时域地空电性源的三维电磁数值模拟及噪声抑制方法研究

发布时间：2017-10-31 20:40

  本文关键词：时域地空电性源的三维电磁数值模拟及噪声抑制方法研究

  更多相关文章： 时域电性源地空电磁法 时域有限差分 加速时间迭代 电磁噪声抑制 噪声检测

【摘要】：随着我国经济的快速发展,对矿产资源的需求也急速增加,资源的供求矛盾成为制约我国经济发展的重要因素,因此,发展一种高效的资源探测方法解决我国资源短缺的问题非常必要。时域电性源地空电磁探测系统融合了时域地面电磁系统和时域航空电磁系统的优势,具有探测深度大、分辨率高、范围广、速度快等优点,特别适用于我国山地、森林覆盖区、沼泽等特殊景观地区开展资源的快速探测工作。数值模拟是研究时域电磁响应变化规律的有效手段,常用的电磁数值模拟方法包括有限差分法、有限元法、体积分法等,其中有限差分法由于具有计算简便的特点,被广泛应用于时域电磁数值模拟中。目前,时域电性源地空电磁有限差分数值模拟主要围绕一维和二维模型展开,但我国矿产资源多呈透镜状、扁豆状、脉状等分布,仅采用一维和二维有限差分无法准确地模拟地下矿体的真实电磁响应,需要开展时域电性源地空电磁三维有限差分的相关研究。时域地空电磁系统的探测深度和分辨率与电磁数据的质量直接相关,时域地空电磁数据具有较大的动态范围,晚期数据仅有几十毫伏甚至几毫伏,而在飞行探测中电磁数据会受背景噪声、电磁噪声等多种噪声的干扰,由噪声引起的电磁数据信噪比降低成为限制系统探测深度和分辨率的一个重要因素。针对上述两个问题,本文在国家自然科学基金项目“基于全波形航空时域电磁探测的三维地质体识别技术研究”,吉林省双十工程重大科技攻关项目“时间域半航空电磁探测系统研究”及教育部新世纪人才支持计划项目“时域长导线多源电磁3D数值计算”的共同资助下,开展了时域电性源地空电磁三维数值模拟和电磁噪声抑制技术的研究,主要研究内容如下:1、本文以Wang和Hohmann开展的三维时域回线源有限差分数值模拟为基础,针对电性源地空电磁探测采用地面长导线作为发射,空中飞行平台搭载接收系统的特殊工作方式,推导了差分初始场的计算公式,以此作为计算激励源的条件。2、研究了三维电磁有限差分的快速数值模拟方法,通过CPU+GPU的方案优化了时域电性源地空电磁算法。根据电磁信号的衰减特性,研究了有限差分加速迭代方法,在保证计算精度的同时进一步降低计算时间。采用均匀和层状半空间模型对算法进行验证,并计算了三维复杂异常和电导率连续变化的模型,分析了不同模型下时域地空电磁响应的特点。3、分析了时域地空电磁信号和电磁噪声的特点,提出了基于小波阈值-指数变窗拟合的地空电磁去噪方法,分别采用小波阈值和指数拟合先后去除信号中的背景噪声和随机电磁尖峰,通过瞬时能量检测实现尖峰噪声的检测,并将去噪方法应用于内蒙古巴彦宝丽格盆地的飞行实测数据去噪中,显著提升了数据质量和成像质量。4、根据阈值-拟合方法的不足进行了去噪算法的改善,提出了基于对数衰减斜率的尖峰噪声检测方法和基于平稳小波变换的尖峰噪声抑制方法,将改善后的方法与小波阈值相结合,形成地空电磁综合小波去噪法,并将新方法应用于江苏连云港燕尾港和上海横沙岛的实测数据去噪中,取得较好的去噪效果。
【关键词】：时域电性源地空电磁法 时域有限差分 加速时间迭代 电磁噪声抑制 噪声检测
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P631.325
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 绪论16-24
• 1.1 研究的背景与意义16-19
• 1.2 国内外研究现状19-22
• 1.2.1 时域电磁三维有限差分数值模拟19-20
• 1.2.2 时域电磁噪声抑制20-22
• 1.3 主要的研究内容22-23
• 1.4 论文的结构安排23-24
• 第2章 时域地空电磁三维有限差分数值模拟方法24-43
• 2.1 控制方程24-27
• 2.1.1 无源媒质中的Maxwell方程24-26
• 2.1.2 有源媒质中的Maxwell方程26-27
• 2.2 时域有限差分的离散形式27-33
• 2.2.1 空间和时间的离散27-28
• 2.2.2 大地模型剖分28-29
• 2.2.3 控制方程的差分离散29-33
• 2.3 稳定条件与数值色散33-35
• 2.3.1 稳定条件33-34
• 2.3.2 数值色散34-35
• 2.4 边界条件35-37
• 2.5 地空电磁初始场的计算37-41
• 2.5.1 长导线源阶跃电场表达式推导37-40
• 2.5.2 初始场脉冲响应计算40-41
• 2.6 本章小结41-43
• 第3章 时域地空电性源三维电磁数值模拟加速算法43-53
• 3.1 CPU+GPU的三维时域电磁并行计算43-46
• 3.1.1 初始场的并行计算44-45
• 3.1.2 迭代场的并行计算45-46
• 3.2 时间迭代格式的加速算法46-50
• 3.2.1 加速迭代函数47
• 3.2.2 加速迭代时间格式47-49
• 3.2.3 改进的加速迭代时间格式49-50
• 3.3 基于均匀半空间的加速迭代验证50-52
• 3.3.1 基于中心磁场感应电动势的加速迭代验证50-51
• 3.3.2 基于三维均匀模型的加速迭代验证51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 时域电性源地空电磁响应分析53-66
• 4.1 基于均匀及层状半空间模型的电磁数值验证53-56
• 4.1.1 均匀半空间大地模型53-55
• 4.1.2 层状半空间大地模型55-56
• 4.2 板状体模型的特征响应分析56-58
• 4.2.1 均匀半空间模型中的水平板状56-57
• 4.2.2 均匀半空间模型中的直立板状57-58
• 4.3 三维复杂模型时域地空电性源电磁模拟58-63
• 4.3.1 复杂三维异常模型58-60
• 4.3.2 电导率连续变化的三维模型60-62
• 4.3.3 低电导率三维复杂异常体模型62-63
• 4.4 时域电性源地空电磁系统探测能力研究63-65
• 4.4.1 异常体电导率对探测分辨率的影响64
• 4.4.2 异常体埋深对探测分辨率的影响64-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 基于小波阈值-指数拟合的地空电磁去噪算法66-83
• 5.1 时域地空电磁信号和主要噪声的特点分析66-69
• 5.1.1 时域地空电磁信号的特点66-67
• 5.1.2 主要电磁噪声的特点67-69
• 5.1.3 时域地空电磁噪声抑制策略69
• 5.2 基于小波阈值的背景噪声去除69-73
• 5.2.1 小波变换原理70-71
• 5.2.2 时域地空电磁信号的离散小波变换71-72
• 5.2.3 阈值函数与阈值估计的选取72-73
• 5.2.4 小波基函数的选取73
• 5.3 指数变窗拟合与高信噪区间判定73-75
• 5.3.1 指数变窗拟合74
• 5.3.2 基于瞬时能量的高信噪区间判定74-75
• 5.4 理论模型的去噪算法验证75-79
• 5.4.1 层状大地模型75-77
• 5.4.2 准二维大地模型视电阻率-视深度成像77-79
• 5.5 阈值-拟合去噪法在内蒙古飞行探测实验中的应用79-82
• 5.6 本章小结82-83
• 第6章 基于综合小波的随机电磁尖峰去噪83-99
• 6.1 随机电磁尖峰去噪方法的改进83-87
• 6.1.1 基于对数衰减斜率的随机电磁尖峰检测83-85
• 6.1.2 基于平稳小波变换的随机电磁尖峰抑制85-87
• 6.2 时域地空电磁综合小波去噪法的验证87-92
• 6.2.1 基于理论模型的随机电磁尖峰去噪验证88-91
• 6.2.2 基于异常模型的随机电磁尖峰去噪验证91-92
• 6.3 综合小波去噪法在实测电磁数据中的应用92-97
• 6.3.1 江苏连云港飞行探测实验92-95
• 6.3.2 上海横沙岛电磁探测实验95-97
• 6.4 本章小结97-99
• 第7章 总结与展望99-102
• 7.1 全文总结99-100
• 7.2 主要创新点100
• 7.3 展望100-102
• 参考文献102-109
• 作者简介及研究成果109-110
• 致谢110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王国富;聂杰力;张法全;叶金才;;基于三维有限元法的巷道影响特征[J];煤田地质与勘探;2016年03期

