发射电流波形对瞬变电磁响应的影响

本文研究了不同发射电流波形对瞬变电磁(TEM)响应的影响,利用自由空间中回线作为目标体,推导出方波、梯形波、半正弦波、三角波激励的响应.研究表明:对于低电导率目标体,同种波形激励的响应在有发射电流期间(on-time)与无发射电流期间(off-time)的幅度相近,四种波形中方波激励响应最强.由于off-time采集可以获得更高的信噪比,因而探测低电导率目标体时一般采用方波激励,采集off-time信号.对于高电导率目标体,off-time响应幅度随电导率增加而迅速下降,而半正弦与三角波激励的on-time响应幅度基本不随电导率变化,因而航空TEM可以采用半正弦与三角波进行on-time采集,并通过适当地提高激励电流的基频,以提高信噪比与空间分辨率.     

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d B /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.     

瞬变电磁横磁场响应特征与探测能力分析

瞬变电磁法是重建地下电阻率等电性结构的重要方法.传统磁性源和电性源瞬变电磁法主要观测横电极化场,横电极化场仅对良导目标敏感,对高阻目标的分辨能力有限.横磁极化场对高阻目标具有较强的分辨能力,但未得到有效利用.双线源瞬变电磁法可以增强观测电场中横磁极化场的占比,但对该方法的响应特征和分辨能力缺乏系统性的研究.为此,本文以双线源为例开展瞬变电磁横磁场响应特征与分辨能力分析.双线源瞬变电磁水平电场的响应强度要小于传统接地导线源,在发射源的中垂线上,层状大地模型的响应为零,观测的水平电场响应只能由地下的三维目标体产生.分别提取双线源和传统接地导线源激发电磁场中的横磁场和横电场,双线源瞬变电磁场中的横磁场占比要大于传统接地导线源,特别是在中晚期,横磁场远大于横电场,横磁场占比得到明显增强.通过均方根差和三维数值模拟的计算,双线源瞬变电磁水平电场显示出相较于传统接地导线源更强的高阻目标分辨能力,特别是在赤道向,水平电场对高阻目标分辨能力的增强效果更加明显.

     

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。     

基于重启多项式Krylov子空间模型降阶的全波形瞬变电磁三维正演

瞬变电磁三维正演在内存占用和求解时间上都是大的挑战.瞬变电磁响应受到发射波形的影响, 正演计算中还需考虑发射波形.基于重启多项式Krylov子空间模型降阶方法, 本文实现了一种新的全波形瞬变电磁三维正演算法.采用规则六面体网格的拟态有限体积方法对全波形控制方程进行空间离散, 引入一阶φ函数推导得到全时段响应的统一表达式, 利用重启多项式Krylov子空间算法求解φ函数表达式, 对于给定的重启子空间维度, 基于残差公式得到满足给定精度的任意时刻的正演响应.该算法内存占用小, 不需要求解大型线性方程组, 内存占用主要由空间离散网格数量和重启子空间维度决定.数值模型正演结果验证了本文算法的有效性.

     

等值反磁通原理瞬变电磁法探测薄层能力

等值反磁通原理瞬变电磁法(OCTEM)的应用日益普遍.为了研究其探测能力,论文基于正演层状模型的瞬变二次磁场时间导数响应,以包含薄层的响应和不包含薄层的背景响应的相对误差作为评价指标,对比分析了不同埋深、不同厚度、不同电阻率薄层以及不同电阻率围岩等情况下的瞬变电磁响应相对异常.结果表明:OCTEM对低阻薄层较对高阻薄层更敏感,薄层与围岩电阻率差异越大,薄层厚度与埋深比越大,越容易被探测到.以响应相对异常值15%作为临界标准探讨了OCTEM方法的探测能力(薄层厚度与可探测埋深的百分比):对于低阻薄层,当与围岩电阻率比值为0.1时,OCTEM探测能力约为1.5%;对于高阻薄层,当与围岩电阻率比值为10时,OCTEM探测能力约为20%.相同情况下常规单磁源瞬变电磁法的探测能力分别为2%和25%,略低于OCTEM对薄层的分辨能力.     

