三套瞬变电磁软件正反演结果对比分析
瞬变电磁法正反演问题研究进展
第23卷 第4期地 球 物 理 学 进 展V ol.23 N o.42008年8月(页码:1165~1172)P ROG RESS IN G EOP HY SICSA ug. 2008瞬变电磁法正反演问题研究进展薛国强1, 李 貅2, 底青云1(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029; 2.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054)摘 要 对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.关键词 瞬变电磁法,正演问题,反演问题中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2008)04-1165-08Research progress in TEM forward modelingand inversion calculationXU E Guo -Qiang 1, LI Xiu 2, DI Qing -Yun 1(1.I nstitute of Geolog y and Geop hysics ,Chinese A cad emy of science ,Beij ing ,100029,China;2.S chool of Ge ology and S ur v ey Eng ineering ,Chang 'a n Univ ersity ,X i 'a n 710054,China)Abstract We g ive a g ener al rev iew o f recent r esear ch prog ress abo ut the T r ansient Electro magnetic M ethod (T EM )and instrument .T he achievement o f T EM for wa rd modeling and inv ersion hav e been summar ized .A t pr esent,the for war d numer ical calculation metho ds include 1D dig ital filter method,3D integ ral equat ion metho d,2D and 3D differ -ence met ho d,2.5D infinite element met ho d.T he main 1D inv erse met ho ds include float plate method,auto -inv erse metho d,smoking theor y,artificial neural netw or k,imag ing inver sion.We present the featur e o f ev ery numerical calcu -latio n metho d.T he developing directio n of fo rw ard and inver se st udies mainly is the 3D calculat ion method and the targ et imag ing sysy tem.Keywords tr ansient electr omag netic metho d,forw ard pro blem,inver sion problem收稿日期 2008-03-10; 修回日期 2008-06-20.基金项目 国家自然科学基金重点项目(50539080)和国家自然科学基金项目(40774066)联合资助.作者简介 薛国强,男,1966年生,1989年于西安地质学院获学士学位,2002年于长安大学获硕士学位,于2005年于西安交通大学获博士学位.研究方向为电磁探测理论与应用(E -mail:ppxueguoqiang@ )0 引 言电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求.电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的.通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的电磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法.瞬变电磁测深法(Transient electr omagneticm ethod,简称T EM)是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法.它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态.该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强地球物理学进展23卷以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔.目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一.已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门.成功地解决了大量实际问题[1,2].但是应用领域的问题越来越多并且越来越难,发展瞬变电磁法精细探测技术是一次机遇和挑战[3~5].本文详细列举了瞬变电磁法各种正反演方法,并对方法进行了回顾和展望.1方法概述20世纪30年代,最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是美国科学家,当时利用不同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.最早提瞬变电磁法工作方法的前苏联科学家,当时采用的是远区工作模式[7,8].到了20世纪50~60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段.20世纪60年代以后,当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展.随之,/短偏移0、/晚期0、/近区0、等技术研究迅速发展起来.美国等西方国家在20世纪70~ 80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的深部调查中.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究[9~11].20世纪80年代后随着计算机技术的发展,欧美学者在二三维正演模拟技术方面,发表了大量的论文[12~17].与此同时,前苏联学者提出电磁波拟地震波的偏移方法,吸取了/偏移成像0的广义概念,在电磁法中确定了正则偏移和解析法偏移两种方法.80年代末,从激发极化现象理论出发,研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,解释了瞬变电磁法晚期电磁响应的变号现象,并对三维极化体的瞬变电磁响应特征进行了数值计算.[18~20].在我国,对瞬变电磁法的研究始于20世纪70年代,朴化荣、曾孝箴等人,他们将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿中;方文藻、李貅等将大回线源瞬变电磁测深法广泛用于地热和地下水调查、工程调查和地质灾害调查,又将瞬变电磁法用于大地电磁测深曲线的静校正,取得了良好的效果.蒋邦远等将瞬变电磁法用于普查勘探良导金属矿,随后又研制出了DCM-1型电磁脉冲瞬变系统;牛之琏等将T EM法用于金属矿勘探上,取得了明鲜的效果,并与智通研究所合作研制并生产了SD-1型智能化瞬变电磁仪,白云仪器厂在此基础上研制了M SD-1, BYF5M SD1瞬变电磁系统;中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所研制了WDC-1,WDC-2瞬变电磁仪器,后又研制了IGGETEM-20瞬变电磁系统;西安强源物探研究所研制了LC,EMRS-1, EM RS-2瞬变电磁仪;北京矿产地质研究所王庆乙教授研制了T EMS-3S瞬变电磁仪器;吉林大学林君教授研制了ATEM-2瞬变电磁仪器,重庆奔腾数控技术研究所研制了WT EM系统;但是目前国内仪器的稳定性,重复性都不如国外仪器好.国内主要的进口仪器有加拿大GEONICS公司生产的PRO-TEM系统(PROTEM-37,47,57,67);PH OEN IX 公司生产的V6,V8系统;美国ZONGE公司生产的GDP-32系统等.