时间域航空电磁法正演模拟
基于AeroTEM直升机时间域航空电磁响应曲线分析
基于AeroTEM直升机时间域航空电磁响应曲线分析摘要：时间域直升机航空电磁法是航空物探常用的测量方法之一。
本文分析了基于AeroTEM直升机时间域的航空电磁响应曲线。
关键词：AeroTEM；时间域航空；电磁响应航空电磁法测量的基本原理是基于麦克斯韦方程组，工作过程与地面的电磁有所不同，它是在空中进行激发和接收。
而且其具有速度快、成本低、通行性好、可大面积覆盖等优势，它在水平分辨率及有效探测尝试等方面有着突出的优点，得到了广泛的应用。
一、AeroTEM航电系统AeroTEM航空电磁系统，由加拿大Aero-quest公司制造，第一代吊舱航空电磁系统于1996年到1999年研发，并于1999年5月投入使用。
目前该系统已发展到第三代(AeroTEMHD)。
直升机航空电磁系统众多，不同航空电磁系统间的差异主要包括：发射和接收线圈面积、匝数、线圈高度等参数。
各系统的发射电流峰值和波形也不同，包括三角波、梯形波和正弦波。
同时，各系统的脉冲宽度和脉冲间隔时间（占空比）也不同。
本文主要选择AeroTEMⅡ航空电磁系统参数进行正演模拟。
实验中，具体参数为：发射线圈面积19.8m2，线圈匝数5，发射线圈和接收线圈高度35m，水平收发距离0，线圈由Z分量和X分量测量，发射电流峰值260A，发射波形为三角波，基频为90Hz，脉冲宽度为1.877ms，脉冲间隔为3.038ms。
在实际生产过程中，上述发射基频、发射电流参数和发射接收线圈的高度是不固定的，参数可根据工作区域的实际情况进行调整。
二、航空电磁法航空电磁法是航空物探常用的测量方法之一，它是通过研究由人工或天然形成的电磁场，对地质体感应激发产生的异常场特征和规律（即应用交变电磁场的感应原理），来寻找矿体或解决某些地质问题。
其特征包括：①方波发射,改进了地面响应和数据处理；②宽脉冲提高了对导电体的鉴别能力；③提高了对系统几何形态变化的监视能力；④数据处理中清除了由于系统几何形态变化带来的影响；⑤地层深度反演。
【国家自然科学基金】_正演模型_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
线性插值 约束反演 立方体正演公式 瞬变电磁响应 瞬变电磁 相频率 相互作用 直流电阻率法 电磁波传播方程 琼东南盆地. 物理模型试验 煤层厚度 热通量 热液活动 激发极化法 溶洞系统 混凝土 深海 深水坳陷 测点偏离 测点中心网格 测井响应 浅层气藏 流体识别 流体替换 波形特征 波导 波场延拓 波动方程 沉降 汶川 正演模型 模拟退火 模拟计算 模拟 概率神经网络 梯度 有限差分方法 有限元法 有限元正演 有限元 时域有限差分法 断层滑动 数据融合 数字地形模型(dem) 改进的快速模拟退火算法 探地雷达 挠曲悬臂梁模型 挠曲均衡模型 快速傅立叶变换(fft) 干涉形变场 幅频率 布格校正 川东南
107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 起伏地表 频率域航空电磁法 非均匀介质 波场延拓 有限差分 探测深度 层状模型 均匀半空间模型 一维正演 高密度采样法 高密度电阻率法 风云三号卫星 非规则网格 震源参数 隐蔽圈闭 随机 道路工程 透镜体 逆时偏移 输运过程 辅助场 视电阻率 衍射层析成像 蒙特卡罗方法 自由基准面 网格步长 网格 紫外臭氧垂直探测仪 粒径趋势分析 粒径分布 米氏理论 破裂分布 瞬变电磁法 相位矢量图法 直射线追踪 目标重建 生物礁 煤矿岩溶 潮流作用 渤海湾盆地 渗流 海洋光学 浮游植物 测井约束反演 波场成像 波动方程 格子法 构造反演 构造倾角 有限元直接迭代算法
时间域航空电磁法2.5维有限元模拟
近年来 ， 航 空 瞬变 电磁 法 Ａ Ｔ Ｅ Ｍ（ Ａ ｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ Ｔ ｒ ａ ｎ ． ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ） 作 为 一种快 速勘 查方 法得 到 了 较 快发 展 ， 其 优 势是 探 测 范 围更 广 ， 测 深 效 率更 高 ， 如 茂 密森 林 、 崎 岖 山地 、 沼泽 、 湖区、 浅海等地区， 都 是航 空 瞬变 电磁 的用 武 之 地 ． 而 常规 物 探 方 法却 无 能为 力 。 目前 广泛应 用 于生产 实践 中的是基 于 电导
