半航空瞬变电磁接收机的测试装置研制

作者： 高嵩   王金梅   张良   曹彬   李晨   来源： 地球物理学进展 年份： 2017 文献类型 ： 期刊 关键词： II   无人机电磁干扰   Nios   半航空瞬变电磁   线圈运动噪声   测试装置  

描述： 半航空瞬变电磁信号源是调试与验证半航空瞬变电磁接收机的信号灵敏度、频率响应和噪声水平等关键性能指标的重要设备.无人机电磁干扰和线圈运动噪声是半航空瞬变电磁接收系统相对于地面瞬变电磁接收系统"特有"的噪声,目前通用信号源无法满足半航空瞬变电磁接收机室内调试和标定的需求.首先通过分析半航空瞬变电磁信号模型和无人机电磁干扰及线圈运动噪声模型,建立了输出信号及噪声的产生方法,再基于现场可编程门阵列(FPGA),运用DDS技术和SOPC技术,调用Nios II软核设计了信号产生模块,能够产生瞬变电磁信号并叠加无人机电磁干扰和线圈运动噪声,并在此基础上结合PC机和D/A电路研制了半航空瞬变电磁接收机专用测试装置.测试结果表明:测试装置的信号分辨能力达到100μV,同步触发信号与信号输出时延小于2μs,满足仪器测试与标定需求.

一种航空发动机喷口电磁阀的试验技术研究

作者： 常诚   肖连勇   陈志龙   来源： 内燃机与配件 年份： 2017 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空发动机   测试需求   电磁阀   工作原理  

描述： 当前,随着航空工业技术的深化发展,自动化控制成为主流趋势,而电磁阀作为航空发动机气动系统中重要的执行元件,因为结构简单、切换速率快、抗污染能力强、功耗低等优点,而成为民用航空发动机研发的关键内容之一,基于此,本文将以电磁阀在航空发动机中的应用为研究基点,剖析其基本结构及工作原理,并结合实际测试需求,设计了电磁阀的测试系统,以此推进航空发动机正向设计系统的优化发展。

民用飞机电磁环境效应设计偏离控制管理浅析

作者： 陈洁   宁敏   来源： 科技创新导报 年份： 2017 文献类型 ： 期刊 关键词： 设计偏离   电磁环境效应   控制管理流程  

描述： 在飞机研制过程中,需要进行电磁环境效应(E3)控制管理,评估系统、结构和线缆电磁防护设计偏离对飞机安全性的影响,以保证飞机的电磁环境效应设计偏离不影响飞行安全。该文对民用飞机电磁环境效应设计偏离控制管理进行初步探讨,着重介绍飞机电磁环境效应设计偏离控制管理流程,为民用飞机E3设计偏离控制管理工作提供参考。

基于非结构有限元的频率/时间域航空电磁系统仿真研究

作者： 张博   来源： 吉林大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 二/三维   任意各向异性   频率域/时间域   航空电磁   面向目标自适应   非结构有限元法  