电性源地-井瞬变电磁法全分量响应特性与探测能力分析

结合地面电性源瞬变电磁法（TEM）探测深度大和地-井TEM探测精度高的优点,本文提出对电性源地-井TEM进行研究.基于一维正演理论,本文对电性源在地下激发的六个电磁场分量的扩散、分布特性和探测能力进行分析研究.研究结果表明地下瞬变场各分量的分布特征与地面情况类似,但是对地层的探测能力与地面情况存在较大差别.各分量的探测能力与它们的扩散特性有关,其中受积累电荷作用,垂直电场Ez和水平磁场Ḣx分量对目标层的反映最为明显,Ex和Ḣy分量在地下扩散时受"返回电流"的影响会出现变号现象,使得异常体带来的影响被掩盖,不易被分辨.本文研究结果为发展电性源地-井TEM的施工技术、数据处理与解释,建立了相应的理论基础,获得了对该方法的初步认识.     

考虑发射波形的瞬变电磁三维模型降阶快速正演算法

瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间段的数据进行处理解释,因此可以将正演问题简化为精确模拟考虑发射波形的off-time时间段的响应.

本文实现了一种改进的基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法,能够实现任意发射波形的瞬变电磁off-time时间段的响应的三维快速正演.基于频谱分析理论实现了一种定量化的评价on-time采样波形精度的方法,能够在保证off-time响应精度的同时,极大的减少on-time波形采样点的数量,从而显著的减少正演计算时间.典型的半正弦波、梯形波和复杂的VTEM波的模型的正演结果表明,相比密集采样的正演结果,本文算法在保证off-time响应精度的同时,能够实现5倍以上的正演加速.

     

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.     

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.     

浅水区海浪电磁噪声对大地电磁阻抗估计的影响

在浅水区海洋大地电磁(MT)勘探中, 海浪运动频带范围内(约0.05~0.8 Hz)阻抗估计结果欠佳, 这一直是困扰地球物理工作者的难题.本文基于三层海洋地电模型推导了二维和三维海浪运动感应电磁场(简称海浪感应电磁场)表达式, 分析了海浪感应电磁场的平面波传播特性.借鉴MT场趋肤深度和阻抗的概念, 推导出海浪感应电磁场的趋肤深度和阻抗表达式, 分析了浅水区海浪感应电磁场和MT场趋肤深度和阻抗的差异.在海底介质中, 海浪感应电磁场的衰减速度要比MT场衰减速度大约快2个量级, 因而它无法用于探测海底深部电性结构.海浪感应电磁场阻抗幅值比MT阻抗幅值小2~3个量级.海浪感应电噪声强度约为大地电场强度的10%, 而海浪感应磁噪声比地球变化磁场大1~2个量级, 故海浪感应电噪声对大地电场的影响较小, 但海浪感应磁噪声对地球变化磁场的影响较大.海浪感应电磁阻抗相位在-90°(TE模式)和90°(TM模式)附近, 偏差小于0.06°, 而均匀半空间介质MT阻抗相位为-45°(TE模式)和135°(TM模式).通过引入"复合阻抗"概念, 探讨了海浪感应电磁场对海洋MT阻抗估计结果的影响.     

瞬变电磁法中关断电流的响应计算与校正方法研究

关断电流的存在直接影响仪器的探测能力和数据资料的解释.为了分析和校正这种影响,文中给出了关断时间的计算方法,根据多匝回线源产生的瞬变场理论解析式,计算了线性和半正弦关断电流影响下瞬变场表达式,计算半正弦关断电流产生的瞬变场时将正弦函数进行泰勒展开;分析了关断时间在2μs～100 μs之间两种关断模式产生的瞬变响应.结果显示;同一关断时间下线性关断电流和半正弦关断电流对瞬变场的影响主要表现在"早期",并且随观测时间的增加影响逐渐减弱.同时,关断时间越长,关断效应对瞬变场的影响越向瞬变"晚期"延伸;半正弦关断电流对瞬变场的影响大于线性关断电流.当关断时间为100 μs时,关断电流产生的瞬变场曲线约在0.5 ms之后与理论曲线重合.研究结果为数据处理和仪器开发提供参考.     

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.