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瞬变电磁软件设计与开发实现

李斌  
【摘要】: 瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods),缩写为TEM,是一种重要的时间域电磁勘探方法,其利用不接地回线(磁源)或接地电极(电偶源)向地下发送一次脉冲电磁场,用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流场产生的二次电磁场的空间和时间分布,来解决有关地质问题的时间域电磁法,它有着频率域电磁法所不具备的许多优点,但同时由于电磁理论的复杂,高维的正、反演定量解释方法目前正处于试验研究之中;另外,现有的处理软件又复杂繁琐,费时,很难适应野外大批量数据的实时处理成像,因此研制开发具有快速成像功能的瞬变电磁处理解释软件具有较强的现实意义和使用价值。 本文共六章,可分四个部分,第一部分为第一章前言,回顾了瞬变电磁法的发展历程,并简要的介绍了国内瞬变电磁处理软件研制现状。第二部分为第二,第三和第四章,分别介绍了瞬变电磁法和软件设计及开发的基本理论,包括瞬变电磁激发场源、响应过程、接收装置、均匀半空间和均匀层状介质模型的正演理论及快速电阻率成像理论、软件设计及开发等。第三部分为第五、第六章,详细的叙述了瞬变电磁软件的设计思想及实现方法。第四部分为结论,并提出了进一步工作意见。 在瞬变电磁法中,均匀半空间和层状介质模型的正反演问题已经得到较好的解决,但对于更为复杂的二、三维模型,其响应函数十分复杂,并且计算代价也很昂贵,目前解决这种复杂模型的正反演解释还比较少,国内据本文作者所知道的有:王华军(2003年)和熊彬(2006年)实现了瞬变电磁2.5维有限元法数值模拟以及毛立峰(2007年)在超宽带域中实现了三维瞬变电磁有限差分法数值模拟。本文所用数值模拟方法是本文依托的课题项目组所采用的Guptasarma算法的瞬变电磁2.5维有限差分法数值模拟,提高了计算速度并且有效的抑制了晚期振荡。反演方法上为简化起见,根据纳比吉安提出的“烟圈”理论,采用了瞬变电磁法的电阻率快速成像方法,这样就能得到瞬变电磁资料的电阻率-深度反演剖面。该方法具有不需要初始模型、反演速度快的特点。 综合分析瞬变电磁法的数据格式以及处理解释的方法,将理论与实际相结合,按照实际需要和软件工程的要求,采用面向对象程序设计思想和面向对象程序设计方法来研制功能较完整,结构合理,能提供给用户良好的图形用户界面和友好的应用环境,方便用户操作、使用的可视化应用软件。 软件的开发平台和开发工具的选择至关重要,由于Windows是一种使计算机变得易于使用的操作系统,通过它可提高工作效率,大大缩短了软件的开发周期,而且所编制的程序清晰、易懂,具有良好的人机交互界面。所以,本软件采用Windows作为开发平台。软件的用户界面的开发工具采用Visual C++ 6.0,正演和烟圈反演使用Compaq Visual Fortran 6.5,成图采用MATLAB 6.5。瞬变电磁处理解释软件由六个子模块组成:数据管理模块,数据编辑模块,正演模块,电阻率快速成像模块,屏幕建模模块,成图模块,六个子模块紧密相连,数据管理模块是让用户管理数据,数据编辑模块为电阻率成像模块提供合格的反演数据,正演模块完成TEM 2.5D正演计算,电阻率快速成像模块为成图模块提供合格成图数据,屏幕建模模块为2.5D正演提供模型,成图模块完成数据等值线等图件的绘制。 数据管理模块、屏幕建模模块采用Visual C++,其中屏幕建模模块还采用了GDI+(Graphics Device Interface Plus图形设备接口加),完成了模块的开发。数据编辑模块的设计采用Visual C++和Tee Chart控件,Tee Chart使用简单,功能强大,而且充分体现了面向对象的特点。使用Tee Chart控件显示和编辑视电阻率曲线,因为从仪器采集到的原始数据不可避免会受到干扰,在曲线上的反映就是不光滑的,所以应对视电阻率曲线进行编辑,以此来达到平滑曲线的目的,进而为电阻率成像提供合格的输入数据。 正演模块和电阻率成像模块的用户界面采用Visual C++设计,2.5D正演和电阻率成像计算采用Fortran,以充分发挥两者的优势。而这样就会涉及到混合编程,利用两种或两种以上的编程语言编写的源码来构建程序模块。利用动态链接库(DLL)就可以实现两种不同的编程语言之间相互调用。正演和快速电阻率成像程序是用Fortran编写的,为了有效的利用现有的程序,减少不必要的重复性工作,可以把正演和快速电阻率成像程序编译成动态链接库,让Visual C++开发的用户界面调用,这样开发的模块就具有较好的用户界面和较高的执行效率。成图模块利用了Visual C++和MATLAB混编技术,MATLAB自带了编译器,能将M语言编写的程序生成DLL文件,应用程序通过调用动态链接库来绘图,充分利用了MATLAB强大的绘图功能,避免了重新开发绘图软件,提高了工作效率。


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