海洋可控源电磁勘探中双对称发射波形的优化

海洋可控源电磁勘探(Marine Controlled-Source Electromagnetic,MCSEM)是一门新兴的海洋油气勘探技术.在MCSEM测量中最常采用的发射信号就是方波信号,但方波信号各谐波成分的能量随着奇次谐波次数n的增加严重衰减,这可能使得很多谐波成分在有效传输距离内检测不到.为了有效提高MCSEM信号的信噪比,学者D.Myer对发射波形进行了优化,提出了一种双对称波形.但D.Myer针对双对称波形只是进行了初步的理论分析并没有进行实验验证,本文对双对称波形的实现提出了合理的实验方案,并从中选取了最优波形.     

有源恒压钳位瞬变电磁发射机技术

针对瞬变电磁系统发射机对大电流、短关断延时、高线性度的技术要求,论文提出一种新颖的基于BOOST升压原理的有源恒压钳位瞬变电磁发射机电路,详细论述了恒压钳位原理和电路设计方法,重点分析了发射电流下降沿及上升沿恒压钳位动态过程、电路参数计算以及钳位电压恒定原理.研制完成钳位电压500 V,发射电流峰值50 A,发射波形为双极性方波的瞬变电磁发射机,并通过一系列测试实验进行验证.测试结果表明,在大电流发射及感性负载条件下,论文提出的有源恒压钳位方法成功实现了电流下降沿快速、线性关断,从而有效提高了发射电流波形质量及瞬变电磁系统对地下目标的探测能力.     

基于反卷积提取航空发射电流波形算法研究

时域航空电磁系统(AEM)的发射电流波形,在地面由于散热、电源功率等因素限制,无法直接测量全功率下的大电流波形.本文针对这一问题,提出了通过测量地面异常线圈的小幅值感应电流,建立地面异常线圈感应电流与空中发射线圈的发射电流关系,采用反卷积算法提取发射机电流波形.通过仿真数据和地面实验进行算法验证,将实验测量数据还原的发射机电流和实际发射机电流对比,结果表明感应电流采集装置的传递函数、不同观测位置的测量精度对还原发射波形具有一定影响,当空中发射线圈与地面异常线圈共中心时,产生的感应电流幅值最大,还原出的发射机电流与实际电流波形误差最小.     

单船拖曳可控源电磁数据自适应分频匹配滤波消噪方法

海洋可控源电磁法(MCSEM, Marine Controlled-Source Electromagnetic Method)是一种工业化的主动源海洋电磁勘探方法,近年来在海底油气资源探测中收效显著,通过测量海底地下介质的电阻率变化,能够有效降低地震勘探方法的多解性.MCSEM的工作方式主要有单船拖曳与双船拖曳两类.单船拖曳信号具有强时变特征,近、中、远收发距信号强度变化极大.由于海水环境较为复杂,数据受到洋流、背景场、仪器等多种因素干扰,使得小收发距数据信噪比较高,中、远收发距数据信噪比较低,因此MCSEM数据随机干扰压制方法的研究难点在于适应数据的强时变特征.本文利用发射机数据与接收机数据的时间(空间)和频率对应关系,提出基于正则化条件和衰减函数约束的自适应分频匹配滤波方法.该方法首先通过计算原始接收机数据基频的振幅随偏移距变化(MVO, Magnitude Versus Offset)曲线获取衰减函数,然后利用该衰减函数将发射机所有频点数据进行振幅衰减,减低MCSEM发射机与接收机数据对应振幅的强时变差异,最后利用基于整形正则化条件的自适应匹配滤波方法压制接收机数据中的强振幅随...     

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.     

多通道瞬变电磁m序列全时正演模拟与反演

传统瞬变电磁方法主要用于金属矿勘查,无法满足油气资源高阻目标体的勘探需要.多通道瞬变电磁(MTEM)系统的出现解决了这一问题.该方法采用伪随机序列发射波形和拟地震观测方式,测量同线电场分量,记录全时发射电流及多道观测数据,实现对高阻薄层的高精度探测.鉴于国内对此方法的研究还处于理论探索阶段,尚未进行相应的仿真模拟和数据处理工作,本文针对m序列发射波形多通道瞬变电磁法的全时正演模拟和反演解释进行研究,为国内正在进行的MTEM仪器系统研发及数据解释提供理论指导.我们利用方波响应移位叠加和电流导数与阶跃响应褶积两种方法实现理论m序列和实际发射波形的全时正演模拟;再通过相关辨识技术,削弱噪声影响,计算脉冲响应;最后对积分得到的阶跃响应进行共中心点道集数据联合反演,获取地下电性分布信息.     

