CN104237956A - 电性源瞬变电磁地空探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电性源瞬变电磁地空探测方法，包括：采用接地长导线作为发射源，利用直升机或者无人机搭载接收线圈进行数据采集；采用全域视电阻率方法对观测数据进行处理，完成对深部地质目标的定性解释，获得地质目标的产状、走向、规模等概况信息；采用瞬变电磁波场变换方法、三维偏移成像技术及逆逆合成孔径方法对地空数据进行解释处理，完成对深部目标体的精细探测，获得深部地质结构的深度、形状、电性结构等详细信息。本发明能够实现快速、大规模的电磁探测，能够对深部地质目标体进行详细勘查，能够获得深层地质目标体的准确、详细的地质信息。

Description

电性源瞬变电磁地空探测方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域，特别是涉及了瞬变电磁探测方法与解释技术。 

背景技术

随着国民经济的飞速发展，矿产资源消耗和需求进入了持续高增长阶段，供需矛盾日趋严重。东部平原地区利于勘探，开发时间较早，由于长期的开发，资源枯竭的问题已经显现，矿产资源供给不足已成为制约我国经济发展的瓶颈。为了保持国民经济的快速发展，迫切需要寻找矿产资源供给的接替区和资源战略储备基地。首先，青藏高原横跨全球三大成矿域中的古亚洲和特提斯-喜马拉雅两大成矿域。尤其是特提斯-喜马拉雅成矿域自中生带以来，经历了多岛弧碰撞造山演化历程。在喜马拉雅隆升阶段，受印度板块向北持续俯冲的影响，在青藏高原形成了沿雅鲁藏布江一带分布的冈底斯火山-岩浆岩带，伴随着大规模的成矿作用，是最有找矿潜力的地区。其次，我国拥有漫长的海岸线和广阔的浅海，浅海矿产资源主要是石油与天然气和各类滨海砂矿，最近还发现一种极富发展前景的天然气水合物可燃冰。青藏高原地区和海洋大陆架由于其丰富的矿产资源优势，必将成为我国矿产资源供给的接替区和资源战略储备基地。面对青藏高原地形复杂、高差悬殊、气象多变等特殊的自然条件，目前仅完成了大比例的基础地质调查，详细的地质勘查还属空白。海洋条件恶劣，在海上作业，海面的风浪袭击，并在工作船航行过程中还有遇到暗礁的危险，在这样恶劣的环境中，船体在海水中不停地颠簸起伏，仪器装置的海底投放和回收都极其困难，和陆地想象的完全不同，甚至甲板上实验人员的安全也受到威胁，实验过程如果没有很好地计划和组织，很难顺利完成。为了克服上述种种困难，迫切需要我们提出合适的工作方式以及新的解释方法以适应这些地区的详细地质勘探。 

航空电磁法(Airborne Electromagnetic Method简称AEM)，是航空物探常用的测量方法之一。AEM具有速度快、成本低、通行性好、可大面积覆盖、可用于海域等优势，尤其是在运积层或植被发育的覆盖地区，它更具有一般勘探手段不可比拟的优势，因此可以用于高原海洋等地的勘察。但是航空瞬变电磁发射源受飞行器载重限制，使得航空瞬变电磁发射磁矩有限，因此航空瞬变电磁的探测 深度受限。目前应用较多的是地面中心回线方式瞬变电磁法装置，由于这种装置简单，易于解释，得到广泛的应用。当边长较大时(大于300米)，为了提高工作效率可以采用大定源装置进行测量，但是大定源解释方法较中心回线复杂，目前已经提出了一些大定源瞬变电磁的数据解释方法。目前使用的仪器如V-5、V8、GDP-32、ROTEM、SIROTEM、PEM等大多采用地面大回线装置形式。电性源瞬变电磁法利用接地点电极通以脉冲电流而在地下建立起一次脉冲磁场。最早于60年代初发展起来的是该方法的远区工作方式，即长偏移距离法LOTEM(Long Offset Transient EM)，俄罗斯称其为固定源建场法，工作时间属于波区，即收发距离大于4倍勘探目的层的深度，实现探测n×10²-n×10³m的深层勘探。瞬变曲线响应简单，与频率域方法基本上相似。时间域地空电磁法(time domain ground airborne electromagnetic method)是融合地面TEM与航空TEM优势的一种新型勘探方法，通常将发射系统放置于地面，并铺设几公里的长接地导线或大定源回线源，然后将接收系统、传感器安装在直升机、无人机或飞艇上进行飞行测量.此方法不仅具有航空TEM的空间分辨率高、野外布线方便快捷、探测高效等优势，还具有地面TEM的大发射磁矩、信噪比高、勘探深度大的优势，是深部矿产资源快速勘查的重要技术手段. 

