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基于非结构矢量有限元法的地下UXO探测模拟

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基于非结构矢量有限元法的地下UXO探测模拟

作者：代郑吉林大学

学位级别：硕士

未爆弹(UXO)是一种已武装、发射且因故障而未爆炸的弹药,主要来源于历史战争或者军事活动,包括子弹、手榴弹、炮弹、炸药、地雷和导弹等。这些未爆弹往往埋藏在地下较浅位置甚至出露于地表之上,给百姓的人身财产安全带来巨大威胁,阻碍... 详细信息

未爆弹(UXO)是一种已武装、发射且因故障而未爆炸的弹药,主要来源于历史战争或者军事活动,包括子弹、手榴弹、炮弹、炸药、地雷和导弹等。这些未爆弹往往埋藏在地下较浅位置甚至出露于地表之上,给百姓的人身财产安全带来巨大威胁,阻碍了社会和经济的发展。据联合国报道,全球未爆弹埋藏量超过一亿颗,每年有数万人因此丧命,大量的土地被未爆弹污染。因此,对地下UXO的探测与精准排除是具有重要意义的。基于电磁感应的未爆弹探测技术已经存在多年,可以服务于各个阶段。然而,目前的电磁感应仿真模拟一般只考虑金属目标体的响应,忽略了周围介质的影响,缺乏对复杂情况的研究与探讨,影响了技术的进步。面对未来发展趋势,需要考虑各种复杂情况(UXO形状、埋藏深度、土壤磁导率等),满足各种需求,实现准确高效的探测。本文基于非结构矢量有限元法进行地下UXO探测模拟,分析多种模拟参数对UXO响应特征曲线的影响,从中发现一定规律,为反演计算和野外探测提供参考依据。非结构四面体网格有效地刻画了复杂UXO形态和不同介质分界面,可灵活地对局部网格加密。矢量插值基函数的使用能够避免伪解的出现,二次场分离法能够解决源的奇异性问题。本文从电磁场的基本方程麦克斯韦方程组出发,推导出有限元方法的弱形式方程,再利用Galerkin法对控制方程进行有限元离散,采用四面体矢量单元的插值基函数,获得每个单元的局部方程,接着将局部方程组装成大型稀疏全局矩阵,利用直接求解法计算目标的正演响应。本文基于约束Delaunay三角剖分算法构建约束Delaunay四面体,能够保证网格质量,对网格局部加密处理,然后设计了空气、地下空间、天线系统以及八种不同形态的UXO模型,分别计算了不同形态的UXO模型正演响应并分析了其特征,结果表明该算法有较好的水平定位分辨能力。同时,本文还研究了UXO姿态、发射信号频率、土壤电导率、磁导率以及线圈排布的影响,对比了不同参数下UXO模型响应的差异,分析了各种影响因素及其特征规律。本文还基于MATLAB计算软件的App Designer功能,进行软件开发的技术流程、结构设计和可视化界面设计,利用一系列可视化的界面设计工具和组件,完成应用程序的界面构建,利用控件回调函数进行数据输入输出,最后将运行无误的代码进行打包,形成可下载的EXE软件包。这种方法提供了开发图形用户界面的一种思路,可为其他基于MATLAB的软件开发工作带来一定的参考意义。本文将非结构网格和矢量有限元法引入UXO探测之中,成功实现了正演响应计算,并对各种探测参数进行了模拟研究,其结果为野外探测提供了理论依据,同时也为反演工作奠定了基础。

关键词：频率域电磁法非结构网格矢量有限元 UXO正演模拟 MATLAB可视化界面软件开发

用于固体矿床多分量感应测井响应模拟的矢量有限元法

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地球物理学报 2016年第1期59卷 355-367页

作者：王健陈浩王秀明中国科学院声学研究所声场与声信息国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

本文开发了基于非结构化四面体网格的三维矢量有限元法,实现了固体矿床井眼中多分量感应测井响应的数值模拟,并分析了多分量感应测井仪器在复杂矿床模型中的响应特征.本文通过采用几何因子背景场,有效地避免了源的奇异性问题;同时,在井... 详细信息

本文开发了基于非结构化四面体网格的三维矢量有限元法,实现了固体矿床井眼中多分量感应测井响应的数值模拟,并分析了多分量感应测井仪器在复杂矿床模型中的响应特征.本文通过采用几何因子背景场,有效地避免了源的奇异性问题;同时,在井眼边界采用非均质网格并用Gauss-Legendre积分计算四面体单元的等效电导率.利用LU分解求解线性方程组,实现了一次网格划分多点的数值计算,提高了计算效率,从而实现快速连续的多分量感应测井模拟.非结构化的四面体网格确保了该方法可以模拟实际问题中所能遇到的复杂的矿体模型.基于水平三层分层和径向分层模型,验证了算法在各向同性和各向异性介质中的可靠性.我们还以三个不同的矿床模型为例,研究了多分量感应测井仪的不同分量的探测特性,结果表明,结合九个分量的信息,可以探测矿体的深度,也可以识别矿体的方位和走向,为精确地描述矿体的三维分布特征打下了基础.