2 孙怀凤;;隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究[J];岩石力学与工程学报;2015年03期

3 嵇艳鞠;徐江;吴琼;王远;冯雪;栾卉;关珊珊;林君;;基于神经网络电性源半航空视电阻率反演研究[J];电波科学学报;2014年05期

4 薛国强;闫述;陈卫营;;接地源短偏移瞬变电磁法研究展望[J];地球物理学进展;2014年01期

5 嵇艳鞠;王远;徐江;周逢道;李肃义;赵义平;林君;;无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用[J];地球物理学报;2013年11期

6 李肃义;林君;阳贵红;田培培;王远;于生宝;嵇艳鞠;;电性源时域地空电磁数据小波去噪方法研究[J];地球物理学报;2013年09期

7 孙怀凤;李貅;李术才;戚志鹏;王yN鹏;苏茂鑫;薛翊国;刘斌;;考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演[J];地球物理学报;2013年03期

8 许洋铖;林君;李肃义;张晓爽;王远;嵇艳鞠;;全波形时间域航空电磁响应三维有限差分数值计算[J];地球物理学报;2012年06期

9 王英俊;王启富;王钢;王书亭;黄运保;;CUDA架构下的三维弹性静力学边界元并行计算[J];计算机辅助设计与图形学学报;2012年01期

10 黄兴;宋建新;;基于GPU的视频转码技术研究[J];电视技术;2012年01期

，

本文编号：1123678