CN110865247B - 有限空间电场分布确定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种有限空间电场分布确定方法及系统，本发明适用于电法在有限空间中的应用，本发明结合实际应用，提出了有限空间中受边界影响下的电场分布规律，并利用镜像法进行建模计算的方法。所述方法包括：获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置，将所述大小及位置输入到基于镜像法的成像器中，再将所述成像器的输出输入到预设分类器中，基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布。该方法及系统适用于任意装置下、各种边界的有限空间电场分布计算，使得有限空间中电场分布的理论值计算更贴近实际测量下的真实情况。

Description

有限空间电场分布确定方法及系统
技术领域
本发明涉及一种有限空间电场分布确定方法及系统。
背景技术
在采用直流电法进行有限空间介质的勘探时，受实验和现场环境影响，会造成电场分布与实际存在一定的偏差。另外，有限空间的内部电场很难套用半空间或全空间的边值效应进行分析，给出解析解。
可见，探究介质内部的有限空间电场分布规律，影响因素大，缺少理论支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有限空间电场分布确定方法及系统。
为解决上述问题，本发明提供一种有限空间电场分布确定方法及系统，包括：
获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置；
将所述有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置输入到基于镜像法的成像器中，得到对应的输出；
将所述成像器的输出输入到基于镜像集的分类器中，得到对应的输出；
基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布。
进一步的，在上述方法中，获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置，包括：
对有限空间的长、宽、高进行获取和对空间模型的建立与解析空间的转化。
进一步的，在上述方法中，解析空间的转化，包括：
所述解析空间的转化包括有限空间的表示和供电点、观测点位置的表示，其中，所述供电点就指两个异性点电流源A、B的位置，所述观测点是指两个测量电极M、N的位置。
进一步的，在上述方法中，基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布，包括：
分层计算所述两个异性点电流源A、B或其镜像在所述两个测量电极M、N的电位值、电场强度及MN电位差，公式为：
Figure BDA0002284532470000021
Figure BDA0002284532470000022
Figure BDA0002284532470000023
式中，I为供电回路的电流强度；ρ为介质电阻率；
Figure BDA0002284532470000024
分别为A到M、B到N的距离；
计算各层测量电极M、N的电位差变化量，公式为：
Figure BDA0002284532470000025
找到变化量小于1％的测量电极M、N的电位差，计算其对应的视电阻率，公式为：
Figure BDA0002284532470000026
式中，ρs为介质的视电阻率；K为装置系数，与供电和测量电极间距有关。
进一步的，在上述方法中，获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置之前，还包括：
进行有限空间的电场分布规律的推导和验证。
进一步的，在上述方法中，进行有限空间的电场分布规律的推导和验证，包括：
基于镜像法的成像器模型建立和基于镜像集的分类器模型建立。
进一步的，在上述方法中，所述基于镜像法的成像器，包括供电点处的点电流源关于有限空间边界的成像模型和供电点的点电流源关于有限空间角部的成像模型。
进一步的，在上述方法中，所述基于镜像集的分类器，用于对镜像的父子关系进行层级分类；及计算镜像对电场影响的重要度，进行有效镜像和无效镜像的分类。
根据本发明的另一面，还提供一种有限空间电场分布确定系统，包括：
有限空间的获取单元，用于获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置；
有限空间的转化单元，用于空间模型的建立，并将获取到的属性转化为解析空间的表示；
成像单元，将所述有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置输入到基于镜像法的成像器中，得到对应的输出；
分类单元，用于将所述成像器的输出输入到基于镜像集的分类器中，得到对应的输出；
电场分布计算单元，用于根据所述分类器的输出，计算所述有限空间电场中观测点电位值、电场强度及其电位差，进而计算各层电位差变化率和所述有限空间的视电阻率。
本发明与现有技术相比，提出了采用镜像法求解有限空间的电场分布情况，实现了任意装置下、各种边界的有限空间电场分布计算，使理论推导值更接近实际情况下的测量值。
另外，本发明结合实际应用与研究，适用于任意选取有限空间、供电点和观测点位置的试验，为面向有限空间的电法应用研究开拓了新的解析计算方法与系统。
附图说明