关键词：矢量有限元多分量感应测井固体矿床

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

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地球物理学报 2017年第5期60卷 1955-1978页

作者：李勇吴小平林品荣韩思旭李荡刘卫强中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球内部物理实验室合肥230026 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所河北廊坊065000 国土资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室河北廊坊065000 广东省核工业地质局二九三大队广州510800

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研... 详细信息

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.

关键词：海洋可控源电磁法电导率任意各向异性矢量有限元三维正演二次场

面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元正演

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地球物理学报 2019年第2期62卷 779-788页

作者：赵宁王绪本余刚何展翔孙卫斌秦策河南理工大学物理与电子信息学院河南焦作454000 中国石油集团东方地球物理公司综合物化探处河北涿州072750 成都理工大学"地球勘探与信息技术"教育部重点实验室成都610059

本文实现了一种面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元方法.为满足三维复杂电性结构模拟的需求,网格剖分采用非结构化六面体.在组装刚度矩阵之后,形成的大型复数线性方程组分解为等价的实数形式,利用带预条件的广义最小残差法进... 详细信息

本文实现了一种面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元方法.为满足三维复杂电性结构模拟的需求,网格剖分采用非结构化六面体.在组装刚度矩阵之后,形成的大型复数线性方程组分解为等价的实数形式,利用带预条件的广义最小残差法进行求解.在获得微分方程的解之后,为提高解的准确性,通过面向目标的自适应误差估计来指示网格细化,重点加密能使观测点数值模拟精度提高的网格.对于大规模三维数据,为了使模型空间的并行计算达到均衡负载的效果,我们使用METIS函数库来进行网格计算任务量的划分.最后,通过对比一维解析解与三维自适应矢量有限元计算结果,验证了程序的正确性;通过自适应过程中误差指示子的分布,验证了面向目标自适应的有效性;通过对三维复杂模型进行均衡负载下的并行计算,测试了程序的可扩展性.

关键词：总场海洋可控源电磁面向目标自适应矢量有限元并行计算

基于吸收边界条件的瞬变电磁法三维矢量有限元快速正演

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地球物理学报 2021年第3期64卷 1106-1118页

作者：张永超王光杰李宏杰廉玉广李文邱浩牟义煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院) 北京100013 北京市煤矿安全工程技术研究中心北京100013 中国科学院大学北京100049 中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室北京100029

瞬变电磁法的三维有限元正演通常采用齐次边界条件,为满足该边界条件,需要构建较大尺寸的模型,这降低了正演问题的求解速度.针对该问题,本文采用吸收边界条件代替齐次边界条件,以缩小模型体积,加快正演速度:首先,从时间域麦克斯韦方程... 详细信息

瞬变电磁法的三维有限元正演通常采用齐次边界条件,为满足该边界条件,需要构建较大尺寸的模型,这降低了正演问题的求解速度.针对该问题,本文采用吸收边界条件代替齐次边界条件,以缩小模型体积,加快正演速度:首先,从时间域麦克斯韦方程组出发,推导了基于库伦规范的矢量势的微分控制方程,结合一阶吸收边界条件推导了相应的的弱形式方程;在此基础上采用一阶四面体矢量单元进行单元分析、Newmark法进行时间离散,实现了瞬变电磁法的快速三维正演.通过均匀半空间模型的解析解,H型地电断面的CR1Dmod解和相应模型有限元解的对比,验证了本文算法的正确性.均匀半空间模型分别采用吸收边界条件和齐次边界条件的正演结果对比表明:吸收边界条件确实可以提高三维正演的精度或者缩小模型尺寸、加快计算速度.