最早的半航空系统出现在上世纪70年代初期，名为TURAIR系统。它属于频率域电磁系统，采用两个分开的接收机确定振幅比和相位差。进入90年代，半航空瞬时电磁系统FLAIRTEM系统和TerraAir系统先后问世。1997年12月，Fugro公司用TerraAir系统进行了实验，将其与航空TEM系统(GEOTEM)和地面TEM系统(PROTEM37)进行实测对比。 

国外从上世纪90年代初开始研究地空电磁勘探技术，Tohru，将基于直升机的地空电磁探测系统成功应用于mount bandai火山结构勘查；Hisatoshi等成功应用直升机地空电磁系统探测到了800m深处的地下水资源.我国地空电磁探测研究起步较晚，吉林大学的研究人员于2009年开始研究地空电磁探测方法，由于直升机勘探费用高、飞行员及飞机在飞行过程中存在风险，所以，研究小组研发了基于无人飞艇的地空电磁勘探系统.基于飞艇的地空电磁勘探方法不仅可以解决直升机航空飞行勘探困难的问题，而且适用于地形复杂的山区资源探测，在我国深部矿产资源探测和地质普查应用中具有广阔的发展前景. 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供电性源瞬变电磁地空探测方法及解释技术，能够对深部地质目标体进行探测，并获得深层地质目标体的详细地质信息。 

为了解决上述问题，本发明公开了长导线源瞬变电磁地空探测方法，包括： 

采用长导线源瞬变电磁地空探测方法，对深部地质目标体进行探测，获得瞬变电磁的观测数据； 

采用多点数据合成的方法对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息； 

采用瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息。 

优选的，所述深部地质目标体的信息为深部地质目标体的位置信息、大小信息或形状信息。 

优选的，所述采用长导线源瞬变电磁地空探测方法，对深部地质目标体进行探测，获得瞬变电磁的观测数据的步骤，包括： 

通过地面长导线源AB向空中发射电磁场； 

在高度范围为50-150米的空中设置观测点，对深部地质目标体进行探测，采集数据，获得瞬变电磁的观测数据； 

其中，所述对深部地质目标体进行探测，获得瞬变电磁的观测数据的过程是通过长导线源地空探测的工作装置来完成的。 

优选的，所述地面长导线源AB的长度为3-5千米；所述地面长导线源AB的发射功率不小于100千瓦。 

优选的，所述采用多点数据合成的方法对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息的步骤，包括： 

对瞬变电磁的观测数据，采用逆合成孔径雷达算法的方式，进行相关加权叠加，获得瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体； 

对瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体，进行克希霍夫偏移成像，获得深层地质目标体的数字图像； 

对所述深层地质目标体的数字图像，进行数字图像的分析，获得深部地质 目标体的信息。 

优选的，所述对瞬变电磁的观测数据，采用逆合成孔径雷达算法的方式，进行相关叠加，获得瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体的步骤，包括： 

设计半空间中赋存高阻块状异常体的三维模型，获得半空间中赋存高阻块状异常体的三维模型； 

设计半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型，获得半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型； 

依据半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型及半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型，采用逆合成孔径雷达算法的方式，对瞬变电磁的观测数据进行波场变换，获得瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体。 

优选的，所述对瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体，进行克希霍夫偏移成像，获得深层地质目标体的数字图像的步骤，包括： 

采用三维边界元方式，对瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体，进行克希霍夫偏移成像，获得深层地质目标体的数字图像。 

优选的，所述采用瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息的步骤，包括： 

采用数据插值的方式，获得瞬变电磁的观测数据的虚拟速度数据体的数据量； 

采用速度建模的方式，获得瞬变电磁的观测数据的连续速度分析体成像图像； 

通过上述瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息。 

优选的，所述采用数据插值的方式，获得瞬变电磁的观测数据的虚拟速度数据体的数据量的步骤，包括： 

采用全局距离加权插值的方式，对散乱数据进行分析，获得瞬变电磁的观测数据的最初虚拟速度数据体的数据量； 

采用近点线性插值的方式，对领域对角线的数据进行分析，获得瞬变电磁 的观测数据的精细虚拟速度数据体的数据量。 

优选的，所述采用速度建模的方式，获得瞬变电磁的观测数据的连续速度分析体成像图像的步骤，包括： 

采用射线方法，对瞬变电磁的观测数据进行速度建模，获得瞬变电磁的观测数据的连续速度分析体成像图像； 

采用波动分析方法，对瞬变电磁的观测数据进行速度建模，获得瞬变电磁观测数据的连续速度分析体成像图像； 

其中，所述波动分析方法为深度聚焦分析方法及剩余曲率分析方法。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

首先，本发明提供了长导线源瞬变电磁地空探测方法，是一种新型的瞬变电磁测深法，能够对深层地质目标体进行准确勘探，从而获得深层地质目标体的准确、详细的地质信息。 

其次，本发明提供的长导线源瞬变电磁地空探测方法，相对于地面瞬变电磁系统而言，具有方便、高效的优势。尤其是在测量条件较为复杂的地区，如地势起伏的山区，方便、高效的优势更加明显。 

再者，本发明提供的长导线源瞬变电磁地空探测方法，相对于航空瞬变电磁系统而言，具有信噪比更高、空间分辨率更好的优势。 

另外，本发明提供的长导线源瞬变电磁地空探测方法，随着导体埋藏加深，地面TEM系统的晚期信噪比优势将减弱，而本发明所提供的方法，可以克服随着导体埋藏加深，地面TEM系统的晚期信噪比优势将减弱的缺陷。 

