磁性条件下频率域航空电磁正演计算和成像研究

频率域航空电磁响应计算中,如何计算积分方程是频率域航空电磁法正演计算的难点,本文把电磁响应计算公式分解成汉克尔变换式和普通积分或者超几何函数的两项之和,然后分析核函数中反射系数的衰减规律,通过对比线性滤波算法和直接数值积分法的积分效果,选择了120点线性滤波算法计算汉克尔变换,采用高密度方法在确保计算精度的条件下显著提高了频率域航空电磁响应计算效率.针对强磁性区域频率域航空电磁法反演问题,在传统相位矢量图只包含电阻率和飞行高度两个参数的基础上,添加了磁导率的计算,绘制了包含磁导率、电阻率、飞机飞行高度三个参数的三维相位矢量图,计算结果表明,三维相位矢量图插值可以用于简单的一维模型,反演速度快、效率高,有助于提高磁性区域地下目标体的探测准确率,对于强磁性区域航空电磁法视电阻率填图是一种行之有效的勘探方法.     

航空瞬变电磁法对地下典型目标体的探测能力研究

航空电磁法的探测能力受飞行高度、发射波形、发射磁矩和发射基频等因素的影响,致使不同分量间的勘探能力存在差异.航空电磁如对所有磁场和磁感应分量、on-和off-time数据进行观测和解释,不仅数据量大、耗时长,而且出现大量冗余数据.目前国内针对此问题尚无系统解决方法.本文针对吊舱式直升机航空电磁系统,采用积分方程法求解频率域响应,经汉克尔变换转换到时间域,计算了地下三维目标体的B和dB/dt时间域响应.利用异常体响应与背景场响应作比值,并通过设定响应阀值定义最大勘探深度,进而分析不同发射波形、不同分量以及on-和off-time期间的航空电磁系统的探测能力.基于本文分析手段,可根据实际勘探目标,确定一套探测能力较强的航空电磁最佳参数组合,为野外测量和数据处理提供技术指导,高效完成勘探任务.     

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%.     

频率域航空电磁法一维正演与探测深度

计算了偶极一偶极方式均匀半空间的频率域航空电磁响应及层状模型的相对异常响应,阐明了大地电导率、磁化系数,以及飞机飞行高度、探测装置、收发距对电磁响应的影响,计算结果说明了频率域航空电磁法的探测能力和探测条件．分析了三层模型的相对异常响应,给出了基于层状模型确定探测深度的方法．在水平共面方式下,收发距8m,飞行高度30m时,在3～4ppm噪声水平条件下,100Ωm大地探测深度为120m．     

频率域航空电磁法-维正演与探测深度

计算了偶极-偶极方式均匀半空间的频率域航空电磁响应及层状模型的相对异常响应,阐明了大地电导率、磁化系数,以及飞机飞行高度、探测装置、收发距对电磁响应的影响,计算结果说明了频率域航空电磁法的探测能力和探测条件.分析了三层模型的相对异常响应,给出了基于层状模型确定探测深度的方法.在水平共面方式下,收发距8 m,飞行高度30 m时,在3～4 ppm噪声水平条件下,100 Ωm大地探测深度为120 m.     

导电导磁层状介质上的固定翼航空瞬变电磁响应

基于电磁理论,导出了含介电参数、电导率参数和磁导率参数的导电导磁层状大地条件下的固定翼航空瞬变电磁响应的计算公式.编制了计算机程序,并对理论模型进行正演计算,根据计算结果分析了模型的介电常数、电阻率和磁导率参数、飞行高度参数对响应的影响.理论模型的计算结果显示当其它条件相同时,介质电阻率越小或磁导率越大,则航空电磁响应...     

时间域航空电磁数据的反演

本文用广义逆矩阵理论讨论了时间域航空电磁数据的反演方法.以水平二层大地和球体模型为例进行了计算,结果表明这种方法对时间域电磁数据的反演是行之有效的.对于理论数据,一般仅需迭代数次即可稳定地收敛到真值.通过奇异值分析,可以确定一个模型中的相对重要参数和无关紧要参数;对于求解某一特定参数,可确定哪些数据起决定性的作用.由奇异值分解而得出的信息密度矩阵、模型分辨矩阵,分别给出了模型响应拟合数据和模型参数分辨率的度量.这些信息对于时间域航空电磁系统的设计、野外测量和资料解释都具有重要的参考价值.最后给出了实例.     

