基于瞬变电磁矩变换的快速三维反演方法

瞬变电磁法的严格三维反演计算复杂、占用资源多,在普通计算机上难以实现.本文引入瞬变电磁矩变换的概念,提出一种快速三维反演方法.该方法基于阻性限制（resistive limit）特性,建立包含异常体的三维大地的一阶矩响应正演算法,根据不同约束条件,选择优化的最速下降法实现瞬变电磁快速三维反演.文中通过含异常体的三维大地正演一阶矩与仿真数据一阶矩的对比,验证了快速三维正演算法的有效性,之后在不同约束条件下,利用优化的最速下降法实现了对含噪声的仿真瞬变电磁数据的快速三维反演.结果表明,该方法能够在普通计算机上短时间内较为准确地反演出地下异常体的体积和位置,在瞬变电磁数据的实时解释工作中具有良好的应用前景.     

地面与半航空瞬变电磁法三维联合反演

半航空瞬变电磁法(SATEM)因其具有工作效率高、探测成本低等优势, 成为了一种发展迅速的新兴地球物理探测技术.基于一维反演的SATEM数据处理方法难以满足复杂地质条件下精细解释的需求.同时, 采用单一的探测方式, 存在探测能力有限、反演多解性强等问题.本文开发了适用于地面瞬变电磁法和SATEM的三维反演及联合反演算法.正演采用基于非结构化四面体网格的矢量有限元法, 可以精确模拟地形和复杂地电结构.反演采用具有较高收敛速度的高斯-牛顿法.通过对理论模型分别进行地面瞬变电磁、半航空瞬变电磁单独反演及其联合反演, 验证了反演算法的有效性.通过对比不同装置的单独反演结果, 以及单独反演与联合反演结果, 分析了不同装置的探测能力, 并展示了联合反演可以有效压制反演多解性、提高反演结果分辨率的优势.

     

瞬变电磁数据L-PSO反演方法

本文针对粒子群优化算法(PSO)搜索步长短的问题,提出将Lévy flight搜索策略引入其中.利用Lévy flight兼具短距离搜索与偶尔长距离游走的特点,在不降低PSO算法收敛效率的情况下赋予其大步长游走能力,提高了PSO算法搜索全局最优的能力,极大增加了PSO算法飞出局部最优的概率.最后本文将L-PSO算法应用于实际资料的反演中,结果表明L-PSO算法适用于瞬变电磁法的一维反演.

     

考虑关断时间的地面瞬变电磁三维带地形反演

起伏地形和关断时间对地面瞬变电磁响应影响严重,这给传统基于水平地表模型和理论阶跃波形的瞬变电磁数据解释技术带来很大困难.为此,本文开展考虑起伏地形和关断时间的地面瞬变电磁三维反演算法研究.正演采用基于非结构网格和后退欧拉隐式时间离散格式的时间域有限元算法,快速模拟起伏地表模型瞬变电磁响应.反演采用L-BFGS算法,减少...     

瞬变电磁晚期场资料的一维反演

本文研讨了由垂直磁偶源和水平电偶源所激发的瞬变电磁晚期场的垂直磁场时间偏导数及其视电阻率的性态特征。探讨了其一维反演的某些问题，研制出了对该时间域电磁响应函数的一维实用化反演程序，表明具有较好的使用效果。     

航空瞬变电磁数据光滑拟二维反演

航空瞬变电磁法适用于浅表地层的大面积探测,由于实测数据量巨大,一维反演作为一种快速高效的方法被广泛应用.在层状地电条件下,横向约束反演能有效的改善传统单点阻尼最小二乘反演结果中界面横向不连续的情况,但其存在反演过程依赖初始模型,且在复杂层状情况下迭代不稳定的问题.本文提出一种基于OCCAM反演并在正则化项中引入横向光滑约束的光滑拟二维反演方法,在保持OCCAM方法对初始模型依赖性小优势的同时,也使得相邻测点电性横向连续.在反演过程中采用令满足迭代误差的测点不再参与后续迭代的策略,以此减少不必要的正演和雅可比计算,提高反演效率.通过对三个不同地电情况的理论模拟数据进行光滑拟二维反演,并与其他传统反演方法对比,验证了该方法能有效的提高反演稳定性,得到与理论模型高度吻合的反演结果.     

