CN114089430A - 地下目标探测多源数据联合反演方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供地下目标探测多源数据联合反演方法，方法包括：对地磁异常数据进行处理，得到磁异常目标的第一深度参数；利用第一类电磁法数据进行视电导率深度成像，获取电导率以及第二深度参数；根据第一深度参数、第二深度参数、电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果以及初始反演模型；利用第一类电磁法数据，根据初始值结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型初始结果；利用第二类电磁法数据，根据反演模型初始结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型最终结果。本申请提供的方法结合三种探测数据，并利用两次阻尼最小二乘反演迭代计算，提高了结果的精确性。

Description

地下目标探测多源数据联合反演方法

技术领域

本申请涉及目标探测数据处理技术领域，特别涉及地下目标探测多源数据联合反演方法。

背景技术

目标探测领域中，利用磁场原理进行目标探测的方法是目前的一种主流方法，具体包括磁异常探测、时间域电磁探测、频率域电磁探测等方法。其中，磁异常探测是一种被动探测方法，铁磁性目标在地磁场环境下被磁化，磁化场导致在目标附近区域内的磁场分布发生变化，这种方法下不需要额外的激励源，探测效率高、成本低，且数据处理较为简单，可以利用STAR(Scalar Triangular and Ranging)算法进行磁异常目标的单点定位计算。时间域电磁法通过检测脉冲关断后二次场随时间的衰减特性进行目标探测。该方法所使用的激励磁场低频成分较多，发射磁矩也较大，因此能够探测到深层的目标信息。频率域电磁法通过检测二次场的频谱特性进行目标探测。在宽带范围内连续频谱扫描的激励条件下，根据趋肤效应可以获取深度方向高分辨率的地下目标信息，不存在浅层探测盲区。针对单一频率的响应信号，可以利用正交锁相技术提取微弱磁场信号，因此抗干扰能力也较强。现有的探测方法中，往往基于单一的探测方式，获取地下目标信息，然后对地下目标信息进行分析。

但是，单一的探测方式，获取的地下目标信息往往是有限的，在数据处理中也存在各种缺点。具体而言，磁异常探测获取的异常目标特征信息有限，且定位结果往往存在一定的误差。时间域电磁法由于关断时间、线圈自感等因素的影响，脉冲关断早期的有用信号无法辨别，易造成浅层信息丢失的问题。频率域电磁法受到硬件条件的制约，该方法在实现多频点激励时，发射磁矩的提高能力有限，因此常用于深度较浅的目标探测。因此，上述的任何一种方法在面对未知的目标时，都存在一定的缺陷。而面对未知目标时，很难事先确定好适合的探测方法，因此，盲选探测方法的处理方式，给目标探测领域的精确度带来了一定的影响。

发明内容

本申请提供了地下目标探测多源数据联合反演方法，可用于解决目标探测领域的精确度偏低的技术问题。

本申请提供地下目标探测多源数据联合反演方法，所述方法包括：

对地磁异常数据进行处理，得到磁异常目标的第一深度参数；

利用第一类电磁法数据进行视电导率深度成像，获取电导率以及第二深度参数；

根据所述第一深度参数、所述第二深度参数、所述电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果以及初始反演模型；

利用所述第一类电磁法数据，根据所述初始值结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型初始结果；

利用所述第二类电磁法数据，根据所述反演模型初始结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型最终结果。

