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High-precision modeling of tide-induced 3-D magnetic field and analysis of geomagnetic satellite orbit requirements

Science China Earth Sciences 2024年第1期67卷 165-178页

作者： Zhengyong REN Cong YANG Hongbo YAO Xu tang jingtian tang Keke ZHANG Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring Ministry of Education Central South UniversityChangsha 410083China Hunan Key Laboratory of Nonferrous Resources and Geological Hazards Exploration Changsha 410083China School of Geosciences and Info-Physics Central South UniversityChangsha 410083China State Key Laboratory of Lunar and Planetary Sciences Macao University of Science and TechnologyMacao 999078China

Ground-based magnetic observatories and geomagnetic satellites can observe the induced magnetic field generated by the motion of seawater containing sodium and chlorine *** the three-dimensional(3-D)spatial distribution of tide-induced magnetic fields(TIMF)is crucial for inverting the electrical conductivity structure of the oceanic *** also serves as an essential basis for designing optimal geomagnetic observatories and satellite ***,existing methods for simulating TIMF suffer from limitations in inaccurately modeling realistic coastlines,heterogeneous land and sea surface properties,and complex deep Earth structures,thereby the interpretational level of TIMF data is *** overcome this issue,we developed a tetrahedral-based finite element method for simulating TIMF,which can efficiently approximate realistic coastlines,heterogeneous land and sea surface properties,and complex deep Earth ***,we derived the boundary value problem for the seawater motion-induced electromagnetic field,which was solved using the vector finite element method based on tetrahedral ***,using the latest ocean depth and seafloor sediment layer models,we constructed a 3-D conductivity model of the Earth,which includes realistic coastlines,heterogeneous land and sea conductivity *** then computed the TIMF using the M_(2)tidal source as an example and validated our method by comparing it with results obtained from spherical harmonic finite element and integral equation ***,utilizing the computed high-precision M_(2),N_(2),and O1 TIMF signals,we marked global observatories capable of observing strong M_(2),N_(2),and O1 TIMF signals and predicted alternative stations suitable for tide signal ***,we calculated TIMF at heights of 450 and 200 km for the Macao Science Satellite 1 and its subsequent *** results indicate that the amplitude of the tidal-induced magnetic field at

关键词： Ocean motional induction Electromagnetic induction Ocean tides Geomagnetic satellite Macao Science Satellite 1

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磁矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元正演计算方法

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地球物理学报 2024年第5期67卷 2015-2028页

作者：杨聪任政勇陈程姚鸿波唐旭汤井田中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室长沙410083 自然资源部深地科学与探测技术实验室北京100094 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室长沙410083 中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司长沙410014

全球电磁感应测深方法能获得地球深部电导率结构分布,目前被广泛应用于地球内部结构与热状态研究.地磁台站与地磁卫星观测的电磁感应数据为时间序列信号,在时间域分析全球电磁感应数据,特别是分析频谱极宽的磁暴脉冲响应,具有天然的优势... 详细信息

全球电磁感应测深方法能获得地球深部电导率结构分布,目前被广泛应用于地球内部结构与热状态研究.地磁台站与地磁卫星观测的电磁感应数据为时间序列信号,在时间域分析全球电磁感应数据,特别是分析频谱极宽的磁暴脉冲响应,具有天然的优势.然而,当前的全球电磁感应数据解释技术一般在频率域进行,缺少时间域中的研究成果.为了弥补缺少时间域全球电磁感应数据解释方法的问题,本文开发了一种基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元并行正演求解方法,具备高精度快速计算源于地球外部时变电流源的地球感应电磁场时间序列的能力,特别适合于计算与分析频谱极宽的磁暴脉冲电磁感应时变响应.首先,建立基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域微分控制方程,结合磁层外部电流源的物理属性建立边界条件和初始条件,从而构建出全球电磁感应时间域初始边界值问题.然后,利用四面体矢量有限元技术和无条件稳定的隐式后退欧拉公式,分别实现磁场矢量势的空间域和时间域离散,进而获得不同时刻的实系数大型有限元线性方程组,借助于高性能并行直接求解器,快速高精度地求解不同时刻的磁场矢量势与感应磁场.最后,利用理论模型验证本文算法的正确性.利用Dst磁暴环电流指数建立的时间域电流源与真实地球三维电性模型,研究"澳科一号"后续卫星200 km轨道对中国和澳大利亚下方地幔转换带高导体的探测能力,结果表明这些地幔转换带异常体在200 km卫星轨道高度能产生明显异常.综上所述,本文开发的时间域全球电磁感应方法不仅具备精确快速计算全球感应电磁场时间序列响应的能力,还能为反演与解释"澳科一号"等我国地磁卫星观测数据提供技术支持.

