三维起伏地形条件下航空瞬变电磁响应特征研究

航空瞬变电磁法以其速度快、成本低、通行性好等的优势能够有效的应用于地质地形条件复杂的地区.目前对于航空瞬变电磁法的研究主要基于平坦地形的理想情况,对于地形效应的研究相对较少,然而实际应用中地形不可避免,若忽略地形影响将对资料解释造成较大的误差,从而制约航空电磁方法的进一步发展.本文基于交错网格的时域有限差分方法对三维起伏地形条件下航空瞬变电磁进行正演模拟,在保证算法准确性的前提下给出大量模型算例.以经典地形模型为例,利用所给方法计算三维正演响应,结果显示起伏对于航空瞬变电磁数据有着显著的影响且影响主要集中在早期.而后,以实际地质资料为基础,构建起伏地形条件下包含多个异常体的三维复杂模型,计算了复杂模型的航空瞬变电磁响应,并给出三维全域视电阻率曲线,从而对地形效应的影响有了更加直观的认知.最后,通过大量模型讨论了地形的尺寸参数、电性参数、飞行轨迹与飞行高度等因素变化对于航空瞬变电磁数据的影响情况,并得出有价值的结论.

     

双轴各向异性介质中回线源瞬变电磁三维拟态有限体积正演算法

采用模拟离散的有限体积法实现了双轴各向异性地层回线源瞬变电磁三维正演.首先引入内积定义,采用自然边界条件,将瞬变电磁法的控制方程转化为弱形式表示.将计算区域划分为一系列的控制体积单元,采用交错网格对控制方程进行模拟有限体积空间离散,包括旋度算子离散和空间内积离散.基于斯托克斯定理的旋度积分定义公式实现旋度算子离散.中点平均实现电导率双轴各向异性的空间内积离散,从而得到离散化的控制方程.时间步迭代采用无条件稳定的欧拉后向差分格式.并通过均匀全空间中稳定电流回线源的磁场解析表达式得到回线源初始时刻的电磁场分布.为了同时保证计算精度和效率,本文采用分段等间隔的时间步迭代,利用直接法求解器PARDISO实现其快速求解.最后通过对比层状模型和各向异性半空间模型的正演计算结果,验证了本文算法的计算精度和计算效率;计算三维双轴各向异性模型的正演响应可知,水平方向电导率变化对电磁响应产生显著影响,而垂直方向的电导率变化对电磁响应几乎没有影响.产生这一现象的主要原因是回线源产生的感应电流主要是水平方向的,因此响应主要受到水平方向电导率的影响,垂直方向的电导率影响很小.

     

回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析

目前,瞬变电磁法（TEM）数据基本都是基于各向同性模型进行反演解释,这对于存在明显电性各向异性的勘探区域会产生较大的反演解释误差.为分析电各向异性对回线源瞬变电磁信号的影响方式与程度,本文通过求解离散化的全张量电导率时间域Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的TEM任意各向异性的三维正演算法.该算法采用基于交错网格的拟态有限体积法（MFV）对时域Maxwell方程组进行空间域离散,并利用后退欧拉算法（Backward Euler Method）进行时间域离散.为提高时域电磁场的求解精度与效率,该算法将时间分段等步长算法与方程直接求解法相结合.通过对一维各向异性模型以及三维复杂各向同性模型进行测试,验证了本算法对于回线源瞬变电磁响应计算的正确性及有效性.最后,通过对几类典型电各向异性介质中大回线源瞬变电磁信号响应的分析,总结了不同电各向异性类型对TEM电磁信号的影响模式,结果表明,主轴各向异性情况下TEM信号主要受水平方向电导率的影响,倾斜各向异性对TEM信号的影响程度远大于水平各向异性,而通过水平各向异性信号能较清晰判断出各向异性主轴方向.

