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圆锥型场源瞬变电磁自适应正则化反演

吉林大学学报（地球科学版） 2022年第4期52卷 1328-1337页

作者：杨夫杰杨海燕姜志海岳建华刘志新苏本玉张华李哲汪凌东华理工大学地球物理与测控技术学院南昌330013 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

针对正则化因子选取困难问题,本文采用自适应正则化算法进行自动调整,并将此方法应用于圆锥型场源瞬变电磁共轭梯度反演。对3层、4层及5层典型地电模型开展自适应正则化反演计算,将反演结果与“烟圈”反演结果进行对比。研究结果表明:... 详细信息

针对正则化因子选取困难问题,本文采用自适应正则化算法进行自动调整,并将此方法应用于圆锥型场源瞬变电磁共轭梯度反演。对3层、4层及5层典型地电模型开展自适应正则化反演计算,将反演结果与“烟圈”反演结果进行对比。研究结果表明:自适应正则化反演得到的电阻率更接近各层介质的真实电阻率,反演深度更接近层界面,提高了目标层界面的分辨能力,表现出良好的分层效果;自适应正则化反演得到的视电阻率曲线与理论模型吻合度更好,而“烟圈”反演的视电阻率曲线与理论模型偏差较大。

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源自适应正则化共轭梯度 “烟圈”反演

基于“烟圈”理论的圆锥型场源瞬变电磁优化反演

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中国矿业大学学报 2016年第6期45卷 1230-1237页

作者：杨海燕李锋平岳建华刘旭华赵海娇东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地江西南昌330013 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室江西南昌330013 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

针对瞬变电磁圆锥型场源装置,采用汉克尔变换和余弦变换数值滤波法对该场源和中心回线源瞬变电磁正演响应进行了计算.将＂烟圈＂反演结果转换到频率域作为初始模型,采用最小二乘正则化方法对反演结果进行了改进.以电阻率100Ω·m的均匀... 详细信息

针对瞬变电磁圆锥型场源装置,采用汉克尔变换和余弦变换数值滤波法对该场源和中心回线源瞬变电磁正演响应进行了计算.将＂烟圈＂反演结果转换到频率域作为初始模型,采用最小二乘正则化方法对反演结果进行了改进.以电阻率100Ω·m的均匀半空间模型对两种反演方法进行了验证,并在此基础上对2层、3层和4层典型地电模型开展了正反演计算.最后,在某矿集区开展了短剖面实验,并采用2种反演方法对实测数据进行了处理.研究结果表明：用最小二乘正则化方法改进后的反演电阻率更接近于模型电阻率,反演深度更接近层界面,具有一定的分层效果;其视电阻率拟合曲线与模型的重构误差在10-4～10-3范围内.对均匀介质模型开展的反演表明,改进后的反演电阻率与模型电阻率的相对误差约为0.2%,而＂烟圈＂反演的相对误差超过0.8%.

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源 “烟圈”理论最小二乘正则化反演时频转换

圆锥型场源瞬变电磁数据AWPSO算法优化反演

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地球物理学进展 2021年第4期36卷 1521-1530页

作者：黄刚杨海燕余国锋李锋平彭峰焦俊俊刘建鹏张华顾艳艳平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司淮南232000 深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室淮南232000 东华理工大学地球物理与测控技术学院南昌330013 中国矿业大学资源与地球科学学院徐州221116 核工业二九〇研究所韶关512029

瞬变电磁圆锥型场源装置有效的减小了线圈间的电感,提高了小装置探测地下浅层的分辨率,但常规反演方法需给定初始模型且反演精度不高.针对瞬变电磁法反演计算问题,通过对粒子群优化算法(PSO)和神经网络算法(BP)分析研究,改进了一种基于... 详细信息