关键词：时间域全球电磁感应矢量有限元法三维正演地幔电性结构

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利用重力梯度张量等位面曲率的地质体定位

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地球物理学报 2024年第4期67卷 1641-1655页

作者：胡双贵李广汤井田侯振隆张林成中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221008 东华理工大学南昌市地质灾害智能感知技术与仪器重点实验室南昌330013 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学) 长沙410083 东北大学资源与土木工程学院沈阳110819 湖南城市学院信息与电子工程学院湖南益阳413002

针对重力梯度张量曲率的研究,前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中,几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先,从... 详细信息

针对重力梯度张量曲率的研究,前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中,几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先,从重力梯度张量等位面曲率的基本定义出发,计算重力梯度张量等位面曲率.然后,通过寻找球面或圆形等位面的重力梯度张量曲率,提出了利用最大主曲率定位地下密度异常体位置的源参数估计方法,并详细推导了估计3D球体(质点)和2D水平线源位置信息的解析表达式.再者,针对噪声和多源存在的情况,提出了一套利用重力梯度张量等位面曲率获得密度异常体位置信息的稳健估计流程,并利用模糊C均值聚类算法进一步确定地下密度异常体的中心位置.最后,通过理论模型测试和文顿盐丘实测航空重力梯度数据测试,验证了本文算法的可行性和可靠性.结果表明:在满足曲率半径定义条件的情况下,本文所提出的源参数估计方法可以定位单个或多个地下3D和2D密度异常体的空间位置,具有较好的稳健性和抗噪能力.该方法拓展了重力梯度张量曲率的应用范围,可为重力梯度张量的三维反演工作提供先验的空间位置信息.

关键词：重力梯度张量等位面曲率源参数估计模糊C均值聚类算法

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A global mantle conductivity model derived from 8 years of Swarm satellite magnetic data

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Earth and Planetary Physics 2023年第1期7卷 49-56页

作者： HongBo Yao ZhengYong Ren KeJia Pan jingtian tang KeKe Zhang Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring Ministry of Education(Central South University)Changsha 410083China Hunan Key Laboratory of Nonferrous Resources and Geological Hazards Exploration Central South UniversityChangsha 410083China School of Geosciences and Info-Physics Central South UniversityChangsha 410083China School of Mathematics and Statistics Central South UniversityChangsha 410083China State Key Laboratory of Lunar and Planetary Sciences Macao University of Science and TechnologyTaipaMacaoChina

Mantle conductivity imaging is one of the scientific goals of the forthcoming Macao Science Satellite-1(MSS-1).To achieve this goal,we develop a data analysis and inversion scheme for satellite magnetic data to probe global one-dimensional(1D)mantle conductivity *** this scheme,we present a new global mantle conductivity model by analyzing over 8 years of Swarm satellite magnetic ***,after sophisticated data selection procedures and the removal of core and crustal fields,the inducing and induced spherical harmonic coefficients of magnetic potential due to the magnetospheric ring current are ***,satellite Cresponses are estimated from the time series of these ***,the observed responses are inverted for both smooth and threejump conductivity models using a quasi-Newton *** obtained conductivity models are in general agreement with previous global mantle conductivity models.A comparison of our conductivity model with the laboratory conductivity model suggests the mean state of the upper mantle and transition zone is relatively *** scheme can be used to process the forthcoming Macao Science Satellite-1 magnetic data.