总之，本发明提供了长导线源瞬变电磁地空探测方法，是一种新型的瞬变电磁测深法。 

附图说明

图1是本发明长导线源瞬变电磁地空探测方法实施例的流程图； 

图2是本发明实施例中瞬变电磁法原理示意图； 

图3是本发明实施例中瞬变电磁法工作机理示意图； 

图4是本发明实施例中长导线源地空探测方法工作原理示意图； 

图5是本发明实施例中长导线源地空探测方法工作装置示意图； 

图6是本发明实施例中地井及井中瞬变电磁法的工作装置示意图； 

图7是本发明实施例中航空瞬变电磁法的工作装置示意图； 

图8是本发明实施例中瞬变电磁烟圈示意图； 

图9是本发明实施例中观测曲线额波场转换示意图； 

图10是本发明实施例中虚拟子波断面对比示意图； 

图11是本发明实施例中子波宽度压缩前后对比示意图； 

图12是本发明实施例中逆合成孔径示意图； 

图13是本发明实施例中模型三维示意图； 

图14是本发明实施例中模型计算结果示意图； 

图15是本发明实施例中速度模型迭代算法的示意图； 

图16是本发明实施例中三维波场速度成像效果示意图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明的核心构思之一在于，发明提供了长导线源瞬变电磁地空探测方法，是一种新型的瞬变电磁测深法，能够对深层地质目标体进行准确勘探，从而获得深层地质目标体的准确、详细的地质信息。 

参照图1，示出了本发明长导线源瞬变电磁地空探测方法实施例的流程图，具体可以包括： 

步骤101、采用长导线源瞬变电磁地空探测方法，对深部地质目标体进行探测，获得瞬变电磁的观测数据。 

本发明采用长导线源地空探测方法工作装置形式，对深部地质目标体进行探测，获得观测数据。 

参照图2，示出了本发明实施例中瞬变电磁法原理示意图。 

瞬变电磁场法(Transient Electromagnetic Field，简称TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。它是利用阶跃形波电磁 脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法。 

从图2中，可以看出：电磁场感应涡流程产生的过程及发射信号与接收信号的关系。 

参照图3，示出了本发明实施例中瞬变电磁法工作机理示意图。 

瞬变电磁法是利用接地电极或者不接地回线通以脉冲电流，在地下建立起一次脉冲磁场，在一次磁场间隙期间，利用探测线圈观测二次涡流场，根据观测信号来判断地下介质电性变化情况。 

从图3中，可以看出： 

图3A为发送方波电流信号的示意图，图3A可以清晰地说明发送方波电流信号情况； 

图3B为发送电流在大地中建立的磁场，即一次场的示意图，图3B可以清晰地说明发送电流在大地中建立的磁场，即一次场的电流信号情况。 

图3C为一次场消失后，接收线圈的自感信号的示意图，图3C可以清晰地说明一次场消失后，接收线圈的自感信号情况。 

瞬变电磁场法的研究工作主要包括地面探测瞬变电磁法、地井及井中瞬变电磁法及航空瞬变电磁法三个代表性装置形式。 

所述对深部地质目标体进行探测，获得瞬变电磁的观测数据的过程是通过长导线源地空探测的工作装置来完成的。 

所述深部地质目标体的信息为深部地质目标体的位置信息、大小信息或形状信息。 

在本发明的一种优选实施例中，所述步骤101，具体可以包括： 

子步骤111、通过地面长导线源AB向空中发射电磁场； 

子步骤121、在高度范围为50-80米的空中设置观测点，对深部地质目标体进行探测，采集数据，获得瞬变电磁的观测数据； 

其中，所述对深部地质目标体进行探测，获得瞬变电磁的观测数据的过程是通过长导线源地空探测的工作装置来完成的。 

参照图4，示出了本发明实施例中长导线源地空探测方法工作原理示意图。 

从图4中，可以看出：本发明长导线源地空探测方法的工作原理。 

参照图5，示出了本发明实施例中长导线源地空探测方法工作装置示意图。 

从图5中，可以看出：本发明长导线源地空探测方法的工作装置设计与以往不同。 

所述地面长导线源AB的长度为3-5千米； 

所述地面长导线源AB的发射功率为30千瓦。 

对本发明长导线源地空探测方法工作装置做说明如下： 

(1)AB为地面长导线源，测量在空中。 

(2)航线与AB平行。 

(3)发射AB的长度3-5KM，发射功率30KW-50KW。 

(4)观测点在空中；可以是无人机、直升机等搭载接收装置进行测量；飞机高度50米-100米。 

参照图6，示出了本发明实施例中地井及井中瞬变电磁法的工作装置示意图。 

从图6中，可以看出：地井及井中瞬变电磁法的工作装置的布置情况。 

井中TEM方法探测的地质目的在于探测分布于钻孔附近的深部导电矿体，并获得矿体形态，产状及位置等信息。发送回线通常布置地面，接收线圈(探头)沿钻孔井轴逐点移动观测磁场分量的微分参量。也可以把发送回线和接收回线同时放在井中，两个线圈按照一定的排列方式，沿井壁逐点移动进行观测。当勘查区有彼此相靠近的多个钻孔条件下，一般只敷设一个大发送回线，从不同钻孔中观测到的异常变化规律可获得地下隐伏导体的位置等方面的信息。在仅有单个钻孔的情况下，需要在地面敷设发送回线，根据Tx位于不同方位上所观测到的异常变化规律再去反演有关参数。也可以把发送线圈和接收线圈同时都发置在井壁内，进行偶极形式观测。 