描述： 航空电磁法(AEM)作为一种高效的地球物理勘查手段,因其无需地面工作人员接近勘查区域,特别适合沙漠、高山、湖泊、沼泽等地形条件复杂地区的地球物理勘探任务。近年来,随着对航空电磁高分辨率、大勘探深度等特点认识的不断深入,航空电磁法在矿产资源、地下水及环境工程等众多领域获得了广泛应用。目前,航空电磁数据主要使用一维成像和反演技术进行处理,即假设地下介质为层状介质模型,对航空电磁数据进行反演成像。然而,通常情况下地下介质分布十分复杂,将三维模型近似为简单一维模型进行处理往往给航空电磁数据解释结果带来较大误差。因此,在对航空电磁数据进行一维数据处理的同时,有必要对重点勘探靶区进行精细的二维和三维反演解释。航空电磁正演是航空电磁数据反演解释的基础。有效的正演算法能够提高航空电磁响应的计算速度、改善计算精度,进而为提高航空电磁二、三维反演的有效性提供前提。本文系统研究了频率域和时间域航空电磁二、三维正演算法,分析研究了各向同性和任意各向异性介质地电模型的航空电磁响应特征。由于非结构网格能够拟合任意不规则物性分界面,而有限单元法能够模拟任意复杂模型的电磁响应,本文使用基于非结构网格的有限元实现了航空电磁正演模拟算法。该算法能够高精度地模拟起伏地表等复杂模型的航空电磁响应。有限元正演模拟的精度很大程度上决定于网格剖分,为了得到合理的非结构网格剖分,提高正演算法的效率和精度,本文系统研究了针对航空电磁正演模拟的面向目标自适应算法。为克服电磁场在源周围变化十分剧烈造成的解不稳定问题,提高本文算法对航空电磁响应的模拟精度,在正演过程中对一次场和二次场进行了分离,利用一次场代替源项,直接求解源附近变化速度相对缓慢的二次场。对于二维航空电磁正演模拟,本文对空间域的麦克斯韦方程组进行了Fourier变换,将空间域中的问题转换到波数域进行求解。鉴于该算法直接求解沿模型走向方向的电磁场分量,场在物性分界面上始终满足连续性条件,本文选择使用标量形函数推导有限元方程组。对于三维航空电磁正演问题,本文直接在空间域对电磁场满足的矢量亥姆霍兹方程进行求解。由于三维问题直接求解的电磁场在物性分界面上无法始终满足连续性条件,而标量形函数在各个单元内无法满足散度条件,本文选择使用矢量形函数推导有限元方程组。利用稳定性好且计算精度高的直接求解器MUMPS和Pardiso求解大型线性方程组,本文得出了二、三维航空电磁问题对应的节点和棱边上的电磁场响应。二维模型的航空电磁响应可利用反Fourier变换由波数域电磁场得出,而时间域电磁场则可由频率域电磁场经过Hankel变换得到。针对航空电磁自适应问题,首先,本文改进了后验误差估计算法。由于散射场对应的电流密度在物性分界面上不满足垂向分量连续性条件,本文利用电流密度实部垂向分量连续性推导了适用于散射场的后验误差估计公式;其次,本文修改了加权后验误差计算公式,通过在公式中对多个频率的加权后验误差进行加和,克服了传统加权后验误差计算公式仅适用于单个频率电磁自适应正演模拟的缺陷,推导出针对航空电磁多频发射的加权后验误差计算公式。在数值模拟部分,本文首先利用二维正演模拟结果分析了二维起伏地表模型垂直走向方向上的航空电磁响应特征。计算结果表明,起伏地表模型航空电磁响应的曲线形态与地形之间存在镜像关系,地形对频率域航空电磁响应的影响主要发生在高频段,而对时间域航空电磁系统的影响主要发生在早期时间道。然后,本文分析和总结了三维起伏地表模型在测区上方的航空电磁响应特征。计算结果表明,高频信号的虚部刻画地形细节的能力较强,而低频信号实部能够很好地反映具有一定埋深异常体的响应特征。B场和d B/dt场对地下介质分辨能力存在一定差异,对B和d B/dt电磁数据同时进行处理有利于揭示更多地下介质分布信息。对于提出的面向目标自适应算法,本文通过分析网格剖分和正演模拟响应,论证了网格剖分的合理性和算法的正确性。同时,本文通过模型试验得出三维航空电磁网格剖分应当遵循的规律:航空电磁发射信号频率越低、地下介质电阻率越高,则网格剖分范围应越大,对网格剖分的细致程度可适当降低;反之,发射频率越高、地下介质电阻率越低,则网格剖分范围可适当减小,而对网格剖分精细程度要求越高。最后,本文对任意各向异性介质起伏地表模型的三维航空电磁响应进行了分析,总结了各向异性介质对航空电磁响应的影响特征:异常体各向异性对高频及早期时间道航空电磁响应影响较小,但对低频及中晚期时间道航空电磁响应影响较大;围岩各向异性对高频和低频及早期和中晚期时间道航空电磁信号均存在影响;无论对频率域还是时间域航空电磁响应,围岩各向异性电导率张量的旋转均会导致起伏地表模型响应形态的变化,这种变化的规律为各向异性电导率张量旋转方向的定性分析提供了前提。本文研究成果可为航空电磁异常识别及复杂模型二、三维反演奠定理论基础。

复杂介质中时间域航空电磁数据仿真技术研究

作者： 齐彦福   来源： 吉林大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 任意各向异性   时间域航空电磁   后推欧拉   非结构矢量有限元   起伏地形   全波响应正演   面向目标自适应   局部网格  

