基于分段二分搜索算法的半航空瞬变电磁电导率深度快速成像方法研究

中心回线式直升机航空瞬变电磁法中因其发射源与接收线圈相对位置不变,故在电导率深度成像(Conductivity Depth Imaging,CDI)中无需考虑偏移距带来的影响,但半航空瞬变电磁法的工作方式是利用长导线源在地面发射,无人机搭载接收线圈在空中采集电磁响应数据,发射源与接收线圈相对位置一直变化,存在偏移距的问题,无法像航空瞬变电磁一样实现CDI快速成像.本文提出建立"库"的思想,根据不同实际情况建立不同的电导率-电磁响应数据网,利用分段二分搜索算法来消除"二值性"带来的问题,使得半航空瞬变电磁电导率深度快速成像(Semi-Airborne Transient Electromagnetic-Conductivity Depth Imaging,SATEM-CDI)方法得以实现.通过正演模拟及实测数据成像分析,表明SATEM-CDI理论简单、处理过程中无需迭代,计算速度快,可对大量半航空瞬变电磁数据进行实时成像,且成像结果可靠,可为反演模型和初步地质结构判断提供重要资料.     

高次互感响应对瞬变电磁系统标定的影响

本文建立了标定环与接收线圈之间互感模型,推导出互感响应的一般表达式,讨论了地面和航空瞬变电磁(TEM)标定系统中标定环与接收线圈之间高次互感响应对标定结果的影响.研究结果表明:地面TEM标定系统中一次场引起的高次互感响应TRLR较强,严重影响早期标定精度;航空TEM标定系统中标定环与接收线圈之间的高次互感响应较弱,对标定精度的影响可以忽略.本文的研究可为优化标定系统参数,抑制高次互感响应对TEM系统标定的影响提供理论指导.     

半航空瞬变电磁法在古河道结构探测中的应用

嘉陵江河曲发育,古河道分布广泛,复杂的地形、地貌环境限制了其研究精度.半航空瞬变电磁法具有效率高、成本低、适应性强的特点,具有广阔的应用前景.为查明古河道地层结构特征,本文以南充市石梁乡境内的嘉陵江古河道为例,首次将无人机半航空瞬变电磁法应用于古河道结构的探测.首先,通过对该区域的无人机半航空瞬变电磁探测数据进行预处理和反演解释,获得了研究区古河道"低-高"模式的二元电性结构以及三雏空间结构模型,从而可推断出古河道地层结构主要有W型、U型两种形态,河道中间松散堆积层厚度平均为20 m,两端变薄,平均为5m.其次,基于现场地质地貌调查和钻探资料,结合等值反磁通瞬变电磁法、综合测井等地球物理方法所获得的探测结果对无人机半航空瞬变电磁数据推断的古河道地层结构特征进行综合标定与验证,结果表明半航空瞬变电磁法应用于古河道结构的探测是可行的,并且半航空瞬变电磁法获得的物性参数与地质特征结合,可快速、准确获得古河道地层结构,对研究其沉积环境和演化具有重要的支撑作用.     

矿井瞬变电磁探测中空芯线圈传感器的研制

针对矿井瞬变电磁法中探测空间的有限性及探测目标分布的全空间性,研制一种适合该方法的感应式空芯线圈传感器.根据矿井瞬变电磁探测需要,确定了感应式空芯线圈传感器的基本技术指标.通过对空芯线圈的物理结构和前置放大电路的等效噪声电路进行分析,获取了引入噪声的主要来源.构建感应式空芯线圈传感器的等效模型,实现传感器的幅频特性及低噪声的分析,给出影响传感器噪声水平的各噪声源随频率变化的规律,设计矿井瞬变电磁中降低传感器噪声的方法,采用该优化方法,传感器的总噪声在谐振频率处信噪比提高了15.6dB.测试结果表明:感应式空芯线圈传感器噪声性能和输出特性优于加拿大Geonics公司的3D-1HF-coil传感器,满足矿井瞬变电磁探测需要.     

回线源地-空瞬变电磁系统及其在滑坡探测中的应用

中国南方地区地质灾害频发,遭受经济损失巨大,其中滑坡灾害危害最为严重.目前对于复杂地区滑坡地下结构探测方面的研究还存在薄弱环节,还缺少快速可靠的探测地下结构的手段.常规地面地球物理方法在复杂地形条件下存在施工困难的问题.应用数值模拟对比分析了回线源和电性源发射条件下场的分布特征和变化规律,为仪器研制和野外采集方案提供参考.针对滑坡地质灾害调查研制了基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统.该系统使用旋翼无人机作为飞行平台,目前地面发射机功率为10 kW,最大电压为250 V,最大电流为40 A,发射时基4/10/20 ms可选,下降沿为线性沿,同步方式为晶体+GPS;机载接收机采样率250 kHz,在关断后采集二次场并自动组道叠加,连续点号采集,输入等效噪声0.5μV;空中接收线圈为空心线圈,频率为30 kHz,等效面积3100 m².利用新研发的基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统在贵州发耳典型滑坡体上开展试验研究.对野外试验中地-空与地面瞬变电磁的实测曲线进行了对比分析.试验结果表明,新研制的地-空瞬变电磁系统稳定可靠,能够快速获取复杂地形条件下小范围内的...     

