半航空瞬变电磁自适应正则化-阻尼最小二乘算法研究

反演问题一直是地球物理的重点研究问题之一。本文以长导线源半航空瞬变电磁为例,对时间域半航空数据进行一维反演研究。将自适应正则化(ARIA)反演方法和阻尼最小二乘(LM)反演方法相结合,提出一种改进的反演方法:自适应正则化-阻尼最小二乘(ARIA-LM)反演算法。本文选用三层理论模型对比阻尼最小二乘算法、自适应正则化反演算法与本文方法,并使用四层理论地层模型来验证算法的有效性和可靠性。结果表明:该算法在一定程度上对高阻分辨率增强,能有效提高反演的精度及稳定性。     

半航空瞬变电磁一维聚焦反演研究

半航空瞬变电磁法(SATEM)是一种采用地面发射—空中接收的新兴地球物理勘探方法,具有灵活、高效的特点。目前应用于SATEM的反演方法往往基于最大平滑准则,使反演结果较平滑,无法较好地识别具体的层界面信息。本文将聚焦反演理论引入到半航空瞬变电磁一维反演中,通过选择合适的聚焦因子和正则化因子来确定聚焦反演稳定器,然后对包含聚焦反演稳定器反演目标函数进行求解,使得反演结果更能清晰识别层状地层突变的界面。设置多个层状地电模型验证聚焦反演的可靠性,同时与Occam反演结果进行对比,突出了聚焦反演识别界面的优势。对某地区地下水探测的实际数据进行聚焦反演计算,与水文地质资料、测井信息进行综合分析,查明了该区域地下含水层的位置及其空间展布情况,同时验证了半航空瞬变电磁对地下水探测的可行性。     

多辐射场源半航空瞬变电磁法多分量响应特征分析

多辐射场源半航空瞬变电磁法是对电性源半航空瞬变电磁法的发展和补充,具有探测深度大、地形适应性强和工作效率高的优点.基于一维正演理论,本文对平行辐射场源、带角度多辐射场源和单个源模型在空中产生的三分量瞬变响应特征进行分析,结果表明:整体来说z分量瞬变响应曲线形态最为简单,多辐射场源情况下响应增强的特点最明显,最利于数据处理和解释;x分量瞬变响应形态最为复杂,在全场域经常表现出极性反转的变号现象,但晚期信号幅值总是增大;y分量瞬变响应受电流方向和接收点位置的影响最大,曲线形态和响应幅值变化均较为复杂.结合偏移距变化下响应衰减幅度,建议工作区域偏移距控制在辐射源长度的5~6倍内为宜.本文的研究结果可为实际勘查工作的野外施工布置及定性分析提供参考,同时获得了对该方法的初步认识.     

半航空瞬变电磁法正反演算法及岩溶洼地实测数据验证

半航空瞬变电磁法(semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)是一种新型电磁勘探技术,相比较于传统地面瞬变电磁法,勘探工作不受地形条件制约。特别是岩溶地貌地区,由于地形条件复杂,地面勘探工作很难开展。因此这里将SATEM应用于贵州某岩溶地貌地区的储能水电站工程探测。由于SATEM系统独特的工作方式,将会导致信号中噪声成分复杂,单点反演结果可靠性差,而过度的滤波会可能导致关键信息的丢失。据此首先根据岩溶地貌的两个经典构造模型设计了正演模拟,并在正演模拟的响应信号中加入噪声以模拟野外实测信号再反演计算,分析了使用单点正则化阻尼最小二乘反演和横向约束的阻尼最小二乘反演法刻画各模型的能力差异,理论上证明横向约束反演方法的优越性。最后将两种反演方法用于解释某储能水电站勘探的实测数据,反演结果与实际地质资料具有较好地对应,表明了SATEM用于岩溶地貌勘探的是可行的,且效果明显。     

