时间域航空电磁数据全波成像与处理技术研究

【摘要】：航空电磁法(Airborne Electromagnetic简称AEM)是以电磁感应定律为基础，以飞机为运载工具的一种航空物探测量方法。AEM速度快、成本低，已广泛应用在矿产资源的勘察、地质填图、环境监测、工程、水文等领域。 本文依托国家863计划重大项目“航空地球物理勘查技术系统”的子课题“吊舱式时间域直升机航空电磁勘查理论研究与系统设计”的科研实践，研究了时间域航空电磁数据全波成像技术与数据处理技术，本文主要内容及结构如下： 第一，本文介绍了时间域航空电磁法的基本原理，对比列举了直升机式和固定翼式航空电磁勘察系统的结构特点及适用范围等。计算了时间域航空电磁全波响应(off-time响应和on-time响应)。以阶跃脉冲波形为基础，计算发射电流关断后接收线圈内生成的感应电动势off-time段随时间的衰减曲线。采用将频率域的计算结果转换到时间域的计算方法，根据频率域电磁场的汉克尔表示形式，先在拉普拉斯变换域中计算时间域电磁场的瞬态响应，然后借助G-S变换做拉普拉斯逆变换，计算接收线圈内感应电动势的瞬变过程。根据频率域垂直磁偶极子电磁响应计算公式及傅里叶变换、卷积定理推导on-time响应的计算公式，进而计算得到任意发射波形的全波响应。 第二，本文研究了时间域航空电磁数据全波成像技术与一次场去除技术。 on-time响应和off-time响应的幅值随电导率的变化存在二值性问题，通过正演计算不同飞行高度和电导率情况下的全波响应，然后对数据进行α-τ变换、归一化处理，构造数据表，通过查表的方法计算电导率，利用深度公式计算深度，得到电导率随深度变化的结果。利用数据仿真构造五层大地模型，分别进行off-time响应和on-time响应的电导率深度成像，发现on-time响应能反映出浅层大地导体的存在。 由通电圆线圈周围磁场的计算推出一次场响应在X、Y、Z三个方向的计算公式。对比分析发射线圈和接收线圈位置变化对一次场响应的影响。应用预测性过滤算法去除一场响应，利用飞机的飞行参数构造矩阵，通过奇异值分解不断的迭代得到滤波器系数，进而计算一次场响应，将计算所得从总响应中减去即去除了一次场响应。 第三，本文研究了时间域航空电磁数据噪声压制技术。 通过梳状滤波技术、早期振荡去除技术、多边形叠加技术对航空电磁数据的噪声进行压制。设计按一定规律排列的通带和阻带的滤波器在频率域上对信号噪声进行滤除，然后再通过反傅里叶变换恢复时域信号，有效去除晚期道数据的噪声。早期振荡去除技术首先计算高空背景每一道数据与发射电流的比例系数，然后用测线上的数据减去与之对应的发射电流与系数的乘积以去除振荡影响。采用多边形叠加的方法叠加数据，不同时间段采用不同的窗宽，相对常规叠加来说既提高了早期数据的分辨率又提高了晚期数据的信噪比。 第四，本文对时间域航空电磁野外模拟飞行实验数据进行噪声压制及成像处理。采用吉林大学仪器科学与电气工程学院研制的JLATEM直升机式时间域航空电磁勘查系统在长春市郊区进行模拟航空飞行实验，介绍了基于matlab GUI数据处理软件的操作流程，给出了噪声压制处理和成像结果，结果表明本文的噪声压制技术优于常规的数据处理方法，有效去除了噪声。