以前,瞬变电磁法只局限于金属矿勘探,1992年以后随着仪器的智能化与数字化,瞬变电磁法开始步入工程、环境、灾害地质调查中,如探测地下采空区,陷落柱等煤田灾害,划分地下断层、寻找地下水,金属矿产勘探、石油、煤炭等非金属矿产调查、工程场地地质勘察、隧道超前地质预报等领域.取得了良好的效果.瞬变电磁法以其独特的优点广泛用于资源勘探和工程勘察中.但针对一些具体的精细探测问题如:高速公路和铁路建设中的隧道超前地质预报精细探测,大型重要古墓的墓室结构精细探测,大型水坝隐患精细探测等,常用的瞬变电磁法的分辨率受到限制,探测效果受到影响.从目前看,在理论研究、仪器研制方面处于初级阶段.虽已解决了一维正反演问题,但在二、三维的研究成果还未达到应用程度.传统的瞬变电磁探测方法对地下目标体的评价精度低,一般采用二次衰减曲线和由此算得和的视电阻率值及视纵向电导值作为解释参数,用一维的计算公式得到深度)视电阻率,或者深度)视电导率二维断面图来进行解释.多数仍处于定性和/看图识字0的阶段.对瞬变电磁法测深资料定量解释还局限于单点一维反演,很多情况下是靠解释人员的工作经验及地质先验知识来对测深结果做出判断,人为性较大.随着探测分辨率和精度要求的提高,在原有解释方法理论基础上对正反演问题做更深入地研究,探索新的反演理论并将其进行系统化,建立系统的T EM解释正反演理论,同时使瞬变电磁法的解释11664期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展向三维方向迈进,使这一方法能更好地解决一些高难的精细探测问题.当然,加强仪器研制,观测方式的改进,微信号拾取方法研究等方面也要加强.2 正演问题研究正问题是根据给定的地球模型求解地球物理电磁场理解值,反问题是根据实际测量的地球物理电磁场数据定性或者定量解释出地球内部的结构的过程.2.1 一维正演问题对瞬变电磁法一维情况下的正演计算大多采用先在频率域进行讨论,得到层状介质下的电磁响应表达式,然后把讨论结果转换到时间域来.从频率域到时间域响应的转换,可以采用的方法有:GAVER -STEH FEST 逆拉氏变换方法、延迟谱方法、线性数字滤波方法、折线化正余弦变换法.线性数字滤波技术是将汉克尔变换转换成卷积形式,离散化后形成数字滤波器.滤波器的系数由已知变换对求出[21].这一变换主要涉及H ankel 变换,H ankel 变换方法有两种,一种采用线性数字滤波技术,利用H ankel 系数反积分方程离散化,并把积分形式变成求和形式.(流程图如图1)计算精度与系数的个数多少有关系.另外一种办法是把足够长的积分区间分成两部分,求出贝塞尔函数的两个零点,在各区间内采用高斯积分求积,然后求和,这一算法精度较高,但是效率较低,图1 一维正演数值计算流程图Fig.1 F lo w chart o f 1D fo rw ard calcalat ion折线化正余弦变换法是利用正余弦函数的导数性质和分部积分法则将积分转换成为对核函数导数的的正余弦变换.对导数进行差商近似,将积分区间分段,并在每个段内用折线来逼近积分核函数,使核函数的二次导数变成一系列D 函数的和.该算法对缓变函数效果较好.2.2 二维正演问题二维数值计算多采用有限差分法进行.用两个无限长直导线近似作为发送回线源,可用均匀半空间的解析解在t >0时刻将源转化为初始条件加入.从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,利用准静态近似处理空中边界,在地-空界面向上延拓一个网格,采用五点差分显式格式,在每一时间步计算网格空间各点的场量,然后进行时间的逐步递推,就能直接模拟电磁波的传播及其与地质体的相互作用过程,使电磁场的时域特性被直接反映出来[22].(流程图如图2)图2 二维正演有限差分法程序流程图F ig.2 Flow char t of 2D farw ard ca lculatio nusing the difference method由于源的处理和边界条件的确定是建立在在水平均匀半空间基础上的,目前的时域微分方程算法尚存在着不足,无法分析TEM 场对浅异常体的响1167地球物理学进展23卷应;无法有效地分析地形对T EM的影响,地形与异常体的相互作用还不甚清楚;由于对源的特殊处理,使得计算结果对浅部地质体的反映不佳.有限元法对频率域计算比较有利.因为它可以很方便地处理急剧变化的和倾斜的电导率分界面和地形等问题.由于频域电磁勘探中的二维定解问题相对简单,且用有限元法求解十分方便,因此,先在频域中用有限元法求解,然后变换到时间域,是瞬变电磁二维正演的一种有效途径[21].2.32.5维正演问题2.5维时间域电磁场数值模拟问题是目前国际上尚未妥善解决的计算地球物理疑难问题之一.我国从20世纪80年代开始着手研究2.5维电磁场的数值模拟,采用有限元法对时间域[23]和频率域电磁场的2.5维响应进行正演数值模拟,采用快速松驰算法实现三维源二维地质结构的CSAMT数值计算[24],尽管占用计算机资源较大,但是确实给多维反演研究开辟了方向.为避免过于庞杂的三维正演计算量,可以首先在频率域计算电磁场响应值,然后再把计算结果变到时间域采用三角形网格代替传统的矩形网格算法,导出了中心回线瞬变电磁2.5维二次场(纯异常)的有限单元计算公式.2.4三维正演问题3D反演是提高TEM资料解释效果的必由之路,3D模型正演又是反演的基础,因此,改进与完善TEM法3D模型正演,对进一步提高TEM资料解释水平和方法的应用效果具有理论和现实意义.目前国内还没有应用较好的3D正演软件.三维瞬变电磁场正演计算只能用数值方法,主要方法有三类:有限差分法,有限元法和积分方程法.前两种方法要求对所计算的全部区域进行离散化,所占用的计算机容量较大.后者只要对异常区域进行离散化,存贮量大大减小.积分方程是最早实现3D场模拟的数值算法[19,25,26],因为积分方程法只需要计算小体积异常区的场,不必计算整个区域的场.这一点使积分方程算法在数值计算的早期,比微分方程法具有更大的优越性.但是积分方程法求解要遇到某些更困难的数学问题,仅适合模拟简单模型.在计算比较复杂的模型,如层状大地中的3D异常体时,往往不能用直接时域积分方程求解,而要由频域积分方程的计算结果经傅立叶变换到时域.尽管几乎在所有情况下,电磁场的频率域特性和时间域特性之间可以通过傅氏变换一一对应,然而也有一些情况,除了转换中的计算精度问题以外,两者之间有着很微妙的差别.要模拟复杂的地质构造,还要依赖于时域微分方程的方法.和积分方程算法不同,在开放域的地球物理问题中,微分方程算法要解决边界条件和源的处理问题.瞬变电磁三维直接时域有限差分法数模拟已经有报道[27].而且还进一步地通过设定等效位移电流,使原适合波动场的时域有限差分算法(FDT D)能够适用于扩散场问题.直接时域算法的引入,展现了电磁场在地下随时间传播的全过程,直接模拟电磁波与地下异常体的相互作用,使TEM 场的时间特性被直接反映出来,从而给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图象.直接在时间域中求解和从频率域中转换,两者的计算量基本相当,前者精度较高,尤其是晚期,但是计算复杂.后者由于频率域的研究已有很好的基础,所以做起来简便.也可以按照二维时间域有限差分的思路进行三维有限差分计算[27],即把三维源问题做特殊处理后,作为初始条件加入迭代方程,然后进行计算.3反演问题研究3.1浮动薄板解释法[28~34]它是一种根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的近似解释方法.因此称为/视纵向电导解释法0,也有人把该法形象地称为/浮动薄板解释法0.水平薄板模型是瞬变电磁场正演计算中唯一能用初等函数解析表示的地电模型.随着时间的推移,瞬变电磁场向地层深处传播.因此,可将每个瞬间观测到的电磁信号等效为某一/浮动0导电薄层产生的场,从而直接把观测的垂直磁场分量时间导数矩阵转换为电导率)深度值.根据电磁理论,我们可用一导电平面来代替地下均匀介质,然后用镜像法可以方便地求出空间任一点的感应磁场.可形象地理解为:随时间的增减,等效导电平面以速度1L0R上下/浮动0(R为电导率,L0为磁导率).当时间增大时,它逐渐下沉,当时间减小时,它又逐渐/上浮0.这样便可以用一块随时间的变化而/沉浮0的/载流0导电平面近似代替回线源中的均匀大地,从而方便的求出地表任一点的异常场.这就是/浮动薄板法0的基本原理.这一方法应用较早.3.2烟圈理论解释法[35]在均匀大地上,敷设输入阶跃电流的回线,当发11684期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展送回线中电流突然断开时,在下半空间中就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场,此瞬间的电流集中于地表附近,并按r-4规律衰减(r 为中心至观测点的距离).