参照图7，示出了本发明实施例中航空瞬变电磁法的工作装置示意图。 

从图7中，可以看出：航空电磁法的工作装置的布置情况。 

发射线圈和接收线圈都在空中。航空TEM系统的发送线圈安装于机身，接受线圈及前置放大器安装在吊舱之中，吊舱用电缆拖拽在飞机的后下部，即：发射和接收装置都在空中。飞行高度一般为150m。航空TEM方法主要应用于大面积范围内快速普查良导电矿体及地质填图，在我国开展不多。 

步骤102、采用多点数据合成的方法对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息。 

在本发明的一种优选实施例中，所述步骤102，具体可以包括： 

子步骤112、对瞬变电磁的观测数据，采用逆合成孔径雷达算法的方式，进行相关加权叠加，获得瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体。 

在本发明的另一种优选实施例中，所述子步骤112，具体可以包括： 

子步骤A1、设计半空间中赋存高阻块状异常体的三维模型，获得半空间中赋存高阻块状异常体的三维模型； 

子步骤A2、设计半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型，获得半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型； 

子步骤A3、依据半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型及半空间中赋存低阻块状异常体的三维模型，采用逆合成孔径雷达算法的方式，对瞬变电磁的观测数据进行波场变换，获得瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体。 

子步骤122、对瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体，进行克希霍夫偏移成像，获得深层地质目标体的数字图像； 

在本发明的另一种优选实施例中，所述子步骤122，具体可以包括： 

采用三维边界元方式，对瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体，进行克希霍夫偏移成像，获得深层地质目标体的数字图像。 

子步骤132、对所述深层地质目标体的数字图像，进行数字图像的分析，获得深部地质目标体的信息。 

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面详细介绍采用多点数据 合成的方法对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息的过程。 

(1)采用烟圈解释方法，从观测曲线得到视电阻率断面剖面图。 

参照图8，示出了本发明实施例中瞬变电磁烟圈示意图。 

从图8中，可以看出：本发明实施例中瞬变电磁烟圈的工作原理。 

在电导率为σ和磁导率为μ₀的均匀大地上，敷设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下半空间中就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场，此瞬间的电流集中于Tx附近的地表，并按r^-4规律衰减(r为中心至观测点的距离)。随后，面电流开始扩散到下半空间中，在切断电流后的任一晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带形，并形成一系列与发送回线同形状并且向下及向外扩散的“电流环”，通常称之为“烟圈”。 

大地感应涡流在地表面产生的电磁场可近似地用圆形电流环表示。这些电流环就像由发射回线吹出的“烟圈”，其半径随着时间增大而扩大，其深度随时间延长而加深。 

当计算均匀半空间的瞬变电磁响应时，可以用一个镜像电流环来代替。 

在层状介质中，仍然保持同样的“烟圈”效应，只是“烟圈”的传播将逐渐局限于导电地层中。 

随着时间的延长，涡流场将向下及向外扩展。涡流场极大值将沿从中心起始与地面成锐角的锥形斜面向下及向外传播。 

M.N.Nabighian指出，感应涡流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流环相等效，当发送电流切断以后某个时刻的地下等效电流环时，它为一系列与发送回线同形状并且向下及向外扩散的电流环，可以把它看作一系列的二次发送线圈，可以计算某时刻的半径，深度及电流，最终计算出某时刻的响应值，以及其随时间的变化规律。 

它的等效电流为： $i=\frac{1}{{4\mathrm{\πc}}_2{\left(\sqrt{t/{\mathrm{\σ\μ}}_0}\right)}^2}---\left(1\right)$

它的半径表达式为： $a=\sqrt{{8c}_2}\sqrt{t/{\mathrm{\σ\μ}}_0}---\left(2\right)$

它的深度表达式： $d=\frac{4}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{t/{\mathrm{\σ\μ}}_0}---\left(3\right)$

式中c₂＝8/π-2＝0.546479 

由于tanθ＝d/a＝1.07，θ＝47°，故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩展，向下传播的速度为 

$V_z=\frac{\∂d}{\∂t}=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}{\mathrm{\σ\μ}}_{0}t}}---\left(4\right)$

其中t为传播时间，σ为介质电导率，μ₀为真空中的磁导率。 

计算均匀半空间的瞬变电磁响应时，可以把“烟圈”看作一系列的二次发送线圈，很容易地计算出在某时刻沿地面测线的响应值，以及在某个测点的响应值随时间变化的规律。在层状介质中，仍然保持同样的“烟圈”效应，只是“烟圈”的传播将逐渐局限于导电地层中。 

