一种超高密度电法的电极排列优化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超高密度电法电极排列优化方法及装置。该电极排列优化方法通过评估各种电极排列数据对模型分辨率矩阵的影响，根据设定的优化目标选择出既能够最大化模型分辨率又能够保证数据间相互正交的优化排列数据集。该电极排列优化采集装置包括主控设备和若干智能电极。本发明专利技术的有益效果在于：电极排列优化算法能够在不明显损失模型分辨率的前提下极大地减少采集的数据量，提高采集速度；电极排列优化装置采用主控装置与智能电极分离的模式，各个智能电极采用独立的单片机进行控制，电极转换速度快，主控装置与智能电极间通过ZigBee技术无线传输数据，减少了现场的布线，数据的传输效率高，质量好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地球物理电法勘探领域，特别涉及一种基于模型分辨率的超高密度电法电极排列优化方法及装置。
技术介绍
电阻率成像技术是一种重要的地球物理勘探方法，广泛应用于水文、环境、考古、矿产资源和油气勘探等领域，取得了较大的经济效益。近年来随着理论研究的深入和工程应用的发展，人们对勘探规模和资料解释精度的要求也在不断提高，传统的电阻率成像方法面临着新的挑战。超高密度电法是一种成本低、信息丰富和解释精度高的新型勘探方法，在国内也称为“超高密度电阻率成像”。该方法采用一种多通道、多电极的泛装置数据采集系统，可采集剖面电极间所有可能组合的电位信息，保证了后期数据处理和反演结果的精度。然而超高密度电法采用泛装置进行数据采集，一次布极采集的数据量是传统高密度电法的数十或数百倍。如此大规模的数据使得采集数据的时间增加，后期数据处理的计算规模增大，正反演的难度增加，限制了该方法在大规模电法勘探中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的缺点，提供一种基于模型分辨率的超高密度电法电极排列优化方法及装置。电极排列优化是指通过评估各种电极排列数据对模型分辨率矩阵的影响，根据设定的优化目标选择出既能够最大化模型分辨率又能够保证数据间相互正交的优化排列数据集。超高密度电法装置根据优化的电极排列数据进行数据采集，可极大地减少采集数据量，提高采集效率，为后续的快速正反演提供优质数据。为实现上述目标，本专利技术所采用的技术方案如下：一种超高密度电法的电极排列优化方法，包括以下步骤：（1）根据电极的数目设计全排列数据集，即超高密度电法装置电极阵列能够实现的所有电极排列方式，对于k个等距离共线电极，四极装置排列方式的数量由下式计算：式中为k个电极的超高密度电法装置能够实现的电极排列方式的数量；（2）去除全排列数据集中的非独立装置电极排列数据和超几何因子阈值电极排列数据，得到完备排列数据集；（3）选择一组初始电极排列数据作为优化排列数据集的初始值，并根据下式计算该数据集的模型分辨率矩阵R：式中G为雅克比矩阵，为阻尼因子，C为粗糙度矩阵；（4）设定优化目标N，即优化后的电极排列数量与完备排列数据集中电极排列数量的比值；（5）根据下式计算每一个新的排列数据加入到优化排列数据集后的目标函数F，然后选择F最小的排列数据加入到优化排列数据集；式中为当前优化排列数据集的模型分辨率矩阵对角元素，为加入新的排列数据后数据集的模型分辨率矩阵对角元素，m为模型分辨率矩阵对角元素的个数，为雅克比矩阵中新的排列数据的对应的敏感矢量，为当前优化排列数据集中的各排列数据对应的敏感矢量，n为当前优化排列数据集中排列数据的个数；目标函数F分为两部分，第一部分描述新加入排列数据后模型分辨率矩阵的变化率，值越小表示模型分辨率矩阵的变化越大，第二部分为新的排列数据与当前数据集中数据的相关性，值越小表示相关性越小，为两者间的拉格朗日系数；（6）重复步骤（5）直到达到优化目标；（7）输出优化排列数据集。