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浅海瞬变电磁全波形响应特征及探测能力分析

地球物理学报 2019年第4期62卷 1526-1540页

作者：赵越许枫李貅鲁凯亮中国科学院声学研究所北京100190 北京海洋声学装备工程技术研究中心北京100190 长安大学地质工程与测绘学院西安710054

瞬变电磁法在浅海工程勘探等领域受到了越来越多的关注.目前浅海瞬变电磁仍处于应用初期,相关研究少且未有成熟装备问世,有必要研究其探测能力并为观测系统选取最佳观测参数.本文以几种典型发射波形为例,采用褶积算法细致分析了不同发... 详细信息

瞬变电磁法在浅海工程勘探等领域受到了越来越多的关注.目前浅海瞬变电磁仍处于应用初期,相关研究少且未有成熟装备问世,有必要研究其探测能力并为观测系统选取最佳观测参数.本文以几种典型发射波形为例,采用褶积算法细致分析了不同发射波形条件下浅海瞬变电磁on-/off-time响应受海底介质电导率、磁导率及发射波形脉宽等参数的影响特征与规律;通过三维正演并设定极限探测深度阈值,进一步分析不同发射波形on-/offtime期间浅海瞬变电磁探测能力及对典型三维目标体的极限探测深度.基于本文研究成果,可为浅海瞬变电磁探测装置设计、观测系统的参数选取及试验参数的选取等提供了一些有价值的理论借鉴.

关键词：瞬变电磁浅海发射电流波形探测能力 on-time与off-time

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瞬变电磁虚拟波场二阶Born近似成像算法

地球物理学报 2022年第3期65卷 1144-1159页

作者：樊亚楠李貅戚志鹏鲁凯亮长安大学地质工程与测绘学院西安710054 长安大学地球物理场多参数综合模拟实验室(中国地球物理学会重点实验室) 西安710054

依据瞬变电磁扩散场与虚拟波动场之间的数学表达式,通过波场反变换得到虚拟波场,进而借用地震勘探上成熟的成像方法定位地质界面的位置以及形态.本文首先将时间域波动方程转换为频率域波动方程,将总波动场分为背景场和散射场、总波速分... 详细信息

依据瞬变电磁扩散场与虚拟波动场之间的数学表达式,通过波场反变换得到虚拟波场,进而借用地震勘探上成熟的成像方法定位地质界面的位置以及形态.本文首先将时间域波动方程转换为频率域波动方程,将总波动场分为背景场和散射场、总波速分为背景速度和扰动速度,然后运用Green定理得到了散射场关于地质界面速度扰动量的表达式,并使用Born近似算法将积分方程线性化,最后通过傅里叶变换可以快速得到电性界面速度扰动量的值.通过分析阶跃函数与Delta函数在不同频带下的形态,可知Delta函数几乎不受频带的影响,因此对速度扰动量求一阶导数即可得到不受频带影响的反射率函数,从而实现对地下电性界面准确定位的目的.由散射序列的表达式可知,Born近似算法仅保留了散射序列中的第一项,丢失了部分有用信息,无法对地下电性界面准确成像.因此本文根据各项间的递推关系,保留了散射序列的前两项,推导出了二阶Born近似的表达式.通过研究电阻率变化、层厚变化对成像精度的影响,本文发现二阶Born近似算法比常规的Born近似成像方法有更高的分辨率.通过对二维模型、三维低阻薄板模型的计算可知,相比于Born近似算法,二阶Born近似算法能对地下电性界面的位置以及异常体的形态准确定位、快速成像,具有较好的效果.