时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演研究

各向异性介质模型电性结构复杂,如何进行合理的网格剖分成为获得高精度正演结果的关键,为此本文开展时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演算法研究.通过结合非结构时间域有限元算法和自适应网格优化技术,实现各向异性介质条件下三维时间域航空电磁自适应正演.考虑到时间域航空电磁响应随时间的衰减特性,为了综合评价不同时刻的后验误差,本文将时间作为加权因子,调整各个时刻后验误差的相对权重,进而实现对浅部和深部网格的同步优化.通过与一维解析结果进行对比验证了本文算法的可靠性.数值实验结果显示电导率各向异性对自适应网格影响严重,其最大主轴电导率的数值及其分布特征直接决定了网格加密效果.此外,各向异性对时间域航空电磁三分量响应的分布形态和异常幅值也会产生严重影响,利用全域视电阻率极性图,可以很好地识别各向异性主轴方向.     

基于全区视电阻率的线源FCSEM二维正演模拟

频率域可控源电磁是在大地电磁测深的基础上发展起来的一种人工源电磁测深法,其二维电磁响应的计算须采用数值模拟方法.本文以Matlab为程序编译工具,采用双二次插值的有限单元法,推导出相应的计算公式.为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下设计了非均匀网格剖分.在程序编制中,只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间.针对频率域可控源电磁法中卡尼亚电阻率在过渡区和近区畸变的问题,给出了全区视电阻率的迭代公式,并对典型的一维层状模型以及简单二维模型进行了计算.过渡区和近区数据经过校正后,可以正确反映出模型的地电特征,证明了线源下近区勘探的可能性.     

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.     

飞行高度同时反演的固定翼航空瞬变电磁-维反演

航空电磁测量记录中,不仅感生电动势测量数据有观测误差,而且高度计测量数据也有误差,直接进行常规反演往往导致反演结果不可靠,研究飞行高度数据有误差下的反演算法具有实际意义.本文以层状模型的固定翼时间域航空电磁多分量理论响应数据为例,提出了两种针对飞行高度计记录数据有误差时的正则化反演算法,一个是自适应正则化反演方法,另一...     

多通道瞬变电磁法频率域比值算法及视电阻率计算研究

视电阻率在电磁法勘探中起重要作用,可以作为初步解释结果,多通道瞬变电磁法通过大地脉冲响应的峰值时刻定义视电阻率.鉴于传统方法计算峰值时刻视电阻率需要恢复完整大地脉冲响应,本文通过研究大地脉冲响应及其频谱特征,提出一种新的频率域比值法.利用参考谱及其与一般谱的伸缩因子计算一般谱的峰值时刻,进而得到视电阻率.该方法只需大地脉冲响应单个频点幅度谱,从而不用估计整个大地脉冲响应.实际计算时,可以用大地脉冲响应多个频点幅度谱得到平均视电阻率.模拟数据与实测数据结果表明,在一维介质中,频率域比值法可以得到合理的视电阻率.     

瞬变电磁法的探测深度问题

用解析分析、时域有限差分、时-频分析的方法,以地面中心回线装置和阶跃脉冲激励源为例,分析讨论了瞬变电磁测深法的勘探深度问题,以便为野外勘探工作设计提供依据,达到预期的探测目的.解析计算证实了瞬变场在地下以有限速度传播,数值模拟表示出了准静态条件下瞬变场的反射.研究结果表明,由于时间域电磁场遵循因果律,瞬变电磁法的探测深度主要由观测时间决定. 瞬变电磁场的初始传播速度与大地电阻率无关,继后在大地色散作用下,阶跃脉冲前沿逐渐变得平缓,各频率分量的传播速度与电阻率有关,在低阻地层中探测同样的深度需要较长的观测时间. 最大探测深度是在给定时间内电磁波往返地下某一深度的单程距离,最小探测深度受仪器性能的限制,但是埋藏较浅的异常体也有可能在晚时段被观测到.从时-频密度谱中可得到瞬变电磁场信号时间与频率的关系.     

编码电磁测深

利用逆重复M序列伪随机信号良好的自相关特性,提出相关检测地电传输特性的编码电磁勘探法.分析了编码电磁测深原理及参数提取方法.同时记录发送电流信号和多收发距电磁场响应,对源信号和场信号进行相关运算,解卷积分离接收系统响应后可得到大地的频率特性或时间特性,以此实现地电断面的精细探测.在时间域,大地冲激响应和阶跃响应含有丰富的地电信息.通过冲激响应的峰值时间或阶跃响应的晚期渐近值可估计地电阻率分布.基于层状模型的大地冲激响应和阶跃响应正演计算结果表明,编码电磁测深法对大埋深薄层目标体有精细的分辨能力.可应用于能源、矿产资源、水资源、环境地质及工程地质勘察,有良好的应用前景.     

