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钻孔瞬变电磁法研究现状综述 被引量：9
1
作者 孙怀凤 张莹莹 +2 位作者 赵友超 刘玉超 赵华亮 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2022年第7期85-97,共13页
与航空、地面瞬变电磁法不同,钻孔瞬变电磁法将接收探头置于钻孔之中,由于距离探测目标更近且远离地表,不仅可以观测到更强的响应信号,还可有效削弱孔外各类电磁信号的干扰,能够满足大埋深、精细化探测需求,尤其是深部盲矿和水害探测。... 与航空、地面瞬变电磁法不同,钻孔瞬变电磁法将接收探头置于钻孔之中,由于距离探测目标更近且远离地表,不仅可以观测到更强的响应信号,还可有效削弱孔外各类电磁信号的干扰,能够满足大埋深、精细化探测需求,尤其是深部盲矿和水害探测。通过回顾各类钻孔瞬变电磁法(回线源地.井、电性源地.井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法)的研究历史,总结各类方法在正演模拟、反演成像、仪器装备和应用案例等方面的研究现状。研究结果表明:回线源地.井瞬变电磁法研究基础丰厚,发展较为全面,已在生产中取得较多成功应用;而电性源地.井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法研究基础薄弱,由于理论方法、探测装备、反演技术等方面的限制,目前尚未得到广泛推广与应用,整体仍处在初步研究阶段,相关技术仍有待进一步提升。未来发展方向可以从以下几个方面入手,如带地形三维反演、快速地形校正方法、伪随机发射、多辐射源发射、套管干扰消除和多参数地球物理方法联合解释等,形成完善的钻孔瞬变电磁法理论和解译方法,为深部矿体探测、煤矿和隧道含水构造探测提供理论依据。 展开更多
关键词 地.井瞬变电磁法 隧(巷)道钻孔瞬变电磁法 正反演 仪器设备 应用案例
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基于L1范数的瞬变电磁非线性反演 被引量：19
2
作者 孙怀凤 张诺亚 +5 位作者 柳尚斌 李敦仁 陈成栋 叶琼瑶 薛翊国 杨洋 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期4860-4873,共14页
瞬变电磁反演存在高度的非线性特征,常用的最小二乘等线性反演方法往往对初始模型高度依赖,并且极易陷入局部最优解.本文基于观测数据与模拟数据的L1范数建立目标函数,采用模拟退火非线性全局最优化方法实现瞬变电磁一维反演.初始模型... 瞬变电磁反演存在高度的非线性特征,常用的最小二乘等线性反演方法往往对初始模型高度依赖,并且极易陷入局部最优解.本文基于观测数据与模拟数据的L1范数建立目标函数,采用模拟退火非线性全局最优化方法实现瞬变电磁一维反演.初始模型完全随机产生,通过指数函数退温机制模拟系统能量最小实现迭代,通过接收概率函数评价当前模型,实现局部最优解的跳出,最终实现全局最优化求解.通过数值算例发现,无论给定的反演层数等于还是大于设计模型,都可以获得较好的反演效果,因而可以在反演初始就设计较多的层数,实现反演模型的自动拟合;同时,利用含噪声数据反演进一步验证算法的稳定性.最后,对实测数据进行了反演测试,结果与钻孔编录基本一致,表明提出的基于L1范数的模拟退火反演可用于实测数据处理. 展开更多
关键词 瞬变电磁 模拟退火 非线性 反演 L1范数
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瞬变电磁Crank-Nicolson FDTD三维正演 被引量：15
3
作者 孙怀凤 柳尚斌 杨洋 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期343-354,共12页