关键词：瞬变电磁场虚拟波场二阶Born近似算法快速成像

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电性源瞬变电磁有限差分偏移成像方法

地球物理学报 2023年第2期66卷 854-869页

作者：鲁凯亮樊亚楠李貅周建美长安大学地质工程与测绘学院西安710054 长安大学地球物理场多参数综合模拟实验室(中国地球物理学会重点实验室) 西安710054

目前,瞬变电磁数据的主要处理结果是给出地下介质的(视)电阻率信息,较难给出清晰的地质界面信息.本文基于有限差分偏移成像原理,实现了电性源瞬变电磁虚拟波场的偏移成像技术.根据瞬变电磁扩散场与虚拟波场之间的数学关系,本文使用精细... 详细信息

目前,瞬变电磁数据的主要处理结果是给出地下介质的(视)电阻率信息,较难给出清晰的地质界面信息.本文基于有限差分偏移成像原理,实现了电性源瞬变电磁虚拟波场的偏移成像技术.根据瞬变电磁扩散场与虚拟波场之间的数学关系,本文使用精细积分法对第一类Fredholm积分方程求解,然后消除直达波,得到只含有地层反射波的虚拟波场.在此基础上,本文从时间域波动方程出发,对上行波的一级近似方程反向外推,得到时间-空间域二维与三维的波场递推公式.通过求解地下空间的波场,并使用反褶积方法削弱虚拟波场的波形展宽效应,从而提高对地质界面的纵向分辨率,获得较为准确的地质界面信息.本文分别采用均匀半空间模型、D型模型、HK型模型以及两层含水采空区模型对本文方法进行验证,并对实测数据进行处理,偏移成像的结果与地质资料相吻合,说明瞬变电磁有限差分偏移成像方法在识别电性界面以及地层特征方面具有可行性.

关键词：瞬变电磁精细积分虚拟波场有限差分偏移成像

一种基于天基的瞬变电磁高分辨探测小尺度太空碎片的方法

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地球物理学报 2018年第12期61卷 5066-5076页

作者：李文翰李贺鲁凯亮崔洪亮吉林大学仪器科学与电气工程学院长春130012 长安大学地质工程与测绘学院西安710054

目前,太空碎片的天基探测方法一般是激光雷达法.由于激光雷达的辐射频率一般为可见光或红外波段,在分辨厘米量级的太空碎片时具有一定的优势.但激光雷达在探测时也面临一些客观问题:即(1)难以捕捉快速移动的太空碎片;(2)对目标体穿透能... 详细信息

目前,太空碎片的天基探测方法一般是激光雷达法.由于激光雷达的辐射频率一般为可见光或红外波段,在分辨厘米量级的太空碎片时具有一定的优势.但激光雷达在探测时也面临一些客观问题:即(1)难以捕捉快速移动的太空碎片;(2)对目标体穿透能力低;(3)外层空间的强干扰环境对激光雷达的不良影响等.这些问题在一定程度上限制了激光雷达在太空碎片探测方面的应用.本文针对太空碎片体积小、预警距离远和强干扰环境等特点,提出使用高性能瞬变电磁辐射源对远距离、小尺度的太空碎片进行探测.通过三维矢量有限元方法,分析了利用高性能瞬变电磁辐射源的优点,对比不同瞬变电磁辐射源的幅频特性,从发射机理上证明高性能瞬变电磁辐射源在辐射能力与频率带宽方面都优于传统瞬变电磁辐射源.并通过调整脉冲宽度,得到最适合探测本文太空碎片模型的辐射脉冲.最后通过电场分布图和多测道图对太空碎片的明显电场分异结果,证实了高性能瞬变电磁辐射源在探测远距离、小尺度太空碎片方面的有效性.

关键词：瞬变电磁高性能辐射源太空碎片矢量有限元方法

基于块状有理Krylov方法的大地电磁三维模型降阶正演

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石油地球物理勘探 2022年第5期57卷 1218-1227,1262,I0011页

作者：周建美刘文韬鲁凯亮李貅长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054

三维大地电磁正演需要求解两个极化源在不同频率下的电磁场分布,计算量巨大。基于块状有理Krylov方法,文中实现了大地电磁三维模型降阶快速正演计算。所用算法的创新点包括:(1)将大地电磁的源项显式表示为平面电流源,将随频率变化的电... 详细信息

