CN105759316B - 一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法和装置，涉及煤田水文地质与地球物理领域，包括：采用矩形回线源探测实际回线对应的瞬变电磁场数据；对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据；通过叠加计算获得实际回线源的瞬变电磁场总场数据；对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子；根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率。提高了瞬变电磁的探测精度。

Description

一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法和装置
技术领域
本发明涉及煤田水文地质与地球物理领域，具体涉及一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法和装置。
背景技术
瞬变电磁(TEM)法是一种常见的基于电磁感应的地球物理方法，能够提供地下地电信息。大回线源瞬变电磁法广泛应用于矿产、工程和环境调查，以及其它地质研究。在瞬变电磁测深法发展的早期，主要采用中心回线或重叠回线的装置，场值响应的计算研究也主要集中于装置中心点。铺设一个发射回线往往只能测量一个点，工作效率受到极大限制。为了提高效率，如今的瞬变电磁测深多采用矩形回线装置，关于矩形回线装置的场值响应的正演计算及反演视电阻率的研究较多，但在野外实践中，特别是在我国的山区或建筑物较多的地区工作时，很难布置足够标准的矩形发射回路进行传统的测量，如图1所示，回线的形状可能是任意形状的多边形。使用设计矩形回线参数反演实际多边形回线观测的数据会带来一定的计算误差，影响回线源瞬变电磁的探测精度。因此，在具有特殊地形或建筑物等地区探测时，需要考虑发射回线形状的影响。但由于发射回线形状的改变，修正式矩形回线的瞬变电磁场响应的计算、资料的采集、处理和解释还没有形成成熟的技术体系。
发明内容
本发明为了克服现有技术矩形回线参数反演多边形回线观测数据带来的计算误差，本发明提供一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法和装置，利用地球物理方法，提高探测结果的解释精度。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法，包括：
采用矩形回线源探测实际回线对应的瞬变电磁场数据；
对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据；
通过叠加计算获得实际回线源的瞬变电磁场总场数据；
对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子；
根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率。
对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据，包括：
将实际回线的单一坐标系统转换成与每一条发射边框为轴的多个坐标系；
在每一条发射边框的坐标系下分别利用线积分计算所述边框产生的场值响应。
通过对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子，包括：
对比标准矩形回线与实际回线等周长或等磁矩下的场值响应；
通过对比的结果确定由等周长或磁矩的改变形状的回线引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子。
根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率，包括：
根据获得的正演响应结果和校正因子，利用迭代方法计算实际回线内任一点的视电阻率。
所述的方法还包括：
确定实际回线的探测深度。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种矩形回线源瞬变电磁探测的装置，包括：
采集模块，用于采用矩形回线源探测实际回线对应的瞬变电磁场数据；
坐标变换模块，用于对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据；
响应模块，用于通过叠加计算获得实际回线源的瞬变电磁场总场数据；
对比模块，用于对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子；
视电阻率模块，用于根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率。
所述坐标变换模块对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据，包括：
将实际回线的单一坐标系统转换成与每一条发射边框为轴的多个坐标系；
在每一条发射边框的坐标系下分别利用线积分计算所述边框产生的场值响应。
所述对比模块通过对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子，包括：
对比标准矩形回线与实际回线等周长或等磁矩下的场值响应；