可选的，对地磁异常数据进行处理，得到磁异常目标的第一深度参数，包括：

根据三轴磁传感器阵列接收的所述地磁异常数据，确定磁异常目标的磁梯度张量分量；

根据所述磁梯度张量分量，确定磁梯度张量阵的范数：

C_T＝[∑(G_ij)²]^1/2

式中，G_ij为所述磁异常目标的磁梯度张量分量；C_T为所述磁梯度张量阵的范数；

根据所述磁梯度张量阵的范数以及相邻三轴磁传感器之间的距离d，确定磁梯度张量矩阵范数的空间梯度

所述磁梯度张量矩阵范数的空间梯度指向磁异常目标，因此所述磁异常目标与测量点之间的相对位置单位矢量

为：

式中，

为所述磁异常目标与测量点之间的相对位置单位矢量；

采用以下方法确定定位信息：

式中，

为所述定位信息；

根据所述定位信息以及定位方向，确定所述第一深度参数。

可选的，利用第一类电磁法数据进行视电导率深度成像，获取电导率以及第二深度参数，包括：

根据时间域正演响应公式得到不同时刻下、不同电导率均匀半空间模型的电磁响应：

式中，t为响应时刻点，Hz(ω)为激励频率ω下的频率域电磁响应，具体值由均匀半空间的电导率决定；

确定电导率与时刻之间的对应关系；

采用叠层递推的方式确定时刻与深度参数之间的对应关系：

式中，a和b为经验系数，通过实际测区的先验条件调试得到；σ_j为当前时刻点的视电导率，μ₀为真空磁导率，j为当前时刻点，j-k为前一个时刻点；

根据所述电导率与时刻之间的对应关系，以及所述时刻与深度参数之间的对应关系，确定电导率以及第二深度参数。

可选的，根据所述第一深度参数、所述第二深度参数、所述电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果以及初始反演模型，包括：

根据所述第二深度参数、所述电导率确定模型层数；

将所述第一深度参数与所述第二深度参数进行比较分析，并根据所述模型层数确定每层介质的厚度数据；

根据所述介质厚度数据、所述电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果。

可选的，所述初始值结果为：

x₀＝[x₁,x₂,x₃,…,x_3N-1]^T＝[σ₁,σ₂,…σ_N,μ₁,…,μ_N,h₁,…h_N-1]^T

式中，x₀为所述初始值结果；σ_i表示第i层介质的电导率；μ_i表示第i层介质的磁导率；h_i表示第i层介质厚度数据。

可选的，利用所述第一类电磁法数据，根据所述初始值以及初试反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型初始结果，包括：

选取不同时刻点下的响应数据d₁,d₂,…,d_M，得到反演计算的目标函数

其中，M表示观测数据的个数，f_m(x)为第m个时刻点下的正演响应函数，d_m为对应于第m个时刻点的响应数据，F为均匀地下介质的时间域电磁法正演算子，x为待求解的模型参数，具体包括地下介质的电导率、磁导率和深度参数；

在计算中通过不断修正模型参数向量x，减小目标函数

(拟合误差)的值：

x^(k+1)＝x^(k)+δ＝x^(k)-(J_k ^TJ_k+λ_kI)^-1·J_k ^Tg_k

式中，x^(k)为迭代修正k次的参数向量，J_k为参数向量x^(k)下的雅克比矩阵，g_k为残差向量，g_k＝d-F(x^(k))，λ_k为阻尼因子，在每一步迭代计算中根据非线性程度更新其数值；

当目标函数小于最大允许误差e或最大迭代次数N_max时，迭代计算结束，得到反演模型初始结果。

可选的，所述第一类电磁法数据为时间域电磁法数据或者频率域电磁法数据；所述第二类电磁法数据为时间域电磁法数据或者频率域电磁法数据；所述第一类电磁法数据和所述第二类电磁法数据为不同类型数据。

本申请提供的方法结合三种探测数据，能够从中获取到更为丰富的地下目标信息用于反演计算，提高了数据解释的可靠性，并且将地磁异常数据作为考虑因素，可以为反演计算提供更为合理的模型参数初值，减少了电磁法数据处理中的多解性，提高了计算的稳定性。利用多源数据进行计算处理，不仅可以获取地下目标的多个特征信息，包括电导率、磁导率和深度信息，还可以减小计算误差，提高了数据解释的精度。本申请通过两次阻尼最小二乘反演迭代计算，提高了结果的精确性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种地下目标探测多源数据联合反演方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的数据流程图之一；

图3为本申请实施例提供的一种确定介质厚度数据的方法示意图；

图4为本申请实施例提供的数据流程图之二；

图5为一种联合反演具体实施步骤流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，为本申请实施例提供的一种地下目标探测多源数据联合反演方法的流程示意图。

