一种基于多匝线圈和瞬变电磁法的地下测深方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多匝线圈和瞬变电磁法的地下测深方法，包括如下步骤：S1设计收发装置并采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号；S2对采集到的信号进行预处理；S3设计基于阻尼最小二乘法的反演算法；S4将实验数据代入算法中，验证算法的可行性；该方法不仅能够消除一次场影响，减小近地表的探测盲区，同时可以提高计算准确率，为后续的地下测深研究提供新的思路。供新的思路。供新的思路。

An underground sounding method based on multi turn coil and transient electromagnetic method

【技术实现步骤摘要】
一种基于多匝线圈和瞬变电磁法的地下测深方法


[0001]本专利技术涉及一种基于多匝线圈和瞬变电磁法的地下测深方法，属于高端装备制造中的电磁


技术介绍

[0002]瞬变电磁法是一种基于时间域的主动探测方式，它的激励波形为一脉冲波形，通过对脉冲关断后二次场随时间的衰减特性进行分析，完成对地下的探测。该方法在脉冲间隙期间接收二次磁场信号，不存在一次场干扰的问题，可采用同点组合的探测方式，与地下介质的耦合效果好、异常响应强、分层能力强；并且瞬变电磁法所使用的激励磁场低频成分较多，发射磁矩也较大，因此能够探测到深层的目标信息。
[0003]然而，目前用于瞬变电磁法探测的多数装置存在诸多问题，最大的问题是接收线圈可能会受到明显的一次场干扰，不仅会接收到二次场信号，也会接收到一次场信号，而且发射功率越大，则受到一次场的影响越大，因而限制了探测的最大深度，也导致在地表下10
‑
40米的探测盲区。
[0004]而且目前瞬变电磁法测量对象较为单一，多用于探测矿藏。相较于正常的地下测深，特别是地下空间环境复杂时，各层次深浅不一，材料不一，对数据的分析要求更高，也导致了探测准确率的降低。而反演计算是瞬变电磁法应用研究中的关键环节，它可以提高计算准确度。
[0005]因此，本专利技术采用了一种新型的多匝线圈探测方式并且针对地面瞬变电磁法在城市地下空间结构探测应用的反演计算方面进行研究。为提高计算效率，对地下空间结构进行简化建模，考虑为层状介质大地模型，研究层状介质模型下的瞬变电磁反演计算方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于多匝线圈和瞬变电磁法的地下测深方法。该方法不仅能够消除一次场影响，减小近地表的探测盲区，同时可以提高计算准确率，为后续的地下测深研究提供新的思路。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种基于多匝线圈和瞬变电磁法的地下测深方法，包括如下步骤：
[0009]S1：设计收发装置并采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号
[0010]S2：对采集到的信号进行预处理
[0011]S3：设计基于阻尼最小二乘法的反演算法
[0012]S4：将实验数据代入算法中，验证算法的可行性
[0013]1、设计收发装置并采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号具体为：首先，通过PC端控制参考信号发生装置产生指定脉宽的圆形信号输入到电流源，使其输出相同脉宽的脉冲波形，继而输入到发射线圈中，并利用接收线圈接收由地下介质产生的衰减二次场信号，即感应电压信号。
[0014]2、对采集到的信号进行预处理具体为：首先，使用瞬态叠加，将采集到的N个周期的响应信号进行叠加取均值处理，本申请采用N次重复采集得到的响应信号进行叠加取均值处理，从而达到消除随机噪声、提高响应信号信噪比的效果。在瞬变电磁法中，衰减响应信号由多个频率分量组成，为保证有用信号的波形在滤波前后尽可能地不失真，因此对相位特性要求较高，故本申请选用FIR滤波器。在瞬变电磁探测实验中，数据采样很密集，响应信号数据量较大，对于这些数据全部进行后续处理会花费大量的时间，因此必须缩减数据量，提高工作效率。本申请采用抽道叠加处理。这种方式能够更进一步地提高信号信噪比，同时压缩数据量。
[0015]3、设计基于阻尼最小二乘法的反演算法具体为：利用阻尼最小二乘方法进行反演计算的主要思想是在理论模型与响应数据之间建立目标函数方程组，设置合理的模型参数迭代初值和迭代关系，在迭代过程中不断修正模型参数使之不断逼近真实值，最终求解出模型参数值。
[0016]假设目标函数为：
[0017][0018]式中，F为正演函数，d为实测数据数组：
[0019]d＝[d1，d2，d3，...，d
M
]T
[0020]式中，M表示观测数据的个数；d
i
为对应于第i个时间道的电磁响应观测数据。
[0021]正演函数为：
[0022][0023]式中，I为电流强度，a为圆形发射线圈半径值，r
