瞬变电磁虚拟波场Born近似算法研究

根据瞬变电磁场所满足的扩散方程与波动场所满足的波动方程之间的数学关系,运用扫时波场变换技术,得到稳定的虚拟波场.在虚拟波场的基础上,借用地震勘探中的Born近似逆散射技术实现对电性界面进行成像的目的.在理论推导中,直接从时间域波动方程出发,运用格林定理、引入均匀半空间的Green函数建立散射场关于速度扰动量的表达式;在数值求解中,运用奇异值分解的方法实现对第一类Fredholm积分方程的求解.通过对理论模型的计算以及实例应用,均表明瞬变电磁虚拟波场Born近似算法对地下电性界面具有良好的分辨能力.     

瞬变电磁虚拟波场层状Green函数Born近似成像方法

瞬变电磁虚拟波场Born近似成像是通过Born近似对瞬变电磁虚拟波场方程进行线性化处理, 求取速度扰动量实现成像的方法.Born近似采用半空间Green函数, 在背景速度变化较大时成像分辨率较低.因此, 本文从虚拟波场出发, 建立辐射场与散射场满足的Helmholtz方程, 导出层状介质Green函数表达式, 将其应用于Born近似中, 得到了基于层状介质格林函数的Born近似电导率计算公式和散射场关于速度扰动量的关系式, 最终利用速度扰动量实现成像.通过对理论模型的实验计算, 验证了利用层状模型Green函数的Born近似成像算法, 能够重建地层电阻率分布, 改善Born近似虚拟波动方程逆散射反演的垂向分辨率, 获得较好的成像效果.对甘肃地区的实际资料处理结果表明, 层状介质Green函数的Born近似, 是一个精确度较高、稳定性好、有实际应用价值的成像方法.

     

瞬变电磁虚拟波场的三维曲面延拓成像

根据瞬变电磁场扩散方程与波动方程间存在的数学对应形式,将已知瞬变电磁场数据转换为虚拟波场数据,在此基础上,提出了用克希霍夫积分法将所转换的波场从地面向地下反向延拓的方法.在延拓的数值计算中,为提高计算效率,采用三维边界元技术,把边界积分分解为诸三角单元积分的积分之和, 建立了曲面延拓方程式;通过地面测点的波场值,求出地下某一点的波场值,实现了地表为曲面的向下延拓成像计算.通过对理论模型计算和实际资料处理,证明了该方法可以增强瞬变电磁法识别地下电性分界面的能力,使瞬变电磁法对地下目标体的三维精细探测成为可能.     

瞬变电磁扩散场到虚拟波场的精细积分变换算法

现有的瞬变电磁解释与反演方法主要对电阻率参数进行解释,较难给出准确的地质构造信息.为了能够较多获得地质构造信息,可将瞬变电磁扩散场信号转换为虚拟波场信号,提高瞬变电磁法的分辨率.本文采用精细积分法,实现了瞬变电磁扩散场到虚拟波场的转换.将一个高度病态的线性方程组转换成求积分的过程,大大降低了解决病态问题的难度.积分步长...     

瞬变电磁虚拟波场高分辨成像技术研究

本文提出了从瞬变电磁场到波场的优化算法.目的是通过对现有渡场变换过程进行插值的办法提高波场变换的分辨率,从而为后期数据处理的质量打好坚实的基础.在进行波场反变换的过程中,将正则化算法用于逆变换过程的计算中,通过采用偏差原理和Newton迭代格式选出最优的正则化参数,使得反变换所得到的波场稳定、可靠.解决了积分系数过多而...     

从瞬变电磁场到波场的优化算法

在波场的正变换中,保证瞬变电磁场的计算精度的同时,应用两步最优化算法,成功地控制和减少了积分系数个数和离散数字积分的采样点个数,解决了在波场反变换式中,由于积分系数过多而产生的欠定方程组的问题,同时改善了第一类算子方程的不适定性.在波场反变换中,将正则化算法用于逆变换过程的计算中,通过采用偏差原理和Newton迭代格式选出最优的正则化参数,使得反变换所得到的波场稳定、可靠.通过对数值计算结果与已知波场函数对比,证明了该方法的有效性和实用性.     

多道瞬变电磁法(MTEM)虚拟波场提取技术

多道瞬变电磁法（MTEM）是近年来发展起来的一种新的地球物理勘查技术,其数据采集方式与地震法类似,因此,采用瞬变电磁拟地震解释方法对MTEM数据进行处理解释具有一定的优越性.研究MTEM虚拟波场有效提取方法具有重要意义.在以往奇异值分解法、预条件正则化共轭梯度法两种不同的常规提取方法研究基础上,本文提出采用相关叠加法提取MTEM虚拟波场信息.首先采用预条件正则化共轭梯度法对全时段MTEM数据进行虚拟波场提取,然后采用同种方法对划分的各时间段数据进行虚拟波场提取,最后对全时段提取结果与各个时间段提取结果进行相关性叠加,叠加结果作为最终的提取结果.实测MTEM数据虚拟波场提取结果表明,采用相关叠加法可以得到稳定、光滑的虚拟波场波形曲线,且抗干扰能力强.     

