频率域航空电磁三维矢量有限元正演模拟

目前有限元技术的开发及在电磁勘查技术中的应用已日趋成熟.然而,有限元正演模拟主要集中于地面和海洋电磁,航空电磁三维有限元模拟尚没有受到足够重视.以前人工作为基础,利用结构化网格实现了航空电磁系统的三维矢量有限元正演模拟.从二次场双旋度矢量非齐次亥姆霍兹方程出发,应用广义变分原理推导出变分方程,并采用六面体单元剖分,将场置于单元棱边上,对每个单元应用线性插值,最后合成含有稀疏矩阵的线性方程组.针对航空电磁多源性问题,利用MUMPS(multifrontal massively parallel sparse direct solver)直接求解器进行求解,在保证精度的前提下大幅度提高计算速度.利用单个异常体模型检验算法的精度和软件的稳定性,进而通过典型地电模型的模拟验证算法的有效性.对不同地下电性结构正演模拟结果进行对比分析,进一步研究了覆盖层和垂直接触带等典型构造对航空电磁响应的影响特征.      

三维大地电磁响应各向异性特征研究

大地电磁法是岩石圈深部结构探测的重要方法之一,现阶段大地电磁的数据处理多是基于电导率各向同性理论,当地下介质存在电导率各向异性时会对解释结果带来较大偏差.因此,发展三维大地电磁各向异性正演算法,并研究各向异性参数对于大地电磁响应的影响有重要意义.这里推导了各向异性介质中二次电磁场的变分方程,并利用三维非结构矢量有限元法...     

各向异性介质中的浅海海洋可控源电磁响应特征

由于受到空气波的影响,浅海海洋可控源电磁数据对海底储油层的反映较弱,如何对浅海数据进行处理和解释一直是海洋电磁理论研究的热点。随着近年来海洋电磁理论的不断完善,浅海数据已经可以被较好地处理与反演,但是其解释水平仍然受基本理论研究不足的制约。针对这一现状,本文开展了海底电各向异性对浅海数据影响规律的研究。具体方法为:利用欧拉旋转建立不同的海底电性各向异性模型,然后采用交错网格有限差分法计算浅海海洋可控源电磁响应,最后通过分析同线情况下电场E_x分量的振幅和相位曲线特征以及海底电场及电流密度分布规律,分析各向异性对浅海海洋可控源电磁响应影响的物理机制,并讨论浅海各向异性情况下海洋电磁对高阻储油层的识别能力。得出的结论为各向异性介质中的浅海海洋电磁响应特征与深海有较大区别,在进行数据的处理、反演和解释时应区别于深海情况。     

时间域航空电磁响应数值模拟的精度分析

分析说明了G-S变换和汉克尔变换的计算精度,当n=12或16时,G-S变换适用范围广且能保证精度;而汉克尔变换计算的相对精度达到10-6数量级;并且基于时间域航空电磁法偶极—偶极装置一维正演算法,在选取不同参数时,对航空电磁响应数值模拟精度进行了分析。结果表明G-S变换n值的选取对计算精度影响相对较大,而汉克尔变换中滤波参数的选取对计算精度影响较小。     

我国频率域航空电磁法仪器系统研制回顾与展望

这里从仪器硬件角度出发,简单回顾了物化探研究所航空电磁法仪器系统的发展历程,介绍了最新的三频航空物探(电/磁)综合测量系统的技术特点,在分析国内外频域航空电磁法仪器发展趋势的基础上,针对三频航电系统,提出了数字化及扩频的技术改造意见。     

频率域航空电磁法地形影响和校正方法

为了研究地形对频率域航空电磁法的影响程度,以及如何有效提取由于地形产生的航空电磁场,笔者利用频率域有限差分法开展了复杂地形条件下的频率域航空电磁响应计算和分析研究。计算结果表明,坡度较陡的地形对频率域航空电磁响应影响较大(尤其在沟谷位置地形影响最大),以至于增加了电磁异常的复杂程度,影响了电磁异常的解释结果。在综合研究的基础上,采用二维和三维的地形校正方法对典型地形地电模型进行校正,有效去除和压制了地形引起的电磁干扰异常,突出了异常体引起的电磁异常,提高了频率域航空电磁的解释效果。     