时域有限差分(FDTD)方法使用Yee网格剖分电磁场的空间采样,通过时间步迭代实现电磁场数值模拟,具有内存消耗低、计算简单等特点,常用于瞬变电磁三维正演.然而,常规FDTD方法的时间迭代步长Δt受Courant-Friedrich-Lewy(CFL)条件严格限制... 时域有限差分(FDTD)方法使用Yee网格剖分电磁场的空间采样,通过时间步迭代实现电磁场数值模拟,具有内存消耗低、计算简单等特点,常用于瞬变电磁三维正演.然而,常规FDTD方法的时间迭代步长Δt受Courant-Friedrich-Lewy(CFL)条件严格限制,过多的迭代次数以及过密的采样往往导致计算速度慢、累积误差不断增大.本文提出一种不受CFL条件约束的无条件稳定隐式差分算法Crank-Nicolson FDTD(CN-FDTD)用于瞬变电磁三维正演.基于Crank-Nicolson差分方法对Maxwell方程组重新离散,空间网格仍然采用Yee元胞,时间步进采用在整时间步电场、磁场同时采样的策略,建立无条件稳定FDTD格式,突破CFL条件限制.与常规FDTD交替采样相比,CN-FDTD电场、磁场同时采样的策略构成的隐式差分格式,需要求解大型稀疏矩阵方程组.通常,瞬变电磁三维正演模型中产生的矩阵阶数往往较大,需要占用大量内存和求解时间.为解决上述问题,采用Crank-Nicolson-cycle-sweep-uniform(CNCSU-FDTD)方法近似求解CN-FDTD方程,在保证求解精度的同时,计算效率大幅提高.在边界条件处理上,采用双线性变换推导了复频率参数完全匹配层(CFS-PML)吸收边界.采用均匀半空间模型、四类三层模型进行精度验证,发现CN-FDTD三维正演结果与解析解、线性数字滤波解吻合较好.之后,与接触带上的低阻复杂模型进行对比,结果显示CN-FDTD正演结果与矢量有限元、有限体积法以及FDTD计算结果吻合较好.在此基础上,研究了时间步放大对CN-FDTD计算精度的影响,发现最大时间步放大到常规FDTD的3200倍时才会在晚期出现较明显的误差.在一台CPU为Intel Core i5-7300HQ的笔记本电脑单线程计算条件下,模拟到关断后30 ms仅需要50 min.在进行并行化后,将有望实现复杂模型分钟级的三维正演,从而为三维反演提供可靠、快速的正演方法. 展开更多
关键词 瞬变电磁 三维正演 CN-FDTD 双线性变换 CFS-PML
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基于最小二乘反演的半航空瞬变电磁纯二次场数据运动噪声去除方法 被引量：8
4
作者 杨洋 张衡 +2 位作者 周长宇 陈成栋 孙怀凤 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期2351-2364,共14页
半航空瞬变电磁法(Semi-Airborne Transient Electromagnetic Method,SATEM)通过在地面布置发射源,在空中接收信号,是一种新兴的地球物理勘探方法.在数据采集过程中,由于接收线圈持续运动和摆动,产生较大的运动噪声,导致采集的数据不能... 半航空瞬变电磁法(Semi-Airborne Transient Electromagnetic Method,SATEM)通过在地面布置发射源,在空中接收信号,是一种新兴的地球物理勘探方法.在数据采集过程中,由于接收线圈持续运动和摆动,产生较大的运动噪声,导致采集的数据不能直接使用.同时,瞬变电磁只在关断之后进行数据采集,获得的数据是非全时的,为数据预处理过程中的运动噪声去除带来困难.为有效去除非全时半航空瞬变电磁数据中的运动噪声,本文首先将非全时电磁数据延拓至全时长,基于傅里叶级数构造了半航空瞬变电磁晚期数据运动噪声超定线性方程组,通过最小二乘反演求解运动噪声,并将所获得运动噪声从原数据中剔除.通过对仿真数据和实测数据进行去噪,其能够有效识别并剔除数据中的运动噪声,去噪效果良好. 展开更多
关键词 半航空瞬变电磁法 运动噪声 傅里叶级数 最小二乘
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瞬变电磁BEDS-FDTD三维正演新算法及稳定性验证 被引量：2
5
作者 柳尚斌 孙怀凤 +2 位作者 李文翰 王震 杨洋 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期841-853,共13页
常规FDTD的时间步长需满足Courant-Friedrich-Lewy(CFL)稳定性条件,导致时间迭代步过多,正演非常耗时.针对上述问题,本文采用Backward Euler(BE)差分方法近似Maxwell方程组中场对时间的一阶导数,使时间步长突破CFL限制;引入Direct Split... 常规FDTD的时间步长需满足Courant-Friedrich-Lewy(CFL)稳定性条件,导致时间迭代步过多,正演非常耗时.