题 是精 度不 够 高 ， 速度 太 慢 。此 次 研 究 借 鉴 了地 面
瞬变电磁的一些技术 ， 提高了场源附近的计算精度 ．
通 过优 化算Байду номын сангаас法提 高 了计算 速度 。
１ 理论
Ａ Ｔ Ｅ Ｍ 与 常规 Ｔ Ｅ Ｍ 的 区 别在 于 发 射 源 的位 置
逼近 法 ［ ３ 和伪 层 半 空 间模 型 ［ ５ ］ 等近似解释法 ， 后 来发 展 了一维 层状 大地 反演 ］ 。由于一 维模 型 的 局 限性 ， 往 往无 法解 释 或错误 解释 二 、 三维 地质体 上
的Ａ Ｔ Ｅ Ｍ 数据 ， 给野 外 勘 查 造 成较 大 的损 失 。研 究 高维 时 间域航 空 电磁 响应 的难度 较大 ， 进展 缓慢 。 Ｓ ｔ ｏ ｙ ｅ ｒ 等＿ １ 于 １ ９ ７ ６年首 先研 究 了 ２ ． ５ Ｄ时 间域
时间域航空电磁法正演模拟
( 2 (( x )
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泛函可以表示为：
1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) 1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) r r J (u,v) uT ( ) d d )u vT ( ) d d )v 1 1 1 1 2 J 2 J
国内外研究现状（1）
1948年，加拿大试飞第一套 航空电磁系统。 1950年INCO航空电磁系统 研制成功。 60－70年代，首次在矿产开 发上得到应用。 70－80年代，航空电磁系统 进一步优化。 80年代后，几经曲折，航空 电磁法仪器已经相对稳定。 时间域航空电磁系统（INPU -T）,在1980年夏首次试飞， 随后相继推出多种改进的型 号。
K1,16 W1 S1 K 2,16 W 2 S2 K16,16 W16 S16
当边界网格取足够大时， 边界节点上的电场u，v 可以近似等于0.
，
其中： r
，
，
i 0 p 2 2 k k y ik q 2 y 2 k ky 2 k i 0
2 k 2 ky
右端项是和一次场有关的量，本文一次场 取无限均匀空间，对于垂直磁偶极子有： i m ikr y E ( ikr 1) e x 4 r 2 r i m ikr x E ( ikr 1) e y 2 4 r r Ez 0
时间域航空电磁法研究进展综述
时间域航空电磁法研究进展综述
梁盛军;张力卡;曹学峰;刘前坤
【期刊名称】《地质与勘探》
【年(卷),期】2014(0)4
【摘要】本文介绍国内外时间域航空电磁法的发展历史和现状,包括仪器系统、数据处理、正反演算法和应用实例。
认为我国的这项技术应朝以下几个目标发展:(1)完善的仪器系统,减小噪声干扰,提取更多的有用信息。
(2)高效的数据处理方法,有利于发现小规模的异常体。
(3)适合航空电磁数据的正反演稳定算法。
(4)精细的解释方法。
结合多源信息综合解释,加强与实际勘探相结合,参考其它已有的航空物探方法解释手段,提高解释精度。
【总页数】6页(P735-740)
【关键词】时间域航空电磁法;数值模拟;反演算法;解释
【作者】梁盛军;张力卡;曹学峰;刘前坤
【作者单位】中国国土资源航空物探遥感中心;国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室;山东省城乡建设勘察院
【正文语种】中文
【中图分类】P631.326
【相关文献】
1.直升机时间域航空电磁法补偿线圈 [J], 张一鸣;高星乐;郭兵;刘洁;付强;刘蔚
2.时间域航空电磁法激电效应对电磁扩散的影响 [J], 殷长春;缪佳佳;刘云鹤;邱长
凯;蔡晶
3.时间域航空电磁法2．5维有限元模拟 [J], 强建科;周俊杰;满开峰
4.航空时间域电磁法在澳大利亚新英格兰造山带铜多金属矿靶区优选与评价中的应用 [J], 徐明钻;黄岩;刘建生;刘建东;梁胜跃;陈峰;王军成
5.时间域航空电磁法在地下空间探测中应用 [J], 梁盛军;李兆亮;何怡原;王明;余学中
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关于瞬变电磁法2_5维正演中的几个问题_熊彬
[ 17 ] [ 16 ] [ 15 ]
; W. L.