瞬变电磁圆锥型场源装置有效的减小了线圈间的电感,提高了小装置探测地下浅层的分辨率,但常规反演方法需给定初始模型且反演精度不高.针对瞬变电磁法反演计算问题,通过对粒子群优化算法(PSO)和神经网络算法(BP)分析研究,改进了一种基于神经网络算法Sigmoid函数的自适应加权粒子群优化(AWPSO)算法.采用标准测试函数对算法进行试算,建立多个理论层状地质模型对该算法进行理论验证,最后在地质资料已知地区开展现场实验.计算结果表明,新提出的算法具有更高的全局搜索寻优能力和收敛速度快、计算精度高,且不需要给定初始模型;实验结果显示实测数据反演结果与高密度电法探测结果吻合,证明该算法能够对瞬变电磁探测数据进行反演计算且精度较高,可以在同类型的浅层探测任务中提供参考.

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源 PSO算法 AWPSO算法高密度电法反演

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圆锥型场源瞬变电磁资料处理方法与实验研究

圆锥型场源瞬变电磁资料处理方法与实验研究

作者：许志彬东华理工大学

学位级别：硕士

瞬变电磁法应用在煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测时常用的工作装置为小型回线装置,多匝线圈的重合绕制造成线圈间互感作用的增强,导致关断时间过大,进而导致实际探测时浅部“盲区”过大,开展以减小“盲区”为... 详细信息

瞬变电磁法应用在煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测时常用的工作装置为小型回线装置,多匝线圈的重合绕制造成线圈间互感作用的增强,导致关断时间过大,进而导致实际探测时浅部“盲区”过大,开展以减小“盲区”为目的的科学研究具有重要的现实意义。本论文从早、晚延时临界值、关断时间影响等因素出发,对多匝线圈下的瞬变电磁响应特征进行了积极探索。同时,对圆锥型场源的互感效应开展了探究,结果表明:多匝线圈的互感远大于圆锥型发射装置,两者的互感比值达到9.3倍以上。制作了圆锥型场源实验装置,在地面和矿井巷道开展了实验研究。在地面实验中,分别对正圆锥、倒圆锥和多匝小回线、中心回线装置进行了对比,实验结果显示:正圆锥、倒圆锥所测的感应电动势多测道剖面与传统装置多测道剖面图形态基本一致,结合已知地质资料及高密度电阻率法成果得知,正圆锥装置下的瞬变电磁探测效果好于传统的多匝小回线。矿井实验结果表明:圆锥型场源下获得的解释成果与多匝小回线结果相似,都能较好地圈定水文地质异常。在装置形式方面,圆锥型场源更适用于井下有限空间,并具有向探头转化的潜力。

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源多匝小回线互感煤矿

圆锥型场源瞬变电磁自适应正则化反演理论研究

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圆锥型场源瞬变电磁自适应正则化反演理论研究

作者：杨夫杰东华理工大学

学位级别：硕士

瞬变电磁小尺寸装置凭借便携、灵活的优点,在工程隧道超前预报、工程浅层探测、煤矿巷道及城市中被广泛应用。传统的多匝小回线装置的绕制方式导致存在较强的互感、关断时间长,造成了一定范围的浅部探测盲区,不利于浅部探测。为此,基于... 详细信息

