Resistivity Implant Technique,MERIT).通过室内模型测试和野外实地检验,将其与传统高密度电法排列进行比较,结果表明MERIT布极方式在测线端点处和地下深部分辨率有显著提高.在相同测线长度下,探测深度增加,对低阻体的反映更灵敏,受到低阻屏蔽效应减小,能够反映深部更丰富的地层信息.故MERIT能够有效地克服传统高密度电法探测存在的缺陷,有效提高探测的分辨率.     

应用三分量浅层地震反射方法探测隐伏活动断裂

多波多分量地震勘探方法在油气田勘探开发中日益受到重视,但在工程和活动断裂探测中过去还没有开展多波多分量地震勘探的先例.本文简要介绍了在北京黄庄—高丽营断裂上开展的三分量浅层地震反射试验数据采集和资料处理方法,以及取得的初步结果.试验结果表明,采用纵波震源或横波震源激发、三分量接收的浅层地震勘探方法,可获得较高信噪比的浅层地震纵波、横波和转换波剖面,特别是水平分量采集的横波和转换波可提供很有意义的地下结构和构造信息.综合利用纵波、横波和转换波剖面特征进行的地质分层和断层解释结果取得了与跨断层的钻孔联合地质剖面结果较好的一致性.     

电磁驱动可控震源系统及其在工程勘察中的应用

在浅层地质工程应用中,缺乏一种可控、无损、高分辨率的探测工具,一种新型震源——电磁驱动式轻便高频可控震源．填补了空白,通过简单调制扫描频率．可控震源具有探测深度大、分辨率高,工作稳定、抗干扰、效率高等一系列优点。实际应用表明,该技术对应用采空区、溶洞探测等浅层工程勘察是可行的．探测效果良好,这拓宽了可控震源的应用领域。     

二维阵列线圈核磁共振地下水探测理论研究

核磁共振法(Magnetic Resonance Sounding,MRS)是一种直接探测地下水的地球物理方法,目前只能对水平层状的含水层进行一维测深,对于尺寸小于线圈直径的二维或三维含水构造成像时,其灵敏度和横向分辨率很低.本文从研究二维阵列线圈核磁共振地下水探测方式的可行性出发,推导了地面发射线圈产生的椭圆极化激发...     

基于探地雷达波速层析的金属矿区勘探仿真

探地雷达技术在金属矿区得到广泛应用.由于金属矿区地质构造复杂,使用于探测层状介质的反射波探地雷达勘探方法在金属矿探查中受到限制.为提高接收信号能量强度以提高探测结果分辨率,实现探测复杂地质构造及隐伏岩体,将层析成像方法用于探地雷达对金属矿区的勘查中.建立了典型的金属矿区速度模型,并选取了代表性的切片,采用LSQR算法反演计算.仿真结果误差都在1‰的数量级,证明了雷达层析成像技术应用于金属矿区勘察的有效性.