[ 18 ]
; J. H.
图 1 傅氏域磁场垂直分量随波数的变化曲线
Fig . 1 Vertical magnetic component curves w ith regard to wave 2number in Fourier domain
0 前言
三维空间的电磁问题 , 经拉普拉斯变换 、 傅立 叶变换之后 ,由原先的四维边值问题转变成为 2. 5 维的边值问题 。众所周知 , 2. 5 维 (二维大地三维 场源 )模型在地球物理领域内有着重要的实用价 值 ,这是因为求解复杂三维模型问题所需的计算机 机时和内存都过于庞大 ,简化之后的 2. 5 维模型则 只需对截面 ,而不是整个体积作离散处理 , 大大地 减小了矩阵的尺寸 。 在方便解决问题的同时 ,该方法也存在不易解 决的问题 : ①如何合理选取傅氏域波数的个数及 其分布 。 ② 如何形成一套有效的拉氏逆变换算 法 。作者在本文中将针对上述两方面的问题加以 讨论 。
s
t∈ [ 0. 1, 10 ] 1 ( 3 ) F ( s) = , f ( t) = J0 ( t) , 2 s +1 - 6 t∈ [ 10 , 1 ] 通过对上述三例函数的数值反演计算 , 我们可 以得到 : ① 对于圆滑的像函数 , 即不存在间断点 、 凸点 、 顶点及振荡剧烈的情形 , Gaver - Stehfest变 换方法能够获得精度较好的像原函数 , 前面三例中 - 6 - 5 最大相对误差分别在 4 × 10 、 5 × 10 、- 12 × - 6 10 以内 ; ② Gaver - Stehfest算法的主要缺点是 权系数 V i 随着的增加而急剧增大 , N 的选取对解 的精度影响很大 , 本文作者推荐取 12 ～18。
基于AeroTEM直升机时间域航空电磁响应曲线分析
原理（ 见 下 页图 １ ） 与地 面 电磁法 相 同 ， 都 是基 于物 理 学 中的 电磁 感 应 定 律 ， 工 作 过程 分 为 发 射 、 电磁 感应 和接收 三部 份 ， 只是航 空 电磁法 的发 射装置 与
地 面 电磁 法 略有 不 同 。地 面 电磁 法 的数 据 处 理 和 解 释方法 同样 也 适 用 于 航 空 电磁 法 。航 空 电磁 系
第３ ５ 卷 第１ 期
物探 化 探 计 算 技 术
２ ０ １ ３ 年１ 月
文 章编 号 ：１ （ ） （ ］ １ 一ｌ ７ ４ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ 一（ ） （ ） ３ ４ —０ ６
基 于 Ａｅ ｒ ｏ ＴＥ Ｍ 直 升 机 时 间域 航 空 电磁 响 应 曲线 分 析
软件 进行 了许多板 状体角 ， 埋深等参数的经 验公 式 ； 同年 ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｅ Ｗ．Ｈｅ ｆ ｆ ｏ ｒ ｄ Ｅ ］ 基 于 毕 奥萨 伐
基 金 项 目 ：国 家 ８ ６ ３高技 术 研 究发 展 计 划 项 目（ ２ ０ ０ ６ Ａ Ａ０ ６ Ａ２ ０ ５ ５ ）
定 理 和磁偶 极子 近似公 式 ， 经定 量分 析得 出 了航 电
０ 前 言
航 空 电 磁 法 （ Ａｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ，
系统发射线圈和接收线 圈结构 （ 线圈角度 ， 收发距 等 参数 ） 的改变 ， 对于探 测地 下低 阻异 常体 的影 响 。
王宇航 ，李永兴
（ １ ． 成都理工大学 地球物理学院， 四川 成都 ６ １ ０ ０ ５ ９ ； ２ ． 中国 国土资 源航 空物探 遥感 中心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ）
时间域航空电磁法研究进展综述
时间域航空电磁法研究进展综述梁盛军1，2，张力卡3，曹学峰1，2，刘前坤1，2( 1． 中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083; 山东省城乡建设勘察院，山东济南 250031)3． ［摘 要］本文介绍国内外时间域航空电磁法的发展历史和现状，包括仪器系统、数据处理、正反演 算法和应用实例。
认为我国的这项技术应朝以下几个目标发展: ( 1) 完善的仪器系统，减小噪声干扰， 提取更多的有用信息。
( 2) 高效的数据处理方法，有利于发现小规模的异常体。
( 3) 适合航空电磁数 据的正反演稳定算法。
( 4) 精细的解释方法。
结合多源信息综合解释，加强与实际勘探相结合，参考 其它已有的航空物探方法解释手段，提高解释精度。
［关键词］ 时间域航空电磁法 数值模拟 反演算法 解释 ［中图分类号］P 319 ［文献标识码］A ［文章编号］0495 － 5331( 2014) 04 － 0735 － 6 DOI:10.13712/ki.dzykt.2014.04.013L i ang S heng -j un ，Z hang L i -k a ，C ao X ue -f eng ，L i u Qi an -k u n ． Ｒesea r c h p r og r ess of the t i m e -do - main a i r bo r ne e l ect r om agnet i c m et hod ［J ］． Geology and E x p l o r at i on ，2014，50( 4) : 0735 － 0740．航空电磁法的开端。