随后,面电流开始扩散到下半空间中,在切断电流后的任一晚期时间里,感应涡流呈多个层壳的0环带0形,并形成一系列与发送回线同形状并且向下及向外扩散的/电流环0,通常称之为/烟圈0.大地感应涡流在地表面产生的电磁场可近似地用圆形电流环表示.这些电流环就像由发射回线吹出的/烟圈0,其半径随着时间增大而扩大,其深度随时间延长而加深.这就提示我们:当计算均匀半空间的地面瞬变电磁响应时,可以用某一时刻的镜像电流环来代替.随着时间的延长,涡流场向下及向外扩展.依据计算的结果,涡流场极大值将沿47b 倾斜锥面扩展,计算均匀半空间的瞬变电磁响应时,可以把/烟圈0看作一系列的二次发送线圈,很容易地计算出在某时刻沿地面测线的响应值,以及在某个测点的响应值随时间变化的规律.在层状介质中,仍然保持同样的/烟圈0效应,只是/烟圈0的传播将逐渐局限于导电地层中.3.3 人机对话自动反演法.先根据地质资料及定性分析结果,给出初始模型进行正演计算,将正演计算结果用改进的阻尼最小二乘法与实测数据对比拟合.如果拟合结果不满足要求,就修改模型参数,再进行正演计算,然后再对计算结果对比,如此重复直到满意为至.为了减少多解性的影响,采用了可行方向法,控制计算参数的变化范围.以上过程全部在人的控制下由计算机自动完成.瞬变电磁测深数据拟合问题可以表示为如下的约束条件:min U (x ),x -[x i [ x ,(1)其中U x 为目标函数,x =x 1,x 2,,x mT,x --为x i 的下界, x 为x i 的上界.令:x 1i=x 0i +$x i ,t \1x 0i+t $x i ,t <1(2)其中$x i 由下式决定:A TA +A I $x =A TB式中A 为雅可比矩阵,I 为单位阵,A 为阻尼因子,其中t 由下式决定:t =x i -x 0i/$x i ,$x i >E0,-E [$x i [E x ---x 0i/$x i ,$x i <-E(3)其中E 为给定小正数.把满足上述三式的x 1i作为下次迭代新的初值,如此迭代运算,直到求出x 1,x 2,,x m 的最佳值为至.3.4 人工神经网络反演法目前传统电磁资料反演方法理论相对来说比较复杂,不易学习掌握;后期数据处理量大,计算复杂,很难进行实时反演.人工神经网络特别适合处理不确定性和非结构化信息.地质勘探和开发中的大量信息就是这种信息,同时,它也避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决那些复杂的实际问题;而且它还具有学习记忆功能,能够一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具备了延续性和继承性,便于推广.人工神经网络是模拟人脑机理和功能的一种新型计算机和人工智能技术,在数据处理中避免了数据分析和建模中的困难,采用拟人化的方法进行处理,特别适合于不确定性和非结构化信息处理,因此在地质勘探中具有重要意义.人工神经网络反演法,它不要求工作人员有丰富的工作经验,它避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决复杂的实际问题,而且还具有学习记忆功能,它一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具有延续性和继承性.随着专家系统的不断完善,该方法将有广阔的发展前景.3.5 成像类反演由于地震勘探研究相对比较成熟,在20世纪80年代后期,人们提出了在电磁勘探数据中采用拟地震解释法,进行成像处理.大地电磁法和瞬变电磁法都取得了一定的进展.成像类反演主要有两种,一种是时频等效转换方法,即:通过一个经验公式,把TEM 数据等效转换成平面波场数据[36~38],借用M T 数据的拟地震思路,求取反射系数序列进行成像[39].另外一种就是波场转换方法[40~44],并进一步进行拟地震偏移成像[8,45].在场源激励下,地下介质中产生涡流,在阶跃波断开后,涡流不会立即消失,而是有一个过渡过程,在这个过程中,由地下介质所产生的二次感应场经过了一个由无到有,由小到大,到极大,到衰减,再到1169地球物理学进展23卷无的过程.对于地下某一深度z,磁场微分量d B/d t 初始值为零,经过建场,到达极大值,最后衰减到零.某一频率或者某一时间的电磁场分布在地下的任何深度内.从地球物理勘探的角度看,电磁探测深度与仪器的检测灵敏度、地电情况、围岩情况、噪声电平等因素有关.在比较理想的情况下,也可能探测到埋深相当于几倍的趋肤深度(或者扩散深度)的地下地质体,在复杂地质情况下,也可能探测不到埋藏在趋肤深度(或者扩散深度)以内的地质体.但是,总的来说,对于同一介质的同一深度,扩散场的视电阻率与平面波场的视电阻率对此深度地电性结构应该有相同的反映.在一维近似的情况下,把趋肤深度和扩散深度等效认为是电磁场的探测深度一种从瞬变电磁测深数据向平面波场转换的时间t频率f对应关系.210f=t.(4)忽略位移电流以后,低频电磁场满足扩散方程,不能直接对电磁探测数据进行成像,扩散方程中的波数含有一次项,波动方程中的波数含有二次项,两个方程的形式不同.但是,电磁扩散方程与地震波动方程间存在有趣的数学对应形式,从波场到时域场的波场正变换式H m(t)=12P t3Q]0S e-S24t U(S)d S.(5)变换得到的虚拟波场,不仅满足波动方程,而且还类似于地震子波一样,具有传播、反射、透射特征.瞬变电磁场偏移成像问题与地震勘探中的弹性波偏移成像问题有相似之处,但也不完全相同.如果将扩散的瞬变电磁场变换为波场处理,将该波场从地面向地下反向外推进行偏移成像,形成瞬变电磁偏移方法,将对提高瞬变电磁场的分辨率具有重要意义.虽然变换出来的波场在形式上与地震波场一样都满足波动方程,但是由于两种波场的物理背景不同,它们之间存在一些重要区别,前者是与感应的瞬变电磁衰减曲线相对应的/反射0子波,是虚拟的,而后者是在弹性介质中传播的客观存在的地震子波.另外,虚拟波场在每一介质中的传播速度不仅与本介质的电导率有关,而且还受相邻介质电导率的影响,这与地震波场是不同的.瞬变电磁法的三维反演问题将是研究的热门.由于计算的复杂性,国内研究较少,国外学者研究相对较多,不断探索更多的反演方法[46~51].国内对时频联合反演进行了研究,并取得初步成果[52].其它不同方法的三维正反演问题也得到了研究[53~57],其研究成果会对瞬变电磁法有所借鉴.但随时着计算技术的不断发展,三维反演问题得到解决,瞬变电磁法的勘探精度会得到很大的提高.4研究展望在理论与应用中,瞬变电磁法已以取得了很大的进展,但是一些焦点问题还没有解决,一些研究还没有真正达到实用化,还需要研究者做更多的突破.在注意发展研究复杂地电条件下二、三维问题正反演的同时,更应注意实际应用效果,发展瞬变电磁测深资料与其它勘探资料的联合反演;投入力量研究瞬变电磁拟地震的偏移成像技术;在回线源非共中心点情况下,对水平分量的正演模拟计算和资料反演都研究的不够.需要加强水平分量资料的观测,及多分量数据的正反演问题研究.瞬变电磁法目前大多停留在一维反演阶段,三维反演则处于方法研究或者特定方式的应用阶段,所以,要实现三维反演的实用化,成果推广化,还需要走一段很长的道路.在三维正演计算中,大多研究场源为电偶极子或者接地长导线形式,对于应用较广的矩形回线源情况,由于其复杂性,正演计算研究相对较少.另外,对航空瞬变电磁法,海洋瞬变电磁法,井地瞬变电磁法,井下瞬变电磁法的正反演理论与方法的研究还远远不够.只有这些研究有足够多的突破,才有可以推进瞬变电磁法的全面发展,展示该方法最美好的一面.参考文献(References):[1]胡祥云,杨迪坤,刘少华,胡正旺.环境与工程地球物理的发展趋势[J].地球物理学进展,200621(2):598~604.H 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频散介质中的瞬变电磁响应特征和反演特性分析
第４４卷 第２期２０２２年３月物探化探计算技术ＣＯＭＰＵＴＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＦＯＲＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬＡＮＤＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＶｏｌ．４４ Ｎｏ．２Ｍａｒ．２０２２收稿日期：２０２１ １１ １８基金项目：国家重点研发计划重点专项（２０１８ＹＦＣ０６０３８０３）；中央级公益性科研院所基本科研业务专项（ＡＳ２０２０Ｊ０１，ＡＳ２０１９Ｐ０１，ＡＳ２０２０Ｙ０１）第一作者：智庆全（１９８７－），男，硕士，主要从事电磁勘探方法研究，Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｉｑｉｎｇｑｕａｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。