MCSEM发射机的远程测控技术研究

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查海底油气和天然气水合物资源的有效方法之一.在MCSEM海洋作业过程中,利用甲板端的监控单元,可以在甲板端对海底发射机进行直观地远程控制和状态监测.监控单元硬件以发射机的通讯模块、万米光电复合缆中的光纤、甲板端控制计算机和光纤转串口的光端机为基础,软件采用图形化的LabVIEW高级编程语言.通过甲板端监控单元,仪器操作人员可建立船上计算机与海底发射机的远程数据通信,从而实现对海底发射机运行状态的实时查看和更改.经过多次海洋实验验证,研发的甲板端监控单元硬件性能稳定、软件界面友好直观,能够很好地满足海洋可控源电磁海上勘探作业的需要.     

控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术

为达到海洋可控源电磁探测和远参考测量的目的,研究控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术,包括发射前与GPS的对钟技术和发射中的同步技术,保证仪器工作的时间和公共的时间基准GPS信号保持精确一致,为后期的数据处理解释提供统一的时间坐标.对钟技术是指,在海洋调查船上完成仪器内部RTC芯片分频所得的秒脉冲信号RTC_PPS与GPS秒脉冲信号PPS时钟沿的同步;同步技术是指,海底工作过程中,仪器在预定的时钟沿将可控源信号精确发射出去.本论文采用CPLD芯片、RTC芯片、GPS模块和AVR单片机来完成对钟和同步模块的设计.     

频率域海洋可控源电磁垂直各向异性三维反演

地层宏观电性各向异性会对可控源电磁响应产生重要影响.由于海底地层电性结构常表现为电导率各向异性,若仅对海洋可控源电磁(MCSEM)数据进行常规各向同性反演,有可能无法获得准确的反演解释结果,从而削弱MCSEM技术的可靠性.本文实现了电导率垂直各向异性(VTI)条件下频率域海洋可控源电磁数据三维反演算法.其中,三维正演采用基于二次场控制方程的交错网格有限体积法,并利用直接矩阵分解技术来求解离散所得的大型线性方程组,有利于快速计算多场源的响应.反演采用具有近似二次收敛性的高斯牛顿算法对目标函数进行最优化.最后,对具有VTI电性各向异性特征的盐丘构造模型的MCSEM合成数据分别进行了电导率各向同性和垂直各向异性三维反演,结果表明:各向同性三维反演算法无法对受VTI介质影响的MCSEM数据进行正确的反演解释,而垂直各向异性三维反演能够获得更为可靠的地下电阻率结构和异常体分布,展现出对海底电性各向异性结构更为优良的反演解释能力.     

提高海洋可控源电磁法信噪比的方法研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)资料解释技术在过去几年时间里飞速发展,但是海底噪声的存在严重影响了海洋可控源电磁资料的解释精度.本文根据国内外文献总结了压制MCSEM噪声的两种方法:时域滤波方法和噪声估计方法.通过对模拟数据的处理,验证了这两种方法在压制噪声中的应用效果.结果表明:时域滤波和噪声估计方法能够较好的压制背景噪声,提高处理结果的信噪比.     

直升机时间域航空电磁多脉冲发射控制技术

针对直升机时间域航空电磁(Helicopter Transient Electromagnetic,HTEM)系统对发射宽频带一次场信号的技术要求,论文提出一种新颖的基于LC谐振原理的桥式组合波形发射机电路,详细论述了多脉冲发射的原理和电路设计方法,重点分析了桥式电路发射半正弦与梯形波过程中能量转化的动态过程和电路参数计算.研制完成发射主脉冲500 A、梯形波50 A的双极性多脉冲组合波样机电路,并通过测试实验验证.测试结果表明:在高感性发射线圈的情况下,论文提出的发射控制方法实现了大磁矩脉冲与陡边沿小磁矩脉冲的组合发射,其中小脉冲边沿线性关断,持续时间可控,提高了HTEM发射系统的探测能力.论文提出的控制方法通过复用同一套发射电路简化了电路结构,提高了稳定性.     