瞬变电磁小尺寸装置凭借便携、灵活的优点,在工程隧道超前预报、工程浅层探测、煤矿巷道及城市中被广泛应用。传统的多匝小回线装置的绕制方式导致存在较强的互感、关断时间长,造成了一定范围的浅部探测盲区,不利于浅部探测。为此,基于圆锥型场源发射装置,开展了地面一维正、反演理论与应用研究。本文研究内容丰富了圆锥型场源瞬变电磁反演理论方法,研究结果为实测资料处理提供理论参考。基于圆锥型场源装置,对地电模型中的均匀半空间模型、2层(D型和G型)、3层(H型和K型)以及4层(KH型)的圆锥型场源瞬态响应特征展开了研究。从感应电位曲线、晚期视电阻率-时间曲线和时深转换得到的深度-晚期视电阻率曲线综合分析圆锥型场源响应特征。计算的晚期视电阻率-时间曲线以及深度-视电阻率曲线均能较好的反映各地电模型的电性变化,分层效果良好,对低阻层反映更灵敏。通过平移算法求取了圆锥型场源瞬变电磁全区视电阻率,验证了平移算法的有效性。等磁矩条件下,研究了圆锥型场源、多匝线圈及单匝回线瞬变响应时间特征。研究结果表明:等磁矩的圆锥型场源和多匝线圈比单匝回线更早地进入晚期,圆锥型场源和多匝线圈晚期视电阻率曲线近似重合,圆锥型场源装置可以代替多匝线圈和单匝大回线产生相同的瞬变电磁场。针对瞬变电磁正则化反演中正则化因子的选取困难问题,本文采用CMD自适应正则化算法调整正则化因子,将此方法应用于圆锥型场源瞬变电磁共轭梯度反演。对4种典型地电模型开展了正反演计算,与烟圈反演进行对比,并且对一维反演剖面图进行了对比。模型试算也对自适应正则化反演和L曲线法得到的反演结果进行对比。最后在工作地区开展现场实验,对实测数据进行了处理,与CSAMT探测结果进行对比反演处理效果。研究结果表明:“烟圈”反演分层效果差,自适应正则化反演深度更贴近层界面,提高了目标层界面的辨识能力,分层效果良好;自适应正则化反演视电阻率曲线与理论模型吻合度更高。当初始模型不同时,反演迭代终止后,自适应正则化优化反演相对拟合差小,说明反演方法对初始模型依赖小,稳定性好。自适应正则化反演结果相对拟合差与L曲线法所得的反演结果相差不大,但自适应算法比L曲线法计算效率高,节省了时间。自适应正则化反演方法处理结果与已知资料相吻合,可以有效的反映地下地质体的物性差异。

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源自适应正则化算法共轭梯度 “烟圈”反演

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圆锥型场源瞬变电磁Occam反演技术研究

圆锥型场源瞬变电磁Occam反演技术研究

作者：汪凌东华理工大学

学位级别：硕士

引入了层状半空间瞬变电磁正演计算公式,利用***和***的140点汉克尔变换方法计算了频率域垂直磁场响应,并利用余弦变换公式,将频率域响应转换到时间域。最终通过叠加原理,得到圆锥型场源正演响应。分别讨论了装置系数和改变地电模型参... 详细信息

引入了层状半空间瞬变电磁正演计算公式,利用***和***的140点汉克尔变换方法计算了频率域垂直磁场响应,并利用余弦变换公式,将频率域响应转换到时间域。最终通过叠加原理,得到圆锥型场源正演响应。分别讨论了装置系数和改变地电模型参数对正演响应影响。研究结果表明,顶底线圈半径越大,响应衰减的越慢,到达晚期的时间更长,且早期的感应强度越小。典型地电模型正演模拟揭示了瞬变电磁法对低阻异常体反映更敏感。反演部分首先对典型的2层(D型、G型)、3层(A型、H型、K型、Q型)、4层(KH型)以及5层(KHK型)地电模型开展反演计算,并与烟圈反演方法结果进行对比;其次,开展圆锥型场源瞬变电磁拟二维正演一维剖面反演。研究结果表明,Occam反演方法适用于圆锥型场源瞬变电磁,且反演效果较“烟圈”反演更佳,对层界面的分辨率更好,与模型地层电阻率更吻合,将反演电阻率进行正演得到的视电阻率曲线误差更小。接着对Occam参数进行优化分析。1、改进拉格朗日乘子搜索方式,将二分法搜索与对数搜索方式相结合,避免了取值的随机性。2、选取不同的初始输入模型进行反演。发现反演结果基本一致,即该方法对初始模型依赖小。3、加入5%、10%、20%随机噪声进行反演。结果表明,当噪声不超过10%时,反演结果相差甚小;当噪声超过10%,反演结果偏差较明显。说明该方法具有一定的抗噪能力。4、加入限制性先验条件后进行反演,使其更贴合实际地层情况,为综合地球物理解释提供新的方法技术。实测数据反演对比结果显示Occam方法反演效果明显,该反演方法应用到实测资料处理是可行的,为实际资料处理解释提供新的思路与技术方法。