阻尼系数对瞬变电磁观测信号的影响特征

通过对瞬变电磁接收线圈等效电路的深入分析,研究了接收系统分布参数与阻尼系数之间的关系,研究了不同阻尼系数瞬变电磁接收系统的性能特征：幅频特性、截止频率、冲激响应及阶跃响应,探讨了接收系统对地下地质体瞬变响应信号的影响特征,最后给出了实时计算临界阻尼电阻的方法.     

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.     

坑(井)-地多参数电磁接收系统

坑（井）-地多参数电磁接收系统在地面、坑道、井中三维空间观测天然场源及人工源电磁信号,观测装置接近或穿过矿体,借助动源、大功率发射可获得更加明显的异常值,旨在加大探测深度的基础上提高深部分辨率,同时获取电阻率、极化率、复阻抗等参数.为坑（井）-地电磁成像方法现场数据采集提供硬件设备支持,针对坑道、井中电磁观测的特殊需求,开发了由不极化电极、非接触电极、小型感应式线圈、微型三分量音频磁传感器、地面-坑道电磁接收机、井中电磁接收机等组成的坑（井）-地多参数电磁接收系统,解决了传统不极化电极坑道硬岩表面接地困难和传统感应式磁传感器难以适应坑道狭窄空间的问题;通过多层次的室内、弱干扰条件下野外测试验证了接收系统的各项技术指标,接收机通道全频段噪声水平接近10 nV/rt（Hz）,微型三分量音频磁传感器体积压缩至32 cm×32 cm×32 cm;强干扰条件下的矿山试验验证了接收系统的可靠性、适用性及先进性.     

瞬变电磁传感器的噪声特性

为了提高瞬变电磁(TEM)系统的灵敏度,增大探测深度,对瞬变电磁传感器的噪声特性进行了研究.建立了瞬变电磁传感器本底噪声模型,理论计算表明传感器本底噪声为带限白噪声,其谱密度在谐振频率点处最大,近似等于匹配电阻的热噪声.采用反向串联的小线圈替代TEM接收线圈以抑制环境噪声的影响,实现对本底噪声的测量,通过理论与实测的对比验证了本文噪声模型的正确.利用该噪声模型估算了自制TEM传感器的本底噪声为9.8 nV/m~2,分析了瞬态叠加和抽道叠加对本底噪声的改善,表明经瞬态叠加和抽道叠加后的本底噪声可达7.5 pV/m~2,远远低于环境噪声.通过建立屏蔽模型证明,对线圈进行屏蔽可以有效抑制环境噪声,显著提高传感器的灵敏度.     

无人机平台半航空瞬变电磁勘探系统及其应用

近年来,利用无人机平台搭载航空电磁勘探设备已经成为一种发展趋势,本文首先阐述了半航空瞬变电磁系统在国内外的研究进展,然后介绍了一种全新的利用无人直升机搭载的半航空瞬变电磁勘探系统(S-ATEM).S-ATEM系统由发射子系统、接收子系统、数据处理子系统和飞行平台组成,本文对各子系统关键技术及系统指标进行了详细阐述.S-ATEM系统采用无人直升机作为飞行平台,具有发射功率大、长航时、多分量、大探深、机动灵活、可移植性强等特点.利用S-ATEM系统在山东昌邑莲花山铁矿区开展了电磁探测飞行试验,并将探测结果与已知钻孔资料进行了比对,结果表明S-ATEM能够有效反映地下介质的电阻率变化,验证了S-ATEM系统的有效性和实用性.     

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.     

半航空瞬变电磁数据小波降噪方法研究

半航空瞬变电磁法野外勘探时,实测信号易受外界电磁噪声影响,导致后续反演效果不佳.常规降噪方法在处理非平稳性和相关性问题有一定局限性,因此,本文研究优化了Birge-Massart中经验系数α,提出一种基于Birge-Massart阈值策略的小波降噪法.通过正演生成理论含噪数据加入不同噪声,经本文方法降噪后信噪比(SNR)与均方根误差(RMSE)分别提升38％和降低75％,与其他阈值降噪方法相比,SNR与RMSE分别提升51％和降低59％.野外数据经本方法降噪后,反演效果准确解释了实地情况.说明此方法能灵活地分离噪声,提升后期反演和解释的精确性,是一种有效实用的半航空瞬变电磁数据降噪方法.     