文章编号：１００１ １７４９（２０２２）０２ ０２５１ １０频散介质中的瞬变电磁响应特征和反演特性分析智庆全１，２，３，４，武军杰１，２，３，王兴春１，２，３，杨 毅１，２，３，张 杰１，２，３，邓晓红１，２，３（１．中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 ０６５０００；２．自然资源部 地球物理电磁法探测技术重点实验室，廊坊 ０６５０００；３．国家现代地质勘查工程技术研究中心，廊坊 ０６５０００；４．长安大学 地质工程与测绘学院，西安 ７１００５４）摘 要：真实大地固有频散特性，较强的频散效应叠加到瞬变电磁响应之中，会给传统的数据处理手段带来困难。
目前考虑频散效应的瞬变电磁数据多参数联合反演解释方法，具有显著的多解性和初始模型依赖。
为分析这种现象产生的原因，并探究可能的解决途径，这里首先引入Ｃｏｌｅ－Ｃｏｌｅ模型，结合数字滤波方法实现了频散介质中瞬变电磁响应的正演，通过与前人结果对比验证了正演方法的有效性。
以典型的电模型为基础，分析了频散介质中瞬变电磁响应规律、单调性和灵敏度特征。
采用多参数联合反演中常用的目标函数，分析了反演目标函数的形态、极值点、平滑度等特性，探讨了适合频散介质中瞬变电磁响应的反演策略。
研究表明，频散介质中的瞬变电磁响应特征具有明显的非单调性，频率相关系数和时间常数的灵敏度特性较差，反演目标函数具有大量的局部极小和尖锐的全局极小，全局优化算法是较适合此反演问题的寻优策略，但仍需引入目标函数改造或参数约束等手段以改善反演过程的收敛性。
硬开关和软开关三相PWM逆变器中偏差电压引起的波形畸变及校正策略比较
硬开关和软开关三相PWM逆变器中偏差电压引起的波形畸变及校正策略比较传统的三相PWM电压源逆变器中，为了防止逆变桥臂的直通短路，通常在功率器件的开关信号中，设置一个功率开关的延迟开通（死区）时间t d。
虽然t d非常短，但在高开关频率或较低输出频率下，会引起逆变器的输出电压和给定电压之间的偏差，从而导致逆变器的输出电流产生误差、引起输出电流的谐波以及输出电压的利用率下降[1,2]等问题的发生。
关于t d的设置对逆变器输出电压和电流影响的研究，国内外对此做了大量的工作[3]。
在直流母线零电压过渡电压源三相软开关PWM逆变器（DC-Rail ZVT VSI）中，主功率器件需要进行状态切换时，由附加在直流母线上的谐振环节工作，在直流母线上产生一个零电压凹槽，为主功率器件的状态切换提供零电压过渡条件。
这样，主功率器件的开关损耗能被减小到最小值，还能大大缩小传统硬开关逆变器中产生的EMI。
功率器件可以工作在很高的开关频率下，功率器件的动态性能能够得到很大的改善。
当然，此时逆变单元的非线性因素（主要由直流母线零电压凹槽产生）也就不同于传统的硬开关三相PWM逆变器电路。
目前关于这个问题的研究还没有相关的文献出现，它将是本文研究的重点。
从这个角度出发，本文首先对传统硬开关三相PWM逆变器中由于死区时间设置引起的逆变器输出波形畸变和校正方法进行概述，然后用对比的方法对直流母线零电压过渡电压源三相软开关PWM逆变器中由于直流母线零电压凹槽引起的逆变器输出波形的畸变做一详细的分析和比较，并得出不同的校正策略。
最后用实验结果验证了相关的结论。
2传统硬开关和直流母线零电压过渡PWM逆变器输出波形畸变的分析比较2.1传统硬开关PWM逆变器输出波形畸变的原理传统硬开关PWM逆变器中，在人为设置的死区时间里，逆变桥臂上、下两个功率开关都处于断开状态，其中点输出电压（假定为V a）为不确定方向，取决于该桥臂上的输出电流（假定为i a）方向，该电流为感性负载的续流电流，流过功率器件上的反并联二极管。
电性源瞬变电磁一维正反演研究
电性源瞬变电磁一维正反演研究瞬变电磁法在浅部资源探测和工程物探领域得到广泛应用。
与频率域电磁法不同,瞬变电磁法通过采集时间域的二次场响应来探测地下目标体。
时间域电磁场响应计算比频率域更加复杂,且计算量巨大,二、三维瞬变电磁正反演仍处于理论研究阶段,现今的瞬变电磁法在实际生产中仍然以一维正反演为主。
一方面,时间域的二次场异常响应相对频率域更加微弱,这为瞬变电磁的一维正反演计算精度和计算速度提出更高的要求。
另一方面,时间域发射波形复杂,对仪器的性能要求高,理论也相对复杂,对野外工作人员理论要求较高等因素,也制约了瞬变电磁的推广应用。
因此,进一步研究瞬变电磁的一维正反演方法,提高其计算精度和速度,同时弄清时间域电磁场的传播特征具有重要意义。
本文从介绍麦克斯韦电磁场方程组出发,首先在第二章推导均匀半空间和层状情况下电偶极子的瞬变电磁的正演响应解析式,同时探讨了汉克尔变换求解频率域解析式的实现方法,以及频率域到时间域的转换算法。
本文提出了一种结合Guptarsma和折线逼近算法的混合优化算法,两者相互取长补短,提高了计算效率和正演精度,并进行了对比。
第三章中,本文基于电偶极子的正演算法,研究了导线电性源的实现方法,并进行了对比。
在电性源的正演基础上,分别探讨了地下和地表电磁场的传播规律,为瞬变电磁的如何采集电磁场分量信号来提高信噪比提供了可靠的参考依据。
然后探讨了不同参数下的正演响应的规律,以及计算了不同地电断面的瞬变电磁响应特征。
最后研究了瞬变电磁早、晚期视电阻率的求取,并进一步实现了平移算法、二分法求取全区视电阻率,并与早晚期视电阻率作了对比。
第四章中,主要讨论瞬变电磁一维反演算法,本文主要实现了瞬变电磁阻尼最小二乘约束反演,探讨了各种因素如收发距、初始模型对反演结果的影响,并进行了加权约束方法的介绍,并做了多个理论模型的一维反演,验证了反演方法的正确性。
回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析
回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析近年来，回线源瞬变电磁法（TEM）已经广泛应用于地球物理勘探以及环境调查，在超声波成像以及许多其它应用中，它也有着广泛的应用。
三维（3D）多源仪器结构和电磁数据处理技术的逐步发展，为TEM广泛应用的实施提供了有力的支持。
有限体积TEM三维（FVTEM）技术可以更有效地解决3D数据的反演问题，由于其采用有限体积模型，因此它可以更加有效地实施反演，在解决复杂数据的反演问题上可以起到至关重要的作用。
FVTEM三维任意各向异性（anisotropy）正演方法的发展，有助于更好地了解电磁数据的特性，用于探测和识别有限体积中潜在地质特征。
FVTEM三维任意各向异性反演方法，通过分析电磁数据的特性，可以更准确地推断有限体积中各向异性分布特征，从而提供更多信息，用于分析有限体积中地质环境特征。
FVTEM三维任意各向异性正演与分析是地球物理勘探、环境调查和其他应用中非常重要的技术，它与三维多源仪器结构和电磁数据处理技术的发展有着密切的关系。
首先，FVTEM技术的发展，使得从有限体积数据中可以更准确地探测到各向异性的分布特征，进而更好地了解地质环境特征。
其次，FVTEM正演分析和反演技术，让电磁数据解释和分析更加精确，从而提高了FVTEM三维任意各向异性正演反演的效率。
有限体积TEM三维任意各向异性正演及分析方法具有许多优点，这对于更准确地分析有限体积数据至关重要。
首先，FVTEM三维任意各向异性正演分析能够更准确地提取有限体积数据的分布特征。
其次，FVTEM三维任意各向异性反演能够更准确地推断有限体积中各向异性分布特征，从而提供更多信息，用于分析有限体积中地质环境特征。
此外，FVTEM三维任意各向异性正演及分析方法具有计算效率高、可靠性高等优点，也有助于更准确地分析有限体积数据的特征。
综上所述，FVTEM三维任意各向异性正演及分析方法，为更准确地解决三维数据反演问题提供了一种有效的方法，具有计算效率高、可靠性高等优点，对于更准确地分析有限体积数据至关重要。
矿井瞬变电磁重叠回线耦合响应三维正演模拟
Ｚ ＨＡ０ Ｊ ｉ ｎ ｇ
（ Ｒ ｅ ｎ ｌ ｏ ｕ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｅ ｒ ｙ ， Ｈｅ ｎ ｇ ｙ ｕ ａ ｎ Ｃ ｏ ａ ｌ ＆Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ２ ３ ５ １ ２ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
矿 井 瞬变 电磁 重 叠 回线耦合 响 应三 维正 演模 拟
赵 晶
（ 恒源煤 电股份有 限责任公 司 任楼煤矿 ，安徽 宿州 ２ ３ ５ １ ２ ３ ）
［ 摘 要 ］ 矿井 瞬变 电磁 法受制于施工环境 而 只能采用边 长小 于 ３ ｍ 的重叠 回线 ，其探 测效果 取决于 回线与三维地 电体 的耦合情况 。基于 瞬变电磁 场的 “ 烟 圈效应”理论 ，利用其扩散方程 ，推 导
［ 关键词 ］ 矿 井瞬变 电磁 ；重叠 回线；耦合 响应 ；三维正演