描述： 时间域航空电磁法采用机载移动平台,可以对高山、沙漠、沼泽等难以开展地面工作的地区进行快速高效的勘探,现已被广泛应用于资源勘查、环境工程等领域。然而,在数值模拟方面,现有的三维时间域航空电磁正演方法存在稳定性差、计算效率低、无法处理复杂地电结构等诸多问题,严重制约了三维时间域航空电磁数据处理和解释技术的发展。为了解决上述问题,本文采用基于非结构网格的时间域矢量有限元算法开展复杂介质条件下三维时间域航空电磁数据仿真研究,并对电磁响应特征及起伏地形和各向异性的影响规律进行分析。本文首先从时间域电场扩散方程出发,基于非结构四面体网格的灵活性对复杂几何模型进行精细剖分,准确拟合地下电性结构。然后,采用自动满足电场切向连续和无散条件的矢量插值基函数进行空间离散,并利用伽辽金方法建立有限元控制方程。通过引入后推欧拉格式进行时间域离散,获得无条件稳定的隐式方程,放宽对时间步长的限制,根据电流变化特征和电磁扩散规律灵活设定时间步长。同时,应用并行技术计算单元矩阵,并对系数矩阵进行压缩存储以提高计算效率,减少内存消耗。最后,利用多波前并行求解器MUMPS实现有限元方程的快速求解。当时间步长不变时,只需对系数矩阵进行一次分解,通过不断回代右端项即可实现航空电磁多时间道正演模拟。为解决多源问题,本文基于时间域航空电磁系统的有限影响范围(footprint),采取局部网格策略,将观测点分组并分别设计独立网格。通过与一维解析解进行对比,验证了本文算法的准确性。随后以三维地质体模型为例,分析局部网格策略的加速效果。为模拟复杂场源任意发射波形的时间域航空电磁响应,本文提出基于偶极子离散和瞬时电流脉冲的场源处理技术。首先将任意姿态、形状的发射线圈离散成若干段首尾相连的导线,并近似成电偶极子,实现场源的精确模拟,进而根据数值实验分析发射源姿态和形状变化对电磁场的影响规律。然后,本文将瞬时电流脉冲直接加载到源项中,通过改变各个时刻的脉冲强度模拟任意发射波形航空电磁响应。由于该方法无需计算电流二阶导数,数值稳定性得到有效提高。通过计算三维模型实际发射电流波形的航空电磁响应,并与传统褶积算法结果进行比较,检验本文算法模拟复杂波形航空电磁响应的优越性。鉴于网格剖分对三维数值模拟精度影响较大,本文将面向目标的自适应网格加密技术应用于时间域航空电磁三维正演模拟中。首先,基于法向电流密度连续性条件进行后验误差估计;然后通过在观测点处施加虚拟点源计算影响函数,调整各个单元后验误差的影响权重;最后根据加权误差进行局部网格加密,改善网格剖分质量,进而达到提高数值模拟精度的目的。通过对均匀半空间和起伏地表模型上航空电磁响应进行模拟,检验本文自适应算法的可靠性。基于上述研究,本文首先采用时间域有限元算法对球体、直立/水平/倾斜板状体、基底隆起和断层等典型地电模型航空电磁响应进行正演模拟,并分析响应曲线特征。结果显示,不同模型的电磁响应差异较大,根据响应曲线形态和峰值位置可以对目标体的产状和水平位置进行判断,为异常拾取和识别提供参考。其次,本文研究山峰、山谷等起伏地表模型的航空电磁响应特征,分析地形影响规律,验证本文算法处理复杂三维地质结构的有效性。数值实验结果表明,地形对航空电磁响应影响严重,且主要集中在早期,并随时间逐渐减弱,响应形态与地形几何形状呈镜像关系。起伏地表与地下异常体相互耦合使得观测信号变得十分复杂,给数据解释造成困难。最后,本文模拟任意各向异性大地复杂地电结构模型的时间域航空电磁响应,并分析各向异性影响特征。对各向异性异常体、各向异性围岩以及起伏地形各向异性大地三种典型模型的研究结果表明各向异性对航空电磁响应的强度和分布形态均产生严重影响,根据异常分布特征可以判断各向异性特征(电导率主轴方向和旋转角度)。本文研究的时间域航空电磁仿真技术可以为航空电磁系统研发和施工设计提供理论数据,同时为复杂介质条件下三维航空电磁数据反演提供正演模块。本文的研究成果对提高航空电磁数据解释水平具有一定的理论和实用价值。

