电磁波散射特性与反演技术研究
背向散射法
背向散射法背向散射法（Backscattering method）是一种用于研究材料的非破坏性测试技术。
它能够通过测量材料上散射回来的电磁波，从而获得关于材料性质和结构的信息。
本文将介绍背向散射法的原理、应用领域以及一些与之相关的研究成果。
背向散射法的原理很简单，就是将一个电磁波源照射到待测材料上，然后测量散射回来的电磁波的强度和相位。
根据电磁波相位和强度的变化，可以得到关于材料的信息，如尺寸、形状、电学和磁学性质等。
背向散射法广泛应用于材料科学和工程领域。
在材料科学中，背向散射法可以用于研究材料的微观结构和化学成分。
例如，科学家可以通过测量不同材料背向散射的电磁波的特性，来分析材料的晶体结构和晶格缺陷。
此外，背向散射法还可以用于材料的表界面分析，例如测量涂层材料的厚度和各向异性等。
在工程领域，背向散射法可以应用于材料的质量检测和性能评估。
例如，在航空航天工程中，背向散射法可以用于检测飞机的螺旋桨叶片或机身上的裂纹和疲劳损伤；在建筑工程中，背向散射法可以用于检测混凝土结构中的裂缝和缺陷；在电子工程中，背向散射法可以用于探测芯片和电路板中的缺陷。
近年来，背向散射法在材料科学和工程领域取得了一些重要的研究成果。
例如，研究人员利用背向散射法开发了一种非接触式的纳米尺寸物体测量技术，可以用于测量纳米颗粒的大小和形态。
另外，研究人员还利用背向散射法研究了多孔介质材料中的气体渗透行为，并提出了一种新的理论模型来描述气体渗透的过程。
此外，背向散射法还有一些衍生技术和方法，如相移背向散射法、极化背向散射法、时间分辨背向散射法等，可以进一步提高对材料的测量精度和探测深度。
综上所述，背向散射法是一种非破坏性测试技术，可以用于研究材料的性质和结构。
它在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景，并取得了一些重要的研究成果。
未来随着技术的不断发展，背向散射法有望在材料科学和工程领域发挥更加重要的作用。
雷达波反射的原理和应用
雷达波反射的原理和应用1. 引言雷达是一种利用电磁波反射原理检测和测量远距离目标的技术。
雷达系统由发射器、接收器和信号处理系统组成，通过发送和接收电磁波，利用目标物体对电磁波的反射来检测目标的位置、速度和其他属性。
本文将介绍雷达波的反射原理和常见的应用。
2. 雷达波反射的原理雷达波反射的原理基于目标物体对电磁波的散射和反射。
当雷达发射器发出电磁波时，这些波会沿着一定的方向传播，当遇到目标物体时，一部分电磁波会被目标物体吸收，一部分会被目标物体散射和反射。
2.1 雷达波的散射在雷达系统中，当电磁波遇到目标物体时，目标物体的尺寸和形状决定了散射的特性。
散射可以分为雷达散射（Backscatter）和散射副波（Secondary Scattering）两种。
•雷达散射：目标物体对电磁波的散射主要由目标物体的特性决定，如目标物体的形状、尺寸和材质等。
雷达散射的强度与目标物体的截面积、散射特性和入射波的功率相关。
•散射副波：当电磁波在遇到目标物体后发生多次反射和散射时，产生的次要散射波被称为散射副波。
散射副波的强度与目标物体的材质、形状和表面粗糙程度相关。
2.2 雷达波的反射当电磁波在目标物体上发生散射后，一部分波会沿着原始传播路径返回到雷达接收器。
接收器会接收到反射回来的电磁波，并通过信号处理系统进行信号解析和分析。
3. 雷达波的应用雷达技术具有广泛的应用领域，涵盖了军事、民用、科研和工业等多个领域。
以下是一些常见的雷达波应用示例。
3.1 航空雷达航空雷达是应用最广泛的雷达之一，用于监测和导航飞机。
航空雷达可以实时地监测飞行器的位置、速度和高度，同时还可以检测和跟踪近距离的其他飞行物体。
3.2 气象雷达气象雷达用于测量和监测天气系统，如降雨、风暴和气旋等。
利用雷达波的反射特性，气象雷达可以检测和跟踪降雨云体，预测降雨强度和路径，提供天气预报和警告。
3.3 距离测量雷达距离测量雷达被广泛应用于测距和定位。
瞬变电磁法正反演问题研究进展