航空瞬变电磁数据一维Occam反演

分析了奥克姆(Occam)反演法的原理和计算方法,并将其应用于时间域航空电磁一维反演中,给出了一种简便的正则化参数搜索方法,对迭代过程进行了改进,大大提高了反演速度,5次迭代约20s。在反演初始模型中,电阻率数据由原始感应电动势数据通过自动迭代法转换而来,深度数据由初始电阻率计算得出。经算例表明,收敛过程中满足拟合差最小的拉格朗日乘子μ值随迭代次数增加而递减;反演过程非常稳定,一般5次迭代至10次迭代就能达到收敛,对低阻层的反演深度和电阻率值都接近真实值,但对高阻层的反演深度和电阻率值误差较大。     

回线源瞬变电磁法一维反演算法

由于传统的阻尼最小二乘法只适合于模型较少的简单模型,因此当介质的层数较多时,反演就会受到多解性的影响,有时甚至出现不收敛的情况,并且反演十分耗时。为此,使用正则化思想引入模型约束进行反演,且正则化因子通过计算每次迭代的数据目标函数和模型目标函数自适应得到,使反演能够稳定地进行;引入拟牛顿法来更新雅可比矩阵,大大缩短反演所需要的时间,通过典型的3层与多层理论模型的反演试算,证明了拟牛顿法自适应正则化反演算法对初始模型的要求不高,拟合效果好,收敛速度快,适应性强,体现了良好的稳定性和可靠性。     

带约束的多辐射场源半航空瞬变电磁一维自适应正则化反演方法

基于多辐射场源半航空瞬变电磁法,研究了一种带约束的适用于垂直分量的一维自适应正则化反演算法.该算法在Occam反演的基础上,采用CMD自适应调节方案改进了拉格朗日乘子的处理方式,利用自然边界条件和模型修正量可行下降方向法对反演过程进行约束,在提高反演过程计算效率的同时,保证反演结果的稳定性和可靠性.层状模型试算结果表明...     

大回线源瞬变电磁一维自适应反演方法及应用

提出了一种适用于大回线源瞬变电磁法框内任意测点垂直Z分量的一维反演方法.该算法采用CMD正则化因子优化方案、光滑度函数和自然边界条件对反演过程进行了约束,减小了初值的依赖度,保证了反演过程的自主性和反演结果的稳定性;在反演过程中,在保证模型残差沿梯度下降的同时,对模型修正量的最大值进行了限制,使反演模型不易陷入局部极小,保证了反演结果全局的收敛性;同时反演的灵敏度矩阵采用牛顿法进行更新,减少了整个反演计算的工作量.最后通过五层的双低阻层模型、双高阻层模型和实测资料证明了该算法可靠.     

地面与半航空瞬变电磁法三维联合反演

瞬变电磁一维反演方法存在耗时长、参数难以调控、过于依赖初始模型等缺陷。为此,提出一种基于Attention机制的卷积−双向长短时记忆神经网络(AC-BiLSTM)瞬变电磁实时反演方法,充分利用时间差,在非观测时间进行模型训练,在观测时间对当下采集数据进行实时反演。整个过程中,以实测数据加入一定比例正演数据作为数据集,以监督学习方式将采样时间−视电阻率作为输入特征,以测井约束的Occam反演结果作为学习目标,基于卷积神经网络和长短期记忆神经网络搭建编码器−解码器模型,并针对数据特性,在解码器部分加入Attention机制对隐藏层输出数据进行重点提取,最后经全连接层获得深度−电阻率数据。研究结果表明：AC-BiLSTM算法能充分挖掘数据时空特性,快速获得符合地层电性特征的电阻率成像结果,在瞬变电磁正演数据集上的预测值与正演模型拟合优度达0.898、均方根误差18.44、平均相对误差0.065,与单一长短期记忆神经网络及Occam方法相比,拟合优度分别提高了0.086、0.176,均方根误差分别减小了2.97、9.32,平均相对误差分别减小了0.012、0.068。通过对V8电法工作站实测瞬变电磁数据的AC-BiLSTM反演,快速实现了研究区地层的精准分层、圈定了煤矿采空区分布范围,获得成果与真实情况一致。研究成果突破了传统反演方法局限性,提高了瞬变电磁数据解释精度及效率。

     