TE
为反射系数，λ为波数，J1为一阶贝塞尔函数，h0为离地高度，u0为初始电压；
[0024]x为待求解的模型参数，是一个向量。对于N层的地下介质模型，考虑每一层的电导率、磁导率和厚度参数，因此向量包含有3N
‑
1个参数：
[0025]x＝[x1，x2，x3，...，x
3N
‑1]T
[0026]＝[σ1，σ2，...σ
N
，μ1，...，μ
N
，h1，...h
N
‑1]T
[0027]式中，σ
i
表示介质层的电导率，μ
i
表示介质层的磁导率，h
i
表示介质层的厚度。
[0028]由于地下空间探测中，结构复杂，材料属性多样化，电导率σ、磁导率μ和厚度h参数之间数量级相差较大，电导率σ约为10
‑3‑
104s/m、磁导率μ约为(1
‑
2)*10
‑7H/m和厚度h约为0
‑
10
‑2m，在迭代计算中，参数的灵敏度不同，数量级大的参数对应的修正量较小，因此需要调整各参数间的数量级，对各参数取对数的方式能够同时保证反演结果为正，而参数能够在[一∞，∞]之间变化，即x向量改写为：
[0029]x＝[lnσ1，lnσ2，...lnσ
N
，lnμ1，...，lnμ
N
，lnh1，...lnh
N
‑1]T
[0030]为了使目标函数趋于最小值，需要不断对参数向量x进行修正，在每一次迭代过程中引入修正量σ，则有：
[0031][0032]为了确定修正量δ的值，对正演函数F进行泰勒展开并略去2阶以上的项：
[0033][0034]代入得到：
[0035][0036]根据函数求极值的原理，若使上式取最小值，则需令其对变量δ的偏导数为0，故得到：
[0037]J
T
J
·
δ＝J
T
·
[F(x)
‑
d]＝
‑
J
T
·
g
[0038]其中g为当前参数经过正演函数计算出的理论值与观测值之间的差，称作残差向量。矩阵J由正演函数F对模型参量x的偏导数构成，称作雅克比矩阵。
[0039][0040]基于差分原理的扰动法是使初始模型向量中的每一个参数分别加上一个较小的变化量Δx，求这一变化量带来的目标函数变化与变化量之商来代替一阶偏导数，具体计算方法为：
[0041][0042]式中，Δx
j
为对应某一个参数的差分步长，当选取的步长过大时，差分结果不能作为该参数的偏导数；当选取的步长过小时，差分结果会发生振荡，对反演带来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多匝线圈和瞬变电磁法的地下测深方法，其特征是，包括以下步骤：S1、设计收发装置并采用瞬变电磁法收发装置采集到相关的信号；首先，通过PC端控制参考信号发生装置产生指定脉宽的圆形信号输入到电流源，使其输出相同脉宽的脉冲波形，继而输入到发射线圈中，并利用接收线圈接收由地下介质产生的衰减二次场信号，即,感应电压信号；S2、对采集到的信号进行预处理；瞬态叠加是通过将采集到的N个周期的响应信号进行叠加取均值处理，采用N次重复采集得到的响应信号进行叠加取均值处理，从而达到消除随机噪声、提高响应信号信噪比的效果；在瞬变电磁法中，衰减响应信号由多个频率分量组成，为保证有用信号的波形在滤波前后尽可能地不失真，因此对相位特性要求较高，故选用FIR滤波器；在瞬变电磁探测实验中，数据采样很密集，响应信号数据量较大，对于这些数据全部进行后续处理会花费大量的时间，因此缩减数据量，提高工作效率，采用抽道叠加处理，进一步地提高信号信噪比，同时压缩数据量；S3、设计基于阻尼最小二乘法的反演算法；利用阻尼最小二乘方法进行反演计算是在理论模型与响应数据之间建立目标函数方程组，设置合理的模型参数迭代初值和迭代关系，在迭代过程中不断修正模型参数使之不断逼近真实值，最终求解出模型参数值；假设目标函数为：式中，F为正演函数，d为实测数据数组：d＝[d1，d2，d3，...，d
M
]
T
式中，M表示观测数据的个数；d
i
为对应于第i个时间道的电磁响应观测数据；正演函数为：式中，I为电流强度，a为圆形发射线圈半径值，r
TE
为反射系数，λ为波数，J1为一阶贝塞尔函数，h0为离地高度，u0为初始电压；x为待求解的模型参数，是一个向量；对于N层的地下介质模型，考虑每一层的电导率、磁导率和厚度参数，因此向量包含有3N
‑
1个参数：x＝[x1，x2，x3，...，x
3N
‑1]
T
＝[σ1，σ2，
…
σ
N
，μ1，
…
，μ
N
，h1，...h
N
‑1]
T
式中，σ
i
表示介质层的电导率，μ
i
表示介质层的磁导率，h
i
表示介质层的厚度；由于地下空间探测中，结构复杂，材料属性多样化，电导率σ、磁导率μ和厚度h参数之间数量级相差较大，电导率σ约为10
‑3‑
104s/m、磁导率μ约为(1
‑
2)*10
‑7H/m和厚度h约为0
‑
10
‑2m，在迭代计算中，参数的灵敏度不同，数量级大的参数对应的修正量较小，因此需要调整各参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维祥，田富强，
申请(专利权)人：扬州蓝德森科技有限公司，
类型：发明
国别省市：