(2)瞬变电磁场的波场变换，把电阻率断在转换成了拟地震剖面分布情况。 

参照图9，示出了本发明实施例中观测曲线额波场转换示意图。 

目前已经实现了波场转换，并可以成功地提取出虚拟地震子波。 

其中，图9中的(a)为现场观测数据曲线示意图； 

图9中的(b)为现场观测数据的加噪声5％以后的曲线示意图； 

图9中的(c)为现场观测数据曲线的波场转换曲线示意图； 

图9中的(d)为现场观测数据加噪声以后的波场转换曲线示意图。 

从图9中，可以看出：本发明实施例中观测曲线额波场转换情况。 

瞬变电磁场与虚拟波场之间存在如下对应关系 

$H_m(r,t)=\frac{1}{2\sqrt{{\mathrm{\πt}}^3}}{\∫}_0^{\∞}{\mathrm{\τe}}^{-{\mathrm{\τ}}^2/4t}U(r,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}---\left(5\right)$

式中，H_m(r，t)为时域瞬变响应扩散场，U(r，τ)为以波速传播的虚拟波场，自变量τ是时间平方根的量纲。 

通过上述技术，本发明实现了从电阻率剖面到虚拟子波断面的转换。 

参照图10，示出了本发明实施例中虚拟子波断面对比示意图。 

从图10中，可以看出：本发明实施例中虚拟子波断面对比的分布情况。 

(3)压缩子波宽度 

参照图11，示出了本发明实施例中子波宽度压缩前后对比示意图； 

从图11中，可以看出：本发明实施例中子波宽度压缩前后的分布情况；经过压缩处理后，波形明显得到改善。 

经波场变换获得的虚拟子波存在严重的波形展宽现象，使得计算得到的虚拟波场数值分辨率降低，严重影响着TEM成像的空间分辨能力。为此，对虚拟波场的离散数据求取反褶积，消除波场变换的波形展宽效应。 

设U(r，τ)为实际转换出来的虚拟子波，本发明通过一个反褶积滤波因子h(t)，进行如下计算，求取一个宽度得到压缩后的新的子波U′(r，τ) 

$U^{\′}(r,\mathrm{\τ})=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}h\left(t\right)U_i(r,t-\mathrm{\τ}),$

$\left(6\right)$

其中，反褶积滤波因子h(t)可用最小平方反褶积来求得。 

随着瞬变电磁波场变换算法的提出，实现了由具有扩散特征的瞬变场向虚拟波场的转变，这就为实现航空瞬变电磁法的逆合成孔径成像创造了条件。瞬变电磁逆合成孔径成像技术是借用逆合成孔径雷达成像的思路[3～8]，就是利用机载真实孔径发射线圈与目标的相对运动，把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效孔径的发射线圈，使其分辨能力更高、穿透能力更强。对于航空瞬变电磁法而言其观测方式与机载逆合成孔径雷达十分相似，完全可以借助逆合成孔径雷达的成像思想，实现虚拟波场条件下的航空瞬变电磁逆合成孔径成像。 

虽然逆合成孔径技术在雷达成像中早已广泛应用，但与逆合成孔径雷达信号不同，瞬变电磁场满足的是扩散方程，场的变化特征是随着时间衰减的，显然不利于相关叠加处理，也不利于合成成像。为此，必须利用瞬变电磁场与虚拟波场间存在的数学上的关系式进行波场变换，通过优化算法提取出这种虚拟波场信号。数字模拟和模型试验的结果都证明了：相邻位置上同一地质体的反射回波具有较好的相关性，因此根据不同位置信号的相关系数生成不同的权值函数，相邻各列信号在做相关叠加时以权函数进行加权，将重建的地质异常体信号加强，从而提高信噪比，达到突出弱异常的目的，进而提高了分辨率，加大了勘探深度。在分析逆合成孔径雷达算法的基础上结合瞬变电磁信号的特点，对采样信号进行 相关加权叠加形成瞬变电磁逆合成孔径数据体，对该数据体进行克希霍夫偏移成像，得到地质体高清晰度的数字图像。 

通过模型数据的计算，并进行逆合成孔径成像处理，说明了该方法的有效性；对以往山区地面数据的再处理，并与原来的处理结果相比较，说明了该方法在提高瞬变电磁分辨力方面的优越性。可见，该方法的成功应用，将对用高分辨的航空瞬变电磁法代替海面和山区地面勘探具有重要意义。 

由于瞬变电磁场经过波场变换，已经把原来的感应场转换成了波场，每一点的数据相当于变成了自激自收的波动场。而前人已经通过实验分析确定瞬变电磁场在多激励源情况下存在场的相关叠加性，基于瞬变电磁场的上述特点，我们采用相关叠加的方法来进行逆合成孔径。其合成示意图如图1所示。 