随着时间域航空电磁系统的问 世，解释方法也逐步开展。
2011 年中国国土资源航 空物探遥感中心 ( 航遥中心) 从加拿大引 进 了 一 套 直升机时间域航空电磁系统，该系统已进行试生产 飞行，取 得 良 好 效 果。
2012 年，航 遥 中 心 依 托 863 项目自主研制出吊舱式直升机航空电磁系统，该系 统已经在野外试飞并通过中华人民共和国科技部验 收，目前该系统仍处于改进阶段，已经成功采集大量 野外试验数据。
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水平磁偶极子
Ex 0 E y i m (ikr 1) e ikr z 4 r 2 r i m y (ikr 1) e ikr Ez 2 4 r r 2 m x e ikr [ 2 (k 2 r 2 3ikr 3) (k 2 r 2 ikr 1)] H x 3 4 r r m ikr xy 2 2 H y 4 r 3 e r 2 (k r 3ikr 3) H m e ikr xz ( k 2 r 2 3ikr 3) z 4 r 3 r2
quT (
1 -1 -1
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1
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2
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1
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iw0 T 1 1 v ( NN T J d d )v 1 1 2
1
( S2 u S2 v))dxdz
K1,16 W1 S1 K 2,16 W 2 S2 K16,16 W16 S16
当边界网格取足够大时， 边界节点上的电场u，v 可以近似等于0.
解 方 程 右端项
p p S ( p E ) ( p E 1 a x a z ) z x S 2 E p (q E p ) (q E p ) a y a x a z x z
垂直磁偶极子
i m ikr y Ex 4 r 2 (ikr 1) e r E i m (ikr 1) e ikr x 令 W2i-1 =ui ,W2i =vi ，在一个单元格中，矩阵方程 如 y 4 r 2 r 上式，将各单元的积分相加扩展到NPN*NPN Ez 0 m ikr xz 2 2 全体系数矩阵，其中NPN=（2*NE-1）*(2*NZ H x 4 r 3 e r 2 ( k r 3ikr 3) 1)-(NE-1)*(NZ-1)，NE为横向剖分节点数，NZ H m e ikr zy ( k 2 r 2 3ikr 3) 为纵向剖分节点数。 y 4 r 3 r2 2 H m e ikr [ z ( k 2 r 2 3ikr 3) (k 2 r 2 ikr 1)] z 4 r 3 r2
E s i0 H s s s p H E E a
Hs不仅和Es有 关，也与一次 电场有关
降维处理得到：
s s s s ( p H y ) ( p H y ) (q E y ) (q E y ) i H s S 1 0 y x x z z x z z x s s s s Hy Hy Ey Ey s (q ) (q ) (r ) (r ) Ey S2 z z x x x z z x， 其中： r
，
，
i 0 p 2 2 k k y ik q 2 y 2 k ky 2 k i 0
2 k 2 ky
右端项是和一次场有关的量，本文一次场 取无限均匀空间，对于垂直磁偶极子有： i m ikr y E ( ikr 1) e x 4 r 2 r i m ikr x E ( ikr 1) e y 2 4 r r Ez 0
求偏导
上述公式中所示积分，采用高斯积分法求取。至此系数矩阵可 以完整的表达出来。对矩阵方程的求取，目前方法比较多，本文 采用波前法求解。由于篇幅所限，波前法原理在此不再赘述。
s u E ,v Hy s y
一次场计算
K1,1 K 2,1 K 16,1 K1,16 W1 S1 K 2,16 W 2 S2 K16,16 W 16 S16
p S 1 ( p a Ex ) ( p a Ezp ) z x S 2 E p (q E p ) (q E p ) a y a x a z x z
边值问题对应的泛函问题：
r u u r v v u v u v J (u,v) { (( ) 2 ( ) 2 ) (( ) 2 ( ) 2 ) q( ) 2 x z 2 x z x z z x 1 ( u 2 i0 v 2 )}dxdz 2
2012年中国地质大学（北京）硕士学位论文终期答辩