本申请包括以下步骤：

步骤S101，对地磁异常数据进行处理，得到磁异常目标的第一深度参数。

具体的，本申请实施例中，根据三轴磁传感器阵列接受的地磁异常数据，确定磁异常目标的磁梯度张量分量。

根据磁梯度张量分量，确定磁梯度张量阵的范数：

C_T＝[∑(G_ij)²]^1/2

式中，G_ij为磁异常目标的磁梯度张量分量。C_T为磁梯度张量阵的范数。

根据磁梯度张量阵的范数以及相邻三轴磁传感器之间的距离d，确定磁梯度张量矩阵范数的空间梯度

磁梯度张量矩阵范数的空间梯度指向磁异常目标，因此磁异常目标与测量点之间的相对位置单位矢量

为：

式中，

为磁异常目标与测量点之间的相对位置单位矢量。

采用以下方法确定定位信息：

式中，

为定位信息。

根据定位信息以及定位方向，确定第一深度参数。

步骤S102，利用第一类电磁法数据进行视电导率深度成像，获取电导率以及第二深度参数。

其中，第一类电磁法数据为时间域电磁法数据或者频率域电磁法数据。

如图2所示，为本申请实施例提供的数据流程图之一。图2中，时间域电磁法数据作为第一类电磁法数据。

时间域电磁法数据在同一测点的响应信号随时间呈衰减的趋势，利用查表法进行视电导率计算的主要思想是将与某一时刻响应值相同的均匀半空间的电导率作为该时刻地下非均匀介质的视电导率值。根据电磁扩散原理，在某一时刻下电磁场扩散到特定的深度，这与视电导率值组合即可完成视电导率深度成像。

具体的，本申请实施例中，根据时间域正演响应公式得到不同时刻下、不同电导率均匀半空间模型的电磁响应：

式中，t为响应时刻点，Hz(ω)为激励频率ω下的频率域电磁响应，具体值由均匀半空间的电导率决定。

确定电导率与时刻之间的对应关系。将电导率与时刻之间的对应关系绘制差值表格，利用查表法得到

采用叠层递推的方式确定时刻与深度参数之间的对应关系：

式中，a和b为经验系数，通过实际测区的先验条件调试得到。σ_j为当前时刻点的视电导率，μ₀为真空磁导率，j为当前时刻点，j-k为前一个时刻点。

根据电导率与时刻之间的对应关系，以及时刻与深度参数之间的对应关系，确定电导率以及第二深度参数。

步骤S103，根据第一深度参数、第二深度参数、电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果以及初试反演模型。

本申请实施例中，根据第二深度参数和电导率，确定模型层数。电导率随第二深度的变化趋势可以确定地下介质的大概层数。

地磁异常数据具有良好的定位性，根据地磁异常数据确定地下目标的中心位置，即电导率异常处的中心位置。

将第一深度参数与第二深度参数进行比较分析，并根据模型层数确定每层介质的厚度数据。

第一深度参数与第二深度参数的精确度不一样，两者结合，可以得到更为精确的深度参数即每层介质的厚度数据。

本申请实施例中，每层介质的厚度数据需要根据经验数据库进行确定。

根据介质厚度数据、电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果。

如图3所示，为本申请实施例提供的一种确定介质厚度数据的方法示意图。

如图3，由于变化趋势曲线随深度的增大视电导率先升高后减小，故将计算模型层数设置为三层。选取开始升高的点(z1,y1)即变化厚度数据之一、视电导率升至最高值的点(z2,y2)即变化厚度数据之二，求得两点构成线段的中点为((z1+z2)/2,(y1+y2)/2)，将该点的深度值作为第一层介质与第二层介质的分界，即第一层介质的介质厚度数据为(y1+y2)/2。电导率为前段曲线中视电导率的最小值z1。将目标深度y0作为第二层介质的中点，即第二层介质与第三层介质的分界处深度为2y0-(y1+y2)/2，对应地，第二层介质的介质厚度数据为2y0-y1-y2。电导率为视电导率的最大值z2，后端曲线中视电导率下降到稳定值的点为(z3,y3)，将第三层介质的电导率设置为z3。