图1是本发明实施例提供的有限空间电场分布计算方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的有限空间模型示意图；
图3是本发明实施例提供的基于镜像法的有限空间上表面成像示意图；
图4是本发明实施例提供的基于镜像法的有限空间底面成像示意图；
图5是本发明实施例提供的基于对称四级法在有限空间上表面测量外加电场分布示意图；
图6是本发明实施例提供的有限空间电场分布计算系统的结构示意图。
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。
如图1所示，本发明提供一种有限空间电场分布确定方法，包括：
步骤S1，获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置；
步骤S2，将所述有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置输入到基于镜像法的成像器中，得到对应的输出；
步骤S3，将所述成像器的输出输入到基于镜像集的分类器中，得到对应的输出；
步骤S4，基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布。
在此，本发明适用于电法在有限空间中的应用，本发明结合实际应用，提出了有限空间中受边界影响下的电场分布规律，并利用镜像法进行建模计算的方法。所述方法包括：获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置，将所述大小及位置输入到基于镜像法的成像器中，再将所述成像器的输出输入到预设分类器中，基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布。该方法适用于任意装置下、各种边界的有限空间电场分布计算，使得有限空间中电场分布的理论值计算更贴近实际测量下的真实情况。
本发明的有限空间电场分布确定方法一实施例中，获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置，包括：
对有限空间的长、宽、高进行获取和对空间模型的建立与解析空间的转化。
本发明的有限空间电场分布确定方法一实施例中，解析空间的转化，包括：
所述解析空间的转化包括有限空间的表示和供电点、观测点位置的表示，其中，所述供电点就指两个异性点电流源A、B的位置，所述观测点是指两个测量电极M、N的位置。
本发明的有限空间电场分布确定方法一实施例中，获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置之前，还包括：
进行有限空间的电场分布规律的推导和验证。
本发明的有限空间电场分布确定方法一实施例中，进行有限空间的电场分布规律的推导和验证，包括：
基于镜像法的成像器模型建立和基于镜像集的分类器模型建立。
本发明的有限空间电场分布确定方法一实施例中，所述基于镜像法的成像器，包括供电点处的点电流源关于有限空间边界的成像模型和供电点的点电流源关于有限空间角部的成像模型。
本发明的有限空间电场分布确定方法一实施例中，所述基于镜像集的分类器，用于对镜像的父子关系进行层级分类；及计算镜像对电场影响的重要度，进行有效镜像和无效镜像的分类。
本发明的有限空间电场分布确定方法一实施例中，基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布，包括：
分层计算所述两个异性点电流源A、B或其镜像在所述两个测量电极M、N的电位值、电场强度及MN电位差，公式(电位值和电场强度以观测点M为例)为：
Figure BDA0002284532470000061
Figure BDA0002284532470000062
Figure BDA0002284532470000063
式中，I为供电回路的电流强度，单位为mA；ρ为介质电阻率，单位为Ω·m；
Figure BDA0002284532470000064
Figure BDA0002284532470000065
分别为A到M、B到N的距离；
计算各层测量电极M、N的电位差变化量，公式为：
Figure BDA0002284532470000066
找到变化量小于1％的测量电极M、N的电位差，计算其对应的视电阻率，公式为：
Figure BDA0002284532470000067
式中，ρs为介质的视电阻率，单位为Ω·m；K为装置系数，与供电和测量电极间距有关。
具体的，本发明实施例中，获取有限空间的大小、介质电阻率，具体的，将有限空间介质通过测量设备，基于电子传感器的距离测量装置获取其长、宽、高，基于标本架的电阻率测量装置获取其电阻率。
在此，需要通过转化单元装置对所获取的上述有限空间的属性参数进行转化，如图2所示，是经过所述转化单元装置转化后的有限空间模型示意图。
图中，x、y、z轴及o点构成的空间直角坐标系为空间的解析模型；a、b、c分别表示有限空间的长、宽、高；A、B为供电点，即两个异性点电流源的位置；M、N为观测点，即两个测量电极的位置。
进一步的，将上述转化模型，存储到本发明所述有限空间电场分布计算系统中。
其中，上述存储将有限空间表示为空间直角坐标系中的平面公式，公式为：
Ax+By+Cz+D＝0；
将A、B、M、N点位置表示为空间直角坐标系中的坐标点，如A(3，2，7)。
需要说明的是，由于有限空间大小不确定，在上述获取后的转化工程中尽可能使其位于上述空间直角坐标系的第一卦限，便于后续步骤的进行。