通过对比的结果确定由等周长或磁矩的改变形状的回线引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子。
所述视电阻率模块根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率包括：
根据获得的正演响应结果和校正因子，利用迭代方法计算实际回线内任一点的视电阻率。
所述的装置还包括：
探测深度模块，用于确定实际回线的探测深度。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的方法和装置，针对山区地形复杂或者建筑物较多，标准矩形回线方法难以开展的情况，本发明采用实际回线源进行回线内任意点的高效、精细探测，对标准矩形回线和实际回线在等周长和等磁矩两种情况下进行响应对比分析，进而利用修正矩形回线源瞬变电磁方法进行资料的采集和处理；消除由发射源形状改变带来的影响，按照本发明提出的矩形回线内任意点的瞬变电磁法的数据解释方法对数据进行处理解释，利用二分迭代法和校正因子计算全程视电阻率的方式代替传统的中心回线晚期视电阻率公式，提高了瞬变电磁的探测精度，最终解决复杂地形山区或建筑物较多地区目标体的探测问题。
附图说明
图1是相关技术的发射回线铺设示意图；
图2是本发明实施例的一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法的流程图；
图3是本发明实施例的一种矩形回线源瞬变电磁探测的装置的结构示意图；
图4是本发明实施例的规则矩形回线与修正矩形回线发射源测量示意图；
图5是本发明实施例的以发射边框为轴的坐标系示意图；
图6是本发明实施例的标准矩形回线和内凹等面积回线的示意图；
图7是本发明实施例的标准矩形回线和内凹等面积回线的中心点垂直磁场的比较示意图；
图8是本发明实施例的标准矩形回线和内凹等面积回线的一点垂直磁场的比较示意图；
图9是本发明实施例的标准矩形回线和外凸等面积回线的示意图；
图10是本发明实施例的标准矩形回线和外凸等面积回线的中心点垂直磁场的比较示意图；
图11是本发明实施例的标准矩形回线和外凸等面积回线的一点垂直磁场的比较示意图；
图12是本发明实施例的标准矩形回线和内凹等周长回线的示意图；
图13是本发明实施例的标准矩形回线和内凹等周长回线的中心点垂直磁场的比较示意图；
图14是本发明实施例的标准矩形回线和外凸等周长回线的示意图；
图15是本发明实施例的标准矩形回线和外凸等周长回线的中心点垂直磁场的比较示意图；
图16是本发明实施例的标准矩形回线和外凸等周长回线的一点垂直磁场的比较示意图；
图17是本发明实施例一的测线分布示意图；
图18是本发明实施例一的标准矩形回线和实际回线的中心点垂直磁场的比较示意图；
图19是本发明实施例一的标准矩形回线和实际回线的视电阻率测深剖面比较示意图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图2所示，本发明实施例提供一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法，其特征在于，包括：
S101、采用矩形回线源探测实际回线对应的瞬变电磁场(垂直磁场)数据；
S102、对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据；
S103、通过叠加计算获得实际回线源的瞬变电磁场总场数据；
S104、对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子；
S105、根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率。
S102包括：
将实际回线的单一坐标系统转换成与每一条发射边框为轴的多个坐标系；
在每一条发射边框的坐标系下分别利用线积分计算所述边框产生的场值响应。
S104包括：
对比标准矩形回线与实际回线等周长或等磁矩下的场值响应；
通过对比的结果确定由等周长或磁矩的改变形状的回线引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子。
S105包括：
根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，利用迭代方法计算实际回线内任一点的视电阻率。
所述的方法还包括：
S106、确定实际回线的探测深度。
如图3所示，本发明实施例还提供一种矩形回线源瞬变电磁探测的装置，包括：
采集模块，用于采用矩形回线源探测实际回线对应的瞬变电磁场(垂直磁场)数据；
坐标变换模块，用于对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐 标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据；
响应模块，用于通过叠加计算获得实际回线源的瞬变电磁场总场数据；
对比模块，用于对比标准矩形回线与实际矩形回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子；
视电阻率模块，用于根据获得的校正因子代入适用于标准回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率。