根据介质厚度数据、电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果。

具体的，本申请实施例中，初始值结果为：

x₀＝[x₁,x₂,x₃,…,x_3N-1]^T＝[σ₁,σ₂,…σ_N,μ₁,…,μ_N，h₁,…h_N-1]^T

式中，x₀为初始值结果。σ_i表示第i层介质的电导率。μ_i表示第i层介质的磁导率。h_i表示第i层介质厚度数据。

步骤S104，利用第一类电磁法数据，根据初始值结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型初始结果。

具体的，本申请实施例中，选取不同时刻点下的响应数据d₁,d₂,…,d_M，得到反演计算的目标函数

其中，M表示观测数据的个数，f_m(x)为第m个时刻点下的正演响应函数，d_m为对应于第m个时刻点的响应数据，F为均匀地下介质的时间域电磁法正演算子，x为待求解的模型参数，具体包括地下介质的电导率、磁导率和深度参数。

在计算中通过不断修正模型参数向量x，减小目标函数

(拟合误差)的值：

x^(k+1)＝x^(k)+δ＝x^(k)-(J_k ^TJ_k+λ_kI)^-1·J_k ^Tg_k

式中，x^(k)为迭代修正k次的参数向量，J_k为参数向量x^(k)下的雅克比矩阵，g_k为残差向量，g_k＝d-F(x^(k))，λ_k为阻尼因子，在每一步迭代计算中根据非线性程度更新其数值。

当目标函数小于最大允许误差e或最大迭代次数N_max时，迭代计算结束，得到反演模型初始结果。

步骤S105，利用第二类电磁法数据，根据反演模型初始结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型最终结果。

其中，第二类电磁法数据为时间域电磁法数据或者频率域电磁法数据。第一类电磁法数据和第二类电磁法数据为不同类型数据。

在第一类电磁法数据为时间域电磁法数据的前提下，第二类电磁法数据为率域电磁法数据。在频率域反演计算中，选取不同激励频率下的响应数据d₁,d₂,…,d_M构成目标函数，类似地，经过阻尼最小二乘法的不断迭代修正得到各模型参数的最终计算结果。

需要说明的是，在以往的方法中，经过一次反演计算得到上述反演模型初始结果即可认为得到了最终结果。本申请实施例为了进一步提高结果精确度，因为引入了频率域电磁法数据，利用频率域电磁法数据根据反演模型初始结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型最终结果。通过两次阻尼最小二乘反演迭代计算，并结合不同的参考数据，大大提升了本申请提供的方法的精确性。

在本申请实施例实施的过程中，时间域电磁法数据以及频率域电磁法数据可以相互替换。如图4所示，为本申请实施例提供的数据流程图之二。图4中，频率域电磁法数据作为第一类电磁法数据。即与图4相对应的，步骤S102中以及步骤S104中，第一类电磁法数据为频率域电磁法数据。步骤S105中，第二类电磁法数据为时间域电磁法数据。

如图5为本申请实施例提供的一种联合反演具体实施步骤流程图。

本申请提供的方法结合三种探测数据，能够从中获取到更为丰富的地下目标信息用于反演计算，提高了数据解释的可靠性，并且将地磁异常数据作为考虑因素，可以为反演计算提供更为合理的模型参数初值，减少了电磁法数据处理中的多解性，提高了计算的稳定性。利用多源数据进行计算处理，不仅可以获取地下目标的多个特征信息，包括电导率、磁导率和深度信息，还可以减小计算误差，提高了数据解释的精度。本申请通过两次阻尼最小二乘反演迭代计算，提高了结果的精确性。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于服务构建装置和服务加载装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (7)

1.地下目标探测多源数据联合反演方法，其特征在于，所述方法包括：

对地磁异常数据进行处理，得到磁异常目标的第一深度参数；

利用第一类电磁法数据进行视电导率深度成像，获取电导率以及第二深度参数；

根据所述第一深度参数、所述第二深度参数、所述电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果以及初始反演模型；