时间域航空电磁法双波形发射电路研制

作者： 姜健   来源： 吉林大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 发射系统   航空电磁法   Boost电路   状态监控   半正弦波   三角波  

描述： 时间域航空电磁法(Time-domain Airborne Electromagnetic Method)是一种高速有效的地质勘测方法。此方法使用直升飞机或者固定翼飞机搭载电磁发射系统和接收系统。由于航空电磁勘测可以高空飞行勘测,克服勘测地形带来的困难,所以时间域航空电磁法广泛应用在地质调查,矿产资源勘测、环境评价等方面。现阶段,国际上电磁发射系统可以提供的电流波形主要包括:梯形波,方波,半正弦波和三角波,但发射系统只可以发射一种电流波形,无法兼顾其他电流波形的优点,针对这一问题本文研究的发射电路可以提供双极性半正弦波和双极性三角波,这样可以兼顾两种发射波形的优点。本文主要参考了国际上先进的航空电磁法发射系统的发射电流参数,以此参数作为发射电流参数标准设计双波形发射电路。本文设计的发射电路结构主要包括三角波发射电路、半正弦波发射电路,开关切换电路、发射线圈四部分,三角波发射电路和半正弦波发射电路共用发射线圈,为避免两电路之间相互影响,在发射线圈与发射电路之间加入了开关切换电路。发射半正弦波的电路采用串联谐振方法,电流在电容与发射线圈之间振荡产生正弦波,半正弦波发射电路需要低压电源供电,为了兼容这一设计方案,三角波发射电路前端加入了Boost升压电路,为储能电容充电使其电压上升,由于电容容量大,三角波发射电路的功率小,充电后的储能电容可视为高压恒压大功率电源,利用此电源为发射线圈供电可以产生上升沿与下降沿线性度高对称性好的三角波。为了保证发射电路的安全稳定运行,在发射电路中加入了相应的保护电路,为了减小过冲电流,加入了去过冲电路。本文首先使用仿真软件对发射电路进行仿真测试,验证其可行性,仿真软件使用MATLAB。之后搭建电路,对电路整体进行测试,根据测试结果改进与优化电路参数,使得发射电流波形质量更高。本文叙述了设计发射电路的过程以及期间应该注意的问题,发射电路设计研制成功后,对发射电路的参数进行了测试,实际测得半正弦波电流峰值为2000A,最大输出磁矩为648000Am2,脉冲宽度为4ms,三角波电流峰值为200A,最大输出磁矩为64800Am2,脉冲宽度为1.95ms,整体的发射频率为12.5Hz,可以调整发射频率,测试结果均达到设计要求。发射电路与接收系统联机调试,接收机采集on-time信号噪声幅值与哈密地区野外飞行实验中双极性梯形波CHTEM-I系统接收磁场波形衰减曲线噪声幅值相当,所以双波形发射系统可以进行on-time采集。在最后对所完成实验工作做了总结,针对发射电路的不足之处,给出了下一步工作的几点建议。

航空电磁探测线圈运动噪声特性分析与压制技术研究

作者： 孟洋   来源： 吉林大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 特性分析   最小噪声分离   航空电磁探测   线圈运动噪声  