步骤S2，将所述大小和位置输入到基于镜像法的成像器中；
在本发明实施例中，预先构建上述基于镜像法的成像器，将获取的有限空间的大小、供电点和观测点位置输入该成像器中，通过该成像器对点电流源进行关于各边界、角部的成像，或迭代成像。
上述迭代成像是指对点电流源的镜像进行成像，依次迭代。
示例性的，上述点电流源关于各边界的成像，如图3、图4所示，点电源A在长方体有限空间模型的上表面，将长方体的4个侧面分别编号为1号面、2号面、3号面、4号面，同时考虑点A在4个侧面和1个底面共5个面镜面对称产生的镜像，得到A1、A2、A3、A4(图3所示)和A底1(图4所示)，此为一次镜面对称；接着同时考虑A1、A2、A3、A4和A底1，得到二次镜面对称的镜像点，以A1为例，A1关于2号面、3号面、4号面和底面镜面对称分别产生了A12、A13、A14(图3所示)和A1底2(图4所示)……以此类推，应有无数次镜面对称产生无数个镜像。
补充上述说明，上述点电流源关于各边界成像的实施例中二次镜面对称的镜像点A(12或21)、A(23或32)、A(34或43)、A(14或41)，实质上是上述点电流源关于各角部的成像，即两个相交面所围成的直角空间产生的镜像。
示例性的，上述两个相交面所围成的直角空间产生的镜像，如图3所示，有A在1号面、2号面所围成的直角空间产生的镜像A(12或21)，同理，其余两个相交面所围成的直角空间产生的镜像A(23或32)、A(34或43)、A(14或41)。
需要说明的是，上述每一次镜面成像外加关于角部的成像算作所述成像器的一次成像；所述成像器的输出是按每一次成像的输出输入到下一步骤，直至反馈停止信号后终止。
步骤S3，将基于所述成像器的输出输入到预设分类器中；
在本发明实施例中，预先构建用于对镜像进行父子关系层级分类和有效分类的分类器，将基于所述成像器的输出输入到预设分类器中，通过该分类器对上述每一次成像的输出进行鉴别和分类，以输出该次成像具有层级属性的有效镜像。
可选的，为了使所述分类器的输出结果更加准确，在上述3个步骤之前，对有限空间的电场分布规律进行推导和验证，收集镜像样本，组成镜像集，通过镜像集对所述分类器进行优化，其中，所述镜像集样本包括上述步骤2中有限空间点电流源镜像的分布情况及其它分布情况的猜想。
示例性的，将上述实施例中，所述点电流源关于各边界、角部的成像输出进行分类，如图3、图4所示，A在第一次成像器中的成像划分有A1、A2、A3、A4(图3所示)和A底1(图4所示)，以及A(12或21)、A(23或32)、A(34或43)、A(14或41)，即包含所述第一次镜面的成像外加关于角部的成像，共9个镜像点电流源。图5是本发明实施例提供的基于对称四级法在有限空间上表面测量外加电场分布示意图
进一步的，计算上述实施例中镜像在所述观测点的电位值、电场强度与所述点电流源在所述观测点的电位值、电场强度比值，及所述M、N两个观测电极的电位差变化率，评价其对电场影响的重要度；并通过所述M、N两个观测电极的电位差变化率小于1％的进行规约。
需要补充说明的是，上述步骤需要按照所述成像器成像次数进行循环，次数越大，所成镜像对电场影响的重要度越低，当其低于上述规约设定值(1％)时，反馈停止信号于步骤S2。
可选的，基于步骤3，进行镜像点电流源其它分布情况猜想的验证，包括：
角部的成像的叠加影响猜想；示例性的，上述A关于角部的成像分为A12和A21两个镜像点电流源的叠加。
按上述步骤中实施例所述镜面对称的次数进行分层的猜想。
在此，基于上述猜想，进行与基于对称四级法在有限空间上表面进行测量的实验数据相比较；与基于有限元法的电法模拟结果相比较。发现只有上述实施例所述分类方式提供的理论数据与实验数据、模拟数据相接近。
这里，不得不说明的是，本发明提供的有限空间电场分布计算方法并不对理论推导验证进行详述，也不对其他理论猜想进行反驳，只为清楚地描述本发明实施例。
步骤S4，基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布。
在此，基于上述分类器的输出和介质电阻率，依次分层计算所述A、B两电极或其镜像在所述观测点M和N的电位值、电场强度及MN电位差，公式(电位值和电场强度以观测点M为例)如下：
Figure BDA0002284532470000091
Figure BDA0002284532470000092
Figure BDA0002284532470000093
式中I为供电回路的电流强度，单位为mA；ρ为介质电阻率，单位为Ω·m；
Figure BDA0002284532470000094
Figure BDA0002284532470000095
分别为A到M、B到N的距离；
计算各层MN电位差变化量，公式为：
Figure BDA0002284532470000096
找到变化量小于1％的MN电位差，计算其对应的视电阻率，公式为：
Figure BDA0002284532470000097
式中ρs为介质的视电阻率，单位为Ω·m；K为装置系数，与供电和测量电极间距有关。
在此实施例中，能够反映所述有限空间的电场分布规律。
根据本发明的另一面，还提供一种有限空间电场分布确定系统，包括：
有限空间的获取单元，用于获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置；
有限空间的转化单元，用于空间模型的建立，并将获取到的属性转化为解析空间的表示；
成像单元，将所述有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置输入到基于镜像法的成像器中，得到对应的输出；