多道瞬变电磁法共中心点道集数据联合反演

多道瞬变电磁法是目前地面资源勘查领域的研究热点,开展该方法观测数据的一维反演对完成装备研发及技术推广具有积极的推动作用.针对多道瞬变电磁法特殊的源波形和数据采集方式,本文对多道瞬变电磁数据的响应提取和一维反演进行了研究.首先,采用反卷积方法从伪随机二进制序列全波形响应数据中提取大地脉冲响应.为了避免脉冲响应中空气波的干扰,提出采用反向积分算法,把脉冲响应转换成下降沿阶跃响应,并将其整理成共中点道集.最后,为充分利用各个偏移距下的响应数据对不同深度范围目标体的分辨能力,采用基于OCCAM算法的联合反演方法对共中心点道集数据进行联合反演.结果表明在不同目标体深度以及有噪声干扰的情况下,共中心点道集数据联合反演计算均可获得较好的结果.     

基于L1范数的瞬变电磁非线性反演

瞬变电磁反演存在高度的非线性特征,常用的最小二乘等线性反演方法往往对初始模型高度依赖,并且极易陷入局部最优解.本文基于观测数据与模拟数据的L1范数建立目标函数,采用模拟退火非线性全局最优化方法实现瞬变电磁一维反演.初始模型完全随机产生,通过指数函数退温机制模拟系统能量最小实现迭代,通过接收概率函数评价当前模型,实现局部最优解的跳出,最终实现全局最优化求解.通过数值算例发现,无论给定的反演层数等于还是大于设计模型,都可以获得较好的反演效果,因而可以在反演初始就设计较多的层数,实现反演模型的自动拟合;同时,利用含噪声数据反演进一步验证算法的稳定性.最后,对实测数据进行了反演测试,结果与钻孔编录基本一致,表明提出的基于L1范数的模拟退火反演可用于实测数据处理.

     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.

     

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...     

3-D approximate inversion for transient electromagnetic soundings

IntroductionThe issues of forward and inverse interpretation for homogeneous half space models and layered models of the Earth have well been solved in trAnsient electromagnetic sounding (TEM), butinterpreting data from more complicated 2-D or 3-D models are difficult because their responsefunctions are complicated and expensive to calculate. For the sake of simplification, based on thetheories of smoke ring (Nabighian, 1979), we regard current lines in the Earth induced by transmitting sou…     

时间域瞬变电磁法中心方式全程视电阻率的数值计算

给出了一种时间域瞬变电磁法视电阻率的数值计算方法，利用该方法可以容易地求出中心方式的全程视电阻率. 根据中心方式磁场垂直分量时间变化率Bz/T的核函数Y′(Z)的表现特征，以参数Z把整个瞬变过程分为早期阶段（Z>1.6）、早期到晚期的转折点（Z=1.6）和晚期阶段（Z<1.6）. 首先分别得到早期视电阻率和晚期视电阻率的精确值，然后通过转折点构成一条完整的全程视电阻率曲线. 虽然磁场垂直分量Bz的核函数Y(Z)是参数Z的单值函数，但同样存在一个从早期到晚期的转折点Z=1.6，转换点两边仍然可以得到一条早期曲线和一条晚期曲线. 在数值计算中，当迭代步长ΔZ<0.005Z时，视电阻率的相对误差小于0.5髎. 理论模型和实际数据计算表明，与早期和晚期近似值比较，全程视电阻率具有更高的精度和分辨率.     

瞬变电磁法在场地勘探中的研究及应用

本文利用等效代换的方法建立计算瞬变电磁响应的概念及方法,通过视电阻率的计算,进行实测剖面的二维电阻率成像,并利用该成像技术进行场地勘探,获得良好的效果。     

三维井间电磁场的正反演计算

The method of modified local nonlinear iteration （MLNI） for volume integral equations is introduced and used to calculate forward and inverse problems of 3 D cross hole electromagnetic fields. The large scale scatters are divided into two kinds, the near region scatters and the far region scatters, whose locations and sizes are determined by the position of the field point. The influence of near region scatters is computed by the method of local nonlinear approximation, while that of the far region scatters is treated as external exciting source and is calculated reiteratively. The method has the advantages, such as faster calculating speed, less computer memory requirements and more efficient convergency. The nonlinear inversion algorithm based on MLNI is applied to inversion problems which can concentrate the imaging region to a particular range instead of whole 3 D domain. Since the algorithm considers the effect of the nonlinear term in each element of the Jacobi matrix, it is more accurate and stable in comparison with the convenitional iterative Born inversion method. The double cell decomposition method is applied during the first rough imaging process considering the limitation of the information and computer memory, then the imaging range is reduced and the second more accurate imaging process can be carried out. Numerical results indicate that MLNI is an efficient method to compute the scattering fields of large scale scatters and that the application of the method to inversion can give high resolution 3 D cross hole conductivity images.     