关键词：瞬变电磁正演矢量有限元吸收边界条件

基于微增模型的海洋可控源电磁法三维非结构化矢量有限元数值模拟

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地球物理学报 2018年第6期61卷 2560-2577页

作者：陈汉波李桐林熊彬王恒张镕哲李少朋吉林大学地球探测科学与技术学院长春130026 桂林理工大学地球科学学院桂林541006

为了分析海洋中含金属矿的储油气砂层的成分、结构对于海洋可控源电磁场的影响特征,引入多相微增等效介质模型,结合非结构化网格实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元正演.首先对多相微增模型进行了介绍,并分析不同参数影响下的等效电导... 详细信息

为了分析海洋中含金属矿的储油气砂层的成分、结构对于海洋可控源电磁场的影响特征,引入多相微增等效介质模型,结合非结构化网格实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元正演.首先对多相微增模型进行了介绍,并分析不同参数影响下的等效电导率变化特征.而后,详细推导了频率域可控源电磁法非结构化矢量有限元方程.接着,利用预处理的IDR(s)迭代算法求解线性方程组.最后设计典型的海洋地电模型,通过正演计算,验证了本文算法的正确性和有效性,同时研究了海洋储油砂层中的金属矿的含量、孔隙度、含水饱和度等参数对于可控源电磁场响应特征的影响.

关键词：海洋可控源电磁法多相微增模型非结构化网格矢量有限元

海洋可控源电磁三维非结构矢量有限元数值模拟

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地球物理学报 2015年第8期58卷 2827-2838页

作者：杨军刘颖吴小平中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球内部物理实验室合肥230026 中国海洋大学海洋地球科学学院青岛266100

本文实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.由于采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,该方法可以模拟复杂电性异常体和海底地形.一维模型的数值模拟结果表明,电场实、虚部均与解析解吻合得相当好,计算误差基本小于1%.二维模型... 详细信息

本文实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.由于采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,该方法可以模拟复杂电性异常体和海底地形.一维模型的数值模拟结果表明,电场实、虚部均与解析解吻合得相当好,计算误差基本小于1%.二维模型的计算结果与已有的二维自适应非结构有限元模拟结果吻合很好.带地形模型的数值模拟结果显示,海底地形对电场影响很大,有可能掩盖海底油气藏产生的异常.

关键词：海洋可控源电磁三维正演矢量有限元非结构网格

基于二次电场的可控源电磁法三维矢量有限元正演模拟

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石油物探 2015年第6期54卷 665-673页

作者：汤文武李耀国柳建新刘春明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 中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室湖南长沙410083 Center for Gravity Electrical & Magnetic StudiesDepartment of GeophysicsColorado School of Mines

可控源电磁法作为地震勘探的重要补充手段,可通过研究地下介质电性的变化达到监测油藏的目的。为了从理论上研究可控源电磁法在油藏监测方面的应用前景,在前人研究的基础上,对三维可控源电磁法的正演模拟算法开展了进一步的研究。为克... 详细信息

可控源电磁法作为地震勘探的重要补充手段,可通过研究地下介质电性的变化达到监测油藏的目的。为了从理论上研究可控源电磁法在油藏监测方面的应用前景,在前人研究的基础上,对三维可控源电磁法的正演模拟算法开展了进一步的研究。为克服场源附近总场变化快、基于总场求解时难以精确模拟的问题,采用均匀半空间或水平层状介质模拟的一次场作为场源;针对传统的节点型有限元模拟电场时存在散度条件不满足的问题,采用矢量有限元对基于二次电场的偏微分方程进行离散求解;多频点正演时引入频率适应网格,可以在保持正演精度的同时提高计算速度。对比3层电导率模型的有限元数值解与解析解,验证了算法的正确性。通过一个简单的油藏模型正演模拟,从理论上证明了可控源电磁法应用于油藏监测的可能性。

关键词：二次电场可控源电磁法矢量有限元正演模拟油藏监测

基于节点有限元与矢量有限元的可控源电磁三维正演对比

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石油地球物理勘探 2018年第3期53卷 617-624页

作者：汤文武柳建新叶益信张华东华理工大学地球物理与测控技术学院江西南昌330013 中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083

基于电场的可控源电磁三维有限元正演模拟早期主要采用节点有限元法,但因存在伪解问题而影响求解效率和精度;避免出现伪解的有效手段之一是采用基于棱边元的矢量有限元法,该方法近年在电磁三维模拟中逐步得到应用推广。为了更具体地了... 详细信息

基于电场的可控源电磁三维有限元正演模拟早期主要采用节点有限元法,但因存在伪解问题而影响求解效率和精度;避免出现伪解的有效手段之一是采用基于棱边元的矢量有限元法,该方法近年在电磁三维模拟中逐步得到应用推广。为了更具体地了解两种方法在三维电磁正演中的实际应用效果,开展了两种方法的对比试验。首先从边值问题的建立进行讨论,之后分别通过一个水平层状介质模型和单一低阻体模型对两种方法的正演结果及效率进行比较。实际模拟结果表明:同等条件下,矢量有限元法计算精度更高,但其计算速度较节点有限元法约慢一半。

关键词：节点有限元矢量有限元可控源电磁法三维正演