［ 中图分类 号］Ｐ ３ １ ９ ． ２ ［ 文献标识码 ］Ａ ［ 文章编号］ １ ０ ０ ６ — ６ ２ ２ ５（ ２ ０ １ ３ ）０ ３ — ０ ０ １ ７ ． ０ ５
３ － Ｄ Ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｏｖ ｅ ｒ ｌ ａ ｐ ｐ ｉ ｎ ｇ Ｌｏ ｏ ｐ Ｃｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｒｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ
第１ ８卷 第 ３期 （ 总第 １ １ ２期）
２１ ． １ ８ Ｎ ｏ ． ３（ Ｓ ｅ ｉ ｒ ｅ ｓ Ｎ ｏ ． １ １ ２ ）
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０１ ３
Ｃｏ ａ ｌ ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
三套瞬变电磁软件正反演结果对比分析
Resistivity(ohm)
200 300 400 500
-100
-100
-100
Depth(m)
Depth(m)
-200
-200
Depth(m)
Em vision Raw Inversion
-200
-300
-300
-300
Maxwell Raw Inversion -400 -400
Em igma Raw Inversion -400
0 0 40 80 120 160 200 240 0 0 0 40
Resistivity(ohm)
80 120 160 200 0 100
Resistivity(ohm)
200 300 400 500
-100
-100 -100
Depth(m)
Depth(m)
-200
-200
Depth(m)
-200
Decay Forward_Decay Inversion_Decay
均匀半空间:200Ω﹒m 1000 初始模型：三层 Layer1：200Ω· m、100m
dB/dt(nT/s)
100
Layer2：100Ω· m、300m 10 Layer3：50Ω· m
1
0.1
0.01 0.01 0.1 1 10 100
二、三套软件功能开发与比较分析
均匀半空间(100Ω﹒m )加载板状体(1S)(地-井)
三、三套软件１D反演对比分析
原始模型
正演衰减数据
比较衰减曲线和地电模型
1D正反演比较
二次导入
分析基本流程
设定初始模型
反演计算
三、三套软件１D反演对比分析
航空瞬变电磁勘探数据的三维反演问题
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目录
• 引言 • 瞬变电磁勘探基础 • 三维反演方法 • 反演算法的优化 • 应用实例及效果展示 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
航空瞬变电磁法（Airborne Transient Electromagnetic method，A-TEM）是一种高效的矿产资源勘探方法，具有 对地下目标异常体的高分辨率和无损探测等优势。
瞬变电磁信号在时域表现 为衰减特性，随着时间的 推移，信号幅度逐渐减小 。
数据采集与处理流程
数据采集系统
包括发射线圈、接收线圈、时间控制 器、数据采集器等组成。
数据处理流程
对采集到的数据进行预处理、滤波、 去噪、提取有效信号等步骤，得到可 用于反演的瞬变电磁数据。
03
三维反演方法
三维反演原理
基于电磁场理论
数据预处理
对原始数据进行清洗、滤波和 预处理，提高数据质量。
参数设置
根据问题特点，设置合适的正 则化参数、学习速率等超参数 。
模型评估
使用测试数据集对训练好的模 型进行评估，计算误差、精度 等指标。
优化效果评估
误差分析
01
通过计算反演结果与实际结果的误差，评估算法的准确性和可
靠性。
精度比较
02
将不同算法的反演结果进行精度比较，评估改进算法的性能优
结果分析
根据反演结果，可以分析不同地质结构、矿产资源的分布情况，研究其形成机制和分布规律。例如， 某项目中，通过反演结果分析发现，某地区的地质结构与成矿条件优越，存在高品位铁矿的可能性较 大。
结果解释
反演结果需要结合实际地质情况和勘探需求进行解释，同时需要考虑误差和不确定性等因素。例如， 某项目中，反演结果显示某地区存在一个大型金属矿床，但后续钻探结果表明该结论存在较大误差。
三套国外TEM软件正反演结果对比
三套国外TEM软件正反演结果对比王兴春;武军杰;邓晓红;张杰;杨毅【摘要】在对三套国外瞬变电磁软件Maxwell 、EM vision和Emigma研究分析的基础上,设计均匀半空间、层状介质和均匀半空间加载板状体及棱柱体的模型,逐一比较分析三套软件的异同,并进行了均匀半空间和层状介质的1D反演,通过模拟计算和结果分析,比较不同条件下各软件的特点和结算结果的准确性.结果表明,在均匀半空间和层状介质条件下,三套软件的正演计算结果能完全吻合,但瞬变电磁3D 正演问题还未从根本上得以解决.%On the basis of a study and analysis of three sets of dominant transient electromagnetic software abroad(Maxwell, EM vision and Emigma) , the authors designed tabular or prismatic bodies with homogeneous half-space, layered earth and homogeneous half-space and compares the difference between them. 1D inversion was carried out with homogeneous half-space and layered earth too. The forward and inversion results have led the authors to reach the conclusion that in some circumstances these sets of software can yield the same results, but there still exist some differences under different conditions.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2012(036)003【总页数】4页(P507-510)【关键词】瞬变电磁软件;瞬变电磁正反演计算;Maxwell;EM vision;Emigma【作者】王兴春;武军杰;邓晓红;张杰;杨毅【作者单位】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;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;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;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;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【正文语种】中文【中图分类】P631国外TEM商业软件主要有澳大利亚EMIT公司开发的Maxwell、澳大利亚工业研究院的EM vision和加拿大PetRos Eikon公司开发的Emigma。
回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析
回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析回线源瞬变电磁法(FDTD)是电磁学研究的重要方法，在很多应用中发挥着重要的作用。
它有很多优点，可以用来模拟和分析各种复杂的电磁场现象，是一种高效的数值模拟技术。
本文就以《回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析》为题，介绍回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析的基本原理、分析方法和应用方法，旨在为有关任意各向异性的科学研究提供参考。
回线源瞬变电磁法的基本概念及原理回线源瞬变电磁法(FDTD)是根据有穷差分技术，通过有限体积的计算网格，以离散的形式模拟时变的电磁场的变化情况，是一种能够计算任意形状和各向异性电磁场的高效、高精度的数值模拟技术。
FDTD有三种基本模式：一维模式、二维模式和三维模式。
它们都是根据磁特性方程和电特性方程，以时域为基础，利用有限差分方法来模拟电磁场的变化过程，把无限宽度的空间分成有限个模拟的格点，在这些格点上同时计算和更新电场和磁场的值。