所述坐标变换模块具体用于：
将实际回线的单一坐标系统转换成与每一条发射边框为轴的多个坐标系；
在每一条发射边框的坐标系下分别利用线积分计算所述边框产生的场值响应。
所述对比模块具体用于：
对比标准矩形回线与实际回线等周长或等磁矩下的场值响应；
通过对比的结果确定由等周长或磁矩的改变形状的回线引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际矩形回线的响应计算的校正因子。
所述视电阻率模具体用于：
根据获得的正演响应结果和校正因子，利用迭代方法计算实际回线内任一点的视电阻率。
所述的装置还包括：
探测深度模块，用于确定实际回线的探测深度。
在以往的研究中，矩形回线源装置的场值响应计算得到了广泛的研究，国内外学者均做了大量的工作，给出了矩形回线装置的场值响应计算的偶极子叠加方式，得到了广泛的应用。本专利借鉴以往的工作思路，提出了修正矩形回线源的场值响应的计算方式。将传统矩形回线的中心点坐标系拓展成适用于各发射边框的多坐标系，在各边框的坐标系下分别计算该边产生的场 值响应.然后将各边的响应进行叠加计算，得到修正矩形回线源瞬变场。
如图4所示，将大回线源的多边形进行电偶极子源分解，设偶极子长度为ds，每条边可以分解为ni个偶极子，假定收发距与偶极子长度比为R/ds＝m，首先计算由单一偶极子源在p点的电磁场，再计算由各边ni个偶极子产生的电磁场，最后将各边计算的电磁场进行叠加，得到最终偶极源近似下的回线内p点的场值。在对各边进行偶极子分解时，为了计算的简单，将各边在新的坐标系下重新进行定义，即测点与源点坐标系统的转换。以图4中的CD边为例，建立的新的坐标系如图5所示，以O’为原点建立坐标系，观测点在坐标轴Y’上，坐标为(0，d3)。偶极子的坐标为(x’,0)。
多边形回线内任意一点的垂直磁场的计算公式为：
Htot为回线源在回线内P点产生的垂直磁场；
hj为第j边在P点产生的垂直磁场；
hi为各边分解后的单个偶极子产生的垂直磁场；
式中，θ＝[μ0σ/(4t)]1/2，t为观测时间，σ为均匀大地的电导率，在新坐标系中，R＝(x'2+y'2)1/2为收发距，y＝y'＝d3。
当无法在野外铺设标准的矩形回线框时，我们需遵循一定的原则进行发射边框的铺设。本专利给出两种常见的铺设原则：等磁矩和等周长。
如图6和图7所示，对于内凹等面积的矩形回线，在中心点位置，其场值和标准矩形回线基本重合，其误差最大值为1％，且随时间迅速减小。说明回线形状的改变对中心点的影响并不大。
如图8所示，对于内凹等面积的矩形回线，在(0,60)点处，其场值和标准矩形回线基本重合，在早期，其误差大约为10％，但是迅速减小，最后误差基本不变而且小于1％。。
如图9和图10所示，对于外凸等面积的矩形回线，在中心点位置，其场值和标准矩形回线基本重合，而且其误差小于1％。说明回线形状的改变对中心点的影响并不大。
如图11所示，对于外凸等面积的矩形回线，在(0,60)点处，其场值和标准矩形回线基本重合，在早期，其误差小于10％，而且迅速减小，最后误差基本不变而且小于1％。
如图12和图13所示，对于等周长的内凹矩形回线，在中心点处，其场值曲线和标准矩形回线并不重合，而且其相对误差大于30％。运用标准矩形回线的参数来计算视电阻率将会带来巨大的误差。
如图14和图15所示，对于等周长的外凸矩形回线，在中心点处，其场值曲线和标准矩形回线基本重合，而且其相对误差从0.1％逐渐增大，但最后基本保持平行，而且小于3％。等周长的外凸矩形回线比等周长的内凹矩形回线产生的误差小。
如图16所示，对于等周长的外凸矩形回线，在(0,75)点处，其场值曲线和标准矩形回线基本重合，而且其误差基本保持在10％左右。对于等周长情况下，外凸矩形回线比内凹矩形回线所产生的误差小。
适用于中心回线的全程视电阻率计算方式：用计算机迭代的方法。垂直磁场为关于电阻率的单调函数，当大致知道视电阻率的值域时，用二分法求全时域视电阻率是简单易行的方法之一。其基本思路为：设有单调函数Hz＝Y(ρ),并事先知道ρ的大致值域(ρ1,ρ2)，则对应某一观测值Hz0值的反函数ρ0的求法如下：首先设定一函数η(ρ)＝Hz0-Y(ρ)，选择(ρ1,ρ2)中点ρ3，算出η(ρ3)。利用函数的单调性，当η(ρ3)*η(ρ1)＜0，可以判断ρ0在(ρ1,ρ3)内，η(ρ3)*η(ρ2)＜0可以判断ρ0在(ρ3,ρ2)内，这样就缩小了ρ0的搜索范围，如此循环，直到最终η(ρ3)小于设定的精度ε时，则此时的ρ3即为所求的视电阻率值ρ0。用这种方法可以算出任意有限区间内的单调函数的反函数值，精度人为控制，程序易于在微机上实现，可用于实际资料处理。
计算出视电阻率后，传统按扩散深度公式计算探测深度
扩散深度是任意时间瞬变电场的最大值作为阶跃脉冲到达的时间对应的深度，即场到达的深度。对于理想的观测情形(均匀介质无干扰)，扩散深度计算探测深度是有效的，而对于我们实际观测的大部分情况，扩散深度计算探测深度都是不准确的。为了提高深度计算的有效性，这里，我们提出有效深度的概念。
无论如何，场的传播和反射都需要时间这是一致的。所以对地面TEM探测方法而言，要探测到地下一定深度的异常体，场需要用时间t到达该异常体然后反射回地面，即需要至少2t的时间将地下的地质信息带到地面被接收仪器所观察到，因此，有效深度定义为
实施例一