本专利技术还提供一种超高密度电法的电极排列优化采集装置，包括主控设备和若干智能电极；所述主控设备包括ARM、触摸屏、FLASH、ZigBee模块、电极排列优化模块、电源、源信号发生器和数模转换器，所述智能电极包括单片机、ZigBee模块、模数转换器、电源、电极转换开关和电极；主控设备中ARM分别与触摸屏、FLASH、ZigBee模块、电极排列优化模块、电源和源信号发生器相连，数模转换器通过源信号发生器与ARM相连；智能电极中单片机分别与ZigBee模块、模数转换器和电源相连，电极、电极转换开关与模数转换器依次相连，主控设备和智能电极间通过ZigBee模块进行通信，智能电极中的电极转换开关根据接收到的电极排列信号在源电极和测量电极间进行转换，主控设备中源信号发生器中的源信号经过数模转换器转换后送至作为源电极的智能电极中，作为测量电极的智能电极将采集的数据通过ZigBee模块无线传输至主控设备，电源分别为主控装置和智能电极提供电能。本专利技术的有益效果在于：（1）电极排列优化算法能够在不明显损失模型分辨率的前提下极大地减少采集的数据量，提高采集速度，为后期进行数据处理和正反演解释提供了高质量的数据，有利于将超高密度电法推广至大规模、多电极的工程勘探应用中；（2）电极排列优化装置采用主控装置与智能电极分离的模式，各个智能电极采用独立的单片机进行控制，电极转换速度快，适合超高密度电法的大规模数据采集，主控装置与智能电极间通过ZigBee技术无线传输数据，减少了现场的布线，数据的传输效率高，质量好。附图说明图1为本专利技术中超高密度电法电极排列优化方法的原理示意图。图2为本专利技术中超高密度电法电极排列优化装置的结构框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细说明。图1为本专利技术中超高密度电法电极排列优化方法的原理示意图。如图1所示，本专利技术包括以下步骤：（1）根据电极的数目设计全排列数据集，即超高密度电法装置电极阵列能够实现的所有电极排列方式，对于k个等距离共线电极，四极装置排列方式的数量由下式计算：式中为k个电极的超高密度电法装置能够实现的电极排列方式的数量；（2）去除全排列数据集中的非独立装置电极排列数据和超几何因子阈值电极排列数据，得到完备排列数据集；（3）选择一组初始电极排列数据作为优化排列数据集的初始值，并根据下式计算该数据集的模型分辨率矩阵R：式中G为雅克比矩阵，为阻尼因子，C为粗糙度矩阵；（4）设定优化目标N，即优化后的电极排列数量与完备排列数据集中电极排列数量的比值；（5）根据下式计算每一个新的排列数据加入到优化排列数据集后的目标函数F，然后选择F最小的排列数据加入到优化排列数据集；式中为当前优化排列数据集的模型分辨率矩阵对角元素，为加入新的排列数据后数据集的模型分辨率矩阵对角元素，m为模型分辨率矩阵对角元素的个数，为雅克比矩阵中新的排列数据的对应的敏感矢量，为当前优化排列数据集中的各排列数据对应的敏感矢量，n为当前优化排列数据集中排列数据的个数；目标函数F分为两部分，第一部分描述新加入排列数据后模型分辨率矩阵的变化率，值越小表示模型分辨率矩阵的变化越大，第二部分为新的排列数据与当前数据集中数据的相关性，值越小表示相关性越小，为两者间的拉格朗日系数；（6）重复步骤（5）直到达到优化目标；（7）输出优化排列数据集。步骤（2）所述的非独立装置电极排列数据是指Gamma装置数据。步骤（2）所述的几何因子阈值取值范围设定为5-7之间。步骤（3）所述的初始电极排列数据取偶极-偶极装置的电极排列数据。