三维井间电磁场的正反演计算

提出了一种计算体积分方程的方法－改进型局域非线性迭代（MLNI），并用其对三维井间电磁场进行反演计算，该方法将井间大尺度散射体分为近场和远场区域两部分，它们的位置和尺寸均随场点位置的变化而改变，采用局域非线性近似计算近场区域的影响，将远场区域的影响作为外部激励源，采用迭代方法计算，该方法具有计算速度快，所需内存量少，收敛性好的优点，在反演中采用基于MLNI的非线性反演方法，利用这种方法可以将成像区域集中于一定范围内而不是整个三维空间，该反演方法由于考虑到了雅可比矩阵元素的非线性项，因而与传统的Born迭代反演方法相比更为精确和稳定，考虑到信息量和计算机内存的限制，第1次成像采用双重体元分割法进行较粗略的成像，然后缩小成像范围进行第2次较精确的成像，数值计算结果表明，MLNI是一种有效的计算井间大尺度异常体散射场的方法，将该方法用于反演过程能够得到较高分辨率的三维井间电导率图像。     

多层电磁波测井反演

针对轴对称二维非均匀介质地层,以两接收线圈的相位差和幅度比为附加条件,建立了反演地层介电常数和电导率的电磁波测井反演数学模型．针对反问题的不适定性,利用正则化方法建立了反演的选代法．为克服层位较多时整体反演在存贮量、计算量等方面的问题,考虑了一种每次反演一个目的层的多层反演方案,并针对6层和10层模型进行了数值模拟．模拟结果表明,以相位差和幅度比为测井响应来反演介质电性参数是可行的,并适合于薄层解释,但对多层模型不能采用整体反演．     

多层电磁波测井反演

针对轴对称二维非均匀介质地层,以两接收线圈的相位差和幅度比为附加条件,建立了反演地层介电常数和电导率的电磁波测井反演数学模型．针对反问题的不适定性,利用正则化方法建立了反演的选代法．为克服层位较多时整体反演在存贮量、计算量等方面的问题,考虑了一种每次反演一个目的层的多层反演方案,并针对6层和10层模型进行了数值模拟．模拟结果表明,以相位差和幅度比为测井响应来反演介质电性参数是可行的,并适合于薄层解释,但对多层模型不能采用整体反演．     

地壳三维构造反演和速度层析成像

本文给出利用空间深地震测深反射资料重建地壳三维构造和速度分布的方法，适用于任意分层并且每层可由若干断块组成的地壳模型。通过采用适当的反演方法获得地壳界面的三维构造，并在此结果基础之上，进一步将剩余走时残差归因于地壳速度的不均匀性，采用东分块的反演方法，重建地壳三维速度分布，数值模拟的结果表明算法是有效的。     

水平电偶源频率测深中全区视电阻率定义的新方法

从电磁场的统一性出发,分析了水平电偶源频率测深中等效电阻率的算法原理和具体定义．分析表明,等效电阻率可明显地改善波区视电阻率在非波区场的畸变,较为形象、直观地反映出地电断面的电性变化．数值计算、三维模型计算和实际数据处理表明,等效电阻率具有良好的特性和应用前景．     

水平多层大地上垂直磁偶极频率测深的全波视电阻率

本文根据视电阻率定义的原则,以及用不同的场量定义的视电阻率效果不同这一事实,提出一种新的全波视电阻率定义.在全区同时用均匀大地上电磁场的三个分量来分区定义祝电阻率.在远区视电阻率由磁场的水平分量求出,在近区由磁场的垂直分量或其实分量定义,而在过渡区则由电场的水平分量确定.用这种方法定义的视电阻率为电磁响应的单值函数,它随频率变化的曲线显著改善,能直观地反映地层电阻率随深度的变化,数值比较接近地层的真电阻率值,假极值效应明显压低.在计算中用切比雪夫多项式分段拟合均匀大地电磁响应的反函数,并给出一套系数,由此算出的视电阻率误差小于1％.