固定翼时间域航空电磁数据整体反演

发布时间：2017-11-01 23:30

  本文关键词：固定翼时间域航空电磁数据整体反演

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【摘要】：固定翼航空电磁探测是以固定翼飞机为平台，电磁感应为基础的地球物理探测方法，具有探测深度深，工作效率高等优势，目前广泛应用于油气探测，矿产勘查等领域，尤其适用于地面探测难以进入的森林、沙漠、沼泽等地带。固定翼时间域航空电磁系统发射线圈架设于飞机四周，接收吊舱以吊绳连接，悬挂在飞机后下方，由于飞机姿态、速度、风速等因素，发射线圈、接收线圈姿态和吊舱摆动状态不断变化，在测量数据中引入如发射磁矩方向，接收分量方向以及系统收发距等参数的误差，严重影响观测数据的一致性，进而无法获得准确的反演成像效果。我国航空电磁探测数据反演解释理论研究起步较晚，与国外存在一定的差距。近年来，随着国家对航空物探方法的重视，国内学者对航空电磁数据的处理及反演解释进行了大量研究，但对于数据校正、反演方法都是传统的各步骤单独进行的数据处理方法，在反演过程中，没有考虑系统吊舱摆动和线圈姿态角度的影响。 本论文在国家自然科学基金项目“固定翼时间域航空电磁探测的整体反演方法研究”和国家重大科研装备研制项目子课题“航空瞬变电磁系统数据处理与反演成像”的资助下，针对上述问题，提出了固定翼时间域航空电磁数据拟二维整体反演方法，实现了一条测线数据“校正-反演”同时进行的拟二维整体反演。主要研究内容及创新点如下： (1)基于固定翼时间域航空电磁正演理论，采用层状大地模型，计算了平稳飞行状态下的固定翼时间域航空三分量电磁响应。在此基础上推导了任意吊舱摆动角度、发射线圈姿态角度以及接收线圈姿态角度情况下的计算表达式。分别研究了发射线圈旋转姿态、接收线圈的旋转姿态和吊舱摆动对x分量和z分量接收线圈接收到的电磁响应的影响。综合分析了姿态角度和摆动角度同时存在时对z分量接收线圈接收到电磁响应的影响。提出了相应的姿态角度和摆动角度校正算法，并通过准二维大地模型校正前后反演结果与理论模型的对比，验证了方法的正确性。 (2)针对传统的固定翼航空电磁数据处理和反演方法中“校正-反演，...再校正-再反演...”的复杂处理流程，将吊舱的同向摆动角度和接收线圈的俯仰姿态角度作为模型参数，同时参与反演，并基于正则化反演理论，引入了模型的纵向粗糙度和先验信息作为约束项，推导了反演迭代方程，实现了固定翼时间域航空电磁数据一维整体反演方法。在反演迭代过程中，雅克比矩阵利用多步长累加算法求取；正则化因子采用线性搜索自适应迭代的方法自动选取，提高了反演结果的稳定性。对比分析了大地模型仿真数据传统一维反演算法和固定翼时间域一维反演整体反演算法的结果，验证了算法的正确性。 (3)建立了测线数据整体的目标函数，并根据Tikhonov正则化反演理论，引入包含空间粗糙度和先验信息的模型参数约束项，确定了拟二维反演的目标函数，推导了反演迭代方程组，利用超松弛共轭梯度算法，求得由于整条测线整体反演所致的大型稀疏矩阵的极小化解，实现了对整条测线数据同时反演的固定翼航空电磁数据的拟二维约束反演算法。将校正参数同向摆动角度和发射、接收线圈俯仰姿态角度引入拟二维约束反演中，根据吊舱的同向摆动角度和接收线圈的俯仰姿态角度在时间上连续的特征，同时对相邻测点间的系统校正参数进行约束，实现了固定翼时间域拟二维整体反演方法。对比分析了带姿态角度仿真数据的拟二维反演与拟二维整体反演结果，验证了算法的正确性。 (4)采用对比层状大地模型和均匀半空间视电阻率相对误差的方法，研究了对薄层厚度的分辨能力以及对薄层埋深的分辨能力，并根据误差，，给出了多种情况下高阻薄层和低阻薄层的分辨极限。在此基础上，利用拟二维整体反演算法对极限分辨模型数据进行反演，并与电导率深度成像结果和Marquardt反演结果进行对比，证明了拟二维反演算法对薄层异常具有更好的分辨能力。最后，分析了系统噪声对反演分辨能力的影响，得出拟二维整体反演算法应用于野外实测数据同样可以取得较好的结果，验证了算法的实用性。 论文的创新点如下： (1)推导了任意发射线圈姿态角度、收线圈姿态角度以及任意吊舱摆动角度情况下的计算表达式，分别研究了发射线圈、接收线圈的旋转姿态和吊舱摆动对x分量和z分量接收线圈接收到的电磁响应的影响，为发射线圈、接收线圈的旋转姿态和吊舱摆动角度的校正奠定了基础。 (2)提出了固定翼时间域一维整体反演方法，将吊舱的同向摆动角度、发射线圈的俯仰姿态角度和接收线圈的俯仰姿态角度作为模型参数，同时参与反演，避免了“校正-反演，再校正-再反演”的复杂数据处理流程，提高了反演结果的准确性。 (3)提出了将同向摆动角度和发射、发射线圈的俯仰姿态角度和接收线圈俯仰姿态角度引入光滑二维大地模型的拟二维整体反演中，建立了大地模型的空间约束和系统参数模型的时间约束，实现了整条测线“校正-反演”同时进行的固定翼时间域拟二维整体反演方法，提高了反演结果的准确性及稳定性。