描述： 航空电磁探测是一种以飞行器为载体,基于电磁感应原理的地球物理探测方法,具有地形适应能力强、效率高的特点,并适用于大比例尺、高精度、高分辨率探测。因其飞行测量的特殊探测方式,会引入大量噪声,其中线圈运动噪声的幅度较大,因此,对线圈运动噪声的特性分析研究势在必行,其既能为探测仪器硬件系统的研制提供理论支撑,如改良线圈的机械结构、安装与悬挂方式和减小吊舱的姿态变化及振动效应等,也能为飞行测量数据的软滤波方法奠定基础。论文依托于国家重大科研装备项目子课题“航空瞬变电磁系统(全航空)仿真、数据处理与反演”和国家高技术研究发展计划(863计划)“吊舱式时间域直升机航空电磁勘查数据处理与成图关键技术”,分析了线圈运动噪声产生机理,推导了三分量线圈运动噪声计算公式,研究了z分量线圈运动噪声计算结果的时频特征和统计特性,采用超晚期插值法和最小噪声分离变换法压制实测线圈运动噪声。论文的主要研究内容和研究成果如下:根据航空电磁探测线圈运动噪声的产生机理,推导出航空电磁探测三分量线圈运动噪声计算公式。利用野外航空探测飞行实验中获取的接收线圈姿态角度roll、pitch和yaw,计算了单一姿态角度变化情况下和多姿态角度同时变化情况下的三分量线圈运动噪声。研究表明,x分量线圈运动噪声与姿态角度roll无关,y分量线圈运动噪声与姿态角度pitch无关,z分量线圈运动噪声与姿态角度yaw无关。以z分量线圈运动噪声的计算结果和野外飞行测得的线圈运动噪声为例,研究了航空电磁探测线圈运动噪声及其在剖面上的时域和频域特征。为研究姿态角度和线圈运动噪声之间的关系,利用短时傅里叶变换和小波变换对姿态角度roll与pitch、z分量线圈运动噪声的计算结果进行了时-频分析,结果显示姿态角度roll和pitch及其变化率都会影响z分量线圈运动噪声计算结果的时域和频域特性。研究了航空电磁探测线圈运动噪声的统计特性,利用统计直方图和概率分布纸来分析数据的高斯性,证明了姿态角度roll与pitch、z分量线圈运动噪声和实测线圈运动噪声都基本符合高斯分布,为航空电磁探测线圈运动噪声的压制方法提供理论基础。基于航空电磁探测线圈运动噪声的特性分析,采用超晚期插值法和最小噪声分离变换法分别在航空电磁探测原始数据和剖面数据上压制线圈运动噪声。将原始数据每一个半周期数据的晚期道连接,插值形成近似基线,即模拟线圈运动噪声,然后将其在原始数据中加以去除。采用超晚期插值法将野外实测原始线圈运动噪声水平由±8 m V降低至±3 m V,可将含有异常的测线剖面上的噪声水平由±40 n T/s降为±25 n T/s。最小噪声分离变换采用噪声协方差的特征值和特征向量对剖面数据进行噪声白化处理,对未知噪声进行估计是最小噪声分离的重要核心技术,本文用自适应窗宽滤波技术对噪声进行估计,经最小噪声分离(MNF)变换处理的测线数据,在不影响异常幅值和形态的前提下,异常测线剖面噪声水平降至±10 n T/s,该方法能够有效的压制晚期道噪声。

基于双波发射电流的航空电磁数据电导率深度成像

作者： 李静   来源： 吉林大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 模型融合   分辨能力   查表法   航空电磁探测   双波电导率深度成像  

描述： 航空电磁探测是以电磁感应理论为基础,以飞机为平台搭载电磁勘探装置的地球物理探测方法,具有成本低,效率高,速度快,通用性好,覆盖面积广等优势。航空电磁系统主要发射双极性单脉冲信号完成电磁勘探任务,随着航空电磁勘查技术的发展,CGG公司研发的MULTIPULSE系统可发射双波形,在发射一个传统大功率半正弦波基础上,再发射一个小功率梯形波,实现航空电磁在保持深层目标体探测能力下,提高浅层分辨力。本文针对航空电磁双波响应数据,采用模型融合法和查表法实现双波电导率深度成像(Conductivity Depth Imaging,CDI)。主要研究内容如下:基于航空电磁探测基本原理,在阶跃发射电流的电磁响应计算基础上,根据卷积定理,推导出双波发射电流电磁响应的正演算法,并计算了双波发射电流的全时段电磁响应,对比分析了多种目标体电导率情况下单波与双波电流的电磁响应。根据正演算法,研究了双波发射电流参数对电磁响应的影响,若半正弦波脉宽为4ms,梯形波上升沿和下降沿时宽为0.2ms,双波距为10ms,则当半正弦波脉宽在±0.4ms变化,梯形波上升沿和下降沿时宽在±0.04ms变化,而双波距在±0.02ms变化时,其对应均方相对误差均低于4%。基于传统单波查表法CDI,提出了模型融合的双波电导率深度成像。当电导率为0.1S/m时,双波电磁响应与梯形波响应相近,针对双波中半正弦波与梯形波的电磁响应,分别利用单波查表法获取对应的CDI结果,升序排列两组视深度得到融合深度,经插值算法获得两组相同融合深度下的电导率,利用变参数加权计算得到融合电导率。根据一维大地模型与准二维大地模型仿真结果,表明梯形波响应CDI能够清晰识别浅层异常体,对深层异常没有反映,半正弦波响应CDI能够揭示深层异常体的存在,却屏蔽了浅层目标体导电信息,而模型融合法的双波CDI不仅可以清晰揭示地下浅层导电薄层,还可以较好地反映地下深层低阻异常,增强对地下导电异常体的识别能力。根据双波响应特性,提出了查表法的航空电磁双波电导率深度成像。基于航空电磁双波响应正演计算,建立按时间道划分的梯形波响应(tB)-半正弦响应(sB)-电导率-飞行高度数据表,利用双波响应(tB,sB)进行联合查表,并通过插值算法获得对应时间道的视电导率,然后经扩散深度计算视深度,得到成像深度,最终实现查表法的双波电导率深度成像。根据一维大地模型与准二维大地模型仿真结果,表明梯形波响应查表法不能识别埋深较深的异常体,半正弦波响应查表法对埋深较浅的异常没有反映,而双波响应查表法能够较为清晰地识别地下从浅层到深层的导电目标体。基于航空电磁响应正演算法,计算了薄层深度和围岩电导率改变时低阻模型和高阻模型的电磁响应,利用单波查表法和模型融合法进行成像,并计算视电阻率相对误差,在以10%作为分辨率极限情况下,分析了航空电磁系统对薄层的分辨能力。基于准二维模型加噪数据,对比分析了单波查表法CDI,模型融合法双波CDI及查表法双波CDI对异常体分辨能力的影响,结果表明双波电导率深度成像对异常体具有更好的分辨能力。