一般来说，FDTD模拟是在Yee三角网格上进行的，具备正交性，能够很好地模拟各向异性的电磁场，而且可以进行任意形状的空间仿真。
有限体积三维任意各向异性正演及分析方法有限体积三维任意各向异性电磁场正演及分析是FDTD技术的关键，它主要包括3个部分：网格设置、磁电特性方程求解和任意各向异性特性控制等。
1.格设置：FDTD的计算网格是基于Yee三角网格，它具有空间正交性，能够有效地模拟任意各向异性的电磁场，而且可以进行任意形状的空间仿真。
2.磁特性方程求解：FDTD是一种基于时域有限差分的技术，它根据电磁动力学方程，对电磁场进行有限体积的模拟，时间上有差分方程更新电磁场，空间上用有限差分方程求解电磁场，并可以根据不同条件，实现电磁波的传播及复杂场的构建。
3. 任意各向异性特性控制：为了准确地模拟出任意各向异性电磁场的真实性，FDTD需要对场空间中媒质折射率及其他各向异性特性进行准确的控制，以便于正确地模拟其电磁特性。
瞬变电磁法检测技术综述
瞬变电磁法检测技术摘要：本文是对瞬变电磁法（TEM）检测的一个综述，该方法具有许多独特的检测优势。
文中首先介绍了瞬变电磁法的相关理论知识，包括基本原理、一次场传播途径等，然后简单叙述了瞬变电磁法的优点与局限性，最后就其应用做了简单介绍，如在地质勘探、埋地管道等检测中的应用。
关键字：瞬变电磁检测应用引言瞬变电磁法（TEM）是地球物理探测中最有效的电磁方法之一，与其他检测方法相比具有简单易行、探测深度大、受地形干扰小、不受一次场干扰等优点，近年来在国内外发展迅速，其应用范围已经涉及地矿、石油、水利、电力、铁道、交通、有色、国防工程等各个领域,并且已经取得了显著效果。
国外对瞬变电磁法的研究开展较早，已取得一些成绩，而在我国，对瞬变电磁检测方法的研究始于上世纪70年代，由最初的金属矿勘探到地热、水资源、水文地质、环境与工程地质的探测，近年来应用日益广泛。
大功率、大动态范围、高密度时序序列数据采样、三分量同步观测、低噪声仪器性能将是先进TEM仪器发展的主要趋势。
1 瞬变电磁法检测理论瞬变电磁法利用不接地回线（磁源）或接地线源（电流源）向地下发送一次脉冲，通常称为一次场。
该稳定磁场由闭合稳定电流产生，然后在某一时刻将电流中断，一次场随之消失。
根据电磁学原理，地下的导电介质将产生一个大小相等、方向相反的涡流场以阻止一次场的消失，这个涡流场叫二次场。
由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或者接地电极观测二次场（或称场效应），通过对这些信息的提取与分析，从而达到探测地下地质体的目的。
所研究的是场效应与时间的关系，故称之为时间域电磁法。
由于一次场和二次场均为瞬态场，也称之为瞬变电磁法。
一次场以两种途径传播，第一种是：电磁波首先以光速在空气中传播到地表的每个点，然后一部分电磁能量由地表传入地下，根据惠更斯原理，波前每个点都视为一个新的球面波振源，地表的每一个点都相继成为波源，将部分电磁波传入地中；第二种是：电磁能量直接从场源传播到地中，类似于“烟圈”一样在导电介质中感应电流随时间的推移而逐渐向地底深处扩散，也称“烟圈效应”。
瞬变电磁优缺点
瞬变电磁法编辑瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。
其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。
中文名瞬变电磁法外文名Time domain electromagnetic methods简称TEM优点施工效率高目录1原理2优点3应用▪概述▪装置及原理▪局限性及解决办法▪测量结果表达1原理编辑瞬变电磁法也称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。
衰减过程一般分为早、中和晚期。
早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。
通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
2优点编辑瞬变电磁法探测具有如下优点⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。
3应用编辑概述根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。
瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。
瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏的方法，具有自动消除主要噪声源，且无地形影响，同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强等优点。
考虑激电效应的瞬变电磁中心回线一维正反演
新
疆
有
色
金
属
增刊 ２
考 虑激 电效应 的瞬变 电磁 中心 回线一维正反演
王伟 明
（ 新疆维吾 尔自治区有色地质勘查局地球物理探矿队 乌鲁木 齐 ８ ３ ０ ０ １ １ ）
摘 要 在瞬变 电磁测 量 中常出现 瞬变接 收到 的信号符 号反转 现象 ，国外 某些学 者称 之为激 发极 化效 应 （ Ｉ Ｐ效应） 。本 文利 用
３ ３
模 型参 数名称 理论模 型参数 反演初始模型 反演结果参数
误差
由表 １ 可以看 出， 反演计算结果较满意。
５ 结论 与不足
本文讨论了利用 Ｃ ｏ ｌ ｅ — Ｃ ｏ ｌ ｅ 模型模拟计算瞬变电 磁 测深 法 中的激 电效应 。从 正演 及反 演结 果来看 ， 利
用Ｃ ｏ ｌ ｅ — Ｃ ｏ ｌ ｅ 模 型模拟 激 电效应 的方 法是 可行 的 。应
Ｔ （ ｓ ）
１ １ ２ ： － ００ ， １＂ － Ｕ Ｏ６ １ 匕・ Ｕ Ｕ ５ ０ ． ０ ０ ０１ Ｕ． Ｏ ０’ ０． ０１ ０． １ １ １ ０
该可 以利用 Ｃ ｏ ｌ ｅ — Ｃ ｏ ｌ ｅ 对瞬变电磁测深法 中的激 电 效应晚期进行计算和反演 ， 更好的利用瞬变电磁法的
Ｃ ｏ ｌ ｅ — Ｃ ｏ ｌ ｅ 模型进行考虑激 电效应的 中心 回线一维层状大地瞬变电磁正反演。文中使 用程序 用 Ｆ Ｏ Ｒ Ｔ Ｒ Ａ Ｎ语言编写 。
关键 词
Ｃ ｏ ｌ ｅ — Ｃ ｏ ｌ ｅ ￣
中心 回线 正反演 激 电效应
．
瞬 变 电磁 法 （ Ｔ Ｅ Ｍ） 是 利用 接 地 导 线 或不 接 地 回 ０ ． １ — ０ ． ６ ； 时间常数 的变化 范围较大 ， 对矿化岩石
瞬变电磁法正反演方法研究
瞬变电磁法正反演方法研究
首先是测量技术方面的研究。
瞬变电磁法测量过程中需要对地下区域
进行放射源激发，同时测量产生的电磁感应信号。
常用的放射源包括电磁
脉冲发生器、磁线圈等。
测量设备的设计与参数选择对于提高测量信号的
质量、准确性和稳定性十分重要。
其次是信号处理方面的研究。
瞬变电磁法测量得到的电磁感应信号通
常受到各种干扰因素的影响，如噪声、多路径效应等。
信号处理的目标是
提取地下电性参数信息并去除干扰，以得到准确的反演结果。
常用的信号
处理技术有滤波、去噪、均衡等。
反演算法是瞬变电磁法正反演方法研究的核心内容。
瞬变电磁法正问
题即根据已知的放射源激发和测量数据，求解地下电性参数分布。
反问题
则是根据测量得到的电磁感应信号，反推放射源激发位置和地下电性参数
分布。
常见的反演算法包括有限元法、有限差分法、最小二乘法等。
这些
算法基于数值模拟和优化理论，通过迭代和优化过程逐步逼近真实值。
此外，还有一些辅助技术和方法可以用于瞬变电磁法正反演方法的研究，比如参数耦合、约束条件、先验信息等。
这些技术和方法可以进一步
提高反演结果的准确性和稳定性。
总之，瞬变电磁法正反演方法的研究是地下信息探测及地质勘探领域
的重要课题。
通过不断改进测量技术、信号处理和反演算法，可以提高瞬
变电磁法的应用效果，为地下结构的探测和研究提供更准确的方法和手段。
电性源瞬变电磁法Ex分量和Zh分量对比分析
实践证明对于电性 源 瞬 变 电 磁 法，当 选 取 适 当 的 发 射 波 形 后 ，随 着 偏 移 距 的 缩 短 ，电 性 源 瞬 变 电 磁 场 对 地层的反映变得更 为 灵 敏，且 瞬 变 电 磁 法 的 探 测 深 度主要由观测时长 决 定，并 由 此 提 出 电 性 源 短 偏 移 距瞬变电 磁 探 测 技 术 （ＳＯＴＥＭ），陈 卫 营 等 以 ［７］ 接 地长导线源一维正演为基础分析对比了电性源瞬变 电 磁 法 垂 直 磁 场 分 量 对 不 同 电 阻 率 、不 同 厚 度 、不 同 埋深 的 薄 层 的 探 测 能 力；王 显 祥 等 对 ［８］ 电 性 源 瞬 变 电磁法的观测参数 选 择 进 行 了 研 究，通 过 对 比 赤 道 装置与偶极装置，得 出 赤 道 装 置 可 以 对 地 下 结 构 取 得较好的探测效果，偶 极 装 置 可 以 取 得 较 高 噪 比 的 数 据 的 结 论 ，并 对 垂 直 磁 场 分 量 做 了 充 分 的 研 究 ；唐 新功等 研 ［９］ 究了电性源在层状介质中三维薄板 的 瞬 变响应，主要论证了 异 常 体 位 置 的 不 同 对 垂 直 磁 场 分量电磁响应的影响。
