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.     

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.     

瞬变电磁法正反演问题研究进展

对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.     

浅层瞬变电磁法在城市道路地下病害检测中的应用

为解决当前城市道路地下病害快速而有效的探测,尝试将浅层瞬变电磁法引入到城市道路地下病害检测工作中.本文首先阐述了瞬变电磁法的基本原理,介绍了浅层瞬变电磁仪及其工作装置,并简要地分析了基于"烟圈"理论的一维快速反演解释,最后结合试验和工程实例,探讨了浅层瞬变电磁法在城市道路地下病害检测中的应用效果.实例表明,浅层瞬变电磁法在城市道路地下病害检测中效果较好.     

考虑关断时间的地面瞬变电磁三维带地形反演

起伏地形和关断时间对地面瞬变电磁响应影响严重,这给传统基于水平地表模型和理论阶跃波形的瞬变电磁数据解释技术带来很大困难.为此,本文开展考虑起伏地形和关断时间的地面瞬变电磁三维反演算法研究.正演采用基于非结构网格和后退欧拉隐式时间离散格式的时间域有限元算法,快速模拟起伏地表模型瞬变电磁响应.反演采用L-BFGS算法,减少每次反演迭代的计算量.针对发射线圈随地表起伏变化的特点,利用基于偶极子离散的场源处理技术模拟发射源的实际形状,采用瞬时电流脉冲技术实现考虑关断时间的地面瞬变电磁三维正演模拟.我们首先将本文开发的三维反演算法应用于理论模型的反演计算中,检验本文算法的可靠性,并分析地形和关断时间对反演结果的影响特征.在此基础上,进一步将本文算法应用于实测数据反演,验证本文算法的实用性.     

地面瞬变电磁法一维烟圈反演技术研究

本文首先进行了瞬变电磁一维正演理论研究,推导出了回线源在均匀水平层状介质中的电磁响应计算公式,采用快速汉克尔变换和正、余弦变换的数值滤波算法以及G-S逆拉普拉斯算法计算了垂向感应电压.区别于传统一维反演一般基于晚期视电阻率,利用二分查找法和平移算法计算得到了全区视电阻率,在全区视电阻率的基础上,根据蒋邦远提出的烟圈反演方法进行了地面瞬变电磁法一维烟圈反演技术研究,最后对理论数据及实测数据进行了一维反演解释,证明了这种烟圈反演技术有助于提高实际反演解释工作的准确性.     

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.     

浅海底瞬变电磁法接收天线频率特性研究 ——带宽对浅层分辨的影响

运用电路理论建立接收线圈的等效电路；分析接收线圈的频率特性；探讨多匝小线圈的带宽对探测效果的影响，线圈的谐振频率较高，截止频率也相应较高，可以提高地下浅层的分辨率；设计一种高带宽多匝接收小线圈，通过对比高、低带宽接收线圈对同一断层进行的实测结果，阐明了接收线圈带宽在浅层瞬变电磁探测中的重要性.实验表明，高带宽的接收线圈会提高探测结果的浅层分辨率.     

不规则回线瞬变电磁法一维烟圈反演研究

瞬变电磁法中最常用矩形或圆形回线,但有时由于地形限制,只能使用不规则回线发射和接收.如果仍用现有的常规回线理论进行处理解释,得到的结果会存在很大的偏差.本文首先进行了不规则回线瞬变电磁法一维正演理论研究,基于电偶极子源的频率域响应公式,通过沿回线积分和时频转换,推导出不规则回线源在水平层状介质中的时间域响应公式.采用欧拉算法、高斯积分和快速汉克尔变换,计算不规则回线内任意一点处的磁场响应.利用改进的二分搜索法计算全区视电阻率,并在此基础上利用烟圈法反演电阻率和深度.通过四个典型地电模型的正反演计算,表明烟圈法反演能够有效反映地电模型的大致形态,可以用于不规则回线瞬变电磁数据的快速反演解释.     

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.     