【关键词】：固定翼航空电磁探测 线圈姿态 一维正演 一维整体反演 拟二维整体反演
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P631.32
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-18
• 第1章 绪论18-30
• 1.1 论文的研究背景及意义18-19
• 1.2 固定翼时间域航空电磁探测基本原理19-23
• 1.2.1 固定翼时间域航空电磁探测基本原理20-21
• 1.2.2 固定翼时间域航空电磁数据的特殊性21-23
• 1.3 国内外研究现状及存在的问题23-27
• 1.3.1 国内外研究现状23-25
• 1.3.2 固定翼航空电磁数据校正及反演方法存在的问题25-27
• 1.4 论文研究内容及结构安排27-30
• 第2章 固定翼时间域航空电磁一维正演模拟30-56
• 2.1 引言30-31
• 2.2 系统平稳状态下固定翼时间域航空电磁的一维正演计算31-35
• 2.2.1 电磁场基本理论31-32
• 2.2.2 一维正演理论计算32-34
• 2.2.3 频-时转换34-35
• 2.3 任意线圈姿态角度及吊舱摆动角度的三分量正演计算35-44
• 2.3.1 发射线圈任意姿态角度的三分量正演计算36-38
• 2.3.2 接收线圈任意姿态角度的三分量正演计算38-40
• 2.3.3 吊舱任意摆动角度的三分量正演计算40-44
• 2.4 任意线圈姿态角度及吊舱摆动角度对电磁响应的影响分析44-49
• 2.4.1 单一角度变化对电磁响应的影响分析44-47
• 2.4.2 多角度同时变化对电磁响应的影响分析47-49
• 2.5 线圈姿态角度及吊舱摆动角度的校正49-53
• 2.5.1 校正方法49-51
• 2.5.2 校正软件模块51
• 2.5.3 校正前后反演结果对比51-53
• 2.6 本章小结53-56
• 第3章 固定翼时间域航空电磁一维整体反演方法56-80
• 3.1 引言56-57
• 3.2 固定翼时间域一维整体反演方法基本原理57-59
• 3.2.1 Thikhonov 正则化方法57
• 3.2.2 反演目标函数的建立57-59
• 3.3 固定翼时间域一维整体反演算法59-70
• 3.3.1 反演迭代方程的推导59-61
• 3.3.2 雅克比矩阵计算方法61-68
• 3.3.3 正则化因子的选择68-70
• 3.4 仿真结果与分析70-78
• 3.4.1 Multi-layer 反演结果70-74
• 3.4.2 Few-layer 反演结果74-78
• 3.5 本章小结78-80
• 第4章 固定翼时间域拟二维整体反演方法80-104
• 4.1 引言80-81
• 4.2 固定翼时间域拟二维约束反演方法81-94
• 4.2.1 拟二维约束反演算法目标函数81-83
• 4.2.2 反演迭代方程的推导83-84
• 4.2.3 超松弛迭代预处理共轭梯度算法84-85
• 4.2.4 拟二维约束算法流程85-86
• 4.2.5 仿真结果分析86-89
• 4.2.6 反演结果影响因素分析89-94
• 4.3 固定翼时间域拟二维整体反演方法94-101
• 4.3.1 二维大地模型的参数化94-96
• 4.3.2 拟二维整体反演算法的原理96-98
• 4.3.3 仿真结果分析98-101
• 4.4 本章小结101-104
• 第5章 拟二维整体反演方法对异常分辨能力的影响研究104-124
• 5.1 引言104-105
• 5.2 薄层探测能力研究105-112
• 5.2.1 探测能力研究方法105-107
• 5.2.2 数值模拟与结果分析107-112
• 5.3 拟二维约束反演方法对异常分辨能力影响分析112-117
• 5.3.1 低阻薄层模型113-115
• 5.3.2 高阻薄层模型115-117
• 5.4 噪声对反演分辨能力的影响分析117-122
• 5.4.1 系统实测噪声对拟二维约束反演结果影响118-120
• 5.4.2 系统实测噪声对拟二维整体反演结果影响120-122
• 5.5 本章小结122-124
• 第6章 结论与展望124-128
• 6.1 主要研究成果124-125
• 6.2 主要创新点125
• 6.3 后续工作展望125-128
• 参考文献128-136
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果136-137
• 致谢137

【参考文献】

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本文编号：1129039