步骤（5）所述的拉格朗日系数取值范围设定为0-1之间。根据上述专利技术实施例进行仿真实验验证，采用均匀半空间介质模型进行仿真实验。本专利技术实施例仿真实验采用均匀半空间地质模型，几何因子阈值设置为6，拉格朗日系数设置为0.5，优化目标N设置为1%，采用相对平均模型分辨率指标来衡量本方法的优化性能，通过下式计算：式中为当前优化排列数据集的模型分辨率矩阵对角元素，为完备排列数据集的模型分辨率矩阵对角元素，m为模型分辨率矩阵对角元素的个数。在不同电极数量下，各数据集包含的数据数量和相对平均模型分辨率如表1所示。表1从表1可知，当优化目标为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高密度电法的电极排列优化方法，包括以下步骤：（1）根据电极的数目设计全排列数据集，即超高密度电法装置电极阵列能够实现的所有电极排列方式，对于k个等距离共线电极，四极装置排列方式的数量由下式计算：式中为k个电极的超高密度电法装置能够实现的电极排列方式的数量；（2）去除全排列数据集中的非独立装置电极排列数据和超几何因子阈值电极排列数据，得到完备排列数据集；（3）选择一组初始电极排列数据作为优化排列数据集的初始值，并根据下式计算该数据集的模型分辨率矩阵R：式中G为雅克比矩阵，为阻尼因子，C为粗糙度矩阵；（4）设定优化目标N，即优化后的电极排列数量与完备排列数据集中电极排列数量的比值；（5）根据下式计算每一个新的排列数据加入到优化排列数据集后的目标函数F，然后选择F最小的排列数据加入到优化排列数据集；式中为当前优化排列数据集的模型分辨率矩阵对角元素，为加入新的排列数据后数据集的模型分辨率矩阵对角元素，m为模型分辨率矩阵对角元素的个数，为雅克比矩阵中新的排列数据的对应的敏感矢量，为当前优化排列数据集中的各排列数据对应的敏感矢量，n为当前优化排列数据集中排列数据的个数；目标函数F分为两部分，第一部分描述新加入排列数据后模型分辨率矩阵的变化率，值越小表示模型分辨率矩阵的变化越大，第二部分为新的排列数据与当前数据集中数据的相关性，值越小表示相关性越小，为两者间的拉格朗日系数；（6）重复步骤（5）直到达到优化目标；（7）输出优化排列数据集。...

【技术特征摘要】
1.一种超高密度电法的电极排列优化方法，包括以下步骤：（1）根据电极的数目设计全排列数据集，即超高密度电法装置电极阵列能够实现的所有电极排列方式，对于k个等距离共线电极，四极装置排列方式的数量由下式计算：式中为k个电极的超高密度电法装置能够实现的电极排列方式的数量；（2）去除全排列数据集中的非独立装置电极排列数据和超几何因子阈值电极排列数据，得到完备排列数据集；（3）选择一组初始电极排列数据作为优化排列数据集的初始值，并根据下式计算该数据集的模型分辨率矩阵R：式中G为雅克比矩阵，为阻尼因子，C为粗糙度矩阵；（4）设定优化目标N，即优化后的电极排列数量与完备排列数据集中电极排列数量的比值；（5）根据下式计算每一个新的排列数据加入到优化排列数据集后的目标函数F，然后选择F最小的排列数据加入到优化排列数据集；式中为当前优化排列数据集的模型分辨率矩阵对角元素，为加入新的排列数据后数据集的模型分辨率矩阵对角元素，m为模型分辨率矩阵对角元素的个数，为雅克比矩阵中新的排列数据的对应的敏感矢量，为当前优化排列数据集中的各排列数据对应的敏感矢量，n为当前优化排列数据集中排列数据的个数；目标函数F分为两部分，第一部分描述新加入排列数据后模型分辨...

【专利技术属性】
技术研发人员：江沸菠，戴前伟，冯德山，董莉，
申请(专利权)人：湖南师范大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43