CN114966870A - 一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁方法，包括S1获取分量数据，并进行选择性组合；S2获取频率域电磁场响应、模型响应的偏导数；S3基于S2获取时间域电磁场阶跃响应、时间域模型响应偏导数；S4基于S3获取真实电流对应的电磁场响应和模型解析偏导数；S5将观测数据与真实电流下模型电磁响应对比，如果达到预先设定的条件，则跳转到S7；S6对组合的分量数据进行自适应正则化反演计算，对层状初始模型进行修正，得到的新的层状模型，返回S3，直到满足条件；S7输出反演模型及模型电磁响应结果。本方案针对复杂地形区域适用性更强，能够实现全区域瞬变电磁场单分量或多分量联合观测，施工效率高。

Description

一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁方法

技术领域

本发明属于地球物理探测技术领域，特别是涉及一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁法。

背景技术

瞬变磁法目前在金属矿产、地热、工程勘查等领域广泛应用，中心回线装置是它的主要工作形式之一，但传统技术中的施工效率低，针对复杂地形区域测量的适用性低。因此急需一种新的瞬变磁法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多分量的联合探测瞬变电磁方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁方法，包括以下步骤：

S1、选取待测分量数据、观测点，基于检测需要，对所述分量数据进行选择性组合；

S2、对组合的分量数据以及对应的发射框进行频率正演计算，得到该观测点的频率域电磁场响应、模型响应的偏导数；

S3、对该观测点的频率域电磁场响应进行时频转换得到时间域电磁场阶跃响应，对该观测点的模型响应的偏导数进行时频转换得到时间域模型响应偏导数；

S4、利用真实电流函数分别与所述时间域电磁场阶跃响应、时间域模型响应偏导数进行褶积计算，得到真实发射电流所对应的电磁场响应和电磁场响应的模型解析偏导数；

S5、将观测得到的数据与真实发射电流下模型电磁响应对比，计算目标函数，如果达到预先设定的条件，则跳转到S7，所述条件为目标函数达到最大迭代次数，所述最大迭代次数为预先设定的值；

S6、对组合的分量数据进行自适应正则化反演计算，基于反演得到的计算结果对层状初始模型进行修正，得到的新的层状模型，返回S3继续迭代，直到满足所述条件；

S7、输出反演模型及模型电磁响应结果。

可选地，所述分量数据包括水平电场Ef、水平磁场Hf、垂直磁场Hz、水平感应电动势Vf、垂直感应电动势Vz。

可选地，获取频率域电磁场响应包括：将发射框分为首尾相连的多个线段L，在每个线段内进行高斯积分，积分点数满足N≥50*L/r,且N≥5，将每个线段L的积分结果进行累加构成发射框的正演计算。

可选地，正演计算公式为：

其中，Ef为水平电场，Hf为水平方向观测的磁场，H_z为垂直磁场，i为虚数，i∈(1，n),j为发射框剖分后的线段L的序号，j∈(1，N),ω为发射信号的角频率，μ为磁导率,r为线段L的中心点到观测点的距离，H_0k为零阶汉克尔滤波系数，H_1k为1阶汉克尔滤波系数、λ为汉克尔滤波波数，dl为积分线段L的微元，线段L分为若干个等长的l，θ为线段L与坐标轴X轴的夹角，

为水平观测方向与坐标轴X轴的夹角，M为汉克尔滤波系数系数的个数；

R_n＝0，h_i为层厚度，σ_i为模型第i层的电导率。

可选地，所述水平电场Ef、水平方向观测的磁场Hf的表达式为：

其中，Ex和Ey为电场的x、y分量，Hx和Hy为磁场的x、y分量，

为水平观测方向与坐标X轴的夹角。

可选地，所述S3包括：

可选地，所述S4中，利用真实电流全波形响应与所述时间域阶跃响应进行褶积计算，得到真实发射电流所对应的电磁场响应包括:

其中，G(t)为真实发射电流所对应的时域电磁场值，I(t)为真实发射电流函数，H_s(t)为模型的阶跃电磁场响应，s为水平分量f或垂直分量z的标识；

可选地，所述S4中，利用真实电流函数分别与时间域模型响应偏导数进行褶积计算，得到电磁场响应的模型解析偏导数包括：

对频率域电磁场响应公式(3)、(4)、(5)两边求模型偏导数计算式得到：

其中，m为模型参数，模型参数包括电阻率ρ或层厚度h；

当m为模型参数电阻率ρ时，

当m为模型参数层厚度h时，

ρ_k为第k层电导率，h_k为第k层厚度，

可选地，对组合的分量数据进行自适应正则化反演计算包括：在反演过程中，根据需要反演的分量的数据自动调节反演矩阵方程式(21)，从而实现多分量联合反演；

设反演目标函数为：Φ＝Φ_d+λΦ_m→min，

反演矩阵方程为：

其中Φ_d为数据目标函数、Φ_m为模型目标函数，

W_dEf、W_dHf、W_dHz、W_dVf、W_dVz分别为水平电场、水平磁场、垂直磁场、水平感应电动势、垂直感应电动势协方差矩阵；J为灵敏度度矩阵；ΔdEf、ΔdHf、ΔdHz、ΔdVf、ΔdVz分别为水平电场、水平磁场、垂直磁场、水平感应电动势、垂直感应电动势残差。

本发明的技术效果为：本发明提供了一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁方法，能够实现全区域瞬变电磁场单分量或多分量联合观测，施工效率高，针对复杂地形区域适用性更强。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

在附图中：

图1为本发明实施例中的观测点与发射框的位置俯视图；

图2为本发明实施例中的观测响应图；

图3为本发明实施例中装置结构示意图；

图4为本发明实施例中实测水平电场、垂直感应电压多测道曲线图；

图5为本发明实施例中反演电阻率断面等值线图；

图6为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1-3、6所示，本实施例中提供一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁方法，包括以下步骤：

S1、选取待测分量数据、观测点，基于检测需要，对所述分量数据进行选择性组合；

S2、对组合的分量数据以及对应的发射框进行频率正演计算，得到该观测点的频率域电磁场响应、模型响应的偏导数。

S3、对该观测点的频率域电磁场响应进行时频转换得到时间域电磁场阶跃响应，对该观测点的模型响应的偏导数进行时频转换得到时间域模型响应偏导数；本实施例中，时频变换采用正弦变换方法；

对阶跃响应模型进行偏导数矩阵解析计算，得到真实发射电流下模型响应的解析偏导数值；采用解析法计算偏导数据矩阵，速度快、精度高，可以显著提升反演的效率；

S4、利用真实电流函数分别与所述时间域电磁场阶跃响应、时间域模型响应偏导数进行褶积计算，得到真实发射电流所对应的电磁场响应和电磁场响应的模型解析偏导数；

S5、将观测得到的数据与真实发射电流下模型电磁响应对比，计算目标函数，如果达到预先设定的条件，则跳转到S7，所述条件为目标函数达到最大迭代次数，所述最大迭代次数为预先设定的值；

S6、对组合的分量数据进行自适应正则化反演计算，基于反演得到的计算结果对层状初始模型进行修正，得到的新的层状模型，返回S3继续迭代，直到满足所述条件；

S7、输出反演模型及模型电磁响应结果。

本实施例提出考虑严格的瞬变电磁场的正演，并利用解析算法计算模型参数的偏导数矩阵，实现了任意电磁场单分量或多分量组合的快速、高精度反演，可显著提升瞬变电磁法的施工效率和复杂地形区域的适用性。

可选地，所述分量数据包括水平电场Ef、水平磁场Hf、垂直磁场Hz、水平感应电动势Vf、垂直感应电动势Vz。

可选地，获取频率域电磁场响应包括：将发射框分为首尾相连的多个线段L，在每个线段内进行高斯积分，积分点数满足N≥50*L/r,且N≥5，将每个线段L的积分结果进行累加构成发射框的正演计算。

可选地，正演计算公式为：

其中，Ef为水平电场，Hf为水平方向观测的磁场，H_z为垂直磁场，i为虚数，i∈(1，n),j为发射框剖分后的线段L的序号，j∈(1，N),ω为发射信号的角频率，μ为磁导率,r为线段L的中心点到观测点的距离，H_0k为零阶汉克尔滤波系数，H_1k为1阶汉克尔滤波系数、λ为汉克尔滤波波数，dl为积分线段L的微元，线段L分为若干个等长的l，θ为线段L与坐标轴X轴的夹角，