Laterally constrained inversion of helicopter-borne frequency-domain electromagnetic data

Helicopter-borne frequency-domain electromagnetic (HEM) surveys are used for fast high-resolution, three-dimensional resistivity mapping. Standard interpretation tools are often based on layered earth inversion procedures which, in general, explain the HEM data sufficiently. As a HEM system is moved while measuring, noise on the data is a common problem. Generally, noisy data will be smoothed prior to inversion using appropriate low-pass filters and consequently information may be lost.For the first time the laterally constrained inversion (LCI) technique has been applied to HEM data combined with the automatic generation of dynamic starting models. The latter is important because it takes the penetration depth of the electromagnetic fields, which can heavily vary in survey areas with different geological settings, into account. The LCI technique, which has been applied to diverse airborne and ground geophysical data sets, has proven to be able to improve the HEM inversion results of layered earth structures. Although single-site 1-D inversion is generally faster and — in case of strong lateral resistivity variations — more flexible, LCI produces resistivity — depth sections which are nearly identical to those derived from noise-free data.The LCI results are compared with standard single-site Marquardt–Levenberg inversion procedures on the basis of synthetic data as well as field data. The model chosen for the generation of synthetic data represents a layered earth structure having an inhomogeneous top layer in order to study the influence of shallow resistivity variations on the resolution of deep horizontal conductors in one-dimensional inversion results. The field data example comprises a wide resistivity range in a sedimentary as well as hard-rock environment.If a sufficient resistivity contrast between air and subsurface exists, the LCI technique is also very useful in correcting for incorrect system altitude measurements by using the altitude as a constrained inversion parameter.     

海底油气藏地质模型的冲激响应

海洋可控源电磁法(mCSEM)的时间域冲激响应特征可以反映海底油气高阻薄层.本文计算了水平电偶极子源均匀大地半空间,海洋均匀双半空间和海洋四层模型的阶跃响应和冲激响应,提出了瞬变冲激时刻的概念.分析了水平电偶源瞬变冲激时刻与介质电导率的指示关系.对于海底油气高阻薄层宜采用多偏移距同时测量方式,由于在低电导率介质中电磁能量传播得要快,在适当的收发距瞬变冲激时刻会提前到达,提出的瞬变冲激时刻道间变化量可以明确指示高阻薄层的存在及埋深.文中还分析了海水深度对瞬变冲激时刻的影响.由于“天波”干扰,瞬变冲激响应受到一定收发距观测的限制.消除 “天波”影响是时间域和频率域mCSEM数据处理的研究热点.     

全波形时间域航空电磁响应三维有限差分数值计算

全波形时域航空电磁测量具有解释精度高、分辨率高等优点,已成为新一代时域航空电磁探测发展的趋势.为此,本文基于无源有限差分法,将发射电流离散为若干梯形脉冲元,将脉冲元在时间上产生的电磁场转换为空间初始场,在差分迭代过程中分时引入差分方程,逐步将有源有限差分方程转换为无源有限差分方程,最终实现了发射电流为任意波形时,全波形时间域航空电磁响应的三维数值计算.计算结果表明:在梯形波发射时,对于典型地电模型的航空时间域电磁响应,计算稳定时间大于10 ms;与积分方程法相比,发射线圈中心点二次场响应平均误差小于1%.任意源三维全波形数值计算的实现为全波形三维反演和仪器设计奠定了基础.     

时间域航空电磁系统瞬变全时响应正演模拟

近年来很多专家学者致力于时间域航空系统正反演的研究.本文针对一维均匀层状介质和三维模型进行正演.不仅计算垂直方向上的电磁响应,还计算了同线方向上的电磁响应,为航空电磁多分量观测提供理论依据.通过比较航空电磁系统的脉冲响应和阶跃响应特征,发现脉冲响应在早期时间存在奇异性,造成计算不稳定.然而,阶跃响应在早期时间没有奇异性,因而利用系统的阶跃响应可得到一种计算时间域航空电磁系统全时响应的稳定算法.该算法具有较高的精度,并很好地保持了磁场强度B和磁感应dB/dt关系的一致性.该算法推广到三维地质体的时间域正演模拟亦取得很好的效果.     

Asymptotic Expansions for the Calculation of the Transient Electromagnetic Fields Induced by a Vertical Magnetic Dipole Source Above a Conductive Halfspace

We have derived asymptotic expansions that can be used to estimate the impulse response of a conductive halfspace when excited by an airborne electromagnetic system. Two expressions are required to calculate the response, one is applicable in the late-time regime and a second is used for the early-time regime. Fortunately, there is a small overlap in the late- and early-time regimes. Asymptotic expansions are commonly used for interpreting ground EM data, but our expressions are the first ones applicable to the airborne situation. The expansions are simple to program, can be calculated extremely rapidly and will be useful for understanding and interpreting airborne electromagnetic data. As an example of the use of the expressions, we have calculated the response of seawater and compared this with the airborne electromagnetic response measured off the coast of Perth, Western Australia.