第23卷 第4期地 球 物 理 学 进 展V ol.23 N o.42008年8月(页码:1165~1172)P ROG RESS IN G EOP HY SICSA ug. 2008瞬变电磁法正反演问题研究进展薛国强1, 李 貅2, 底青云1(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029; 2.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054)摘 要 对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.关键词 瞬变电磁法,正演问题,反演问题中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2008)04-1165-08Research progress in TEM forward modelingand inversion calculationXU E Guo -Qiang 1, LI Xiu 2, DI Qing -Yun 1(1.I nstitute of Geolog y and Geop hysics ,Chinese A cad emy of science ,Beij ing ,100029,China;2.S chool of Ge ology and S ur v ey Eng ineering ,Chang 'a n Univ ersity ,X i 'a n 710054,China)Abstract We g ive a g ener al rev iew o f recent r esear ch prog ress abo ut the T r ansient Electro magnetic M ethod (T EM )and instrument .T he achievement o f T EM for wa rd modeling and inv ersion hav e been summar ized .A t pr esent,the for war d numer ical calculation metho ds include 1D dig ital filter method,3D integ ral equat ion metho d,2D and 3D differ -ence met ho d,2.5D infinite element met ho d.T he main 1D inv erse met ho ds include float plate method,auto -inv erse metho d,smoking theor y,artificial neural netw or k,imag ing inver sion.We present the featur e o f ev ery numerical calcu -latio n metho d.T he developing directio n of fo rw ard and inver se st udies mainly is the 3D calculat ion method and the targ et imag ing sysy tem.Keywords tr ansient electr omag netic metho d,forw ard pro blem,inver sion problem收稿日期 2008-03-10; 修回日期 2008-06-20.基金项目 国家自然科学基金重点项目(50539080)和国家自然科学基金项目(40774066)联合资助.作者简介 薛国强,男,1966年生,1989年于西安地质学院获学士学位,2002年于长安大学获硕士学位,于2005年于西安交通大学获博士学位.研究方向为电磁探测理论与应用(E -mail:ppxueguoqiang@ )0 引 言电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求.电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的.通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的电磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法.瞬变电磁测深法(Transient electr omagneticm ethod,简称T EM)是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法.它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态.该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强地球物理学进展23卷以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔.目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一.已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门.成功地解决了大量实际问题[1,2].但是应用领域的问题越来越多并且越来越难,发展瞬变电磁法精细探测技术是一次机遇和挑战[3~5].本文详细列举了瞬变电磁法各种正反演方法,并对方法进行了回顾和展望.1方法概述20世纪30年代,最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是美国科学家,当时利用不同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.最早提瞬变电磁法工作方法的前苏联科学家,当时采用的是远区工作模式[7,8].到了20世纪50~60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段.20世纪60年代以后,当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展.随之,/短偏移0、/晚期0、/近区0、等技术研究迅速发展起来.美国等西方国家在20世纪70~ 80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的深部调查中.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究[9~11].20世纪80年代后随着计算机技术的发展,欧美学者在二三维正演模拟技术方面,发表了大量的论文[12~17].与此同时,前苏联学者提出电磁波拟地震波的偏移方法,吸取了/偏移成像0的广义概念,在电磁法中确定了正则偏移和解析法偏移两种方法.80年代末,从激发极化现象理论出发,研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,解释了瞬变电磁法晚期电磁响应的变号现象,并对三维极化体的瞬变电磁响应特征进行了数值计算.[18~20].在我国,对瞬变电磁法的研究始于20世纪70年代,朴化荣、曾孝箴等人,他们将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿中;方文藻、李貅等将大回线源瞬变电磁测深法广泛用于地热和地下水调查、工程调查和地质灾害调查,又将瞬变电磁法用于大地电磁测深曲线的静校正,取得了良好的效果.蒋邦远等将瞬变电磁法用于普查勘探良导金属矿,随后又研制出了DCM-1型电磁脉冲瞬变系统;牛之琏等将T EM法用于金属矿勘探上,取得了明鲜的效果,并与智通研究所合作研制并生产了SD-1型智能化瞬变电磁仪,白云仪器厂在此基础上研制了M SD-1, BYF5M SD1瞬变电磁系统;中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所研制了WDC-1,WDC-2瞬变电磁仪器,后又研制了IGGETEM-20瞬变电磁系统;西安强源物探研究所研制了LC,EMRS-1, EM RS-2瞬变电磁仪;北京矿产地质研究所王庆乙教授研制了T EMS-3S瞬变电磁仪器;吉林大学林君教授研制了ATEM-2瞬变电磁仪器,重庆奔腾数控技术研究所研制了WT EM系统;但是目前国内仪器的稳定性,重复性都不如国外仪器好.国内主要的进口仪器有加拿大GEONICS公司生产的PRO-TEM系统(PROTEM-37,47,57,67);PH OEN IX 公司生产的V6,V8系统;美国ZONGE公司生产的GDP-32系统等.以前,瞬变电磁法只局限于金属矿勘探,1992年以后随着仪器的智能化与数字化,瞬变电磁法开始步入工程、环境、灾害地质调查中,如探测地下采空区,陷落柱等煤田灾害,划分地下断层、寻找地下水,金属矿产勘探、石油、煤炭等非金属矿产调查、工程场地地质勘察、隧道超前地质预报等领域.取得了良好的效果.瞬变电磁法以其独特的优点广泛用于资源勘探和工程勘察中.但针对一些具体的精细探测问题如:高速公路和铁路建设中的隧道超前地质预报精细探测,大型重要古墓的墓室结构精细探测,大型水坝隐患精细探测等,常用的瞬变电磁法的分辨率受到限制,探测效果受到影响.从目前看,在理论研究、仪器研制方面处于初级阶段.虽已解决了一维正反演问题,但在二、三维的研究成果还未达到应用程度.