为水平观测方向与坐标轴X轴的夹角，M为汉克尔滤波系数系数的个数；

R_n＝0，h_i为层厚度，σ_i为模型第i层的电导率。

可选地，所述水平电场Ef、水平方向观测的磁场Hf的表达式为：

其中，Ex和Ey为电场的x、y分量，Hx和Hy为磁场的x、y分量，

为水平观测方向与坐标X轴的夹角。

可选地，所述S3包括：

可选地，所述S4中，受实际野外环境的影响，利用真实电流全波形响应与所述时间域阶跃响应进行褶积计算，得到真实发射电流所对应的电磁场响应包括:

其中，G(t)为真实发射电流所对应的时域电磁场值，I(t)为真实发射电流函数，H_s(t)为模型的阶跃电磁场响应，s为水平分量f或垂直分量z的标识；

可选地，所述S4中，利用真实电流函数分别与时间域模型响应偏导数进行褶积计算，得到电磁场响应的模型解析偏导数包括：

对频率域电磁场响应公式(3)、(4)、(5)两边求模型偏导数计算式得到：

其中，m为模型参数，模型参数包括电阻率ρ或层厚度h；

当m为模型参数电阻率ρ时，

当m为模型参数层厚度h时，

ρ_k为第k层电导率，h_k为第k层厚度，

可选地，对组合的分量数据进行自适应正则化反演计算包括：在反演过程中，根据需要反演的分量的数据自动调节反演矩阵方程式(21)，从而实现多分量联合反演；

设反演目标函数为：Φ＝Φ_d+λΦ_m→min，

反演矩阵方程为：

其中Φ_d为数据目标函数、Φ_m为模型目标函数，

W_dEf、W_dHf、W_dHz、W_dVf、W_dVz分别为水平电场、水平磁场、垂直磁场、水平感应电动势、垂直感应电动势协方差矩阵；J为灵敏度度矩阵；ΔdEf、ΔdHf、ΔdHz、ΔdVf、ΔdVz分别为水平电场、水平磁场、垂直磁场、水平感应电动势、垂直感应电动势残差。

可选地，现有技术中对发射框的要求高，在野外实际布置发射框的时候难以布设的很规则，考虑发射源的实际形态，本发明中将观测点可以放置在发射框内部、外部均可，具体将所述观测点的位置以发射框为中心的100-500m范围内，适用于山区、矿区等复杂地形，只需要布置一次发射框的位置就可以实现对待测地区的多方位测量，解决了传统矩形框回线在野外由于地形地物限制而无法精确布置的问题，大大提高了工作效率。还克服了传统中心回线装置不同发射源带来的异常耦合差异。

使用时，将发射框置于地表，如图2所示，在发射框附近任意位置进行观测单分量或多分量联合观测，而传统类似方法的发射和接收装置相对较为局限，观测方式较为单一，且数据处理近似为中心回线，难以解决装置自身因位置不同而带来的场值差异问题。

本实施例中，在模型频率域正演计算和偏导数计算中各频率之间是相互独立的，因此可以使用CUDA并行计算，加快计算速度。

传统回线在数据处理研究时使用中心回线装置进行视电阻率计算或成像，并没有考虑发射源与测点的相对位置变化而引起的场值变化，因此存在较为明显的边框效应。本实施例中考虑到上述问题，利用地面任意发射回线，在地面任意位置进行水平电场、水平磁场、垂直磁场、水平感应电动势、垂直感应电动势多个分量单独或任意组合多分量观测的新型瞬变电磁装置，将可观测区域由传统单一中心点扩展至发射线框附近任意位置，实现了任意电磁场单分量或多分量组合的快速、高精度反演；除此之外，显著提升瞬变电磁法的施工效率和复杂地形区域的适用性。

利用本方法在中国安徽省桃园煤矿开展了实际探测应用。施工参数为：发射电流20安培，供电周期4Hz,同时观测水平电场分量和垂直感应电压分量，叠加次数1024次，测线长度760米，点距20米。图4为实测水平电场、垂直感应电压多测道曲线。