瞬变电磁虚拟波场成像方法及其对未爆弹探测的试验研究

未爆弹严重威胁人类的安全,瞬变电磁是一种对其有效的探测方法.探讨了瞬变电磁波场变换理论,实现了对瞬变电磁信号中波场特性的提取,提出了基于虚拟波场波形特征的速度分析反演成像方法,计算了三维数值模型和水槽物理模拟数据的反演结果,取得了良好的成像效果.结合未爆弹探测的工程实例,对瞬变电磁虚拟波场反演成像方法的实用性和有效性进行了验证.研究表明:瞬变电磁虚拟波场反演成像方法能够解决微小低阻异常体精确定位的难题.     

基于二次场方法的并行三维大地电磁正反演研究

快速且高精度的三维大地电磁法正反演是目前研究的热点.由于大地电磁法场源的平面波特性,以往的正演方法大多采用直接求解总场的方法,在边界强加二维边界条件.本文提出了一种基于二次场方法的三维大地电磁法正演算法,将平面波在层状背景模型中的响应作为场源项,得到二次场满足的偏微分方程,并利用交错网格有限差分法求取二次场.与其他学者的基于总场方法的结果的对比证明了本文采用方法的正确性.在基于二次场的正演算法基础上,实现了基于L-BFGS的三维反演方法,并对公开的数据集进行了反演.另外,针对大地电磁法的多频率观测特性,采用了基于MPI的分频并行策略对程序进行并行化,可达到接近线性的加速比.     

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.     

瞬变电磁法深度探测正演模拟研究

针对当前瞬变电磁法探测能力有限的问题,利用一次磁场理论公式,分析相同磁矩下、不同发射线圈一次磁场分布及衰减规律,从而确定其信号深度影响范围;对水平层状介质相同磁矩下、不同发射线圈的二次场进行数值模拟,采用Guptasarma和Singh滤波算法及余弦变换法,利用均匀半空间解析公式进行验证,并对不同正演模型结果进行分析,总结发射磁矩决定探测深度大小。对磁矩相同条件下产生的结果数据进行拟合,得出有效探测深度与线圈边长2倍相当的结论,可为野外矿井生产与工程勘探提供施工布置与定量解释的指导依据,从而提高野外工作效率。     

多孔径瞬变电磁场物理模拟

为了提高瞬变电磁法对地探测精度,提出了一种新颖的瞬变电磁装置一多孔径发射装置,并进行了多孔径瞬变电磁场物理模拟观测.分别使用四孔径发射装置和常规回线发射装置,进行不同收一发距情况下的一次场观测,并对铜板在不同埋藏深度情况下的二次响应进行观测,通过比较两种不同装置下的响应曲线和计算观测数据误差,最终发现使用四孔径发射装置可使一次场强度提高34%,可使二次场强度提高31%.结论表明,多孔径发射源可以改变电磁场的空间分布,认为瞬变电磁场存在类相干现象.研究成果对提高瞬变电磁的探测精度具有很重要的意义.     

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.     

基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法（英文）

本文、首先,提出了一种基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法。对于正演,先计算磁偶极子源激发的全空间初始场,然后使用改进的DuFort-Frankel方法和交错网格对麦克斯韦方程组进行时间步进。对于反演,采用基于L2范数的模型正则化方法和最小二乘最优化方法。其次,通过模型算例和现场实例对三维反演方法进行了测试。在模型算例中,低阻三维块体得到了较好的恢复。在现场实例中,三维反演结果与实际地质情况一致。模型算例和现场实例都表明,提出的基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法是可靠的。     

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.     

瞬变电磁法探测浅海掩埋未爆物的三维仿真研究

浅海掩埋的未爆物对近岸海洋环境保护、资源开发、工程建设及人民生活等将造成极大隐患,准确探测、识别并清除这些未爆物对于人类社会发展具有重要的现实意义.本文基于中心回线装置瞬变电磁方法,采用时间域矢量有限单元方法对浅海三维瞬变电磁响应进行了正演模拟,设计多个典型三维模型算例考察浅海瞬变电磁响应特征.不同浅海三维地电模型的仿真结果显示目标电磁响应幅值明显、异常清晰,与模型设计一致.本文研究成果初步验证了瞬变电磁方法探测浅海掩埋未爆物的可行性,对于海洋工程勘察与军事防备提供了有价值的理论依据.     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.