传统的瞬变电磁探测方法对地下目标体的评价精度低,一般采用二次衰减曲线和由此算得和的视电阻率值及视纵向电导值作为解释参数,用一维的计算公式得到深度)视电阻率,或者深度)视电导率二维断面图来进行解释.多数仍处于定性和/看图识字0的阶段.对瞬变电磁法测深资料定量解释还局限于单点一维反演,很多情况下是靠解释人员的工作经验及地质先验知识来对测深结果做出判断,人为性较大.随着探测分辨率和精度要求的提高,在原有解释方法理论基础上对正反演问题做更深入地研究,探索新的反演理论并将其进行系统化,建立系统的T EM解释正反演理论,同时使瞬变电磁法的解释11664期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展向三维方向迈进,使这一方法能更好地解决一些高难的精细探测问题.当然,加强仪器研制,观测方式的改进,微信号拾取方法研究等方面也要加强.2 正演问题研究正问题是根据给定的地球模型求解地球物理电磁场理解值,反问题是根据实际测量的地球物理电磁场数据定性或者定量解释出地球内部的结构的过程.2.1 一维正演问题对瞬变电磁法一维情况下的正演计算大多采用先在频率域进行讨论,得到层状介质下的电磁响应表达式,然后把讨论结果转换到时间域来.从频率域到时间域响应的转换,可以采用的方法有:GAVER -STEH FEST 逆拉氏变换方法、延迟谱方法、线性数字滤波方法、折线化正余弦变换法.线性数字滤波技术是将汉克尔变换转换成卷积形式,离散化后形成数字滤波器.滤波器的系数由已知变换对求出[21].这一变换主要涉及H ankel 变换,H ankel 变换方法有两种,一种采用线性数字滤波技术,利用H ankel 系数反积分方程离散化,并把积分形式变成求和形式.(流程图如图1)计算精度与系数的个数多少有关系.另外一种办法是把足够长的积分区间分成两部分,求出贝塞尔函数的两个零点,在各区间内采用高斯积分求积,然后求和,这一算法精度较高,但是效率较低,图1 一维正演数值计算流程图Fig.1 F lo w chart o f 1D fo rw ard calcalat ion折线化正余弦变换法是利用正余弦函数的导数性质和分部积分法则将积分转换成为对核函数导数的的正余弦变换.对导数进行差商近似,将积分区间分段,并在每个段内用折线来逼近积分核函数,使核函数的二次导数变成一系列D 函数的和.该算法对缓变函数效果较好.2.2 二维正演问题二维数值计算多采用有限差分法进行.用两个无限长直导线近似作为发送回线源,可用均匀半空间的解析解在t >0时刻将源转化为初始条件加入.从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,利用准静态近似处理空中边界,在地-空界面向上延拓一个网格,采用五点差分显式格式,在每一时间步计算网格空间各点的场量,然后进行时间的逐步递推,就能直接模拟电磁波的传播及其与地质体的相互作用过程,使电磁场的时域特性被直接反映出来[22].(流程图如图2)图2 二维正演有限差分法程序流程图F ig.2 Flow char t of 2D farw ard ca lculatio nusing the difference method由于源的处理和边界条件的确定是建立在在水平均匀半空间基础上的,目前的时域微分方程算法尚存在着不足,无法分析TEM 场对浅异常体的响1167地球物理学进展23卷应;无法有效地分析地形对T EM的影响,地形与异常体的相互作用还不甚清楚;由于对源的特殊处理,使得计算结果对浅部地质体的反映不佳.有限元法对频率域计算比较有利.因为它可以很方便地处理急剧变化的和倾斜的电导率分界面和地形等问题.由于频域电磁勘探中的二维定解问题相对简单,且用有限元法求解十分方便,因此,先在频域中用有限元法求解,然后变换到时间域,是瞬变电磁二维正演的一种有效途径[21].2.32.5维正演问题2.5维时间域电磁场数值模拟问题是目前国际上尚未妥善解决的计算地球物理疑难问题之一.我国从20世纪80年代开始着手研究2.5维电磁场的数值模拟,采用有限元法对时间域[23]和频率域电磁场的2.5维响应进行正演数值模拟,采用快速松驰算法实现三维源二维地质结构的CSAMT数值计算[24],尽管占用计算机资源较大,但是确实给多维反演研究开辟了方向.为避免过于庞杂的三维正演计算量,可以首先在频率域计算电磁场响应值,然后再把计算结果变到时间域采用三角形网格代替传统的矩形网格算法,导出了中心回线瞬变电磁2.5维二次场(纯异常)的有限单元计算公式.2.4三维正演问题3D反演是提高TEM资料解释效果的必由之路,3D模型正演又是反演的基础,因此,改进与完善TEM法3D模型正演,对进一步提高TEM资料解释水平和方法的应用效果具有理论和现实意义.