补偿向下延拓方法研究及应用

位场向下延拓是重、磁处理和解释的常用方法,但其不稳定性限制了其在资料处理及反演中的应用.本文基于补偿圆滑滤波思想以及空间域向下延拓迭代法,通过逐次补偿的办法实现位场的稳定向下延拓.同时,在频率域空间给出了该下延方法的频率域响应因子,并讨论了其低通滤波特性,理论模型和实际位场资料试验表明该方法向下延拓稳定性具有较高的延拓精度.将其应用于重力密度界面反演中,改进反演的稳定性,实际莫霍界面反演表明下延因子具备实用性.     

补偿向下延拓方法研究及应用

位场向下延拓是重、磁处理和解释的常用方法,但其不稳定性限制了其在资料处理及反演中的应用.本文基于补偿圆滑滤波思想以及空间域向下延拓迭代法,通过逐次补偿的办法实现位场的稳定向下延拓.同时,在频率域空间给出了该下延方法的频率域响应因子,并讨论了其低通滤波特性,理论模型和实际位场资料试验表明该方法向下延拓稳定性具有较高的延拓精度.将其应用于重力密度界面反演中,改进反演的稳定性,实际莫霍界面反演表明下延因子具备实用性.     

位场向下延拓迭代法收敛性分析及稳健向下延拓方法研究

地磁导航作为一种新的无源导航方式,具有重要的国防意义.构建空间地磁数据库是实现地磁导航的基础,位场延拓是解决地磁数据库构建的有效方法.积分-迭代法是一种解决位场大深度向下延拓的实用方法.本文着重对积分-迭代法的收敛性进行了分析,从数学角度证明积分-迭代法能够收敛到直接下延法理论解.同时对积分-迭代法的抗干扰性进行了初步分析,当观测数据含有噪声时,积分-迭代过程中使得噪声得到累加,影响延拓数据的精度.本文利用正则化方法和递增型维纳滤波方法,提出了波数域位场向下延拓新算法.模型检验表明,新算法稳定、抗干扰能力强、计算速度快.     

一种改进的基于导数迭代的磁场向下延拓方法

高精度的地磁场数据库是地磁匹配导航的基础.在构建地磁数据库时,需要将空中的航磁测量数据向下延拓至某一水平面,而向下延拓在数学上具有不适定性,通常利用迭代方法逐次逼近"适定最优解".本文针对导数迭代法在迭代过程中的噪声累积问题,提出一种改进方法,首先利用稳定的向上延拓将观测面和向上延拓、向下延拓同等高度平面上的磁场值联系...     

位场向下延拓的最小曲率方法

针对位场向下延拓的不适定性,我们将位场向下延拓视为向上延拓的反问题,提出以位场最小曲率作为约束条件来求解稳定的下延位场.我们将剖面位场向上延拓表达式用傅里叶矩阵的形式表示,以矩阵乘法形式给出延拓的表达式,同时向待反演的下延位场引入最小曲率约束,得到向下延拓的最小曲率解,并利用正交变换给出了更为简洁的频率域解.随后,利用Kronecker积将上述全部结果拓展至三维位场,给出了三维位场向下延拓的最小曲率解.此外,我们将位场数据的填充、扩充问题与向下延拓问题统筹考虑,提出一种新的向下延拓迭代格式,该算法面向实际资料处理需求、无须预扩充或填补数据.下延迭代时,对原始数据直接向下延拓,而空白部分利用上一次下延位场估计的上延值替代其空白值并对其向下延拓,直至获得最小曲率约束下稳定的向下延拓结果.同时,我们也讨论了利用改进L曲线和广义交叉验证(GCV)计算正则参数最优估计的问题.对理论模型和实际航空重力资料进行了向下延拓检验,处理结果表明位场向下延拓的最小曲率方法解能满足实际位场资料对向下延拓处理的需求,具有较高的下延精度.     

位场迭代法向下延拓的地球物理含义——以可下延异常逐次分离过程为例

根据对位场迭代法向下延拓的研究,提出可下延异常的逐次分离过程,并以此来阐述迭代法向下延拓,揭示迭代法向下延拓的物理实质.同时也可用于说明迭代法向下延拓的收敛以及噪声干扰等问题.     

位场曲化平的插值-迭代法

将起伏曲面B上的位场向下延拓至曲面最低点的平面A的插值-迭代法步骤是：1）将曲面B上的场值放置在水平面A上具有相同水平坐标的点上,作为A上的初值;2）用若干水平面切割B,从A的初值,用快速傅里叶变换法(FFT)向上延拓出这些平面的场值,用插值的方法从这些平面的场值计算曲面B的场值;3）根据B上的实测值与计算值的差值,对A上的值进行加权改正;4）重复步骤2）和3）,直到B上的差值小到可以忽略.这种插值-迭代法具有高的计算速度,比通常的FFT法延拓得更深,可以超过10倍点距.文中给出计算实例.     