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源 “烟圈”理论 Occam反演拉格朗日乘子

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圆锥型场源矿井瞬变电磁正反演技术研究

圆锥型场源矿井瞬变电磁正反演技术研究

作者：焦俊俊东华理工大学

学位级别：硕士

煤矿巷道工作面顶、底板内部或掌子面前方存在的含水构造是煤炭开采和巷道掘进时的主要突水隐患。含导水构造的导电性和介电性等与完整含煤地层之间存在着明显差异,为矿井瞬变电磁探测提供了物理前提。传统的矿井多匝小回线发射和接收... 详细信息

煤矿巷道工作面顶、底板内部或掌子面前方存在的含水构造是煤炭开采和巷道掘进时的主要突水隐患。含导水构造的导电性和介电性等与完整含煤地层之间存在着明显差异,为矿井瞬变电磁探测提供了物理前提。传统的矿井多匝小回线发射和接收线圈的重合绕制方式造成了线圈内和线圈间的强互感耦合作用,进而使得关断效应影响增强,浅部“盲区”增大,实现浅层精细勘探较为困难。为此,本文基于圆锥型场源装置,开展了地面、巷道全空间一维正、反演理论与应用研究。推导了圆锥型场源装置内各匝线圈半径计算公式,基于Maxwell方程组和叠加原理分析了圆锥型场源装置的瞬变电磁法一维正演计算表达式,采用***和***的140点Hankel变换方法计算了频率域垂直磁场响应,然后采用余弦滤波算法将频率域响应转换到时间域。探讨了不同的观测参数和改变典型地电模型电阻率和厚度对圆锥型场源瞬态响应的变化特征,研究表明圆锥型发射装置的顶底半径变大、均匀半空间电阻率变小都会导致瞬态响应衰减变缓慢,使得瞬态响应进入晚期衰减的时间相应延迟。典型地电模型的正演模拟得到的晚期视电阻率曲线均能较好的反映各地电模型的特征,且具有较好的分层效果,对低阻体响应尤为灵敏。引入了层状全空间瞬变电磁法正演计算公式,基于叠加方法讨论了圆锥型场源的层状全空间瞬变电磁正演公式,计算了三层、四层和典型地电模型组合的全空间介质模型,研究发现全空间层状模型中低阻层的响应时间范围略大于半空间模型,低阻层与下层介质分界面的响应也相应延后。瞬变电磁场在全空间层状介质的扩散规律主要是向着最低的低阻层的方向,因为电磁波有向着更容易扩散的方向传播的特性。在进行煤矿巷道顶板探测时,底板内低阻体对观测信号的影响程度将依赖于顶底板低阻体电阻率差异的大小,若顶板内存在电阻率较低的低阻层,所观测响应将主要为顶板低阻响应,若底板内存在电阻率较低的低阻层,所观测响应将主要为底板低阻响应。讨论了两种矿井瞬变电磁法一维反演方法:1、“烟圈”反演。研究发现反演得到的典型地电模型“似”电阻率-深度曲线均能较好地反映各地电模型的形态特征,反演对低阻层的响应尤为灵敏。2、改进的粒子群优化反演（PSO-GIS）。研究发现改进的粒子速度更新公式和新提出的惯性权重因子改进策略在测试函数下均可以较快地收敛到全局最优解,提高了算法的全局寻优能力。提出的PSO-GIS算法不依赖于初始模型的设定,反演的典型地电模型具有较快的收敛速度及较好的计算精度,反演结果的正演响应相对误差在早期很稳定,平均相对误差均低于1.27%,仅K型的平均相对误差为2.87%。PSO-GIS反演算法应用在带巷道影响下的全空间五层模型下,对除巷道外的反演较为灵敏且精度高,对巷道高阻反演存在较大的误差,但平均相对误差保持在0.95%,并且较好的划分了顶、底板低阻异常。研究表明改进的粒子群优化算法应用在圆锥型场源瞬变电磁法地面、巷道理论反演中均具有较好的效果。煤矿井实测数据反演对比表明,改进的粒子群优化反演方法对低阻体的反演更精细,反演方法应用到实测资料处理是可行的,提升了反演的解释效果。