关键词： Macao Science Satellite-1 satellite magnetic data mantle conductivity global electromagnetic induction

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基于谱元法的广域电磁法三维正演模拟

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地球物理学报 2022年第4期65卷 1461-1471页

作者：徐锦通汤井田中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室长沙410083 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室长沙410083 自然资源部覆盖区深部资源勘查工程技术创新中心合肥230001

为了提高广域电磁法三维正演精度和效率,本文提出采用基于Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)多项式的谱元法进行广域电磁法三维正演模拟.首先从麦克斯韦方程组出发,推导了二次场满足的电场双旋度控制方程,利用伽辽金加权残差法将微分形式的... 详细信息

为了提高广域电磁法三维正演精度和效率,本文提出采用基于Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)多项式的谱元法进行广域电磁法三维正演模拟.首先从麦克斯韦方程组出发,推导了二次场满足的电场双旋度控制方程,利用伽辽金加权残差法将微分形式的边值问题转换为积分弱形式,再通过单元剖分和高阶正交基函数插值对全域问题进行离散,最后通过求解大型线性方程组得到全局的数值解.层状介质模型验证了算法的正确性和精度,三维地电模型分析了算法稳定性以及广域电磁法响应特征.研究表明谱元法是进行广域电磁法三维正演模拟的有效方法,具有高精度、低网格依赖性等优势.

关键词：广域电磁法谱元法三维正演

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Through-Wall Tracking of Human Movers Using Continuous-Wave Radar

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Chinese Journal of Electronics 2014年第2期23卷 334-340页

作者： DING Yipeng tang jingtian Cheng Dong Fang Guangyou School of Geosciences and Information Physics Central South University School of Physics and Electronics Central South University College of electrical and information engineering Hunan University Institute of Electronics Chinese Academy of Sciences

An intelligent frequency fitting algorithm is presented for continuous-wave radar to track human movers through walls. With the proper fitting dimension,which is usually determined by the practical detection requirements, this technique can improve the localization accuracy and the tracking performance without introducing too much calculation burden, and more precisely identify different targets even in the frequency ambiguous *** technology can also help to match the estimation results to their corresponding targets automatically, which is of great importance to certain urban sensing applications,such as specific target surveillance and tracking. To further improve the detection performance and better identify the weak targets in the presence of strong noise, CLEAN algorithm and adaptive filter technology are also *** results are provided to illustrate the algorithm performance.

关键词： Continuous-wave through-wall radar(CW-TWR) Frequency ambiguous effect Frequency fitting technology CLEAN algorithm Adaptive filt

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SQUARE WAVE COHERENT METHOD FOR EXTRACTING IP EFFECT

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中国有色金属学会会刊：英文版 1995年第2期5卷 1-6页

作者： He, Jishan Wang, Shaowu tang jingtian(Central South Univercity of Technology, Changsha, 410083) Central South Univ of Technology Changsha China

ＳＱＵＡＲＥＷＡＶＥＣＯＨＥＲＥＮＴＭＥＴＨＯＤＦＯＲＥＸＴＲＡＣＴＩＮＧＩＰＥＦＦＥＣＴ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｗａｎｇ，Ｓｈａｏｗｕ；ＴａｎｇＪｉｎｇｔｉａｎ（ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｃｉｔｙｏｆＴｅｃ... 详细信息

ＳＱＵＡＲＥＷＡＶＥＣＯＨＥＲＥＮＴＭＥＴＨＯＤＦＯＲＥＸＴＲＡＣＴＩＮＧＩＰＥＦＦＥＣＴ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｗａｎｇ，Ｓｈａｏｗｕ；ＴａｎｇＪｉｎｇｔｉａｎ（ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｃｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，...

关键词： dual-frequency IP method square wave coherent method Fourier coherent methed EM effect.