参照图12，示出了本发明实施例中逆合成孔径示意图； 

从图12中，可以看出：本发明实施例中逆合成孔径的工作原理。 

首先选取一个中心点，取为第i点，此点的波场值可表示为U(r_i，τ)，其中r_i为i点到-N，…，N内某点的距离，τ为相对时移量。然后我们选定2N+1个测点的长度为逆合成孔径的长度，即选取i点左右两侧从-N到N的测点分别与中心点做相关，其归一化的互相关系数 

$\mathrm{\ρ}(r_i,\mathrm{\τ})=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}U(r_i,t_j)U(r_{i+k},t_j-\mathrm{\τ})}{{\left\{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\left[U(r_i,t_j)\right]}^2\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\left[U(r_{i+k},t_j)\right]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}}---\left(7\right)$

其中m为每一测点的时间道数。 

互相关系数ρ(r_i，τ)表示了两列波场的相关程度，但它与相对时移量τ值有关，通过改变时移量τ值，找出最大相关系数ρ^max(r_i，τ^m)对应的时移量值，称为最佳延时，记为τ^m。由此可以得到2N+1个最大相关系数和最佳延时 之后，把从相关计算得到的最大相关系数作为权系数，用权系数分别乘上各点的波场值，叠加到中心点，最终可得到中心点的合成值为 

$U^{\′}(r_i,t_j)=\underset{k=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^{\max }(r_k,{\mathrm{\τ}}_k^m)U(r_k,t_j-{\mathrm{\τ}}_k^m),(j=\mathrm{1,2},...,m),---\left(8\right)$

在一条测线上依次移动，则可得到第i+1，i+2，i+3，…个点为中心点的合成值。以上是为了说明原理，只给出了剖面上的一维逆合成孔径算法，也可以推广到平面上的二维逆合成孔径计算，进一步还可以发展波数域算法和自聚焦算法等。 

为了验证所提出方法的有效性，我们设计了半空间中赋存高阻块状异常体和低阻块状异常体的三维模型，采用中心回线激发，对所得的电磁响应进行波场变换，经逆合成孔径计算得到合成波场值，最终用三维边界元法实现克希霍夫偏移成像计算。 

参照图13，示出了本发明实施例中模型三维示意图； 

其中，图13A为本发明实施例中三维模型立体示意图； 

图13B为本发明实施例中三维模型的主剖面平面示意图。 

从图13中，可以看出：本发明实施例中模型的三维的工作原理。 

其中， 

异常体为30m×30m×50m的块体，发射边长为100m。 

主剖面上共布置11个测点，点距为10米。高阻异常体取均匀半空间的电阻率为ρ₁＝10Ω·m，高阻块状异常体电阻率为ρ₂＝300Ω·m，顶板埋深为70m。 

本发明用正演方法获得了主剖面上的视电阻率断面图，从图13B中可以看出高阻异常的中心与模型的位置并不对应，出现了向上偏移的现象，从电阻率断面图中已经很难确定异常体的位置和大小。 

参照图14，示出了本发明实施例中模型计算结果示意图； 

其中，图14A为逆合成孔径成像前波场变换结果示意图； 

图14B为逆合成孔径成像后波场变换结果示意图。 

对比图14A及图14B，可以看出，在相关性较好的中心部分合成后的波形得到了一定的增强。在相关性不好的边缘部分，波形得到弱化，逆合成孔径的有效性得到验证。 

步骤103、采用瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁 的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息。 

在本发明的另一种优选实施例中，所述子步骤103，具体可以包括： 

子步骤113、采用数据插值的方式，获得瞬变电磁的观测数据的虚拟速度数据体的数据量。 

在本发明的另一种优选实施例中，所述子步骤113，具体可以包括： 

子步骤B1、采用全局距离加权插值的方式，对散乱数据进行分析，获得瞬变电磁的观测数据的最初虚拟速度数据体的数据量。 

子步骤B2、采用近点线性插值的方式，对领域对角线的数据进行分析，获得瞬变电磁的观测数据的精细虚拟速度数据体的数据量。 

子步骤123、采用速度建模的方式，获得瞬变电磁的观测数据的连续速度分析体成像图像。 

在本发明的另一种优选实施例中，所述子步骤123，具体可以包括： 

子步骤C1、采用射线方法，对瞬变电磁的观测数据进行速度建模，获得瞬变电磁的观测数据的连续速度分析体成像图像。 

子步骤C2、采用波动分析方法，对瞬变电磁的观测数据进行速度建模，获得瞬变电磁观测数据的连续速度分析体成像图像； 

其中，所述波动分析方法为深度聚焦分析方法及剩余曲率分析方法。 

子步骤133、通过上述瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息。 

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面详细介绍采用瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体信息的过程。 

波场变换后，瞬变电磁场值转化为虚拟波场值。要进行下一步的偏移成像，(或称之为延拓成像)，即把波场变换后本是与时间有关的函数转化为与深度相关的函数，就需要知道虚拟波场的速度。而且，在延拓成像的过程中，虚拟速度的准确度还是决定成像好坏的一个非常重要的参数。因此，进行速度分析成像显 得非常必要和重要。 