针对上述问题,本文采用Backward Euler(BE)差分方法近似Maxwell方程组中场对时间的一阶导数,使时间步长突破CFL限制;引入Direct Splitting(DS)策略将电磁场分量解耦,并将大型稀疏矩阵降阶和重构为一系列低阶且主对角占优的三对角矩阵,加快方程求解效率;而且,为了减少模型尺寸,针对上述改进的全新方程,本文采用双线性变换方法(bilinear transform, BT)推导了复频率偏移完全匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer, CFS-PML)吸收边界,形成瞬变电磁三维正演全新算法:BEDS-FDTD.首先采用von Neumann方法测试了新算法在有耗介质中、非均匀时间步长下的稳定性.之后,将BEDS-FDTD算法用于模型实验,并将模拟结果与层状模型的半解析解进行了对比,实验结果证明了新算法的计算精度能够满足需要;同时对新算法的计算效率进行了分析,当采用Tesla A100 GPU计算时,50×50×50网格数目的模型仅用10 s,即使网格数目增加到200×200×200,也仅需224 s.最后,将BEDS-FDTD算法用于复杂三维模型计算. 展开更多
关键词 瞬变电磁 三维正演 BEDS CFS-PML 无条件稳定性
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半航空瞬变电磁法在凤凰2号隧道勘察中的应用 被引量：3
6
作者 郑寰宇 胡杰 +4 位作者 潘志军 陈信朋 孙汉武 王用鑫 孙怀凤 《隧道建设（中英文）》 CSCD 北大核心 2023年第9期1573-1582,共10页
为解决我国西南地区复杂地形条件下的隧道勘探难题,采用地面激发、空中接收的半航空瞬变电磁法开展试验研究,优化航线设计与数据采集流程、构建基于α-trimmed均值滤波器的天电噪声去除和基于多项式拟合方法的运动噪声去除方法、确定数... 为解决我国西南地区复杂地形条件下的隧道勘探难题,采用地面激发、空中接收的半航空瞬变电磁法开展试验研究,优化航线设计与数据采集流程、构建基于α-trimmed均值滤波器的天电噪声去除和基于多项式拟合方法的运动噪声去除方法、确定数据叠加方式与时窗积分参数、全域视电阻率计算与探测区域三维成像、隧道充填型岩溶发育区视电阻率特征分析与探测结果综合解释,并通过隧道实际开挖资料对探测结果进行验证。主要结论如下:1)半航空瞬变电磁法能够较准确地推断含水破碎带、岩溶发育区等不良地质结构的范围和深度,能够提前探明隧道地质风险区域并获得地下导电性分布特征,展示了该方法在复杂地形岩溶山区隧道勘察中相较于传统地面物探方法具有地形适应性强、探测效率高等特点;2)通过三维视电阻率成像和关键位置切片结果获得的地质异常区域推断与隧道开挖实际揭露异常吻合度较高,表明该方法可以为隧道岩溶处置预案设计和安全施工提供技术支撑,能够有效避免在隧道施工过程中因隐伏岩溶灾害导致的人员伤亡和财产损失。 展开更多
关键词 半航空瞬变电磁法 复杂地形 隧道 探测 岩溶发育区
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瞬变电磁低频近似Maxwell方程的CPML吸收边界及施加方法
7
作者 柳尚斌 李雪峰 +2 位作者 蓝日彦 李敦仁 孙怀凤 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期1472-1481,共10页
为保证瞬变电磁场晚期信号计算正确,在时域有限差分正演中通常采用低频近似,即将磁场散度方程显式的包含在电磁场迭代方程中,因而H_(z)的求解方式与H_(x)、H_(y)不同,导致常规CPML吸收边界无法施加.本文重新推导了CPML介质中的迭代方程... 为保证瞬变电磁场晚期信号计算正确,在时域有限差分正演中通常采用低频近似,即将磁场散度方程显式的包含在电磁场迭代方程中,因而H_(z)的求解方式与H_(x)、H_(y)不同,导致常规CPML吸收边界无法施加.本文重新推导了CPML介质中的迭代方程,并将其与常规介质中的迭代方程在形式上进行了统一,提出了一种适用于瞬变电磁低频近似下三维FDTD的CPML边界条件及施加方法.首先采用均匀半空间模型来验证本方法的有效性,发现模拟结果与解析解吻合较好,且模拟用时为采用Dirichlet边界FDTD用时的一半;而且,反射误差实验验证了本文的CPML边界吸收效率较高.之后,模拟了典型的三层模型,发现本方法的模拟结果与线性数字滤波解吻合程度较好.最后采用本方法计算了航空瞬变电磁带地形的复杂模型,实验证明了本文提出的CPML具有广泛的适用性. 展开更多
关键词 瞬变电磁 三维正演 FDTD 低频近似 卷积完全匹配层(CPML)
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