地面回线源瞬变电磁法一维反演系统及其应用

瞬变电磁法现阶段的资料处理解释仍以一维反演为主,因此开发一套功能齐全、高效稳定的一维反演系统对进一步提高国内瞬变电磁法的应用水平仍具有重要意义。本研究开发的地面回线源瞬变电磁法一维反演系统包括了基于高斯牛顿法的最小构造反演和Occam反演,也包括了基于阻尼最小二乘法的横向约束反演和空间约束反演。以内蒙古那仁宝力格煤田玄武岩岩体形态探测为例,将该反演系统的最小构造反演和Occam反演结果与商业软件IX1D进行了对比验证,发现不同反演方法获取的电阻率二维断面图中,玄武岩岩体形态相似、电阻率范围一致;结合钻孔资料,这些一维反演结果清晰反映了玄武岩岩体除岩浆上涌通道区域外的分布形态。将横向约束反演和空间约束反演应用于该实例,结果表明:相邻测点间玄武岩岩体电阻率差异缩小,玄武岩与沉积岩界面的连续性得到增强。     

多辐射场源半航空瞬变电磁法薄层探测能力

多辐射场源半航空瞬变电磁法具有探测深度大、地形适应性强和工作效率高的优点,已逐渐成为当前的研究热点。为了研究其探测能力,本文基于一维正演理论,从多辐射场源布设方式入手,选定典型测点与辐射源组合,通过定义瞬变响应相对异常,分析对比不同模型薄层电阻率、厚度、埋深等参数对薄层探测的影响。结果表明：根据测点位置合理设置发射电流方向可以有针对性地增大采集信号强度,获得形态相对简单的B和dB场响应曲线;与单辐射源相比,多辐射源激励时瞬变响应不仅幅值更大,衰减速度也更快,对大地电阻率的变化更灵敏;B场更适合用于相对异常计算,探讨多辐射场源半航空瞬变电磁法的薄层探测能力,其中x分量的薄层探测能力最强;薄层电阻率与围岩差异越大、厚度越大、埋深越浅,相对异常曲线的幅值越大,薄层越易于分辨;薄层分辨能力与测点位置有关,当测点位于多辐射源内侧时B场各分量相对异常曲线幅值更大,对薄层分辨能力更强。     

航空大地电磁响应特征分析及反演研究

航空大地电磁法以其机动灵活、效率高等优点,适用于在地势崎岖的偏远环境中开展快速普查作业.在航空大地电磁探测中,起伏地形会对倾子响应产生影响,另外由于倾子是无量纲传输函数,只包含电性结构的空间变化信息,而与电阻率的数值水平无关,单独利用倾子数据进行反演时,反演多解性更大.为解决上述问题,首先采用四边形网格模拟地形起伏;其...     

半航空瞬变电磁干扰特征与降噪研究

为了验证多旋翼无人机在半航空瞬变电磁勘探作业中产生的电磁干扰影响,笔者等开展了一系列实验,包括在无人机不同工作状态下进行时频噪声分析,以及研究噪声源与接收点之间距离对噪声水平的影响。实验发现,大疆T20无人机电机转动产生的周期性电磁干扰频段在550~900 Hz,当接收线圈与无人机的距离为10 m时此干扰可被忽略。针对剩余的其他噪声,笔者等提出了基于移动窗口的递归最小二乘法自适应降噪方法。通过降噪实验,验证了该方法能够有效压制干扰,还原出信号的原始特征。将此降噪方法应用于香格里拉安乐铅锌矿实测半航空瞬变电磁信号处理,取得了显著的降噪效果。     

人工神经网络专家系统在瞬变电磁法反演中的应用

目前在瞬变电磁法反演方法中, 人们使用较多的是电磁场反演拟合的方法。但往往存在以下不足:首先这些反演方法理论复杂, 不易掌握;其次它要求工作人员有丰富的工作经验, 缺乏延续性, 很难推广;再次数据处理量大, 计算复杂。本文提出一个基于人工神经网络的专家系统。它避开了具体复杂的电磁场计算, 只要经过适当的学习训练就能够解决复杂的实际问题;而且还具有学习记忆功能, 使得瞬变电磁法的反演工作具有延续性和继承性。随着专家系统的不断完善, 该方法将有广阔的发展前景。      