(1)数据插值 

虚拟速度值是与电导率值紧密相关的。由于实际工作中我们能够得到的电导数据非常有限，那么，为了保证虚拟速度数据体的数据量，首先进行切实有效的三维速度体的空间插值。 

近点线性插值。对于要插值的每一点，在其上方的所有点都要都会对其产生影响。因此先要确定插值点的邻域，并定义邻域的形状与邻域内已知样品点的数目。在这个计算过程中，关键步骤是确定邻域的对角线，即算出地表已知点与插值点之间连线的直线方程。这种三维空间插值方法，它的精度较高，但插值速度受数据量的影响比较大。 

(2)速度建模方法 

参照图15，示出了本发明实施例中速度模型迭代算法的示意图； 

从图15中，可以看出本发明实施例中速度模型迭代算法的计算过程。 

从瞬变电磁场本身的特性出发，基于等效导电平面的理论，提出瞬变电磁虚拟波场连续速度分析方法。 

等效导电平面法是根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的一种近似方法，因此又称“视纵向电导法”。由于该方法可以形象地理解为：随着t的增减，等效导电平面以速度上下“浮动”，这样便可以用一块随时间t的变化而“沉浮”的“载流”导电平面来近似代替回线源中的均匀大地，从而方便是求出地表任一点的异常场。可见，导电平面上下浮动的速度仅与介质的电导率有关，这一点与TEM虚拟波场的传播速度完全一致。不妨可以设想，用等效导电平面法求出地电断面上的纵向电导分布，即求得随深度变化的纵向电导值，由TEM虚拟波场的速度公式计算出速度值，实现连续速度分析。 

由等效导电平面法可获得地电断面总纵向电导 

$S\left(H\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{h}_i---\left(11\right)$

其中，H为地层埋深，h为地层厚度。利用相邻层的纵向电导可以导出第i层的电导率值 

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{S_i-S_{i-1}}{H_i-H_{i-1}}---\left(12\right)$

根据虚拟波场速度公式 

$v=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}}}---\left(13\right)$

可计算出虚拟速度值v。一旦获得速度的连续分布，利用已知波场传播时间，就可以计算出就可实现对虚拟波场反射界面的延拓成像。 

对于从实际测量的数据中得到的虚拟速度值v，根据延拓成像的实际需要，采用近点线性插值计算插出虚拟速度值。对于要插值的每一点，在其上方的所有已知点都要对这一点的速度值产生影响，因此针对任意一个插值点，地表上每一个已知点都将和它构成一个选择预测点的邻域，为了确定每一次计算时的邻域大小，我们将采用通过两点来确定一条直线的办法，把地表已知点与插值点的连线计算出来，则以该连线作为对角线的立方体即为所需要的邻域，该区域的每一个已知数据点都是用来预测的观测点，之后从这些点中选取与插值点距离最近的一点数据作为插值点的临时值记录下来；然后换一个地表已知点重复这个步骤，直到地表的已知点数据全部作完；最后，对所有的临时值取平均，所得到的数据就作为插值点的最终结果保存进结果文件，这样，就完成了一次近点线性插值计算。 

得到连续速度分析体成像图像。 

参照图16，示出了本发明实施例中三维波场速度成像效果示意图； 

从图16中，可以看出：本发明实施例中三维波场速度成像分布情况。 

其中，均匀半空间的电阻率取为25Ω·m；低阻异常体电阻率为5Ω·m；模型大小尺寸不变，将其顶板埋深加大到120m。 

本发明提供了长导线源瞬变电磁地空探测方法。 

时间域航空电磁法为了提高勘探深度，主要通过两种途径，一种方法选用直升机电磁探测系统来降低飞行高度，另一种办法是加大发射磁矩。由于航空瞬变电磁法的发送磁矩受到飞机本身大小、电源功率等方面的限制，发送磁矩一般不大。所以，勘探深度远远小于地面时间域电磁系统，这样，发展地空装置下的长导线源电磁系统，融合地面瞬变电磁法和航空瞬变电磁法系统的优势，充分发挥其发射磁矩大、勘探深度大、经济快速探测的优点。为了融合地面和航空的优势，年本专利提出一种地空半航空时间域电磁系统，，即在地面铺设几公里的长直导线，利用直升机或无人机在空中接收，，地空电磁系统不仅实现了大发射磁矩，而且提高了勘探深度，同时实现了快速探测只所以考虑使用电性源，是因 为电性源比磁性源更易实现大的发送磁矩，易于在山地布设。而且电性源对地下高阻体及层状地层有较好的分辨。 

本发明中的瞬变电磁波场变换算法的提出，实现了由扩散的瞬变场向虚拟的波动场的转变，使得瞬变电磁拟地震成像技术成为可能。 

为进一步提高成像分辨率，从现有数据资料中提取更多的有用信息，借鉴逆合成孔径雷达中逆合成孔径的思想，提出了瞬变电磁逆合成孔径算法。为验证所提方法的有效性，特别设计了高、低阻块状异常体模型。从不同深度模型的处理中发现，相关叠加合成确实具有增强有用信号、提高信噪比、提高分辨率的诸多优点。对野外实测资料的处理也表明了相关合成方法的有效性。 

