一种基于改进粒子群算法的超顺磁效应多参数提取方法技术

本发明专利技术涉及一种基于改进粒子群算法的超顺磁效应多参数提取方法研究，为实现超顺磁效应的模拟及分析，引入在磁性粒子弛豫时间呈对数正态分布的Cole

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进粒子群算法的超顺磁效应多参数提取方法


[0001]本专利技术涉及一种基于改进粒子群算法的超顺磁效应多参数提取方法。

技术介绍

[0002]时间域电磁法(Time Electromagnetic Method，AEM)具有快速、高效、探测范围广等优点，已被广泛应用于矿产资源探勘查，环境监测，基础地质调查等多个领域(Lei,2006；Zhang,2005)。瞬变电磁法在探测过程中，发射电流的on
‑
time阶段会让地下的磁性粒子获得磁化；在电流关断后，磁性粒子会失去磁化强度，接收系统会观测到近似
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1次幂率的衰减信号，这一过程被称为超顺磁效应。国内外实验结果表明，超顺磁效应不仅存在于多种的岩石及矿物中(Buselli,1982)，在0.1
‑
15um半径范围内的磁铁矿和赤铁矿颗粒也可产生感应
‑
磁化效应(Bournas,2017；Dabas and Skinner,2002)。超顺磁效应是反映地下磁性介质信息的重要表征，而传统参数提取方法在对磁性环境的实测数据进行处理时，会由于忽略这种效应导致数据的错误解释。磁化参数对超顺磁效应有明显影响，因此，对磁化参数进行准确提取，实现对含有超顺磁效应的数据的准确解释尤为重要。
[0003]中国专利CN113887106A公开了一种基于Chikazumi模型的感应
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磁化效应三维数值模拟方法。将Chikazumi复磁化率模型引入频域Maxwell方程组,提出了复磁导率的矩阵运算形式,优化控制方程的计算方式,根据差分离散后磁场在网格上的位置关系,重新建立了磁导率和磁场响应的科学映射矩阵,定义了磁异常体特别的边界设置方式并利用正余弦变换数值滤波算法,将频域结果变换到时域。该种方法可实现感应
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磁化效应时域三维数值模拟，但无法进行磁化参数的准确提取。
[0004]中国专利CN112666618A公开了一种用于多相介质的几何
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物性多特征参数提取方法。基于广义等效极化模型，定义地下介质由围岩、强极化介质和弱极化介质构成；计算双相和多相介质的梯形波激励下的时域磁场响应,并与超导量子传感器采集的磁场数据构成目标函数；根据实测磁场早期数据计算围岩电导率,作为约束条件；针对被提参数多维度、少约束的情况,设置维度分别对应双相和多相介质，采用量子粒子群优化算法分别进行参数提取。该种方法有效地实现了多维参数的全局提取，但无法解释超顺磁效应带来的影响。
[0005]以上述方法公布的对超顺磁效应的解释和特征参数提取方法，国内外专利还未涉及运用粒子群优化算法对多种超顺磁参数进行同时提取，为此，本专利技术基于Cole
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Cole磁化率模型对层状超顺磁模型进行正演数值模拟，同时实现了对超顺磁效应多参数的全局提取。引入基于Logistic混沌映射的非线性变化惯性权重，从而保证更大的粒子搜索空间。采用自适应粒子的速度与位置更新策略，使算法处于进化初期时提高算法的全局搜索能力，算法处于进化末期时证算法具有较强的局部勘探能力，提高了多参数同时提取的精度。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于改进粒子群算法的超顺磁效应多参数提取方法，通过引入Cole
‑
Cole磁化率模型实现了层状超顺磁效应的数值模拟，分析了
磁化参数对于超顺磁效应的影响，通过引用基于Logistic混沌映射的非线性变化惯性权重，保证了磁化参数提取的准确性，改善了搜索过程中出现的不成熟收敛或局部最小值等现象，通过定义粒子的自适应度判定条件提出自适应粒子的速度与位置更新策略，最终实现了超顺磁效应多参数的精确提取。本专利技术是这样实现的，一种基于改进粒子群算法的超顺磁效应多参数提取方法：
