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瞬变电磁三维合成孔径延拓成像方法研究

戚志鹏  
【摘要】:本文以实现瞬变电磁三维解释为目的。结合瞬变电磁波场变换方法,借助于合成孔径雷达的基本思想,采用相关叠加的方法进行合成孔径,由此大大提高瞬变电磁法的分辨率,引入了用克希霍夫积分法将合成孔径后的波场从地面向地下反向延拓,实现了瞬变电磁的三维延拓成像。 瞬变电磁波场变换方程为第一类Fredholm积分方程,由扩散场到波场的反变换过程是典型的不适定问题。瞬变电磁采样时间动态范围广,使问题的病态性更加严重。针对此问题,论文引入预条件正则化共轭梯度法,实现了瞬变电磁全时域波场变换。超松弛预条件处理有效降低了方程系数矩阵的条件数,然后利用正则化共轭梯度迭代算法,实现全时域波场反变换。将反变换结果与已知波场函数对比,证明算法稳定、可靠。将结果与原来分段正则化结果对比,说明方法效果。结合反变换算法,对层状模型虚拟波场特性进行分析,由G、D两层模型,定量分析了虚拟波场对电阻率差异的敏感特性;由A、H、K、Q三层模型分析了虚拟波对薄层厚度的分辨效果;并总结了虚拟波场在有耗介质中的传播性质。 随着瞬变电磁波场变换算法的提出,实现了由具有扩散特征的瞬变场向虚拟波场的转变,这就为实现瞬变电磁法的合成孔径成像创造了条件。瞬变电磁合成孔径成像技术是借用合成孔径雷达成像的思路,就是利用机载真实孔径发射线圈与目标的相对运动,把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效孔径的发射线圈,使其分辨能力更高、穿透能力更强。数字模拟和模型试验的结果都证明了:相邻位置上同一地质体的反射回波具有较好的相关性,因此根据不同位置信号的相关系数生成不同的权值函数,相邻各列信号在做相关叠加时以权函数进行加权,将重建的地质异常体信号加强,从而提高信噪比,达到突出弱异常的目的,进而提高分辨率,加大勘探深度。 结合大量理论模型分析可知,在有耗的大地介质中,经变换得到的波场在传播过程中振幅衰减迅速、高频成分很快被吸收,这不利于分辨率的提高。针对变换后波场的吸收和展宽现象,引入地震勘探中常用的脉冲反褶积方法,结合最小相位滤波,实现了虚拟波场脉冲压缩算法。通过对模型子波的压缩可知,脉冲压缩有效提高了波场的垂向分辨率。 在分析合成孔径雷达算法的基础上结合瞬变电磁信号的特点,对采样信号进行相关加权叠加形成瞬变电磁合成孔径数据体。从惠更斯原理出发,依据Kirchhoff积分公式,建立了瞬变电磁虚拟波场曲面延拓成像公式和实用算法,在算法中,采用三维边界元技术,提高了计算效率,与此同时,提出了基于等效导电平面解释方法的近似速度分析方法,实现了地表为曲面的向下延拓成像计算。 通过对实测数据的处理,用瞬变电磁三维合成孔径延拓成像方法有效地实现了地下介质的三维成像,成像结果与钻孔资料相吻合。模型和实测数据处理,充分说明瞬变电磁虚拟波场三维延拓成像可以有效识别地下电性界面,是实现三维解释的有效方法。结合脉冲压缩和聚焦合成孔径技术将有效提高了波场的分辨率。因此波场延拓成像技术使瞬变电磁高精细成像探测成为现实。更值得一提的是,文中方法不仅适用于地面勘探方式,也适合于航空瞬变电磁方式,使得瞬变电磁法在山地、海洋等复杂区域的精细探测大有作为。


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