崔江伟，王施智，古 瑶
（陕 西 省 煤 田 物 探 测 绘 有 限 公 司 ，西 安 ７１０００５）
摘 要：为了更好地利用电性源瞬变电磁法独特的 优势，对 其 水 平 电 场 分 量 和 垂 直 磁 场 分 量 在 信号强度、探测精度以及探测范围上的差别进行了对比 分 析。根 据 电 性 源 瞬 变 电 磁 的 水 平 电 场 和 垂 直 磁 场 的 计 算 公 式 ，设 计 不 同 的 地 电 模 型 ，通 过 数 值 模 拟 得 出 水 平 电 场 分 量 响 应 极 大 值 集 中 于 发 射 源 附 近 ，离 发 射 源 越 远 （偏 移 距 越 大 ）信 号 强 度 就 越 低 ，其 探 测 精 度 随 着 偏 移 距 的 增 大 而 增 大；垂直磁场分量响应值在早期段离发射源越远值 越 小，在 晚 期 段 离 发 射 源 越 远 响 应 值 越 大，其 探测精度随着偏移距的增大而减小。通过分析水平电场分量和垂直磁场分量探测精度随偏移距 的变化进而确定其探测范围：当偏移距大于目的层深度 的 ４．１３４ 倍 时，选 取 犈犡 分 量 更 有 利 于 对 薄层的分辨，当偏移距小于目的层深度的４．１３４ 倍 时，犎犣 分 量 对 薄 层 的 分 辨 能 力 更 好，当 偏 移 距约等于目的层深度的４．１３４倍时，二者的分辨能力 分 量 相 当。在 实 际 应 用 中 通 过 测 量 水 平 电 场 分 量 和 垂 直 磁 场 分 量 ，进 而 综 合 分 析 ，取 得 了 良 好 的 地 质 效 果 。
三套瞬变电磁软件正反演结果对比分析
二、三套软件功能开发与比较分析
均匀半空间(100Ω﹒m )加载板状体(1S)(地-井)
三、三套软件１D反演对比分析
原始模型
正演衰减数据
比较衰减曲线和地电模型
1D正反演比较
二次导入
分析基本流程
设定初始模型
反演计算
三、三套软件１D反演对比分析
均匀半空间Maxwell 1D 正反演衰减曲线比较
10000
5_layered earth Maxwell Em vsion Emigma
0.01
400ohm 200m
10ohm 50m
0.001
400ohm 200m 10ohm 500ohm 50m
0.0001 0.01 0.1 1 Time(ms) 10 100
五层介质
二、三套软件功能开发与比较分析
三套软件均匀半空间带板状体剖面曲线图
1
EM Response(nT/s)
0.01 0.1 1 10 100
Em Response(nT/s)
0.1
0.1
0.01
0.01
0.001
0.001
0.0001
0.0001
1E-005
Time(ms)
0.01
0.1
1 Time(ms)
10
100
均匀半空间条件下比较100Ω﹒m、400Ω﹒m三套软件比较
三套瞬变电磁软件 正反演结果对比分析
内容提要
一、软件介绍 二、三套软件正演对比分析 三、三套软件１D反演对比分析 四、结论与认识
一、软件介绍
本文主要针对三套国外瞬变电磁软件进行正反演计算和
结果对比，分析软件正反演计算特点和结果可靠性的判断。
三相暂态仿真与正序暂态仿真对比分析
三相暂态仿真与正序暂态仿真对比分析张乔榆【摘要】为模拟保护的动作情况,搭建了三相暂态仿真软件TS3ph与继电保护仿真软件Electrocon CAPE之间的接口,研究不平衡故障有可能在暂态中造成的剧烈电压波动以及不平衡故障在现实继电保护下的暂态仿真情况.通过开展在三相不对称电网和三相设备不对称操作下的暂态仿真,解决了传统正序暂态稳定仿真模型无法真实反映非对称故障的问题.【期刊名称】《广东电力》【年(卷),期】2018(031)010【总页数】6页(P59-64)【关键词】不平衡故障;暂态稳定仿真软件;继电保护仿真软件;单相SVC【作者】张乔榆【作者单位】广东电网有限责任公司电力调度控制中心,广东广州510600【正文语种】中文【中图分类】TM743暂态稳定分析对电力系统规划和运行十分重要，它能为电网提供电力系统在受到大扰动之后的电压和保护信息。
暂态仿真软件和模型的精度越高，能从仿真中获取的信息越多。
目前所使用的机电暂态稳定仿真软件大多使用假定三相对称的正序网络模型，优点是计算较方便和快捷。
但是，当遇到三相对称的网络结构或三相不对称的电网设备时，暂态仿真软件便略显无力。
过去十年，美国曾发生电网大面积崩溃的事件，这样的事故对社会造成了严重影响。
造成电网大面积崩溃的最主要原因是继电保护定值设置不恰当，各保护定值需要在庞大的电力系统中互相配合才能避免类似事故的发生。
在继电保护仿真软件的帮助下，继保人员可以在真实的电网模型中测试和调整保护定值，但继电保护仿真软件没有仿真电力系统暂态过程的能力，所以使用继电保护仿真软件时忽略了一切暂态过程。
国内外常用的电力系统暂态仿真软件里一般没有继电保护模型，取而代之的是预设时间的断路器，通过限时切断故障线路模仿继电保护动作[1]，缺乏精确的继电保护特性有可能导致所设置的保护定值不足以防止故障发生。
为了解决此问题，需要将暂态仿真软件与保护仿真软件进行对接[2]，由暂态仿真软件提供系统的暂态过程而保护仿真软件提供真实的继电保护元件，本文建立了保护仿真软件Electrocon CAPE和三相机电暂态仿真软件TS3ph之间的接口。
EMIT MAXWELL 瞬变电磁法勘探数据处理
EMIT MAXWELL 瞬变电磁法勘探数据处理(1)物探软件2010-04-25 11:58:11 阅读361 评论0 字号：大中小订阅EMIT MAXWELL 瞬变电磁数据处理软件是由澳大利亚电磁成像技术公司的商业软件，运行于WINDOWS平台下，能对频率域；时间域及航空瞬变电磁勘测数据进行建模，正演，反演，及常规成图作业处理。
另外还支持频率域与时间域的激发极化数据处理。
很值得一提的是该系统包含两套扩展模块一个是EMAX组支持地面与航空瞬变电磁数据的CDI 深度计算。
另一个就是CSIRO(澳大利亚国家工业研究院)组的正反演模块，是EMIT MAXWELL的核心模块，可惜网上下载的版本都不带！所需工具WINDOWS系统，EMIT MAXWELL ，UltraEdit Professional Text/Hex Editor ，Oasis montaj简易处理流程数据导入→数据处理→测量和仪器→数据显示→数据正反演一、数据导入支持工业标准AMIRA格式；标准仪器文件CRONE,PROTEM,GEONICS,SIROTEM.其他软件格式GEOSOFT等详细看下图。
国产的瞬变电磁数据可以参照AMIRA标准格式用ULTRAEDIT制作。
提示下PROTEM的GX7格式直接将扩展名改为RAW即可导入！软件界面数据导入以软件自带的DEMO数据为例，该数据为AMIRA标准格式。
点击import→Tem File选中DEMO.TEM标准格式直接点击OK即可。
数据导入就即刻生成了断面曲线与测网地图EMIT MAXWELL 瞬变电磁法勘探数据处理(2)物探软件2010-07-10 10:41:26 阅读136 评论0 字号：大中小订阅数据导入成功后接下来就是对瞬变数据进行预处理。
如图所示点击DATA/PREFERENCES菜单选中edit and Process lines下面是测线编辑处理界面选择需要处理的测线，设置完回线大小，采样时间然后在数据编辑区剔除飞点，坏点等，点击PROCESS即可对数据的衰减测线进行3点及多点滤波处理CDI成像水平电道等值线成图等等数学处理方法对数据进行校正改正！。
电性源瞬变电磁法频-时转换的效果分析
电性源瞬变电磁法频-时转换的效果分析胡英才;王瑞廷;李貅【期刊名称】《世界核地质科学》【年(卷),期】2024(41)2【摘要】电性源短偏移距瞬变电磁法是近年来新提出的固体矿产深部电磁探测方法之一,较传统的回线源瞬变电磁具有探测深度深、仪器轻便和分辨率高等优点。
但该方法由于偏移距较短,距发射源较近,正演中的频-时转换会受到转换方法及其他工作参数的影响,进而直接影响探测结果,因此有必要开展频-时转换效果分析评价。
通过对影响频-时转换的因素以及常用的四种频-时转换方法(Guptasarma线性滤波法、折线逼近法、余弦变换的数值滤波法和正弦变换的数值滤波法)在电性源短偏移距瞬变电磁正演响应计算中的对比,从计算时间和转换精度两方面分析了在不同条件下的转换效果,为一维及高维度的瞬变电磁正演计算提供频-时转换方法参考。