海洋可控源电磁勘探中MT噪声降噪效果评估方法研究

信号去噪是海洋可控源电磁勘探(Marine Controlled-Source Electromagnetic,MCSEM)数据处理过程中的重要环节.在中、远收发距处,大地天然电磁信号(Magneto Telluric,MT)是影响MCSEM反演质量的主要噪声之一.尽管已有学者提出一些MT噪声降噪方法,但由于缺乏降噪效果的量化评价,导致这些方法的有效性亟待验证.针对上述问题,本文将信号和噪声一维正演、噪声降噪处理、电阻率一维反演相结合,提出一种MT噪声降噪效果评估方法.该方法利用电阻率反演结果与电阻率输入值的均方相对误差作为降噪效果的量化评价指标.为提高灵活性,既可以利用正演的手段生成MT噪声,也可以直接输入MCSEM发射机不开机时间段的实测数据作为MT噪声.利用该评估方法,验证了短时窗结合预白化滤波降噪方法的有效性.在所开展的实验中,实测数据的均方相对误差为231%.相比于不进行降噪处理的直接反演结果,均方相对误差减小了126%.本文所研究的评估方法可应用于MT噪声降噪方法有效性的量化评估,也可推广至其他类型噪声降噪效果的量化评估.     

基于瞬时电流脉冲的三维时间域航空电磁全波形正演模拟

传统时间域航空电磁全波形正演模拟主要采用间接法(褶积算法)和直接法(时域有限差分方法等),然而褶积算法需要获得精确的电流二阶导数,这给发射电流数据采集工作带来极大挑战;时域有限差分方法受到网格和时间步长的严格限制,缺乏灵活性.为解决这些问题,本文采用时域有限元方法,通过直接改变每个时间道上的瞬时电流强度模拟任意发射波形的电磁响应.由于无需计算电流二阶导数,大大提高了正演结果的精度.利用基于非结构四面体网格的矢量有限元方法和后推欧拉技术对时间域电场扩散方程进行空间和时间离散,实现三维航空电磁时间域全波形的直接正演模拟.由此不仅可以模拟复杂的地电结构,而且基于后推欧拉法的无条件稳定性,可以更加灵活地选取时间步长,提高计算效率.通过与1D数值模拟结果进行对比验证了该方法的准确性.本文对三维柱状体模型上HELITEM MULTIPULSE和VTEM系统实际发射波形电磁响应进行模拟,并与褶积算法的结果进行比较,验证了本文算法模拟实际发射波形电磁响应的优越性.对复杂三维地质体模型上不同发射波形电磁响应进行模拟,验证了时间域有限元算法可有效处理复杂地下地质结构.     

海底可控源电磁接收机及其水合物勘查应用

海洋可控源电磁法在国外已成为海底天然气水合物调查的有效手段之一.为实现我国海域深水条件下水合物的海洋可控源电磁探测,本文从方法原理出发,采用低功耗嵌入式控制、前端低噪声斩波放大、高精度时间同步和水声通讯等技术,设计并开发了由承压舱、玻璃浮球、采集电路、电场与磁场传感器、姿态测量装置、声学释放器、USBL定位信标、测量臂、水泥块等部件组成的海底可控源电磁接收机,实现了海洋微弱电磁场信号的高精度采集.海底可控源电磁接收机具有高可靠性、低噪声、低功耗和低时漂的特点.利用研制的海底可控源电磁接收机,在琼东南海域进行水合物勘查,采集得到了可靠的人工源电磁场数据.通过数据处理及反演,获得了研究区海底的电阻率模型,结合地震资料,对高阻异常体进行推断解释,其结果为天然气水合物钻探井位布置提供了电性依据.     

强场源TEM测量仪器和在大型矿山接替资源勘探中的应用研究

针对矿山噪声强、要求勘探深度大的特点,应用强场源TEM测量仪器,采用双发射信号同步叠加增大发射磁矩,即通过增大发射电流和合理选择发射回线边长,提高瞬变信号晚延时的信噪比的方式提高有效勘探深度。在安徽铜陵凤凰山铜矿的实际勘探中,采用吉林大学研制的 2个ATEM-Ⅱ型发射机同时工作,将发射电流由 2. 4A增大到 38 .5A,晚延时瞬变信号的信噪比由 0 .275提高到2. 93,有效探测深度达到 650m以上,表明强场源TEM测量仪器在寻找大型矿山接替资源勘探方面具有较好的发展前景     

