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《吉林大学》 2017年
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多场源地空频率域电磁探测方法研究

周海根  
【摘要】:随着对资源能源需求的增加和易采易探资源的减少,快速勘查方法技术和大深度电磁探测方法技术已成为地球物理勘探领域的重要研究方向。地空电磁探测方法采用地面发射、空中接收的方式,融合地面电磁方法和航空电磁方法的优势,具有高效率和大深度探测的潜力,可以在地面人员难以进入的复杂地形区域进行探测。地空电磁探测方法包括时间域探测和频率域探测两种方式,由于时间域信号在时间和空间上急剧衰减,时间域地空电磁探测方法中接收‐发射之间的偏移距离较小,制约了地空电磁方法的效率和探测范围。地空频率域电磁探测方法采集稳态信号,可以实现大纵深范围的探测。然而,目前针对地空频率域方法的研究较少,理论基础薄弱。现有的探测方法和仪器基本上是将地面方法和系统移植,采用单场源激励,实际应用中存在着效率低、信噪比低、探测精度低、大功率发射系统笨重等问题,严重限制了地空频率域方法和系统的推广及应用。针对常规系统与方法中存在的问题,本文从多源激励的角度,研究适用于地空频率域探测的高效率、高精度和高信噪比的探测方法与手段,为地空频率域方法与系统的实际应用奠定基础。在研究过程中,本文主要完成的创新性工作与研究成果如下:1)研究了地空频率域电磁探测正演模拟计算方法。对于一维大地结构,从基本的麦克斯韦方程组出发,首次推导了单个电偶源和长导线源激励时地空磁场分量的计算公式,并对公式进行验证。对于三维结构,以有限元方法为基础,借助COMSOL仿真软件,通过对边界条件、求解器和网格剖分的设置,建立了地空三维结构的仿真模型与计算方法。通过与均匀半空间解析解的对比,验证了本文建模和求解方式的正确性。基于正演模拟,分析了空中磁场的基本特征,并对地空频率域电磁观测方法和仪器进行了介绍,指出了单场源激励在特殊应用环境下的局限性。2)研究了高效率、高信噪比和高探测精度的多场源地空电磁探测方法。在提高探测效率方面,分析了2n序列编码伪随机波形的频谱特征,设计了以2n序列编码为基础的频点设置方法,并给出了具有实用价值的频点组合。在提高信噪比方面,以垂直磁场分量为基础,计算了三种典型的组合源激励方式下电磁响应总场和二次场特征,并给出了组合源设计时的原则。在提高探测精度方面,基于倾子测量方法,对比了单场源激励与正交场源激励情况下倾子幅值和倾子实感应矢量对目标体的识别效果,论证了多场源激励对目标体识别的优势。通过对组合源方法的研究,为高效率、高质量、高精度地空电磁探测方法奠定基础。3)研究了多场源激励时的相互影响及其观测误差的抑制方法。建立了双源电路模型,确定了双源相互影响的主要因素。研究了互感和互阻对发射电流变化的影响,分析了电流变化对发射系统安全和在多源异频工作方式中对观测精度的影响,并分别计算和评估了平行发射源的最小偏移距离。对于多源同频探测方式,分析了偏移距离在数据处理时单源等效所引发的观测误差,结合实际系统参数,设计了同频探测中既满足系统安全又能保证探测精度的偏移距离范围。4)研究了多场源激励系统的实现与控制方法,并对多源方法进行了野外试验。分析了多源激励系统总体结构与参数,设计了便携式紧凑型发射系统的功率主电路,低压检测电路与控制电路,提出了多源系统的工作流程及三环并联控制方法。针对多源工作中的同步问题,设计了多源同步方案,实现多源之间电流的同步输出。以研发的多源系统为基础,进行了多源系统的野外试验,测量了多源之间的相互影响,并对多源同频提高信号幅值和多源异频方法提高探测效率方法的可行性进行了验证。本文建立的地空电磁探测正演模拟方法获得的均匀半空间计算结果与解析解结果吻合,验证了求解方法和公式的正确性,奠定了地空方法的理论基础。通过与常规单源方法的对比,验证了多源激励在信号质量、探测效率和目标识别方面的优势。通过对多场源相互影响的分析及其观测误差抑制方法的研究,为多源的野外实施与布设提供了理论指导,并保证了系统的安全。利用研制的发射系统开展多源试验,验证了调整偏移距对提高观测精度的有效性,同时也验证了多源多频方法提高效率、多源同频激励提高信号质量的可行性。多场源激励的地空电磁探测方法弥补了单源激励的不足,提升了现有方法的测量水平,为电磁法长期难以攻克的盲区勘探和高效率、高精度大深度探测提供了新的思路和技术手段,也为新型地球物理仪器的发展奠定了理论基础。