时间域航空电磁法正演模拟
指导教师：谭捍东 教授 答 辩 人：印红军 2012年5月19日
方法简述
时间域航空电磁法（ATEM），是航空电磁方法的一 个重要分支。该方法以飞机作为载体，基于不同探测 目标体的电学和磁学性质差异，通过观测及研究断电 后二次涡流场随时间的变化规律来探测介质的电性特 征。 该方法被广泛应用于矿产资源勘察、地质调查和环境 监测、地下水勘察等领域。 种类繁多； A.固定翼系统 成本低； B.直升机系统 C.半航空系统 效率高； 分辨率高； 操作灵活； 对屏蔽层下伏地层或构造 有较好的分辨能力。
国内外研究现状（1）
1948年，加拿大试飞第一套 航空电磁系统。 1950年INCO航空电磁系统 研制成功。 60－70年代，首次在矿产开 发上得到应用。 70－80年代，航空电磁系统 进一步优化。 80年代后，几经曲折，航空 电磁法仪器已经相对稳定。 时间域航空电磁系统（INPU -T）,在1980年夏首次试飞， 随后相继推出多种改进的型 号。
等参单元法求系数矩阵
双二次线性插值：
1 N (1 )(1 )( 1) 1 4 N 1 (1 )(1 )( 1) 2 4 N3 1 (1 )(1 )( 1) 4 1 N 4 (1 )(1 )( 1) 4 1 N5 (1 2 )(1 ) 2 1 N 6 (1 2 )(1 ) 2 1 2 N 7 (1 )(1 ) 2 1 2 N (1 )(1 ) 8 2
s u E ,v Hy s y
对应泛函极值问题：
J (u,v) =0 u J (u,v) =0 v u ( x, z ) g(x,z) v ( x , z ) g ( x, z )
单元网格
K1,1 K 2,1 K 16,1
边值问题
基本微分方程推导
设电磁场为按eiwt变化的谐变场，并忽略位移电流 的影响，则总电场和磁场可以通过麦克斯韦方程表述
p E i0 H M p H E J
由于外加源Mp和Jp很难通过离散公式表达，因此 求二次场相对容易。二次场Es和Hs满足：
MEGATEM II TDEM系统
INPUT系统
国内外研究现状（2）
我国航空电磁法研究起步 稍晚。 七十年代末，物化探研究 所研制的双频航空电磁系 统取得成功并投入使用。 航空物探遥感中心于七十 年代末引进的加拿大 TRIDEM三频航空电磁系统 也进行了大量的生产飞行， 现在该系统已报废。 目前，使用中的有 “松 鼠”型直升机吊挂型航空 电磁测量系统。
( 2 (( x )
r u
2
(
1 1 F ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) u 2 r ) )dxdz u T ( ix ) d d )u 1 1 z 2 J
泛函可以表示为：
1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) 1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) r r J (u,v) uT ( ) d d )u vT ( ) d d )v 1 1 1 1 2 J 2 J
r v 2 v 2 r T 1 1 Fix ( , ) Fjx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) ( (( ) ( ) )dx dz v ( ) d d )v 1 1 2 x z 2 J
1 Fix F jz Fiz F jx u v u v T q ( ) dxdz qu ( d d )v 1 x z z x J iw0 T 1 1 1 T 1 1 2 2 T ( ( u i v )) dxdz u ( NN J d d ) u v ( NN T J d d )v 0 2 1 1 1 1 2 2
1 N i 1 y N i y N i x J ( ) J Fix ( , ) N i 1 ( x N i x N i ) 1 F ( , ) iy J J z
x 其中： J x y x
SKYTEM SURVING 系统
Y12F 系统
本文需要完成任务
利用有限元法实现了时间域航空电磁法二维 正演数值模拟。 通过模型试算对二维正演算法进行精度验证。 完成高低阻、组合体、倾斜体以及高低阻屏 蔽层模型的数值模拟。 研究加入cole-cole模型参数，对正演模拟的 影响 研究视电阻率求取方法
1 Fix F jz Fiz F jx J (u,v) r 1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) ( )d d )u q( d d )v T 1 1 1 u 2 J J 1 1 1 1 T ( NN J d d )u S 2T d d 0 1 1 1 1 2 J (u,v) r ( 1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) )d d )v q ( 1 Fix Fjz Fiz Fjx d d )u 1 vT 2 1 1 J J 1 1 iw0 1 1 T ( NN J d d ) v S1T d d 0 1 1 1 1 2