三维大地电磁正演需要求解两个极化源在不同频率下的电磁场分布,计算量巨大。基于块状有理Krylov方法,文中实现了大地电磁三维模型降阶快速正演计算。所用算法的创新点包括:(1)将大地电磁的源项显式表示为平面电流源,将随频率变化的电场响应表示为一个传递函数与电流源常矢量的乘积,从而可通过构建有理Krylov子空间实现所有频率电场响应的快速求解,避免多次求解不同频率的大型稀疏线性方程组;(2)采用块状Krylov技术,将TE和TM极化源表示为块状源矢量,将求解两个极化源的正演响应简化为构建一个块状有理Krylov子空间。引入渐近收敛公式得到了块状有理Krylov方法的最优化单个重复极点,结合直接求解器,将大地电磁三维正演的计算量降为一次系数矩阵分解和几十次矩阵回代。该算法在保证正演精度的同时,极大地提高了正演速度。半空间模型和三维DTM1模型的正演数值结果表明,相比常规的逐个频率的正演求解方法,块状有理Krylov方法可显著提高正演速度。

关键词：大地电磁数值模拟传递函数块状有理Krylov方法降阶正演

虚拟波场降速条件下电性源瞬变电磁垂直磁场分量的波场反变换方法

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地球物理学报 2023年第4期66卷 1743-1757页

作者：范克睿王刚鲁凯亮郑新李貅孙兴邦山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东科技大学青岛266590 山东科技大学土木工程与建筑学院青岛266590 长安大学地质工程与测绘学院西安710054 长安大学地球物理场多参数综合模拟实验室(中国地球物理学会重点实验室) 西安710054 山东大学岩土与结构工程研究中心济南250061

通过波场反变换从瞬变电磁信号中提取虚拟波场是定位电性界面和刻画地下导电目标形态的有效手段.波场反变换过程中,降低虚拟波场速度有利于改善虚拟波场对电性界面的分辨能力.然而,波场变换核函数随时间、虚拟时间以及虚拟波场速度变化... 详细信息

通过波场反变换从瞬变电磁信号中提取虚拟波场是定位电性界面和刻画地下导电目标形态的有效手段.波场反变换过程中,降低虚拟波场速度有利于改善虚拟波场对电性界面的分辨能力.然而,波场变换核函数随时间、虚拟时间以及虚拟波场速度变化的动态范围极大,且随虚拟波场降速而进一步扩大,造成波场反变换问题高度不适定,制约了虚拟波场提取的精度和效果.对此,在虚拟波场降速的条件下,本文以核函数在无穷区间上积分的解析解为准绳,通过最优化与数据拟合得到了经验公式,确定了波场反变换所需的最优积分区间;在适应采集时间与虚拟波场速度的同时,最大限度缩短了积分区间长度,降低了核函数变化的动态范围,压制了波场反变换方程的病态程度.此外,通过引入精细积分方法求解波场反变换方程,提高了波场反变换方程的求解精度.为验证方法的有效性与可靠性,对正演模拟的电性源瞬变电磁垂直磁场分量及其时间导数分量进行了波场反变换;结果回代后的拟合数据与正演数据的相对误差小于5%.在所提取的虚拟波场记录中观察到了合理的运动学特征,如实反映了低阻目标层深度、厚度和二次场观测时间范围的变化.在计算条件相同的前提下,通过降低虚拟波场速度,改善了波场反变换的精度和效果.降速后提取的虚拟波场记录对低阻层上下界面的刻画更为清晰.在对实测数据的处理中,本文的虚拟波场降速、积分区间最优化和精细积分求解方法得到了合理可信的虚拟波场提取结果,为进一步利用虚拟波场开展低阻目标体成像提供了数据保障.