位场向下延拓的波数域迭代法及其收敛性

提出了位场向下延拓的波数域迭代法. 对水平面上的位场观测值进行Fourier变换,得到其波谱. 根据第一类Fredholm积分方程的空间域迭代解法,推导出计算向下延拓水平面上位场波谱的波数域迭代公式. 在波数域中进行迭代,一直进行到相继两次迭代近似解的差值最大绝对值小于给定的精度,或迭代达到给定的最大迭代次数. 对这种迭代近似解进行Fourier逆变换,得到向下延拓的位场. 数值计算结果表明：与空间域迭代法比较,这种波数域迭代法简单、快速,并有同样好的向下延拓效果. 本文还证明了这种迭代法是收敛的,并给出了它的收敛特性和滤波特性.     

位场向下延拓三种迭代方法之比较

位场向下延拓在重磁资料解释和用于位场导航的基准数据库构建中发挥着重要作用.本文针对第一类Fredholm积分方程的三种空间域迭代解法:迭代Tikhonov正则化法、Landweber正则化迭代法和积分选代法,基于算子理论和不适定问题的正则化处理方法,首先利用傅里叶变换将空间域迭代法变换到波数域,然后由数学归纳法推导得到这三种迭代法对应的波数域位场向下延拓算子；由Landweber迭代法和积分迭代法在迭代形式上的相似性,探讨了它们在位场向下延拓中的异同及各自优势.模型对比分析表明:(1)两种迭代正则化方法在正则化参数选择合适的条件下,其向下延拓的效果要明显优于积分迭代法,且当收敛到相同误差水平时,迭代Tikhonov正则化法在迭代次数上要远远小于Landweber选代法,但迭代Tikhonov正则化方法存在对正则化参数敏感的问题；(2)从实际应用上讲,由于积分迭代法不存在正则化参数的选择问题,所以该迭代法具有较强的实用性,但需考虑其波数域向下延拓算子时噪声的放大效应.     

位场曲化平积分方程的迭代解

提出了位场曲化平的新方法. 给定观测曲面S上的位场、S对下方水平面P的相对高程,确定P上的位场. 利用由P向上延拓到S的积分式,建立这两个面上位场及相对高程三者所满足的方程,它是第一类Fredholm积分方程. 用Fourier逆变换式把这一空间域积分式化为波数域积分式,再由指数函数的Taylor展开进一步化为级数式. 积分方程的解采用逐次逼近法迭代计算,即用S上的位场观测值作为P上位场的初始迭代值,用导出的级数式求得S上的位场计算值、由S上的位场观测值与计算值之差校正P上的位场,多次迭代,直到满足迭代终止准则. 我们还给出该积分方程的波数域迭代计算方法. 模型算例表明,重力异常曲化平的均方差和磁异常曲化平的均方差分别为0.0008 mGal和0.0019 nT,在主频为2.26 GHz的笔记本电脑运行,2048×2048数据量,计算时间是975 s. 野外磁场实际资料处理也证实这种方法的有效性.     

迭代法与FFT法位场向下延拓效果的比较

将水平观测面上的实测位场值,垂直投影至下部的延拓水平面上,作为该水平面上的位场初始值. 根据该水平面上的初始值,用快速傅里叶变换(FFT)的方法向上延拓计算观测面上的位场值. 用观测面上的实测值与计算值的差值,对延拓面上的位场值进行校正. 如此反复迭代,直至观测面上的实测值与计算值的差值小到可以忽略. 这种空间域的迭代法原理简单,不用解线性代数方程组,有较高的计算速度和良好的延拓效果. 本文用迭代法对模型数据和实际数据进行向下延拓,对比了迭代法与常规的FFT法在位场向下延拓中的效果,迭代法显著优于FFT法.     

重力场向下延拓Milne法

重力场向下延拓能够突出局部和浅部的异常信息,分离叠加的异常特征.但是向下延拓通常具有过程不稳定、下延深度小、结果不准确等问题.针对向下延拓所存在的不足,本文利用重力场及其垂向一阶导数,基于辛普森（Simpson）求积公式,推导出重力场向下延拓米尔尼（Milne）公式.将本文向下延拓方法应用于模型数据,向下延拓模型结果及误差曲线表明,相对于向下延拓快速傅里叶变换（FFT）法和积分迭代法,向下延拓Milne法的深度更大,相对误差更小;相对模型值,向下延拓Milne法能够获得稳定且准确的结果.对加拿大乃查科（Nechako）盆地地区实测航空重力数据进行本文方法向下延拓验证,处理结果表明,相对于实测异常,本文方法向下延拓结果能够很好还原实测数据,并且在进一步向下延拓中反映原始异常的趋势,增强局部和细小异常信息.

     

位场向下延拓的迭代最小二乘法

将位场向下延拓作为一种反问题,结合正则化方法和快速傅里叶算法的优点,本文提出了一种解决位场向下延拓问题的迭代最小二乘法.新方法将位场向下延拓问题转化为最小二秉问题,采用梯度下降法对最小二秉问题进行迭代求解,在迭代过程中,利用快速傅里叶变换方法解决了计算量大的问题.新方法对延拓数据中的噪声具有很好的抑制作用.利用不合噪声...     