多辐射场源地空瞬变电磁一维反演方法研究

地空瞬变电磁法融合了地面与航空瞬变电磁的方法原理与观测模式,将发射源置于地表,并利用航空器在空中接收响应信号。因此,地空瞬变电磁法同时具有地面装置大测深、高信噪的优势以及航空装置中采集高效的优势。先有研究偏重于单一辐射源,忽略了多辐射场源在勘探深度与信噪比上的优势。因此需要研究适用于多辐射场源地空装置的数据解释方法。在解决多辐射场源地空瞬变电磁正演问题之后,以Occam反演理论为基础,对多辐射场源地空瞬变电磁一维反演进行研究。首先要构建目标函数,本文通过引入拉格朗日乘子,将数据拟合差及模型粗糙度组合起来进而构建目标函数;其次解决灵敏度矩阵的构建问题。模型计算结果表明本文多辐射场源地空瞬变电磁法一维反演算法的有效性,可为三维反演与精细解释提供良好的基础。通过对典型模型的反演计算,从其理论模型及反演结果的对比可以看出,Occam反演方法可以应用到多辐射场源地空瞬变电磁系统中,为多辐射场源地空瞬变电磁解释增加了新途径。     

考虑关断时间效应的瞬变电磁一维反演

为克服因关断时间校正而带来的误差,尝试直接对包含关断时间效应的瞬变电磁资料进行反演。正演采用将斜阶跃波离散为多个阶跃波之和的方法,反演采用经典的马奎特法。对模型试算的结果表明,采用该方法直接对斜阶跃响应进行反演,结果比较理想,计算速度也可以接受。     

航空瞬变电磁合成孔径成像算法关键技术研究

将等效导电平面快速算法与合成孔径相关叠加技术相结合,实现了航空瞬变电磁快速成像解释算法。为了进一步获得更好的成像效果与更优的分辨率,对合成孔径算法中的关键技术进行了研究。首先给出最佳孔径尺寸的求取方法,并通过多个模型进一步验证孔径尺寸对于成像效果的显著影响;接着利用大量数值模拟结果分析孔径大小与异常体埋深、围岩与异常体电阻率比值等因素之间的关系,总结规律利用数值拟合方法求取其函数表达式,并根据函数表达式直接确定最佳孔径尺寸的大小;最后,利用多个模型示例证实合成孔径成像方法能够有效圈定异常范围、提高横向与纵向的目标分辨率,并且该方法不受海量航空数据的影响,计算速度快、可用于实时成像。以上研究成果进一步提高了航空瞬变电磁法的解释精度,为丰富航空瞬变电磁解释方法、提高勘探效率提供了理论依据。     

频散介质中的瞬变电磁响应特征和反演特性分析

真实大地固有频散特性,较强的频散效应叠加到瞬变电磁响应之中,会给传统的数据处理手段带来困难.目前考虑频散效应的瞬变电磁数据多参数联合反演解释方法,具有显著的多解性和初始模型依赖.为分析这种现象产生的原因,并探究可能的解决途径,这里首先引入Cole-Cole模型,结合数字滤波方法实现了频散介质中瞬变电磁响应的正演,通过与...     

瞬变电磁法低阻薄层反演

瞬变电磁反演方法对瞬变电磁数据解释有极其重要的作用.在实际工程中,由于地下低阻薄层响应较弱,现有的反演方法很难将其分辨出来.文中基于正则化反演理论,提出了一种新的模型约束加权方法,对地层的光滑度施加了周期性大幅变化的权值,通过两次迭代可自适应的反演出低阻薄层区.小权值使模型对电性参数的大尺度变化有较高的敏感性,便于筛选出异常薄层;同时,与小权值交错分布的大权值能尽量保证反演曲线的连续性,降低反演的多解性.通过仿真验证,该方法对低阻薄层区的分辨能力比传统算法更高,对较厚区域低阻区的分辨能力与传统方法类似.该方法迭代稳定,不依赖地层先验信息,具有很高的工程实践性.