大地电磁(MT)自适应有限元各向异性正演

电各向异性在自然界中普遍存在,特别是沉积盆地中的部分岩层经过压实变质作用,表现出很强的各向异性导电性,采用基于各向同性模型对实测资料进行正反演解释必然会造成困难甚至结果的错误,只有基于各向异性理论的正反演解释才更为合理准确。本文通过自适应有限元对大地电磁各向异性进行正演计算,分别模拟水平、垂直和倾斜各向异性介质在不同偏转角和主轴电阻率下的响应结果。结果表明：自适应有限元能够在后验误差的控制下得到合理的网格,使计算结果更加接近解析解;在各向异性介质中,大地电磁TE极化模式的视电阻率和阻抗相位与垂直于层面的电阻率无关;二维电各向异性结构中,大地电磁TM极化模式响应结果总是由主轴上的电阻率在y轴方向上的分量所决定。     

频率域航空电磁法数据调平软件设计与实现

FDAEM数据调平处理软件是根据地理信息系统（GIS）原理,采用图形分层、图形动态显示和网格化二级检索,以及面向对象和可视化软件开发等技术,实现了频率域航空电磁法数据的人～机联合一维调平功能。它具有可视化程度高,界面友好和操作简便直观等优点,对提高数据处理效率和观测数据质量,具有较高实用价值。这里简述了软件的功能需求、设计思路,以及采用的关键技术,并对软件的实际应用作了介绍。     

基于磁导率的频率域航空电磁法双频反演方法

以往的频率域航空电磁法数据反演方法中,通常在模型中以真空磁导率代替介质磁导率,忽略了磁性层影响。但在高磁性区域,这样做将会导致计算电阻率值偏高。针对这一问题,首先根据层状介质模型研究了考虑磁导率和电阻率因素条件下的电磁场正演计算方法,并且分析了不同磁性介质对频率域电磁响应的影响规律。在此基础上,提出了磁导率和电阻率的双频反演方法,电阻率是通过2个频率的虚分量之比计算得到的,计算结果更加可靠,提高了磁性区域视电阻率填图的精度。通过对模型计算和实测数据进行反演计算,表明这种方法具有较高的反演精度,为强磁性区域航空电磁法视电阻率填图提了供一种行之有效的反演方法。     

大地电磁三维矢量有限元正演

采用广义变分原理,基于矢量基函数详细推导了大地电磁三维矢量有限元方程。为了提高计算精度和效率,应用直接法强加边界条件改善总体系数矩阵的条件数,同时使用SSOR(symmetric successive over relaxation)预处理的双共轭稳定梯度法求解复对称大型稀疏线性方程组。并利用国际标准模型与相关参考文献的结果进行了对比,验证了算法的准确性。对一个典型的三维低阻体模型进行正演,得到了不同测线的视电阻率和相位断面图,并与二维正演结果进行对比分析。结果表明:在x方向测线上,ρ_(yx)变化幅度较ρ_(xy)小,中心测线上的ρ_(yx)和ρ_(xy)响应均与二维TM模式条件下的响应特征相似。     

频率域航空电磁系统线圈姿态变化影响及校正方法

频率域航空电磁系统线圈姿态变化影响及校正是一项探索性很强的开拓性工作, 目前国内尚无成熟经验可循.吊舱式直升机频率域航空电磁法线圈安装在吊舱内, 探头姿态变化相对较大, 因此姿态校正提高了其数据处理精度, 对提高航空电磁法数据处理水平具有重要意义.为了消除吊舱式直升机频率域航空电磁系统因收发线圈姿态发生变化, 而导致的电磁探头接收地下地质体电磁响应数据产生的误差, 采用三维频率域有限差分方法模拟计算频率域航空电磁系统的电磁响应, 分析了不同频率、不同收发线圈姿态变化类型对水平共面(HCP, 全称horizontal co-plane)和垂直同轴(VCX, 全称vertical coaxial)线圈装置的电磁响应影响.计算结果表明: 垂直同轴线圈装置因姿态角度变化引起的测量误差比值远大于水平共面装置, 而且频率越高, 受探头姿态角度变化的影响越大.垂直同轴装置主要受俯冲姿态变化的影响, 水平共面装置受摇摆和俯冲这2种姿态变化的影响.在此基础上, 根据姿态误差几何校正方法进行了电磁数据校正, 有效地去除了因线圈姿态变化造成的误差响应.      