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源全空间 “烟圈”反演粒子群优化算法

斜阶跃电流激励下圆锥型场源瞬变电磁AWPSO算法优化反演研究

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斜阶跃电流激励下圆锥型场源瞬变电磁AWPSO算法优化反演研究

作者：黄刚东华理工大学

学位级别：硕士

本文基于圆锥型场源发射装置,对其在斜阶跃电流激励下瞬态响应特征、关断效应及非线性优化反演方法展开了研究,为瞬变电磁浅部探测任务中反演解释提供参考,同时也可以丰富圆锥型场源瞬变电磁数据反演方法的理论体系。在均匀半空间中研... 详细信息

本文基于圆锥型场源发射装置,对其在斜阶跃电流激励下瞬态响应特征、关断效应及非线性优化反演方法展开了研究,为瞬变电磁浅部探测任务中反演解释提供参考,同时也可以丰富圆锥型场源瞬变电磁数据反演方法的理论体系。在均匀半空间中研究了不同匝数和不同视电阻率模型瞬变响应延时特征,同时在等磁矩下(386.2 A·m)与单匝线圈和多匝线圈以视电阻率与真值的误差为依据分析了其早、晚期延时临界条件。结果显示,圆锥型场源匝数和地质模型电阻率两种参数变化时所对应的早、晚期视电阻率相对误差曲线近似重合,表明与早、晚延时对应的τ/r值划分与场源匝数和地质模型电阻率两种因素均无关,等磁矩下三种发射装置满足的早、晚期τ/r临界值近似相同;另外,圆锥型场源比多匝线圈和单匝线圈更早地进入早期和晚期,表明圆锥型场源装置代替单匝大回线和多匝线圈可以产生相同的瞬变电磁场,且更加有利于在晚期条件下各种理论转换公式的应用。在均匀介质中,使用Duhamel积分和Fitterman研究的方法对圆锥型场源斜阶跃响应进行计算,并将瞬变响应进行了早、晚期视电阻率和全区视电阻率转换;探究了两种三层地电模型覆盖层层厚和视电阻率大小等参数变化时关断效应对层状介质瞬变响应的影响规律,并利用Fitterman晚期转换系数对斜阶跃响应进行了校正;讨论了等磁矩下圆锥型场源和多匝线圈两种发射装置在五层(KHK)层状模型时斜阶跃瞬变响应校正前后的变化规律,并采用“烟圈”反演获取层状介质的似电阻率和视深度。研究结果表明:斜阶跃效应受到覆盖层层厚和视电阻率变化的不同影响,导致瞬变电磁早期信号失真,发生畸变,校正后的瞬态响应和理论阶跃响应曲线更加一致,斜阶跃电流的影响显著减弱。针对瞬变电磁圆锥型场源装置常规反演方法设置初始模型存在人为性且效率不高等问题,通过对粒子群优化算法(PSO)和神经网络算法(BP)分析研究,改进了一种基于BP算法Sigmoid激活函数的自适应加权粒子群优化(AWPSO)算法。采用标准测试函数对算法进行试算,建立多个理论层状地质模型对该算法进行理论验证,最后在地质资料已知地区开展现场实验,并对实测数据进行斜阶跃校正。计算结果表明,新改进的算法具有更高的全局搜索寻优能力、收敛速度快、计算精度高且反演过程中不需要人为设定初始模型等优点;实验结果显示校正前后实测数据反演结果与高密度电法探测结果吻合,验证了反演算法的有效性,同时斜阶跃校正后数据的反演结果对低阻体识别精度更高,显示斜阶跃校正方法产生了一定的效果。