目前国内还没有应用较好的3D正演软件.三维瞬变电磁场正演计算只能用数值方法,主要方法有三类:有限差分法,有限元法和积分方程法.前两种方法要求对所计算的全部区域进行离散化,所占用的计算机容量较大.后者只要对异常区域进行离散化,存贮量大大减小.积分方程是最早实现3D场模拟的数值算法[19,25,26],因为积分方程法只需要计算小体积异常区的场,不必计算整个区域的场.这一点使积分方程算法在数值计算的早期,比微分方程法具有更大的优越性.但是积分方程法求解要遇到某些更困难的数学问题,仅适合模拟简单模型.在计算比较复杂的模型,如层状大地中的3D异常体时,往往不能用直接时域积分方程求解,而要由频域积分方程的计算结果经傅立叶变换到时域.尽管几乎在所有情况下,电磁场的频率域特性和时间域特性之间可以通过傅氏变换一一对应,然而也有一些情况,除了转换中的计算精度问题以外,两者之间有着很微妙的差别.要模拟复杂的地质构造,还要依赖于时域微分方程的方法.和积分方程算法不同,在开放域的地球物理问题中,微分方程算法要解决边界条件和源的处理问题.瞬变电磁三维直接时域有限差分法数模拟已经有报道[27].而且还进一步地通过设定等效位移电流,使原适合波动场的时域有限差分算法(FDT D)能够适用于扩散场问题.直接时域算法的引入,展现了电磁场在地下随时间传播的全过程,直接模拟电磁波与地下异常体的相互作用,使TEM 场的时间特性被直接反映出来,从而给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图象.直接在时间域中求解和从频率域中转换,两者的计算量基本相当,前者精度较高,尤其是晚期,但是计算复杂.后者由于频率域的研究已有很好的基础,所以做起来简便.也可以按照二维时间域有限差分的思路进行三维有限差分计算[27],即把三维源问题做特殊处理后,作为初始条件加入迭代方程,然后进行计算.3反演问题研究3.1浮动薄板解释法[28~34]它是一种根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的近似解释方法.因此称为/视纵向电导解释法0,也有人把该法形象地称为/浮动薄板解释法0.水平薄板模型是瞬变电磁场正演计算中唯一能用初等函数解析表示的地电模型.随着时间的推移,瞬变电磁场向地层深处传播.因此,可将每个瞬间观测到的电磁信号等效为某一/浮动0导电薄层产生的场,从而直接把观测的垂直磁场分量时间导数矩阵转换为电导率)深度值.根据电磁理论,我们可用一导电平面来代替地下均匀介质,然后用镜像法可以方便地求出空间任一点的感应磁场.可形象地理解为:随时间的增减,等效导电平面以速度1L0R上下/浮动0(R为电导率,L0为磁导率).当时间增大时,它逐渐下沉,当时间减小时,它又逐渐/上浮0.这样便可以用一块随时间的变化而/沉浮0的/载流0导电平面近似代替回线源中的均匀大地,从而方便的求出地表任一点的异常场.这就是/浮动薄板法0的基本原理.这一方法应用较早.3.2烟圈理论解释法[35]在均匀大地上,敷设输入阶跃电流的回线,当发11684期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展送回线中电流突然断开时,在下半空间中就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场,此瞬间的电流集中于地表附近,并按r-4规律衰减(r 为中心至观测点的距离).随后,面电流开始扩散到下半空间中,在切断电流后的任一晚期时间里,感应涡流呈多个层壳的0环带0形,并形成一系列与发送回线同形状并且向下及向外扩散的/电流环0,通常称之为/烟圈0.大地感应涡流在地表面产生的电磁场可近似地用圆形电流环表示.这些电流环就像由发射回线吹出的/烟圈0,其半径随着时间增大而扩大,其深度随时间延长而加深.这就提示我们:当计算均匀半空间的地面瞬变电磁响应时,可以用某一时刻的镜像电流环来代替.随着时间的延长,涡流场向下及向外扩展.依据计算的结果,涡流场极大值将沿47b 倾斜锥面扩展,计算均匀半空间的瞬变电磁响应时,可以把/烟圈0看作一系列的二次发送线圈,很容易地计算出在某时刻沿地面测线的响应值,以及在某个测点的响应值随时间变化的规律.在层状介质中,仍然保持同样的/烟圈0效应,只是/烟圈0的传播将逐渐局限于导电地层中.3.3 人机对话自动反演法.先根据地质资料及定性分析结果,给出初始模型进行正演计算,将正演计算结果用改进的阻尼最小二乘法与实测数据对比拟合.如果拟合结果不满足要求,就修改模型参数,再进行正演计算,然后再对计算结果对比,如此重复直到满意为至.