电性源瞬变电磁有限差分偏移成像方法

目前,瞬变电磁数据的主要处理结果是给出地下介质的（视）电阻率信息,较难给出清晰的地质界面信息.本文基于有限差分偏移成像原理,实现了电性源瞬变电磁虚拟波场的偏移成像技术.根据瞬变电磁扩散场与虚拟波场之间的数学关系,本文使用精细积分法对第一类Fredholm积分方程求解,然后消除直达波,得到只含有地层反射波的虚拟波场.在此基础上,本文从时间域波动方程出发,对上行波的一级近似方程反向外推,得到时间-空间域二维与三维的波场递推公式.通过求解地下空间的波场,并使用反褶积方法削弱虚拟波场的波形展宽效应,从而提高对地质界面的纵向分辨率,获得较为准确的地质界面信息.本文分别采用均匀半空间模型、D型模型、HK型模型以及两层含水采空区模型对本文方法进行验证,并对实测数据进行处理,偏移成像的结果与地质资料相吻合,说明瞬变电磁有限差分偏移成像方法在识别电性界面以及地层特征方面具有可行性.

     

二阶Born近似有限频率走时敏感核

有限频率层析成像考虑了非均匀介质中波的散射、衍射、波前愈合等物理性质,使得其对速度异常体的分辨能力远大于射线层析成像.推导和计算有限频率敏感核是进行有限频率层析成像的关键,当前推导有限频率敏感核多借助一阶Born近似,但这只适用于弱散射介质的情况.本文基于二阶Born近似并利用傅里叶变换推导了三维均匀介质情况下有限频率敏感核的解析表达式,并将其推广到非均匀介质中得到了三维非均匀介质中有限频率敏感核.研究表明:当介质中速度扰动小于2%时,基于二阶Born近似的有限频率敏感核与基于一阶Born近似的有限频率敏感核差别很小,可近似认为相同;当介质中速度扰动大于5%时,基于二阶Born近似的有限频率敏感核与基于一阶Born近似的有限频率敏感核有较大不同,表明此时已不能忽略二次散射.     

虚拟波场降速条件下电性源瞬变电磁垂直磁场分量的波场反变换方法

通过波场反变换从瞬变电磁信号中提取虚拟波场是定位电性界面和刻画地下导电目标形态的有效手段.波场反变换过程中, 降低虚拟波场速度有利于改善虚拟波场对电性界面的分辨能力.然而, 波场变换核函数随时间、虚拟时间以及虚拟波场速度变化的动态范围极大, 且随虚拟波场降速而进一步扩大, 造成波场反变换问题高度不适定, 制约了虚拟波场提取的精度和效果.对此, 在虚拟波场降速的条件下, 本文以核函数在无穷区间上积分的解析解为准绳, 通过最优化与数据拟合得到了经验公式, 确定了波场反变换所需的最优积分区间; 在适应采集时间与虚拟波场速度的同时, 最大限度缩短了积分区间长度, 降低了核函数变化的动态范围, 压制了波场反变换方程的病态程度.此外, 通过引入精细积分方法求解波场反变换方程, 提高了波场反变换方程的求解精度.为验证方法的有效性与可靠性, 对正演模拟的电性源瞬变电磁垂直磁场分量及其时间导数分量进行了波场反变换; 结果回代后的拟合数据与正演数据的相对误差小于5%.在所提取的虚拟波场记录中观察到了合理的运动学特征, 如实反映了低阻目标层深度、厚度和二次场观测时间范围的变化.在计算条件相同的前提下, 通过降低虚拟波场速度, 改善了波场反变换的精度和效果.降速后提取的虚拟波场记录对低阻层上下界面的刻画更为清晰.在对实测数据的处理中, 本文的虚拟波场降速、积分区间最优化和精细积分求解方法得到了合理可信的虚拟波场提取结果, 为进一步利用虚拟波场开展低阻目标体成像提供了数据保障.