关键词：瞬变电磁法圆锥型场源 Duhamel积分斜阶跃校正粒子群优化算法(PSO)

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瞬变电磁法圆锥型场源响应特征理论研究

瞬变电磁法圆锥型场源响应特征理论研究

作者：李锋平东华理工大学

学位级别：硕士

传统地面大尺寸瞬变电磁激发源常用于以深部探测为目的的水文地质勘查和金属矿勘探等领域。随着瞬变电磁法的应用范围不断扩展至煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测,常规大尺寸激发源受到限制,小型装置成为常用的... 详细信息

传统地面大尺寸瞬变电磁激发源常用于以深部探测为目的的水文地质勘查和金属矿勘探等领域。随着瞬变电磁法的应用范围不断扩展至煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测,常规大尺寸激发源受到限制,小型装置成为常用的工作装置。传统的瞬变电磁小型装置主要以共轴和偶极装置为主,为增强发射的初始电磁能量,通常采用多匝绕制的方法来增大发射磁矩,以此达到减少发射线圈边长与面积的目的。但是,这种发射和接收线圈的重合绕制方式造成了线圈内和线圈间的强互感耦合作用,进而使得关断效应影响增强,浅部“盲区”增大。为此,本文从场源角度出发,提出了一种圆锥型场源装置,对其响应特征开展了理论研究。推导了该装置内各匝线圈半径的计算公式,根据叠加原理的思想讨论了圆锥型场源瞬变电磁的正演方法,应用快速汉克尔变换,G-S变换及正、余弦变换数值滤波算法进行了数值计算。对圆锥型场源一次场、二次场特征进行了分析,计算并比较了不同参数下圆锥型场源和多匝线圈的互感系数和关断时间。研究发现:对于等效磁矩为926.1Am2的多匝回线和圆锥型场源,前者的互感约为后者的9倍,关断时间约为后者的8倍;增大圆锥型场源的高度可减小互感系数,但其底半径的进一步变化对互感影响有限;圆锥型场源一、二次场特征与多匝线圈相似,但其二次场和总场暂态响应强于多匝线圈。应用平移算法求取了圆锥型场源瞬变电磁的全区视电阻率,根据瞬变电磁场传播的“烟圈”效应,对圆锥型场源瞬变电磁数据进行了“烟圈”反演;采用对应的时间-频率转换关系进行了圆锥型场源瞬变电磁测深数据到MT平面波场数据的等效转换,以“烟圈”反演结果作为初始模型,应用最小二乘正则化反演技术对圆锥型场源全区视电阻率数据进行了拟MT优化反演;以电阻率为100?·m的均匀半空间模型对两种反演方法进行了验证,结果表明改进后的反演电阻率与模型电阻率的相对误差约为0.2%,而“烟圈”反演的相对误差超过0.8%,并在此基础上对二层、三层和四层典型地电模型开展了正反演计算;最后,在某矿集区开展了短剖面试验,并采用两种反演方法对实测数据进行了处理。研究结果表明:用最小二乘正则化方法改进后的反演电阻率更接近于模型电阻率,反演深度更接近层界面,具有一定的分层效果,其视电阻率拟合曲线与模型的重构误差在10-4～10-3范围内。本文的研究成果表明,圆锥型场源装置对于减弱线圈间的互感,提升小装置瞬变电磁法的浅部探测能力具有重要的理论意义和应用价值。为了继续丰富、完善本方法,今后的研究重点应集中于圆锥型场源响应的后延影响改正,滤波技术适用性以及多维正、反演成像等领域。

关键词：瞬变电磁圆锥型场源互感系数关断时间暂态过程 “烟圈”反演拟MT反演