裂隙各向异性介质2.5维弹性波场数值模拟

研究地震波在各向异性介质中的传播规律是勘探地震学领域的一个重要内容。本文首先讨论了２．５维波动方程，其次，在２．５维空间，用有限元数值模拟方法模拟了裂隙各向异性介质波场，结果用波场切片做了显示。最后对模拟结果做了基本分析，这里讨论的模拟方法也适用于其它类型的得各向异性介。     

移动荷载下瞬态振动的三维移动坐标有限元分析

针对移动荷载引起地基振动问题的特点,在随荷载移动坐标系下建立有限元方程进行分析,能够与常规有限元方法较好地符合。建立了可用于移动坐标有限元法的黏弹性边界,从而有效地模拟波在边界的透射。以Euler-Bernoulli梁模拟轨道和路基的作用,以三维实体单元模拟黏弹性分层地基,得到的数值模拟结果能够与瑞典Ledsgård地区高速铁路实测数据较好地吻合,表明移动坐标有限元法可以有效地分析此类问题。     

固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展

基于国产Y12IV型轻型固定翼飞机平台, 开展了专用飞机改装、大磁矩发射、三分量接收、海量数据实时收录等关键技术攻关, 研制了具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁勘查系统样机; 成功开展了半航空试验试飞, 系统样机功能、性能等达到了世界先进水平。固定翼时间域航空电磁勘查系统研发取得关键进展。     

复杂条件下3D电磁场有限元计算方法

从电磁场的Maxwell方程出发, 根据电磁场的边值问题及变分公式建立了有限元方程组.采用可以模拟较为复杂的空间地质构造和地形起伏的四面体单元离散计算区域; 单元中的插值函数选择了精度较高的十点双二次多项式; 并采用连续的双二次多项式插值函数来模拟计算区域内单元中电导率σ的空间变化.推导出了地下变电导率σ条件下计算三维电磁场的有限元单元方程的解析表达式; 采用伽辽金方法推导出了散度效正有限元方程组.根据所推导的公式, 编制了三维有限元的计算程序.数值计算结果表明, 上述公式推导正确, 为三维电磁场的数值计算提供了一条有效的新途径.      

基于环形扫面测量的三维直流电阻率法任意各向异性模型响应特征

高精度地下任意各向异性介质电性分布特征识别是当前的热门研究课题。本文以国内外前人工作为基础,基于非结构化网格,利用基于梯度恢复的后验误差估计指导网格自适应细化过程,实现了直流电阻率法三维有限元数值模拟。通过与一维模型半解析解的对比,验证了本文算法的有效性。考虑到电各向异性介质在观测中存在视电阻率反常现象,本文采用了环形扫面测量方法。通过对几种典型各向异性模型的模拟分析,得到了相应的各向异性影响规律和识别特征,各向异性主轴电阻率之间的比值大小决定了椭圆型视电阻率极性曲线长轴与短轴的比值大小,主轴电阻率的旋转方向会改变视电阻率极性曲线的形状。本文的算法研究及数值模拟技术可为直流电法数据精细处理和解释提供技术支撑。     

基于边界元法的边坡矢量和稳定分析

矢量和法物理力学意义明确,计算简单,且能根据边坡当前的应力分布状态合理地评价其整体稳定性状态。其中边坡的应力状态通常是采用有限元法来求解。由于边界元法具有研究问题降阶、离散化带来的误差值仅产生在边界以及计算量小等优点,在工程中得到了广泛应用;对于平面问题,以源点作为原点,以所积分单元的切向和法向为坐标轴建立局部坐标系,对于线性单元可以得到所有积分的解析解。因此,可以得到计算区域内部任意点的场变量的解析解,这就保证了位于边界附近区域场变量的精度。利用边界元法得到二维边坡体内连续的应力分布状态,使用矢量和法对该边坡进行稳定性分析,并且与基于有限元的矢量和法、极限平衡法进行对比分析。边坡圆弧滑面和折线滑面的计算结果表明,基于边界元法得到的矢量和安全系数和基于有限元的矢量和法、极限平衡法基本一致;边界元法对应的矢量和安全系数对边界单元尺寸不敏感。     

基于电偶源的体积分方程法三维电磁反演

利用体积分方程对电偶源激发时均匀导电半空间频率域三维电磁场进行正反演计算。计算中参考Eaton等提出的方法将雅可比矩阵分为线性和非线性偏微分项求解,然后利用阻尼最小二乘技术进行最优化迭代拟合。这种反演方法具有更广的适用范围和更高的计算精度,能够准确、稳定地得到较高分辨率的地下三维异常体电阻率分布图像。