对比结果表明:1)影响时间域瞬变电磁场正演计算(即频-时转换效果)的精度不仅和转换方法本身有关,而且也和偏移距及地下介质电阻率等参数有关;2)通过正演模拟,在低阻探测区采用折线逼近法与正弦变换的数值滤波法相对Guptasarma线性滤波法和余弦变换的数值滤波法转换精度更高,整体误差更小,而Guptasarma线性滤波法的计算速度最快,早期计算精度较高,晚期计算精度较差;在高阻探测环境中,采用折线逼近法计算精度和速度均相对较好,Guptasarma线性滤波法、正弦变换的数值滤波法及余弦变换的数值滤波转换效果均较差,特别是在晚期。
因此,对于未知的探测区域,若实现高精度的电性源瞬变电磁正演计算,采用折线逼近法进行频-时转换相对效果最佳。
【总页数】13页(P299-311)【作者】胡英才;王瑞廷;李貅【作者单位】西北有色地质矿业集团有限公司;长安大学地质工程与测绘学院;核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室【正文语种】中文【中图分类】P631.325【相关文献】1.电性源瞬变电磁法EX分量和HZ分量对比分析2.电性源瞬变电磁法在内蒙古多金属矿中的勘查实验3.定源瞬变电磁数据的时频转换反演技术研究4.电性源瞬变电磁法的迭前和迭后数据小波分析5.电性源瞬变电磁法油气藏动态监测模拟分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
瞬变电磁法视电阻率函数的比较
瞬变电磁法视电阻率函数的比较的报告，600字
本文讨论的是瞬变电磁法视电阻率函数的比较。
瞬变电磁法（TEM）是一项用于测量电阻率的技术，它通过在测试被测
介质中发射瞬变波形，再测量其反射波来估计介质的电阻强度。
由于TEM技术对介质的深层成分电阻强度测量不够准确，因
此随着技术的发展，人们开发出了视电阻率函数（ERF）。
ERF通过添加额外的信号可以改善TEM技术在电阻率测量上
的精确度。
两种常见的ERF是早期ERF（Early ERF）和晚期ERF（Late ERF）。
早期ERF由Rutgers大学的Aharonov研究小组提出，它是在TEM测量之前发射一个精确的信号来改善TEM测量
的精确度。
然而，它的缺点是信号的丢失和故障，从而影响数据的准确性。
晚期ERF由美国SRI公司发明，它是在TEM测
量时发射一个不精确的信号，用于检测和补偿发射端所传输的信号，从而改善TEM测量的精确度。
晚期ERF技术可以在不
影响数据准确性的情况下减少射频线损失。
通过对比，可以得出一个结论，TEM单独的使用的精度不够
理想，而早期ERF和晚期ERF的技术则可以有效提升TEM
技术的精确度。
然而相比较而言，晚期ERF技术更加可行，
它可以更有效地减少射频线损耗。
因此，晚期ERF技术是实
施TEM测量的更佳选择。
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三维数据功能显示强大，值得学习借鉴。
二、三套软件正演对比分析
均匀半空间 比 较 分 析 层状介质 均匀半空间加载板状体 均匀半空间加载棱柱体
均匀半空间加载板状体（地－井）
二、三套软件正演对比分析
Maxwe&Emigma&Em vsion Decay Comparison in Halfspace
感 应 电 动 势 （ nT/s）
600 400 200 0
0
100
200
300
400 500 剖 面 长 度 （ m）
600 CH:(1-8)
700
800
900
1000
感 应 电 动 势 （ nT/s）
200
100
0
0
100
200
300
400 500 剖 面 长 度 （ m）
600 CH(9-18)
原 始 模 型
100ohm 200m
20ohm 50m 200ohm
初 始 模 型
二、三套软件功能开发与比较分析
均匀半空间(100Ω﹒m )加载板状体(1S)(地-井)
三、三套软件１D反演对比分析
原始模型
正演衰减数据
比较衰减曲线和地电模型
1D正反演比较
二次导入
分析基本流程
设定初始模型
反演计算
三、三套软件１D反演对比分析
均匀半空间Maxwell 1D 正反演衰减曲线比较
10000
Decay Forward_Decay Inversion_Decay
均匀半空间:200Ω﹒m 1000 初始模型：三层 Layer1：200Ω· m、100m
dB/dt(nT/s)
100
Layer2：100Ω· m、300m 10 Layer3：50Ω· m
1
0.1
0.01 0.01 0.1 1 10 100
较高，支持多种数据格式的输入输出；
Em vision：由澳大利亚工业研究院推出，其基本原理与 Maxwell类似，内置的第三方模块也与Maxwell类似，但
一、软件介绍
EMIT公司在后期对第三方模块做了大量改进，这一点在后期
的模拟计算结果中很容易发现；
Emigma： 是由加拿大PetRos EiKon公司推出，该软件包 括了可控源、重磁、时间域、频率域瞬变电磁法、激电等方 法，功能庞杂，它通过先建库后导入数据或设计相应参数实 现模拟计算，计算速度相对慢、对数据格式要求苛刻，但其
Time(ms)
均匀半空间(200Ω﹒m)正反演比较
三、三套软件１D反演对比分析
层状介质１D反演比较：用原始模型的正演数据进行反演
计算，判断何种条件下反演结果与实际结果拟合的最好，根 据反演结果分析初始模型设计与反演结果之间的关系。
200ohm 300m
IN_1
100ohm 100m 400ohm
5_layered earth Maxwell Em vsion Emigma
0.01
400ohm 200m
10ohm 50m
0.001
400ohm 200m 10ohm 500ohm 50m
0.0001 0.01 0.1 1 Time(ms) 10 100
五层介质
二、三套软件功能开发与比较分析
三套软件均匀半空间带板状体剖面曲线图
700
800
900
1000
感 应 电 动 势 （ nT/s）
2 Maxwell Em Vision Emigma
1
0
0
100
200
300
400 500 剖 面 长 度 （ m）
600 CH:(19-28)
700
800
900
1000
均匀半空间(100Ω﹒m )加载板状体(10S)
二、三套软件功能开发与比较分析
三套软件均匀半空间棱柱体的剖面曲线比较
感 应 电 动 势 （ nT/s）
400
200
0
0
100
200
300
400 500 剖 面 长 度 （ m）
600 CH(1-8)
700
800
900
1000
感 应 电 动 势 （ nT/s）
100
50
0
0
100
200
300
400 500 剖 面 长 度 （ m）
1
EM Response(nT/s)
0.01 0.1 1 10 100
Em Response(nT/s)
0.1
0.1
0.01
0.01
0.001
0.001
0.0001
0.0001
1E-005
Time(ms)
0.01
0.1
1 Time(ms)
10
100
均匀半空间条件下比较100Ω﹒m、400Ω﹒m三套软件比较
二、三套软件正演对比分析
Maxwell&Em vsion&Emigma Decay comparison in 3 layered earth 100
10
Graph 1 Maxwell Em vsion Emigma
Em Response(nT/s)
400ohm 200m 10ohm 20m 200ohm 200m
1000
Maxwell&EM vsion&Emigma Decay comparison in halfspace
100
100
HlafSpace(100oh.m)
10
HlalfSpace(400oh.m)
10
Emigma Maxwell Em vsion
Maxwell Emvsion Emigma
1
600 CH(9-18)
700
800
900
1000
感 应 电 动 势 （ nT/s）
1 Maxwell Em Vision Emigma
0.5
0
0
100
200
300
400 500 600 剖 面 长 度 （ m） CH(19-28)
700
800
பைடு நூலகம்
900
1000
均匀半空间(100Ω﹒m )加载棱柱体(1Ω﹒m)
1
0.1
0.01
三层介质
0.001
0.0001 0.01 0.1 1 10 100
Time(ms)
二、三套软件功能开发与比较分析
Maxwell&Em vsion&Emigma Decay Comparison in 5 Layered earth 100
10
Em Response(nT/s)
1
0.1
三套瞬变电磁软件 正反演结果对比分析
内容提要
一、软件介绍 二、三套软件正演对比分析 三、三套软件１D反演对比分析 四、结论与认识
一、软件介绍
本文主要针对三套国外瞬变电磁软件进行正反演计算和
结果对比，分析软件正反演计算特点和结果可靠性的判断。
三套软件分别如下： Maxwell：由澳大利亚EMIT公司开发，目前最新版本5.4， 其组成分交互平台和第三方模块两部分，通过Maxwell调用 第三方模块实现正反演计算，操作界面友好、运行效率相对