基于PCA-RBF神经网络的航空飞行几何参数拟合

采用地面异常线圈对直升机时域航空电磁探测系统进行标定时,发射-接收线圈姿态的变化将导致实测数据产生误差,影响标定的精度.本文基于时间域航空电磁系统,计算了发射-接收线圈姿态任意变化时异常线圈的电磁响应,提出了主成分分析-径向基神经网络(PCA-RBF)的拟合算法,采用主成分分析法提取飞行几何参数的贡献率,利用径向基神经网络法对电磁响应进行了测线剖面的批量数据拟合,并对理论仿真和河南桐柏直升机飞行试验数据进行拟合分析,单一异常体理论数据的绝对误差平均值小于20nV·m-2,双异常体理论数据绝对误差平均值为160nV·m-2.野外实测数据在异常线圈中心位置的拟合相对误差小于1%,整条剖面测线的拟合相对误差小于±6%,平均值为2.5%.结果表明PCA-RBF拟合算法能够较好地实现航空电磁系统飞行参数的拟合,为航空电磁系统海量实测数据的快速处理提供了新方法.     

地-井瞬变电磁响应特征数值模拟分析

井中瞬变电磁法(Bore-hole transient electromagnetic method-BHTEM)是指接收线圈在钻井中观测瞬变场响应用以勘查深部矿产资源的勘探方法,其中以地-井(地面激发井中接收)组合方式研究最多、应用最广.本文应用时域有限差分法(FDTD),建立包含薄板导体的均匀半空间二维数学模型,采用线源为激发源,选用Mur吸收边界条件,对矩形回线源在半空间中产生的瞬变电磁场进行数值模拟,计算了低阻板状导体在均质半空间和有低阻覆盖层影响情况下的地-井瞬变电磁异常响应,并对响应的特征及规律进行研究分析,为研究地-井TEM提供参考.     

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...     

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%.     

地空瞬变电磁法研究进展

随着瞬变电磁法的研究逐渐转向高海拔山区等地形地质条件复杂地区进行深部勘探,地空瞬变电磁法得到了更多的关注.地空瞬变电磁法结合了地面瞬变电磁法和航空瞬变电磁法各自的特点,相比地面瞬变电磁法,能有效提高野外工作效率;相比航空瞬变电磁法,勘探深度更大、采集信号信噪比更高.近几年来,地空瞬变电磁法得到了较快的发展.本文回顾了地空瞬变电磁法的历史发展与现状,总结了地空瞬变电磁法研究的最新进展,并对地空瞬变电磁法的各种装置类型进行了相关评述和总结,指出目前地空瞬变电磁法的问题主要在于解释水平跟不上,大都仍采用基于地面瞬变电磁的数据解释方法.为了进一步丰富地空瞬变电磁勘查体系,从仪器装备、数据预处理和处理技术、正反演及数据解释等方面对地空瞬变电磁法的发展方向进行了总结.     

瞬变电磁低噪声前置放大器研制

为了增大瞬变电磁勘探深度,充分利用晚期道数据,针对瞬变信号频带宽等特点和低噪声运放放大电路的设计原则,通过对放大电路的噪声来源和降低噪声措施的研究,设计了基于超低噪声运算放大芯片LT1028的低噪声差分前置放大电路.建立模型对噪声进行计算和仿真,得出的单运放噪声和总噪声分别为3.2uVrms和4.53uVrms.对实际电路进行噪声测试,得到的噪声频谱图表明在0～100kHz的频率范围内,电路噪声在10～20uVrms之间,设计的差分前置放大电路具有很低的噪声水平,能够满足瞬变信号前置放大的需要.     

基于异常线圈的时间域AEM系统测试和标定方法研究

为了检验和测试时间域航空电磁系统的测量精度和有效性,采用地面铺设闭合的异常线圈模拟地下有限导体的方法,将异常线圈的电磁响应理论值与系统实测数据进行拟合分析,来确定系统误差和飞行几何参数误差.在计算异常线圈电磁响应的基础上,研究了衰减曲线、剖面曲线与线圈的电性、几何参数关系,设计了野外测试实验方案.在长春市大鹅岛附近,采用吊车进行了系统测试,测试结果表明:单点实测数据的平均绝对误差为0.48 mV,系统相对误差小于1%,飞行高度误差为0.4 m、水平偏移误差为0.2 m.基于异常线圈进行时间域航空电磁系统的测试和标定,是一种准确、快速、经济可行的方法,具有野外施工便捷、参数调整灵活等特点,适用于任何时间域电磁测量系统的检测.     

广域电磁法接收机数字信号FFT实时实现技术

针对广域电磁法（WFEM）接收机各频组数字信号快速傅里叶变换（FFT）点数不统一、低频组点数大不适合现场可编程门阵列（FPGA）实时实现的技术难题,本文采用插值和抽取相结合的抽样率转换方法,提出了满足广域电磁法接收机要求的等长度FFT变换技术,将各频组FFT变换点数统一变换到1024点,并以广域电磁法接收机实际采集到的电场信号进行了测试,最终在EP2C35F484C8 FPGA芯片上实现了1024点FFT变换,最高响应频率达到了93.84 MHz,完成1024点广域电磁信号FFT运算最快只需34 μs,并且能够有效提取广域电磁信号的振幅和相位信息.结果表明：在对广域电磁法接收机信号进行FIR低通滤波后,能够通过插值和抽取相结合的方法,将各个频组FFT变换的长度统一变换成1024点,实现广域电磁信号的FFT实时变换.本文提出的等长度FFT变换技术能够满足新一代高性能广域电磁法接收机FFT实时变换的需求.