分类单元，用于将所述成像器的输出输入到基于镜像集的分类器中，得到对应的输出；
电场分布计算单元，用于根据所述分类器的输出，计算所述有限空间电场中观测点电位值、电场强度及其电位差，进而计算各层电位差变化率和所述有限空间的视电阻率。
在此，如图6所示，有限空间电场分布计算系统6包括：第一装置，有限空间的获取单元61；第二装置，有限空间的转化单元62；第三装置，成像单元63；第四装置，分类单元64；第五装置，电场分布计算单元65。
在上述系统中，所述单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种有限空间电场分布确定方法，其特征在于，包括：
获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置；
将所述有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置输入到基于镜像法的成像器中，得到对应的输出，其中，所述基于镜像法的成像器，包括供电点处的点电流源关于有限空间边界的成像模型和供电点的点电流源关于有限空间角部的成像模型；
将所述成像器的输出输入到基于镜像集的分类器中，得到对应的输出，其中，所述基于镜像集的分类器，用于对镜像的父子关系进行层级分类；及计算镜像对电场影响的重要度，进行有效镜像和无效镜像的分类；
基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布。
2.如权利要求1所述的有限空间电场分布确定方法，其特征在于，获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置，包括：
对有限空间的长、宽、高进行获取和对空间模型的建立与解析空间的转化。
3.如权利要求2所述的有限空间电场分布确定方法，其特征在于，解析空间的转化，包括：
所述解析空间的转化包括有限空间的表示和供电点、观测点位置的表示，其中，所述供电点就指两个异性点电流源A、B的位置，所述观测点是指两个测量电极M、N的位置。
4.如权利要求3所述的有限空间电场分布确定方法，其特征在于，基于所述分类器的输出和介质电阻率计算电场分布，包括：
分层计算所述两个异性点电流源A、B或其镜像在所述两个测量电极M、N的电位值、电场强度及MN电位差，公式为：
Figure FDA0003133460230000011
Figure FDA0003133460230000021
Figure FDA0003133460230000022
式中，I为供电回路的电流强度；ρ为介质电阻率；
Figure FDA0003133460230000023
分别为A到M、B到M的距离矢量；UM为测量电极M处的电位；E为有限空间中的电场强度矢量；EA为点电流源A处的电场强度矢量；EB为点电流源B处的电场强度矢量；UMN为测量电极M、N之间的电位差；
Figure FDA0003133460230000024
为点电流源A到测量电极M之间的电位差；
Figure FDA0003133460230000025
为点电流源A到测量电极N之间的电位差；
Figure FDA0003133460230000026
为点电流源B到测量电极M之间的电位差；
Figure FDA0003133460230000027
为点电流源B到测量电极N之间的电位差；
计算各层测量电极M、N的电位差变化量，公式为：
Figure FDA0003133460230000028
找到变化量小于1％的测量电极M、N的电位差，计算其对应的视电阻率，公式为：
Figure FDA0003133460230000029
式中，ρs为介质的视电阻率；K为装置系数，与供电点 和测量电极间距有关；AM、AN、BM、BN分别为A到M、N，B到M、N的距离；n为层数，即经过迭代成像、分类后的镜像点电流源层级。
5.如权利要求1所述的有限空间电场分布确定方法，其特征在于，获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置之前，还包括：
进行有限空间的电场分布规律的推导和验证。
6.如权利要求5所述的有限空间电场分布确定方法，其特征在于，进行有限空间的电场分布规律的推导和验证，包括：
基于镜像法的成像器模型建立和基于镜像集的分类器模型建立。
7.一种有限空间电场分布确定系统，其特征在于，包括：
有限空间的获取单元，用于获取有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置；
有限空间的转化单元，用于空间模型的建立，并将获取到的属性转化为解析空间的表示；
成像单元，将所述有限空间的大小、介质电阻率和供电点、观测点的位置输入到基于镜像法的成像器中，得到对应的输出，其中，所述基于镜像法的成像器，包括供电点处的点电流源关于有限空间边界的成像模型和供电点的点电流源关于有限空间角部的成像模型；
分类单元，用于将所述成像器的输出输入到基于镜像集的分类器中，得到对应的输出，其中，所述基于镜像集的分类器，用于对镜像的父子关系进行层级分类；及计算镜像对电场影响的重要度，进行有效镜像和无效镜像的分类；
电场分布计算单元，用于根据所述分类器的输出，计算所述有限空间电场中观测点电位值、电场强度及其电位差，进而计算各层电位差变化率和所述有限空间的视电阻率。
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