     

接地长导线源半航空瞬变电磁三维有限体积正演

基于有限体积法开发了长导线源半航空瞬变电磁三维正演方法.首先将均匀半空间产生的背景场和异常体产生的异常场进行电磁场分离,可获得双旋度方程,后采用有限体积法在控制体积内进行积分,可得到控制方程,对该控制方程采用交错网格离散,时间离散采用后向欧拉离散,离散后形成半航空瞬变电磁三方向离散方程,系数矩阵根据Yee网格尺寸和控制体积尺寸进行计算,根据时频转换可得到接地长导线源半航空瞬变电磁背景场,选用PARDISO直接求解器对方程进行求解,其中迭代时间步长逐渐递增,以降低时间步长对正演效率的制约,任意点电磁场采用对角体积加权平均的方法进行插值.最后,选用均匀半空间模型和层状模型进行精度验证,并采用山峰、山谷、山峰山谷混合三类模型分析了接地长导线源半航空瞬变电磁的响应规律,结果显示开发的程序可用于半航空瞬变电磁勘探,可为半航空瞬变电磁数据解释的发展提供理论指导.     

瞬变电磁三维FDTD正演多分辨网格方法

瞬变电磁三维时域有限差分（FDTD）正演的网格剖分受最小网格尺寸、时间步长、边界条件、目标尺寸、模型尺寸等的影响,结构化网格一直存在最小网格尺寸受限于异常目标尺寸的矛盾;尽管非均匀网格能够在保证模型尺寸的前提下尽可能的降低网格数量,但由于Yee网格结构的限制,非均匀网格不能无限制的扩大单一方向的尺寸,这是为了避免边界网格区域出现长宽比过大的畸形网格,影响计算精度甚至导致结果发散.在非均匀网格剖分的基础上,本文提出了瞬变电磁三维FDTD正演的多尺度网格方法,即首先使用较大尺寸的粗网格进行第一次剖分,然后在希望加密的区域进行二次剖分,使计算域中包含粗、细两套网格.尽管细网格包含在粗网格内部,但其具有Yee网格的全部属性,因而可以在网格中设置不同的电性参数模拟不同形状的目标.基于Maxwell方程组推导了细网格内电场和磁场的迭代公式,基于泰勒展开给出了设置粗、细网格后产生的内部边界条件,使电磁场的传播在粗、细网格和时间步进上得到统一.采用均匀半空间中包含三维低阻异常的经典模型和三维接触带复杂模型进行精度验证,发现多分辨网格方法计算结果满足精度要求.使用"L"型异常模型计算采用多分辨网格方法和不采用多分辨网格的传统FDTD方法对比计算效率,发现多分辨网格算法能够显著提高计算效率,并能够保证计算精度.     

地-井瞬变电磁响应特征数值模拟分析

井中瞬变电磁法(Bore-hole transient electromagnetic method-BHTEM)是指接收线圈在钻井中观测瞬变场响应用以勘查深部矿产资源的勘探方法,其中以地-井(地面激发井中接收)组合方式研究最多、应用最广.本文应用时域有限差分法(FDTD),建立包含薄板导体的均匀半空间二维数学模型,采用线源为激发源,选用Mur吸收边界条件,对矩形回线源在半空间中产生的瞬变电磁场进行数值模拟,计算了低阻板状导体在均质半空间和有低阻覆盖层影响情况下的地-井瞬变电磁异常响应,并对响应的特征及规律进行研究分析,为研究地-井TEM提供参考.     

时域瞬变电磁法三维有限差分正演技术研究

瞬变电磁法应用广泛,三维数值模拟是研究复杂地质模型异常响应规律的重要技术手段之一,也是反演的基础.目前瞬变电磁数值模拟的不足主要有两个方面：第一,场源是在地表水平、浅层介质均匀的条件下计算的,限制了应用范围;第二,地下边界采用Dirichlet边界条件,导致计算空间很大,耗时较长.针对上述问题,在三维正演时,场源采用有限长细导线模型,在Maxwell有源差分方程中直接加入电流密度进行计算.在地表面加入空气层,避免了复杂的向上延拓计算,也可以对地形影响下的响应规律进行分析.在空气边界和地下边界均采用CPML吸收边界条件,并改进了CPML的参数分布,能够吸收空气介质和大地介质中的低频电磁波而反射误差极小,在满足计算精度的条件下可以有效减小节点数量.对循环迭代方法进行优化,将计算域、CPML区域和场源的空间循环统一转化为矩阵方式,加快了计算速度,但是空间消耗增大了约4~5倍.采用三维有限差分正演算法对均匀半空间模型、层状模型和地形模型进行了计算,并与解析解进行了对比验证.