利用所述第一类电磁法数据，根据所述初始值结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型初始结果；

利用所述第二类电磁法数据，根据所述反演模型初始结果以及初始反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型最终结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对地磁异常数据进行处理，得到磁异常目标的第一深度参数，包括：

根据三轴磁传感器阵列接收的所述地磁异常数据，确定磁异常目标的磁梯度张量分量；

根据所述磁梯度张量分量，确定磁梯度张量阵的范数：

C_T＝[∑(G_ij)²]^1/2

式中，G_ij为所述磁异常目标的磁梯度张量分量；C_T为所述磁梯度张量阵的范数；

根据所述磁梯度张量阵的范数以及相邻三轴磁传感器之间的距离d，确定磁梯度张量矩阵范数的空间梯度

所述磁梯度张量矩阵范数的空间梯度指向磁异常目标，因此所述磁异常目标与测量点之间的相对位置单位矢量

为：

式中，

为所述磁异常目标与测量点之间的相对位置单位矢量；

采用以下方法确定定位信息：

式中，

为所述定位信息；

根据所述定位信息以及定位方向，确定所述第一深度参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用第一类电磁法数据进行视电导率深度成像，获取电导率以及第二深度参数，包括：

根据时间域正演响应公式得到不同时刻下、不同电导率均匀半空间模型的电磁响应：

式中，t为响应时刻点，Hz(ω)为激励频率ω下的频率域电磁响应，具体值由均匀半空间的电导率决定；

确定电导率与时刻之间的对应关系；

采用叠层递推的方式确定时刻与深度参数之间的对应关系：

式中，a和b为经验系数，通过实际测区的先验条件调试得到；σ_j为当前时刻点的视电导率，μ₀为真空磁导率，j为当前时刻点，j-k为前一个时刻点；

根据所述电导率与时刻之间的对应关系，以及所述时刻与深度参数之间的对应关系，确定电导率以及第二深度参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第一深度参数、所述第二深度参数、所述电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果以及初始反演模型，包括：

根据所述第二深度参数、所述电导率确定模型层数；

将所述第一深度参数与所述第二深度参数进行比较分析，并根据所述模型层数确定每层介质的厚度数据；

根据所述介质厚度数据、所述电导率以及预先获取的磁导率，确定初始值结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述初始值结果为：

x₀＝[x₁，x₂，x₃，...，x_3N-1]^T＝[σ₁，σ₂，...σ_N，μ₁，...，μ_N，h₁，...h_N-1]^T

式中，x₀为所述初始值结果；σ_i表示第i层介质的电导率；μ_i表示第i层介质的磁导率；h_i表示第i层介质厚度数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述第一类电磁法数据，根据所述初始值以及初试反演模型进行阻尼最小二乘反演迭代计算，得到反演模型初始结果，包括：

选取不同时刻点下的响应数据d₁，d₂，...，d_M，得到反演计算的目标函数

其中，M表示观测数据的个数，f_m(x)为第m个时刻点下的正演响应函数，d_m为对应于第m个时刻点的响应数据，F为均匀地下介质的时间域电磁法正演算子，x为待求解的模型参数，具体包括地下介质的电导率、磁导率和深度参数；

在计算中通过不断修正模型参数向量x，减小目标函数

(拟合误差)的值：

x^(k+1)＝x^(k)+δ＝x^(k)-(J_k ^TJ_k+λ_kI)^-1·J_k ^Tg_k

式中，x^(k)为迭代修正k次的参数向量，J_k为参数向量x^(k)下的雅克比矩阵，g_k为残差向量，g_k＝d-F(x^(k))，λ_k为阻尼因子，在每一步迭代计算中根据非线性程度更新其数值；

当目标函数小于最大允许误差e或最大迭代次数N_max时，迭代计算结束，得到反演模型初始结果。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一类电磁法数据为时间域电磁法数据或者频率域电磁法数据；所述第二类电磁法数据为时间域电磁法数据或者频率域电磁法数据；所述第一类电磁法数据和所述第二类电磁法数据为不同类型数据。

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