反演采用二维反演方式，反演最大深度1030米。初始模型设置为电阻率10Ω·m的均匀半空间，反演迭代次数设置为20次，反演得到的电阻率断面结果如图5所示。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种地面任意回线任意位置多分量联合探测瞬变电磁方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取待测分量数据、观测点，基于检测需要，对所述分量数据进行选择性组合；

S2、对组合的分量数据以及对应的发射框进行频率正演计算，得到该观测点的频率域电磁场响应、模型响应的偏导数；

S3、对该观测点的频率域电磁场响应进行时频转换得到时间域电磁场阶跃响应，对该观测点的模型响应的偏导数进行时频转换得到时间域模型响应偏导数；

S4、利用真实电流函数分别与所述时间域电磁场阶跃响应、时间域模型响应偏导数进行褶积计算，得到真实发射电流所对应的电磁场响应和电磁场响应的模型解析偏导数；

S5、将观测得到的数据与真实发射电流下模型电磁响应对比，计算目标函数，如果达到预先设定的条件，则跳转到S7，所述条件为目标函数达到最大迭代次数，所述最大迭代次数为预先设定的值；

S6、对组合的分量数据进行自适应正则化反演计算，基于反演得到的计算结果对层状初始模型进行修正，得到的新的层状模型，返回S3继续迭代，直到满足所述条件；

S7、输出反演模型及模型电磁响应结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分量数据包括水平电场Ef、水平磁场Hf、垂直磁场Hz、水平感应电动势Vf、垂直感应电动势Vz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取频率域电磁场响应包括：将发射框分为首尾相连的多个线段L，在每个线段内进行高斯积分，积分点数满足N≥50*L/r,且N≥5，将每个线段L的积分结果进行累加构成发射框的正演计算。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，正演计算公式为：

其中，Ef为水平电场，Hf为水平方向观测的磁场，H_z为垂直磁场，i为虚数，i∈(1，n),j为发射框剖分后的线段L的序号，j∈(1，N),ω为发射信号的角频率，μ为磁导率,r为线段L的中心点到观测点的距离，H_0k为零阶汉克尔滤波系数，H_1k为1阶汉克尔滤波系数、λ为汉克尔滤波波数，dl为积分线段L的微元，线段L分为若干个等长的l，θ为线段L与坐标轴X轴的夹角，

为水平观测方向与坐标轴X轴的夹角，M为汉克尔滤波系数系数的个数；

R_n＝0，h_i为层厚度，σ_i为模型第i层的电导率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述水平电场Ef、水平方向观测的磁场Hf的表达式为：

其中，Ex和Ey为电场的x、y分量，Hx和Hy为磁场的x、y分量，

为水平观测方向与坐标X轴的夹角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S3包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S4中，利用真实电流全波形响应与所述时间域阶跃响应进行褶积计算，得到真实发射电流所对应的电磁场响应包括:

其中，G(t)为真实发射电流所对应的时域电磁场值，I(t)为真实发射电流函数，H_s(t)为模型的阶跃电磁场响应，s为水平分量f或垂直分量z的标识；

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S4中，利用真实电流函数分别与时间域模型响应偏导数进行褶积计算，得到电磁场响应的模型解析偏导数包括：

对频率域电磁场响应公式(3)、(4)、(5)两边求模型偏导数计算式得到：

其中，m为模型参数，模型参数包括电阻率ρ或层厚度h；

当m为模型参数电阻率ρ时，

当m为模型参数层厚度h时，

ρ_k为第k层电导率，h_k为第k层厚度，

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对组合的分量数据进行自适应正则化反演计算包括：在反演过程中，根据需要反演的分量的数据自动调节反演矩阵方程式(21)，从而实现多分量联合反演；

设反演目标函数为：Φ＝Φ_d+λΦ_m→min，

反演矩阵方程为：

其中Φ_d为数据目标函数、Φ_m为模型目标函数，

W_dEf、W_dHf、W_dHz、W_dVf、W_dVz分别为水平电场、水平磁场、垂直磁场、水平感应电动势、垂直感应电动势协方差矩阵；J为灵敏度度矩阵；ΔdEf、ΔdHf、ΔdHz、ΔdVf、ΔdVz分别为水平电场、水平磁场、垂直磁场、水平感应电动势、垂直感应电动势残差。

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