在野外布置200m*200m的标准矩形回线和等周长修正矩形回线，如图17所示，在同一位置分别布设标准矩形回线和等周长的矩形回线。(a)为标准矩形回线里的测线L1，(b)为等周长的内凹矩形回线里的测线L1，测线长度为150m，点距为10m。
从图18可以看出，在早期时间道，两者差别较大，等周长的内凹矩形回线的场值较大，这是因为其上边离中心点较近所导致，会给瞬变电磁勘探带来较大的误差。而在晚期时间道，两者的曲线基本吻合。
从图19(a)上可以看出在测线L1的130号点处有一高阻异常，而在图19(b)中并没有这一高阻异常。用等周长不规则的矩形回线进行瞬变电磁法勘探将会带来较大的误差，其弱化了异常的信号，严重降低了野外勘探的精度。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以 在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种矩形回线源瞬变电磁探测的方法，其特征在于，包括：
采用矩形回线源探测实际回线对应的瞬变电磁场数据；
对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据；
通过叠加计算获得实际回线源的瞬变电磁场总场数据；
对比矩形回线与实际回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际回线的响应计算的校正因子；
根据获得的校正因子代入适用于矩形回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率；
对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据，包括：
将实际回线的单一坐标系统转换成以每一条发射边框为轴的多个坐标系；
在每一条发射边框的坐标系下分别利用线积分计算所述边框产生的场值响应。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过对比矩形回线与实际回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际回线的响应计算的校正因子，包括：
对比矩形回线与实际回线等周长或等磁矩下的场值响应；
通过对比的结果确定由等周长或磁矩的改变形状的回线引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际回线的响应计算的校正因子。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据获得的校正因子代入适用于矩形回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率，包括：
根据获得的正演响应结果和校正因子，利用迭代方法计算实际回线内任一点的视电阻率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：
确定实际回线的探测深度。
5.一种矩形回线源瞬变电磁探测的装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采用矩形回线源探测实际回线对应的瞬变电磁场数据；
坐标变换模块，用于对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据；
响应模块，用于通过叠加计算获得实际回线源的瞬变电磁场总场数据；
对比模块，用于对比矩形回线与实际回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际回线的响应计算的校正因子；
视电阻率模块，用于根据获得的校正因子代入适用于矩形回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率；
所述坐标变换模块对探测到的实际回线对应的瞬变电磁场数据进行坐标变换，获得以每一条发射边框为轴的多个坐标系对应的瞬变电磁场数据，包括：
将实际回线的单一坐标系统转换成以每一条发射边框为轴的多个坐标系；
在每一条发射边框的坐标系下分别利用线积分计算所述边框产生的场值响应。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述对比模块通过对比矩形回线与实际回线的响应，确定由回线形状改变引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际回线的响应计算的校正因子，包括：
对比矩形回线与实际回线等周长或等磁矩下的场值响应；
通过对比的结果确定由等周长或磁矩的改变形状的回线引起的相对误差，进行定量分析，确定适用于实际回线的响应计算的校正因子。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述视电阻率模块根据获得的校正因子代入适用于矩形回线的视电阻率公式，确定实际回线内任一点的视电阻率包括：
根据获得的正演响应结果和校正因子，利用迭代方法计算实际回线内任一点的视电阻率。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于：还包括：
探测深度模块，用于确定实际回线的探测深度。
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