[0007]包括如下步骤：
[0008]1)利用频率域麦克斯韦方程推导出层状磁化介质产生的超顺磁响应公式；
[0009]2)为实现超顺磁效应的模拟及分析，引入在磁性粒子弛豫时间呈对数正态分布的Cole
‑
Cole磁化率模型,利用磁矢位迭代，推导出层状模型下感应
‑
磁化效应所产生的磁场强度H
z
、磁感应强度B
z
；
[0010]3)对超顺磁效应的多参数提取，首先设置粒子群的空间维度D，输入相关参数，如种群数M、迭代次数K等，初始化各粒子的位置X、速度V、个体最优值Pbest、种群最优值Gbest并构建目标函数；
[0011]4)为保证更大的粒子搜索空间，引用基于Logistic混沌映射的非线性变化惯性权重，根据迭代次数更新惯性权重；
[0012]5)自适应粒子的速度与位置更新策略采用个体最优解和群体最优解的线性组合公式对相应最优解进行替换，通过多次迭代实现对超顺磁响应的多参数提取；
[0013]其中步骤1)中层状超顺磁响应中磁矢量位满足：
[0014][0015]下标i表示层位，k为波数，可写为当频率小于105Hz时，位移电流可被忽略，此时波数为k2＝iμσω；
[0016]利用汉克尔积分正交性，矢量位表达式可以推导为
[0017][0018]其中，m为z＝
‑
h(z≤0)处磁矩，每一层的磁矩m
i
为每一层的波数为k
i2
＝iμ
i
(ω)σ
i
ω，每一层的磁导率μ
i
(ω)可表示为：
[0019][0020]函数为:
[0021][0022]步骤2)中，Cole
‑
Cole磁化率模型为
[0023][0024]其中χ0为物质的零频磁化率，χ
∞
为无穷频率下的磁化率，iω为复频率变量，τ
c
为磁化率时间常数，
α
控制弛豫时间分布；
[0025]通过迭代可得空中接收点处的磁场强度H
z
为
[0026][0027]各层磁化率可以近似为
[0028][0029]其中z
i
＝h+d1+d2+
…
+d
i
，推导可得磁感应强度为：
[0030][0031]步骤3)中，第i个粒子的位置X、速度V、个体最优值Pbest、种群最优值Gbest可表示为：
[0032]X
i
＝(x
i1
,x
i2
,
…
,x
iD
)i＝1,2,
…
,M
ꢀꢀ
(9)
[0033]V
i
＝(v
i1
,v
i2
,
…
,v
iD
)i＝1,2,
…
,M
ꢀꢀ
(10)
[0034]Pbest＝(p
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进粒子群算法的超顺磁效应多参数提取方法，其特征在于，包括如下步骤：1)利用频率域麦克斯韦方程推导出层状磁化介质产生的感应
‑
磁化响应公式；2)为实现超顺磁效应的模拟及分析，引入在磁性粒子弛豫时间呈对数正态分布的Cole
‑
Cole磁化率模型,利用磁矢位迭代，推导出层状模型下超顺磁效应所产生的磁场强度H
z
、磁感应强度B
z
；3)对超顺磁效应的多参数提取，首先设置粒子群的空间维度D，输入相关参数，如种群数M、迭代次数K等，初始化各粒子的位置X、速度V、个体最优值Pbest、种群最优值Gbest并构建目标函数；4)为保证更大的粒子搜索空间，引用基于Logistic混沌映射的非线性变化惯性权重，根据迭代次数更新惯性权重；5)自适应粒子的速度与位置更新策略采用个体最优解和群体最优解的线性组合公式对相应最优解进行替换，通过多次迭代实现对超顺磁响应的多参数提取；其中步骤1)中层状超顺磁响应中磁矢量位满足：下标i表示层位，k为波数，可写为当频率小于105Hz时，位移电流可被忽略，此时波数为k2＝iμσω；利用汉克尔积分正交性，矢量位表达式可以推导为其中，m为z＝
‑
h(z≤0)处磁矩，每一层的磁矩m
i
为每一层的波数为k
i2
＝iμ
i
(ω)σ
i
ω，每一层的磁导率μ
i
(ω)可表示为函数为步骤2)中，Cole
‑
Cole磁化率模型为其中χ0为物质的零频磁化率，χ
∞
为无穷频率下的磁化率，iω为复频率变量，τ
c
为磁化率时间常数，α控制弛豫时间分布；通过迭代可得空中接收点处的磁场强度H
z
为
各层磁化率可以近似为其中z
i
＝h+d1+d2+
…
+d
i
，推导可得磁感应强度为步骤3)中，第i个粒子的位置X、速度V、个体最优值Pbest、种群最优值Gbest可表示为X
i
＝(x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：嵇艳鞠，刘雨新，房庭瑞，张静，刘怀湜，赵雪娇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：