关键词：瞬变电磁波场变换降速电性源垂直磁场

基于高性能瞬变电磁辐射源的城市地下空间多分辨成像方法研究

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地球物理学报 2020年第12期63卷 4553-4564页

作者：李文翰刘斌李术才李贺鲁凯亮李貅山东大学齐鲁交通学院济南250061 长安大学地质工程与测绘学院西安710054

城市地下空间的高精度、多分辨探测是城市地下合理开发的前提.由于城市探测环境的特殊性,需要探测方法具备抗干扰能力强、分辨能力好、分异多尺度地下目标等特性,现有的物探方法难以兼顾城市地下空间的探测需要.本文利用三维矢量有限元... 详细信息

城市地下空间的高精度、多分辨探测是城市地下合理开发的前提.由于城市探测环境的特殊性,需要探测方法具备抗干扰能力强、分辨能力好、分异多尺度地下目标等特性,现有的物探方法难以兼顾城市地下空间的探测需要.本文利用三维矢量有限元方法为正演手段,在瞬变电磁高性能辐射源进行微分脉冲扫描的基础上,对探测数据进行多时窗的扫时波场变换,将微分脉冲扫描后的多分辨响应信息,进行多分辨信息提取.同时通过地震探测中的多次覆盖处理,提高探测场对地下目标的分辨能力,最后对多次叠加后的虚拟波场进行拟地震偏移成像,最终实现城市地下空间的高精度探测.

关键词：瞬变电磁高性能辐射源波场变换拟地震偏移成像

基于重启多项式Krylov子空间模型降阶的全波形瞬变电磁三维正演

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地球物理学报 2023年第6期66卷 2646-2657页

作者：周建美景旭鲁凯亮刘文韬李貅长安大学地质工程与测绘学院西安710054 长安大学地球物理场多参数综合模拟实验室(中国地球物理学会重点实验室) 西安710054 海洋油气勘探国家工程研究中心北京100028

瞬变电磁三维正演在内存占用和求解时间上都是大的挑战.瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中还需考虑发射波形.基于重启多项式Krylov子空间模型降阶方法,本文实现了一种新的全波形瞬变电磁三维正演算法.采用规则六面体网格的拟... 详细信息

瞬变电磁三维正演在内存占用和求解时间上都是大的挑战.瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中还需考虑发射波形.基于重启多项式Krylov子空间模型降阶方法,本文实现了一种新的全波形瞬变电磁三维正演算法.采用规则六面体网格的拟态有限体积方法对全波形控制方程进行空间离散,引入一阶φ函数推导得到全时段响应的统一表达式,利用重启多项式Krylov子空间算法求解φ函数表达式,对于给定的重启子空间维度,基于残差公式得到满足给定精度的任意时刻的正演响应.该算法内存占用小,不需要求解大型线性方程组,内存占用主要由空间离散网格数量和重启子空间维度决定.数值模型正演结果验证了本文算法的有效性.

关键词：瞬变电磁三维正演发射波形模型降阶

考虑发射波形的瞬变电磁三维模型降阶快速正演算法

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地球物理学报 2022年第3期65卷 1160-1174页

作者：周建美刘文韬齐彦福李貅戚志鹏鲁凯亮刘正银邢涛长安大学地质工程与测绘学院西安710054 长安大学地球物理场多参数综合模拟实验室(中国地球物理学会重点实验室) 西安710054 山东省交通规划设计院济南250031 北京探创资源科技有限公司北京100071

瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间... 详细信息

瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间段的数据进行处理解释,因此可以将正演问题简化为精确模拟考虑发射波形的off-time时间段的响应.本文实现了一种改进的基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法,能够实现任意发射波形的瞬变电磁off-time时间段的响应的三维快速正演.基于频谱分析理论实现了一种定量化的评价on-time采样波形精度的方法,能够在保证off-time响应精度的同时,极大的减少on-time波形采样点的数量,从而显著的减少正演计算时间.典型的半正弦波、梯形波和复杂的VTEM波的模型的正演结果表明,相比密集采样的正演结果,本文算法在保证off-time响应精度的同时,能够实现5倍以上的正演加速.

关键词：瞬变电磁三维正演发射波形模型降阶