     

航空瞬变电磁法一维正反演研究

优化了航空瞬变电磁法一维正演算法,采用新的汉克尔变换系数,理论上提高了正演的精度.提出了航空瞬变电磁法一维反演算法——模型交替调整反演算法,阐述了该算法的原理和计算方法,编写出反演程序,以已知模型正演响应作为实测数据,对若干典型模型进行了反演计算,取得了较理想的反演效果,与Zohdy法相比,该方法有更高的精度.     

半航空瞬变电磁数据小波降噪方法研究

半航空瞬变电磁法野外勘探时,实测信号易受外界电磁噪声影响,导致后续反演效果不佳.常规降噪方法在处理非平稳性和相关性问题有一定局限性,因此,本文研究优化了Birge-Massart中经验系数α,提出一种基于Birge-Massart阈值策略的小波降噪法.通过正演生成理论含噪数据加入不同噪声,经本文方法降噪后信噪比(SNR...     

三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究

由于海底介质受沉积环境的影响,层理发育呈现明显各向异性特征.对于海洋可控源电磁法各向异性的研究以往主要局限于一维和二维模型,为更深入了解复杂情况下海底各向异性对海洋可控源电磁响应的影响规律,本文开展三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究.采用交错网格有限差分技术,通过对任意各向异性介质电导率张量实行体积和空间电流密度平均,完成海洋可控源电磁二次散射电场的离散化,成功实现任意各向异性介质中海洋可控源电磁正演模拟.通过对几种典型各向异性电性模型条件下海洋电磁电场多分量响应及分布特征和各向同性情况的对比分析,总结电各向异性对海洋电磁响应的影响规律和识别方法.本文算法研究及算例可为海洋可控源电磁数据精细化处理解释提供技术支撑.     

瞬变电磁场有限差分与数字滤波双模型三维正演方法

瞬变电磁场数字滤波算法计算时间短,精度高,但难以实现三维正演计算;有限差分算法可以实现三维正演计算,但计算时间长,当模型网格剖分数量不足时计算精度较低.结合三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法各自优势,提出双模型三维正演方法,可以减少计算时间,提高计算精度.首先,给出了瞬变电磁场三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法.然后,通过理论分析和公式推导,提出了通过三维有限差分正演算法计算异常场,通过一维数字滤波算法计算背景场,然后叠加得到总场的双模型方法,并给出了具体计算公式和流程.最后,建立了经典的Newman均匀介质含低阻长方体模型,以及Commer层状介质含垂直接触带模型,分别采用双模型方法和常规三维有限差分算法进行了正演计算,对计算结果进行了对比分析.结果表明:在相同模型网格数量条件下双模型方法计算精度显著高于常规三维有限差分算法;双模型方法可以通过较少的模型网格数量取得高精度的计算结果,从而可以在保证计算精度的前提下显著提高计算效率.     

复频率参数完全匹配层吸收边界在瞬变电磁法正演中的应用

本文将复频率参数完全匹配层（Complex Frequency Shifted Perfectly Matched Layer,CFS-PML）吸收边界应用到瞬变电磁法（Transient Electromagnetic,TEM）三维正演中,以替代传统的狄利克雷边界条件,使用时域有限差分法（Finite-difference time-domain,FDTD）进行空间离散和时间步进.本文给出了扩散场在CFS-PML内部的平面波解,分析了常规PML在TEM正演中失效的原因,并给出了CFS-PML在TEM正演中参数设置准则.最后分别使用全空间和半空间模型进行有效性检验.全空间检验结果表明,使用CFS-PML的解在我们正演的所有延迟时间内均与理论解吻合得非常好,而使用狄利克雷边界的解可与理论解偏离一个量级以上.半空间检验结果表明,CFS-PML亦明显优于狄利克雷边界,然而CFS-PML对空气中的场吸收甚微,相对误差依然会随着延迟时间缓慢增加,正演时需要根据误差容忍度设计适当的模型.     