将传统的以剖面为主的处理方式发展成为以测点为中心的多孔径合成，将传统的以单点处理方式发展成为逐点推移多次覆盖的处理方法；以期达到提高信噪比、突出弱异常进而提高分辨率、加大勘探深度的目的；本发明将会对高分辨率航空瞬变电磁勘探具有深远的意义。 

总之，本发明可以快速获得更精确的地下目标体的位置、大小和形状的信息，对于精细地质普查有重要意义。 

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

以上对本发明所提供的长导线源瞬变电磁地空探测方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (11)

1.电性源瞬变电磁地空探测方法，其特征在于所述方法包括：

采用接地长导线源AB作为发射装置，向地下发送一次场，利用直升机或者无人机搭载接收线圈进行数据采集，获得瞬变电磁的观测数据；

利用全区视电阻率定义对观测数据进行处理，获得虚拟波场的速度信息，并完成对深部地质目标的定性解释，获得深部地质体的概况信息；

对瞬变电磁数据进行波场变换，采用瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及虚拟波场偏移成像方法对瞬变电磁观测数据进行处理解释，完成对深部地质目标的精细探测，并且为了提高数据的信噪比，采用多点数据合成的方法对瞬变电磁虚拟波场数据进行处理，实现深部弱信息的提取，获得深部地质目标体的详细信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述地质目标体的详细信息为地质目标体的电性信息、深度信息、规模信息与形状信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

地空瞬变电磁探测系统采用接地长导线源作为发射，利用直升机或者无人机搭载接收线圈进行数据采集，其步骤包括：

通过在地面铺设接地长导线源AB向地下发射一次电磁场；

在高度范围为50-150米的空中设置观测点，利用直升机或无人机搭载接收线圈进行数据采集，获得瞬变电磁的观测数据；

其中，

所述对地质目标体进行探测，获得观测数据的过程，是通过电性源瞬变电磁探测装置完成的。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：

所述接地长导线源AB的长度为1-4千米；

所述接地长导线源AB的发射功率为不小于10千瓦。

5.如权利要求1或3所述方法，其特征在于：

利用直升机或无人机搭载接收线圈进行数据采集，直升机或无人机飞行高度在保证飞行安全情况下为30-150米，

飞行范围与电性源尺度有关，垂向与轴向方向均不大于3倍电性源尺度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

采用全域视电阻率方法对观测数据进行处理，完成对深部地质目标的定性解释，获得地质目标的产状、走向、规模等概况信息，并获得虚拟波场速度信息，包括：

利用反函数原理实现电性源瞬变电磁的视电阻率定义，通过时深转换获得深度信息，最终完成初步的视电阻率成像，并获得不同深度虚拟波场的传播速度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述利用反函数原理实现电性源瞬变电磁的视电阻率定义，通过时深转换获得深度信息，完成初步的视电阻率成像，包括：

通过偶极叠加原理推导均匀半空间空中位置电性源瞬变电磁场响应表达解析式，通过反函数原理实现视电阻率的定义；

通过滤波方法实现多分量层状模型电磁响应的计算，利用电阻率定义公式计算层状模型视电阻形态，验证定义方法；

利用视电阻率值与时间参数实现时深转换。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述对瞬变电磁观测数据进行波场变换，将瞬变电磁扩散场数据转换为虚拟波场函数，并利用相关叠加方法实现虚拟波场的逆合成孔径处理，结合速度分析，对数据进行克希霍夫偏移成像，获得深层地质目标体的图像，具体步骤，包括：

采用预调件正则化共轭梯度法实现波场反变换；

采用相关叠加方法，对虚拟波场进行逆合成孔径处理；

采用三维边界元方式，对瞬变电磁观测数据的瞬变电磁逆合成孔径数据体，进行克希霍夫偏移成像，获得深层地质目标体的图像。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息的步骤，包括：

利用全域视电阻率定义方法，获得瞬变电磁的观测数据的虚拟速度数据；

利用速度建模的方式，获得瞬变电磁的观测数据的连续速度分析体成像图像；

通过上述瞬变电磁虚拟波场连续速度分析及成像方法，对瞬变电磁的观测数据进行处理及解释，完成对深部地质目标体的精细探测，获得深部地质目标体的信息。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述采波场变换方法，及利用预调件正则化共轭梯度发实现扩散场到虚拟波场的变换，使得变换后函数满足波动方程，包括：

利用预调件子对反变换系数矩阵进行预调件处理，降低矩阵条件数；

采用正则化共轭梯度迭代实现扩散场到波场的转换。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述采用速度分析的方式，获得瞬变电磁的观测数据的连续速度分析体成像图像的步骤，包括：

采用视电阻率定义的方式，对瞬变电磁的观测数据计算相应电阻率，根据电阻率与虚拟波动速度之间的关系获得瞬变电磁虚拟波场的初始速度；

采用近点线性插值方法，扩大速度数据体，实现连续速度分析，使速度数据满足后续波场延拓需要；

其中，所述波场延拓指利用克希霍夫积分实现波动方程的向下延拓成像深。