位场向下延拓的波数域广义逆算法

位场向下延拓是位场数据处理和反演中的重要运算,但是它的不稳定性影响了它在许多处理和反演方法技术中的应用.本文通过把位场向下延拓视为向上延拓的反问题,得到向下延拓的褶积型线性积分方程,再利用Fourier变换矩阵的正交对称特性,并结合矩阵的奇异值分解和广义逆原理,提出了一种稳定的不需要进行求逆运算的位场向下延拓广义逆方法——波数域广义逆算法,解决了位场大深度向下延拓的不稳定性问题.把这种方法用于三维理论模型数据和实际磁场数据的向下延拓获得了理想的结果.     

A stable iterative downward continuation of potential field data

Downward continuation is a useful tool in the processing of potential field data, which can effectively enhance weak anomalies and identify overlap anomalies, but we all know that the computation of downward continuation is unstable, and easily distorts the true feature of potential field data. Because the computation of upward continuation and horizontal derivatives is stable, we proposed using the combination of upward continuation and horizontal derivative to accomplish the downward continuation of potential field data. The proposed method is demonstrated on synthetic potential field data, and the results show that the proposed method can finish the downward continuation of the data stably and precisely, and the precision of the proposed method is higher than the traditional method. We also apply it to real potential field data, and the results show that the proposed method accomplishes the downward continuation of the real data stably.     

位场向下延拓的法方程Lanczos方法

Lanczos方法是求解对称不定线性方程组的有效方法之一,本文利用Lanczos算法求解位场的向下延拓的方程组,而后利用数值计算检验该算法,发现其延拓结果的均方误差与拟合数据的平均残差范数并非单调递减,并且迭代次数较多的结果是一个不可预测、不确定、随机性的输出.为获稳定近似解,采用Lanczos算法求解与位场向下延拓方程组等价的法方程组,实现了位场向下延拓的法方程Lanczos方法,而后再进行数值计算检验,并将本文提出的位场向下延拓方法与Lanczos方法进行比较,结果表明,位场向下延拓的法方程Lanczos方法是一种抑制噪声能力较强,下延稳定的下延方法,且延拓结果具有均方误差与拟合数据的平均残差范数单调递减的良好特性.     

约束等效源稳定向下延拓方法研究

在等效源向下延拓方法的理论基础上,研究提出加入观测平面以下空间实测数据作为约束的等效源约束向下延拓法,用于二维位场数据向下延拓.与传统的向下延拓方法和等效源法延拓相比,等效源约束向下延拓法抗噪声性强,能延拓出由于延拓深度过大而衰减至难以探测的高频信号,使延拓结果更接近真实值.理论重力模型数据的延拓结果显示该方法有效,延拓结果优于传统波数域迭代法和等效源法.利用等效源约束延拓法对我国某海域水面实测重力值进行向下延拓并与水下实测值进行对比,结果表明该方法延拓结果最接近实测值.本文方法为我国深水油气近海底重磁高精度探测研究提供一定的技术支撑.

     

噪声对磁场向下延拓迭代法的计算误差影响分析

磁场向下延拓可以增强数据的分辨率.在现有的向下延拓方法中,迭代法具有较好的计算效果和较大的向下延拓高度.首先介绍了迭代法的基本原理,分析迭代法的特点;然后利用迭代法对不同噪声水平的模型数据和实测数据进行向下延拓计算,研究噪声对迭代法的计算误差影响.通过延拓结果和实际数据比较分析,客观评价了迭代法的计算精度、可靠性及适应性,对推广应用该方法具有实质性意义.     

位场数据曲化平的迭代法

位场数据曲化平是位场数据处理解释中的重要运算,但是它的计算量和计算的复杂性影响了它在许多处理和解释方法技术中的应用.本文提出一种位场数据曲化平的迭代方法,即通过把位场数据曲化平视为平面位场数据向上延拓的反问题,得到曲化平的线性积分方程,再把曲面上位场数据视为曲面平均高程面上的位场数据,利用向下延拓的波数域广义逆算法把平均高程面上的位场数据向下延拓到设定平面上,再根据曲面和其平均高程面的相对起伏对设定平面上的向下延拓数据进行起伏校正,最后再把所得平面上的位场数据向上延拓得到曲面上的位场数据,并进行迭代.把这种方法用于三维理论模型数据和实际磁场数据的曲化平处理均获得了理想的结果.     

空间域位场延拓新方法研究

在空间域进行位场延拓,需要数值求解第一类Fredholm积分方程,由于所得方程组系数矩阵不是稀疏矩阵,求解该方程组需要的计算机内存大,计算量大,导致延拓算法在一般计算机上难以实现,阻碍了对空间域位场延拓方法的研究.在分析系数矩阵结构特征的基础上,本文证明了方程组系数矩阵是对称的分块Toeplitz型矩阵.利用系数矩阵的对称性和分块Toeplitz型矩阵与向量相乘的快速算法,解决了系数矩阵的存储和计算问题,使得空间域位场延拓成为可能,为研究新的位场延拓方法和分析延拓误差提供了一条新的途径.利用模型数据和实测资料,对空间域位场向上延拓、空间域积分迭代法向下延拓进行了检验,结果证实了空间域位场延拓的可行性和正确性.