【关键词】:地空 频率域 电磁法 多场源
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P631.325
【目录】:
  • 摘要4-7
  • Abstract7-15
  • 第1章 绪论15-30
  • 1.1 课题研究背景15-17
  • 1.2 国内外研究现状17-25
  • 1.2.1 国内外地空电磁探测方法研究现状17-20
  • 1.2.2 多源电磁法国内外研究现状20-23
  • 1.2.3 多场源激励系统研究现状23-25
  • 1.3 本文研究的目的及意义25-27
  • 1.4 本文研究内容与结构安排27-30
  • 第2章 层状模型地空频率域电磁响应计算30-47
  • 2.1 引言30
  • 2.2 电磁波场的建立与传播30-34
  • 2.3 电磁波场基本理论34-40
  • 2.3.1 麦克斯韦方程34-35
  • 2.3.2 波动方程与矢量势35-38
  • 2.3.4 边界条件38-40
  • 2.4 层状大地正演模型计算40-45
  • 2.5 本章小结45-47
  • 第3章 三维模型地空频率域电磁响应计算47-65
  • 3.1 引言47
  • 3.2 三维模型有限元数值计算基础47-54
  • 3.2.1 有限元方法基础47-50
  • 3.2.2 有限元方法的求解过程50-54
  • 3.3 三维有限元模型计算的设计与实现54-64
  • 3.3.1 地空三维结构建模与求解54-61
  • 3.3.2 三维求解结果正确性验证61-64
  • 3.4 本章小结64-65
  • 第4章 单场源地空频率域观测方法65-79
  • 4.1 引言65
  • 4.2 单场源地空频率域响应65-70
  • 4.2.1 磁场的空间分布形态65-67
  • 4.2.2 磁场分量对异常体的识别能力67-70
  • 4.3 单场源测量方法与仪器70-74
  • 4.4 单场源激励系统的局限74-78
  • 4.4.1 探测效率的局限74-75
  • 4.4.2 接收信噪比的局限75-77
  • 4.4.3 局部异常识别能力的局限77-78
  • 4.5 本章小结78-79
  • 第5章组合源地空频率域电磁探测方法79-102
  • 5.1 引言79
  • 5.2 高效率宽频覆盖组合源方法79-86
  • 5.3 高信噪比同频叠加组合源方法86-92
  • 5.4 高精度倾子测量组合源方法92-101
  • 5.4.1 地空倾子测量理论与模型92-94
  • 5.4.2 单场源激励与组合源激励倾子幅值对比94-97
  • 5.4.3 单源与正交源倾子实感应矢量对比97-101
  • 5.5 本章小结101-102
  • 第6章 多场源激励的相互影响102-125
  • 6.1 前言102-103
  • 6.2 双源激励电路模型103-108
  • 6.3 电流变化对系统安全影响108-111
  • 6.4 电流变化对多源异频观测精度的影响111-118
  • 6.5 偏移距离对多源同频电磁探测观测精度影响118-123
  • 6.6 多源影响及误差处理的扩展讨论123-124
  • 6.7 本章小结124-125
  • 第7章 地空多源激励系统的设计与实验125-147
  • 7.1 引言125
  • 7.2 多源激励系统的设计125-134
  • 7.2.1 多源激励系统总体结构及参数设计125-129
  • 7.2.2 发射机子系统的设计129-134
  • 7.3 多源激励系统的工作方法134-138
  • 7.4 多源激励的野外测试与验证138-145
  • 7.5 本章小结145-147
  • 第8章 总结与展望147-152
  • 8.1 主要研究工作147-149
  • 8.2 创新点149-150
  • 8.3 进一步研究建议150-152
  • 参考文献152-161
  • 作者简介及攻读博士期间科研成果161-163
  • 致谢163

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