飞机模拟雷电波形发生器测控电路电磁兼容研究

作者： 樊帅   来源： 合肥工业大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 雷电环境   测控电路   特快速暂态过电流   波形发生器   电磁兼容  

描述： 近年来飞机遭受雷击事件时有发生,为保障飞机在雷电环境下安全飞行,在飞机结构设计时需通过雷电整机防护试验。本文依托于某大型运输机雷电整机防护试验项目,重点结合试验过程中测控电路出现的故障现象,对发生器系统的测控电路进行研究。为使波形发生器系统在复杂电磁环境中安全稳定工作,必须对飞机模拟雷电波形发生器测控电路进行电磁兼容研究。本文首先对系统的供电电源进行电磁干扰源进行研究,分析了线路中存在的浪涌脉冲、高频干扰等系统干扰源的耦合路径,试验中采用滤波、脉冲吸收和UPS隔离的方法保证电源系统稳定工作;其次,对波形发生器PLC控制电路的电磁干扰源进行研究,分析了干扰源影响PLC控制系统的途径是通过在电源线和信号线的耦合引入,试验中采用滤波、脉冲吸收和隔离的方法,保障PLC控制系统可靠工作;再次,重点对试验过程中测量电路的电磁干扰源进行研究,分析了试验过程中电压测量电路、电流测量电路和外场测量电路故障的原因,试验中采用浮地隔离、屏蔽和线路隔离等措施保障测量电路正常工作。试验结果表明,对系统采用的电磁兼容设计方法能满足发生器系统的正常工作要求。最后,本文还针对试验过程中测得的脉冲电流波前特快速暂态过电流现象,结合理论分析和仿真验证进行研究。结合相关文献对脉冲电流波前特快速暂态过电流产生原因做出假设,采用电路仿真的方法验证了线路间存在的分布参数是造成特快速暂态过电流的主要原因。

基于非结构有限元的频率/时间域航空电磁系统仿真研究

作者： 张博   来源： 吉林大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 二/三维   任意各向异性   频率域/时间域   航空电磁   面向目标自适应   非结构有限元法  