时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演研究

各向异性介质模型电性结构复杂,如何进行合理的网格剖分成为获得高精度正演结果的关键,为此本文开展时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演算法研究.通过结合非结构时间域有限元算法和自适应网格优化技术,实现各向异性介质条件下三维时间域航空电磁自适应正演.考虑到时间域航空电磁响应随时间的衰减特性,为了综合评价不同时刻的后验误差,本文将时间作为加权因子,调整各个时刻后验误差的相对权重,进而实现对浅部和深部网格的同步优化.通过与一维解析结果进行对比验证了本文算法的可靠性.数值实验结果显示电导率各向异性对自适应网格影响严重,其最大主轴电导率的数值及其分布特征直接决定了网格加密效果.此外,各向异性对时间域航空电磁三分量响应的分布形态和异常幅值也会产生严重影响,利用全域视电阻率极性图,可以很好地识别各向异性主轴方向.

     

多辐射源地空瞬变电磁响应三维数值模拟研究

地空瞬变电磁法结合地面和航空电磁法的优点,可实现探测深度和工作效率的平衡.当前地空瞬变电磁法采用单一线源激发电磁辐射场,仅能从一个侧面与地质体耦合,难以获得地质体的全息影像.采用多辐射源是解决这一问题的途径.本文采用三维矢量有限元法对两个不同地质体多个辐射源情况下的地空瞬变电磁响应开展了模拟研究,分析了多辐射源在不同辐射方向、不同飞行高度电磁响应的分布特征.研究表明,由多辐射场源作为地空电磁法的发射源,通过分散布设的线源,可以在地下激发与地质体多方位耦合的电磁场,能够获得地下地质体多方位不同高度情况下的耦合信息.同时,多辐射场源能够增强源电磁场的辐射强度,减少单一线源体积效应影响,飞行高度较低时可获得较强的响应幅值,研究结果为多辐射地空瞬变电磁法深部精细探测提供理论依据.

     

三维频域航空电磁法优化模拟方法

为了快速模拟具有较宽频带的三维频域航空电磁响应,本文利用交错网格的有限差分方法,依据麦克斯韦方程组的离散形式推导得出关于空间电场分布的大型稀疏复线性代数方程组,再将方程实虚部分离得到关于实数的大型稀疏线性代数方程组,利用稳定的双共轭梯度法求解方程组.结果表明该方法不仅可以提高方程求解速度,而且保证方程在较低频率下解的收敛性,满足航空电磁法宽频带的要求.然后根据航空电磁法本身特点,提出迭代初值优化和双重网格迭代的方法,该方法可以提高计算速度50%左右.     

瞬变电磁法正反演问题研究进展

对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.     

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.

     

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.     

时间域航空电磁系统瞬变全时响应正演模拟

近年来很多专家学者致力于时间域航空系统正反演的研究.本文针对一维均匀层状介质和三维模型进行正演.不仅计算垂直方向上的电磁响应,还计算了同线方向上的电磁响应,为航空电磁多分量观测提供理论依据.通过比较航空电磁系统的脉冲响应和阶跃响应特征,发现脉冲响应在早期时间存在奇异性,造成计算不稳定.然而,阶跃响应在早期时间没有奇异性,因而利用系统的阶跃响应可得到一种计算时间域航空电磁系统全时响应的稳定算法.该算法具有较高的精度,并很好地保持了磁场强度B和磁感应dB/dt关系的一致性.该算法推广到三维地质体的时间域正演模拟亦取得很好的效果.     

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.