     

瞬变电磁低频近似Maxwell方程的CPML吸收边界及施加方法

为保证瞬变电磁场晚期信号计算正确, 在时域有限差分正演中通常采用低频近似, 即将磁场散度方程显式的包含在电磁场迭代方程中, 因而H_z的求解方式与H_x、H_y不同, 导致常规CPML吸收边界无法施加.本文重新推导了CPML介质中的迭代方程, 并将其与常规介质中的迭代方程在形式上进行了统一, 提出了一种适用于瞬变电磁低频近似下三维FDTD的CPML边界条件及施加方法.首先采用均匀半空间模型来验证本方法的有效性, 发现模拟结果与解析解吻合较好, 且模拟用时为采用Dirichlet边界FDTD用时的一半; 而且, 反射误差实验验证了本文的CPML边界吸收效率较高.之后, 模拟了典型的三层模型, 发现本方法的模拟结果与线性数字滤波解吻合程度较好.最后采用本方法计算了航空瞬变电磁带地形的复杂模型, 实验证明了本文提出的CPML具有广泛的适用性.

     

从瞬变电磁扩散场到拟地震波场的全时域反变换算法

将瞬变电磁满足的扩散方程转变为波动方程,然后利用地震类成像方法实现瞬变电磁虚拟波场成像,是实现瞬变电磁三维反演的有效手段之一.为了实现由扩散场到虚拟波场的转换,文中采用预条件正则化共轭梯度法求解波场反变换问题.首先,对几种离散方式进行比较,采用条件数最小的离散方式进行离散;然后选择最优的正则化参数,并利用超松弛预条件技术对系数矩阵进行预条件处理;最后,利用共轭梯度法进行迭代求解.超松弛预条件有效降低了系数矩阵的条件数,正则化方法使得反变换得到的波场稳定、可靠,共轭梯度法能够保证计算快速收敛.将反变换结果与已知虚拟波场函数对比,证明算法稳定、可信.将文中算法结果与前人研究结果进行对比,说明方法效果.通过实测数据的波场变换处理给出了文中方法的实际应用效果.结合反变换算法,对不同参数模型进行分析,总结了虚拟波场在色散介质中的传播规律.     

均匀半空间瞬变电磁场直接时域响应数值分析

近源时域电磁场具有信号强、探测深度大和精度高等优点,但传统瞬变电磁场理论中偶极子近似在近源区会引起较大误差,推导瞬变电磁场直接时域解析式是解决这一问题的关键.本文在点电荷微元假设下通过时域格林函数,采用分离变量等方法推导出了上半空间一次有源波动场和反射波的时域解析式和下半空间二次无源波动场的时域解析式,结合均匀半空间瞬变电磁场的边界条件给出了均匀半空间瞬变电磁场的直接时域解析式,进而利用第一型曲线积分,通过沿回线源叠加推导出圆回线源在瞬变电磁场中的直接时域解析式.然后在半空间表面上,与传统的电偶极源假设下的表达式作了比较.数值结果表明两者在远源区的计算结果相差甚微,而近源区则存在很大误差.本文利用真正点元（点电荷）严密推导给出的均匀半空间表面上瞬变电磁场的直接时域解析式适用于全场区探测,克服了偶极子假设下只适用远场区的不足,为瞬变电磁法的进一步发展和实际勘探提供了新的理论基础.

     

井中磁源瞬变电磁响应特征研究

井中瞬变电磁波勘探是一个全空间地球物理场问题.采用Gaver-Stehfest逆拉氏变换方法,正演计算了瞬变信号激励下接收线圈上的电磁场响应.分析了包含井眼泥浆、套管、水泥环和地层的轴对称多层介质模型的电磁场响应特征,考察了各层介质参数对井中瞬变电磁响应的影响.不同电导率井眼泥浆的电磁场响应衰减曲线表明,井眼泥浆电导率的变化对井中瞬变电磁响应的影响极小.不同套管几何参数的电磁响应数值模拟结果显示,套管内径变化对电磁响应有较大影响;在套管厚度变化的端点处,电磁响应存在明显异常.通过对不同套管磁导率电磁响应特征的讨论,认为套管磁导率参数对电磁响应有重要影响,套管相对磁导率越高,电磁波信号越难穿过套管,响应信号幅度越低.最后,对不同水泥环参数的电磁场响应进行了数值模拟,发现对于低导地层,低阻水泥环会产生较大的测量误差;而对高导地层,水泥环厚度参数对响应信号影响可忽略不计.     

基于高性能瞬变电磁辐射源的城市地下空间多分辨成像方法研究

城市地下空间的高精度、多分辨探测是城市地下合理开发的前提.由于城市探测环境的特殊性,需要探测方法具备抗干扰能力强、分辨能力好、分异多尺度地下目标等特性,现有的物探方法难以兼顾城市地下空间的探测需要.本文利用三维矢量有限元方法为正演手段,在瞬变电磁高性能辐射源进行微分脉冲扫描的基础上,对探测数据进行多时窗的扫时波场变换,将微分脉冲扫描后的多分辨响应信息,进行多分辨信息提取.同时通过地震探测中的多次覆盖处理,提高探测场对地下目标的分辨能力,最后对多次叠加后的虚拟波场进行拟地震偏移成像,最终实现城市地下空间的高精度探测.