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EQUIVALENT CIRCUIT OF NONLINEAR EFFECT OF SPECTRAL IP

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中国有色金属学会会刊：英文版 1995年第4期5卷 1-7页

作者： He, Jishan Li, Daqing tang, jingtian(Department of Geology, Central South University of Technology, Changsha 410083) Central South Univ of Technology Changsha China

ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＴＣＩＲＣＵＩＴＯＦＮＯＮＬＩＮＥＡＲＥＦＦＥＣＴＯＦＳＰＥＣＴＲＡＬＩＰ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｌｉ，Ｄａｑｉｎｇ；Ｔａｎｇ，Ｊｉｎｇｔｉａｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，Ｃｅｎｔｒａｌ... 详细信息

ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＴＣＩＲＣＵＩＴＯＦＮＯＮＬＩＮＥＡＲＥＦＦＥＣＴＯＦＳＰＥＣＴＲＡＬＩＰ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｌｉ，Ｄａｑｉｎｇ；Ｔａｎｇ，Ｊｉｎｇｔｉａｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ...

关键词： spectral IP nonlinear effect equivalent circuit admittance anode/cathode polarizaTion

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基于自适应多分辨率奇异值分解的大地电磁数据处理

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地球物理学报 2022年第12期65卷 4944-4962页

作者：李晋马翻红汤井田李勇湖南师范大学信息科学与工程学院长沙410081 中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室长沙410083 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室河北廊坊065000

针对强电磁干扰极易掩盖微弱的大地电磁有用信号,本文结合奇异值分解在去噪方面的优越性,提出基于自适应多分辨率奇异值分解(Adaptive Multi-Resolution Singular Value Decomposition,AMRSVD)的大地电磁数据处理方法.首先对大地电磁数... 详细信息

针对强电磁干扰极易掩盖微弱的大地电磁有用信号,本文结合奇异值分解在去噪方面的优越性,提出基于自适应多分辨率奇异值分解(Adaptive Multi-Resolution Singular Value Decomposition,AMRSVD)的大地电磁数据处理方法.首先对大地电磁数据构建Hankel矩阵,利用MRSVD得到不同分辨率的近似信号和细节信号;然后选用近似信号和细节信号的标准差差值,对大地电磁数据进行信噪辨识;接着结合MRSVD和相邻细节信号的标准差差值,提出先验信息未知情况下的AMRSVD法;最后对辨识出的强干扰运用AMRSVD去除噪声,重构有用信号.实验结果表明,该方法的处理效率高,能有效分离出相关性较强的噪声,时间序列和视电阻率-相位曲线均得到有效改善.

关键词：大地电磁数据处理多分辨率奇异值分解自适应

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融合复杂地质信息的地球物理模型建模技术

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地球物理学报 2022年第10期65卷 3986-3996页

作者：任政勇王祥汤井田吴启红中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室长沙410083 中南大学有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室长沙410083 中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 成都大学建筑与土木工程学院成都610106

当前基于非结构化四面体网格的正反演技术具有逼近任意起伏地形和特定地质结构的能力.但任意复杂地质模型的四面体网格建立非常困难,制约了该技术在实际勘探中的应用.针对这一难题,我们提出了一种新的复杂地球物理模型的建模和四面体网... 详细信息

当前基于非结构化四面体网格的正反演技术具有逼近任意起伏地形和特定地质结构的能力.但任意复杂地质模型的四面体网格建立非常困难,制约了该技术在实际勘探中的应用.针对这一难题,我们提出了一种新的复杂地球物理模型的建模和四面体网格离散技术,具有融合数字高程数据、地质剖面图和钻孔数据等地质地理信息的能力.首先,将已知地质地理信息数字化为控制点和线串.然后,利用SKUA-Gocad软件构建高质量三维体积模型,采用Tetgen网格剖分程序进行四面体网格剖分.最后,以安徽泥河铁矿为例,建立了高质量的复杂地球物理模型,并利用我们提出的解析解公式,计算了泥河铁矿产生的复杂重磁场空间分布.计算结果表明:垂向方向的重力场、重力梯度、磁场、磁场梯度都具有高分辨地下异常磁铁矿和硫铁矿水平边界的能力,为了探测该矿深部潜在的密度和磁性矿体,必须精确计算和减去复杂围岩产生的重磁响应.本文提出的建模新技术,不仅可以用于消去矿山已知浅部地质体的干扰,而且可为深部数据反演提供高质量的参考模型,从而提高深部勘探的效果.

关键词：三维地质建模复杂地球物理模型 SKUA-Gocad建模平台四面体网格剖分

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