描述： 航空电磁法(AEM)作为一种高效的地球物理勘查手段,因其无需地面工作人员接近勘查区域,特别适合沙漠、高山、湖泊、沼泽等地形条件复杂地区的地球物理勘探任务。近年来,随着对航空电磁高分辨率、大勘探深度等特点认识的不断深入,航空电磁法在矿产资源、地下水及环境工程等众多领域获得了广泛应用。目前,航空电磁数据主要使用一维成像和反演技术进行处理,即假设地下介质为层状介质模型,对航空电磁数据进行反演成像。然而,通常情况下地下介质分布十分复杂,将三维模型近似为简单一维模型进行处理往往给航空电磁数据解释结果带来较大误差。因此,在对航空电磁数据进行一维数据处理的同时,有必要对重点勘探靶区进行精细的二维和三维反演解释。航空电磁正演是航空电磁数据反演解释的基础。有效的正演算法能够提高航空电磁响应的计算速度、改善计算精度,进而为提高航空电磁二、三维反演的有效性提供前提。本文系统研究了频率域和时间域航空电磁二、三维正演算法,分析研究了各向同性和任意各向异性介质地电模型的航空电磁响应特征。由于非结构网格能够拟合任意不规则物性分界面,而有限单元法能够模拟任意复杂模型的电磁响应,本文使用基于非结构网格的有限元实现了航空电磁正演模拟算法。该算法能够高精度地模拟起伏地表等复杂模型的航空电磁响应。有限元正演模拟的精度很大程度上决定于网格剖分,为了得到合理的非结构网格剖分,提高正演算法的效率和精度,本文系统研究了针对航空电磁正演模拟的面向目标自适应算法。为克服电磁场在源周围变化十分剧烈造成的解不稳定问题,提高本文算法对航空电磁响应的模拟精度,在正演过程中对一次场和二次场进行了分离,利用一次场代替源项,直接求解源附近变化速度相对缓慢的二次场。对于二维航空电磁正演模拟,本文对空间域的麦克斯韦方程组进行了Fourier变换,将空间域中的问题转换到波数域进行求解。鉴于该算法直接求解沿模型走向方向的电磁场分量,场在物性分界面上始终满足连续性条件,本文选择使用标量形函数推导有限元方程组。对于三维航空电磁正演问题,本文直接在空间域对电磁场满足的矢量亥姆霍兹方程进行求解。由于三维问题直接求解的电磁场在物性分界面上无法始终满足连续性条件,而标量形函数在各个单元内无法满足散度条件,本文选择使用矢量形函数推导有限元方程组。利用稳定性好且计算精度高的直接求解器MUMPS和Pardiso求解大型线性方程组,本文得出了二、三维航空电磁问题对应的节点和棱边上的电磁场响应。二维模型的航空电磁响应可利用反Fourier变换由波数域电磁场得出,而时间域电磁场则可由频率域电磁场经过Hankel变换得到。针对航空电磁自适应问题,首先,本文改进了后验误差估计算法。由于散射场对应的电流密度在物性分界面上不满足垂向分量连续性条件,本文利用电流密度实部垂向分量连续性推导了适用于散射场的后验误差估计公式;其次,本文修改了加权后验误差计算公式,通过在公式中对多个频率的加权后验误差进行加和,克服了传统加权后验误差计算公式仅适用于单个频率电磁自适应正演模拟的缺陷,推导出针对航空电磁多频发射的加权后验误差计算公式。在数值模拟部分,本文首先利用二维正演模拟结果分析了二维起伏地表模型垂直走向方向上的航空电磁响应特征。计算结果表明,起伏地表模型航空电磁响应的曲线形态与地形之间存在镜像关系,地形对频率域航空电磁响应的影响主要发生在高频段,而对时间域航空电磁系统的影响主要发生在早期时间道。然后,本文分析和总结了三维起伏地表模型在测区上方的航空电磁响应特征。计算结果表明,高频信号的虚部刻画地形细节的能力较强,而低频信号实部能够很好地反映具有一定埋深异常体的响应特征。B场和d B/dt场对地下介质分辨能力存在一定差异,对B和d B/dt电磁数据同时进行处理有利于揭示更多地下介质分布信息。对于提出的面向目标自适应算法,本文通过分析网格剖分和正演模拟响应,论证了网格剖分的合理性和算法的正确性。同时,本文通过模型试验得出三维航空电磁网格剖分应当遵循的规律:航空电磁发射信号频率越低、地下介质电阻率越高,则网格剖分范围应越大,对网格剖分的细致程度可适当降低;反之,发射频率越高、地下介质电阻率越低,则网格剖分范围可适当减小,而对网格剖分精细程度要求越高。最后,本文对任意各向异性介质起伏地表模型的三维航空电磁响应进行了分析,总结了各向异性介质对航空电磁响应的影响特征:异常体各向异性对高频及早期时间道航空电磁响应影响较小,但对低频及中晚期时间道航空电磁响应影响较大;围岩各向异性对高频和低频及早期和中晚期时间道航空电磁信号均存在影响;无论对频率域还是时间域航空电磁响应,围岩各向异性电导率张量的旋转均会导致起伏地表模型响应形态的变化,这种变化的规律为各向异性电导率张量旋转方向的定性分析提供了前提。本文研究成果可为航空电磁异常识别及复杂模型二、三维反演奠定理论基础。