新型坐底式海洋可控源电磁发射系统及其海试应用

利用拖曳式海洋可控源电磁发射系统在探测埋藏较浅的天然气水合物资源时,会遇到一些新问题.如拖曳式轴向发射偶极源不能贴紧海底,发射偶极源和海底间海水的电磁衰减,使得10 Hz以上的相对高频能量难以导入至海底以下介质;发射偶极源有可能出现水平或垂向摆动;拖曳式发射时,时间窗口内叠加的数据有限;拖曳路线可能与海底构造走向平行,不利于揭示探测目标体的异常形态.新型坐底式发射系统有望解决上述问题.坐底式发射系统的硬件部分包括甲板端供电和监控单元、长距离电力和数据通信单元,以及水下发射机主体.新型坐底式发射系统的发射电极紧贴海底,没有海水层衰减,有利于相对高频的人工源电磁信号经过海底以下介质传输至接收端;通过超短基线信标更容易精确定位发射机拖体,利用姿态方位参考系统确定发射电极的供电方向,可以精确校正电偶源水平偏角的影响;增加单点供电时间,提高接收信号信噪比;提供两对电偶极源,从两个相互垂直的方向对异常体进行人工源激发.2015年海洋试验的结果表明,坐底式与拖曳式发射系统联合作业,可从多角度对海底异常体进行宽频带电磁激发,为数据采集提供丰富的场源信息.     

海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制

海洋天然气水合物资源调查中,电磁法已成为地震勘探最有效的补充手段之一,而我国海洋水合物电磁探测中的拖曳式电场接收机此前是空白.本文从方法原理、仪器设备和海洋试验等方面,对海洋拖曳式水平电偶极-偶极方法进行研讨.建立三维电阻率模型,进行数值模拟,讨论收发距、发射频率、拖曳装置离海底高度等参数与电场异常响应的关系,针对特定模型给出了最佳观测参数以指导仪器硬件设计与海洋测试.在此基础上,采用高级嵌入式计算机的智能化控制、前端低噪声斩波放大、高精度同步采集等技术,研制了由拖体、承压舱、采集电路、低噪声电场传感器等组成的海洋拖曳式水平轴向电场接收机,其系统噪声达到2 nV/√HZ @(1~100Hz).将自主研制的电场接收机用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估,并对海试资料进行了处理与分析.研究结果表明,所研发的仪器达到了设计指标,能够用于海洋天然气水合物调查.     

基于波场重构的早至波波形反演

初至波走时反演难以得到复杂的地下构造,而早至波波形反演在处理远偏移距地震记录时易产生周期跳跃现象,只能利用近偏移距数据进行反演.但近偏移距的早至波所携带的信息较少,难以实现对地下介质的高精度速度建模.为解决上述问题,并充分利用远偏移距的早至波信息,本文提出基于初至波波场重构的早至波反演方法.该方法将早至波波动方程作为惩罚项,加入到传统的全波形反演的目标函数中.新的反演问题转化为一个选择优化问题,可以用变量映射法对该问题进行求解:首先给定初始速度,在早至波波形空间寻找合适的早至波解;在准确重构早至波场之后,利用早至波场与近地表速度的近线性关系,实现对近地表速度场的高精度建模.该方法不包含观测数据的匹配过程,可以更好的处理远偏移距信息并避免周期跳跃.模型测试验证了本文方法的准确性和有效性.     

DEMETER卫星磁场波形数据分析方法初探

为充分利用法国DEMETER地震电磁卫星中心提供的磁场波形数据对地震事件进行分析研究,详细介绍了峰度演化方法,并对峰度演化方法的有效性进行了检验.最后将峰度演化方法应用于汶川地震前后DEMETER卫星所记录到的实际数据.分析研究发现.所采用的方法能够较好的处理DEMETER卫星记录到的磁场波形数据:汶川地震发生之前较长...     

遥测地震仪发射机电路分析及检修

在无线遥测地震仪器中 ,发射机长期使用容易出现输出功率下降、无输出功率、发射频率不准等故障。分析了发射机典型电路——石英晶体主振电路、倍频电路、激励级电路、功率放大级电路的基本原理。排除发射机的故障时 ,先从不同单元电路逐一检查、测试 ,判断故障类型 ,最后进行发射机总调试