为了减少多解性的影响,采用了可行方向法,控制计算参数的变化范围.以上过程全部在人的控制下由计算机自动完成.瞬变电磁测深数据拟合问题可以表示为如下的约束条件:min U (x ),x -[x i [ x ,(1)其中U x 为目标函数,x =x 1,x 2,,x mT,x --为x i 的下界, x 为x i 的上界.令:x 1i=x 0i +$x i ,t \1x 0i+t $x i ,t <1(2)其中$x i 由下式决定:A TA +A I $x =A TB式中A 为雅可比矩阵,I 为单位阵,A 为阻尼因子,其中t 由下式决定:t =x i -x 0i/$x i ,$x i >E0,-E [$x i [E x ---x 0i/$x i ,$x i <-E(3)其中E 为给定小正数.把满足上述三式的x 1i作为下次迭代新的初值,如此迭代运算,直到求出x 1,x 2,,x m 的最佳值为至.3.4 人工神经网络反演法目前传统电磁资料反演方法理论相对来说比较复杂,不易学习掌握;后期数据处理量大,计算复杂,很难进行实时反演.人工神经网络特别适合处理不确定性和非结构化信息.地质勘探和开发中的大量信息就是这种信息,同时,它也避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决那些复杂的实际问题;而且它还具有学习记忆功能,能够一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具备了延续性和继承性,便于推广.人工神经网络是模拟人脑机理和功能的一种新型计算机和人工智能技术,在数据处理中避免了数据分析和建模中的困难,采用拟人化的方法进行处理,特别适合于不确定性和非结构化信息处理,因此在地质勘探中具有重要意义.人工神经网络反演法,它不要求工作人员有丰富的工作经验,它避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决复杂的实际问题,而且还具有学习记忆功能,它一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具有延续性和继承性.随着专家系统的不断完善,该方法将有广阔的发展前景.3.5 成像类反演由于地震勘探研究相对比较成熟,在20世纪80年代后期,人们提出了在电磁勘探数据中采用拟地震解释法,进行成像处理.大地电磁法和瞬变电磁法都取得了一定的进展.成像类反演主要有两种,一种是时频等效转换方法,即:通过一个经验公式,把TEM 数据等效转换成平面波场数据[36~38],借用M T 数据的拟地震思路,求取反射系数序列进行成像[39].另外一种就是波场转换方法[40~44],并进一步进行拟地震偏移成像[8,45].在场源激励下,地下介质中产生涡流,在阶跃波断开后,涡流不会立即消失,而是有一个过渡过程,在这个过程中,由地下介质所产生的二次感应场经过了一个由无到有,由小到大,到极大,到衰减,再到1169地球物理学进展23卷无的过程.对于地下某一深度z,磁场微分量d B/d t 初始值为零,经过建场,到达极大值,最后衰减到零.某一频率或者某一时间的电磁场分布在地下的任何深度内.从地球物理勘探的角度看,电磁探测深度与仪器的检测灵敏度、地电情况、围岩情况、噪声电平等因素有关.在比较理想的情况下,也可能探测到埋深相当于几倍的趋肤深度(或者扩散深度)的地下地质体,在复杂地质情况下,也可能探测不到埋藏在趋肤深度(或者扩散深度)以内的地质体.但是,总的来说,对于同一介质的同一深度,扩散场的视电阻率与平面波场的视电阻率对此深度地电性结构应该有相同的反映.在一维近似的情况下,把趋肤深度和扩散深度等效认为是电磁场的探测深度一种从瞬变电磁测深数据向平面波场转换的时间t频率f对应关系.210f=t.(4)忽略位移电流以后,低频电磁场满足扩散方程,不能直接对电磁探测数据进行成像,扩散方程中的波数含有一次项,波动方程中的波数含有二次项,两个方程的形式不同.但是,电磁扩散方程与地震波动方程间存在有趣的数学对应形式,从波场到时域场的波场正变换式H m(t)=12P t3Q]0S e-S24t U(S)d S.(5)变换得到的虚拟波场,不仅满足波动方程,而且还类似于地震子波一样,具有传播、反射、透射特征.瞬变电磁场偏移成像问题与地震勘探中的弹性波偏移成像问题有相似之处,但也不完全相同.如果将扩散的瞬变电磁场变换为波场处理,将该波场从地面向地下反向外推进行偏移成像,形成瞬变电磁偏移方法,将对提高瞬变电磁场的分辨率具有重要意义.虽然变换出来的波场在形式上与地震波场一样都满足波动方程,但是由于两种波场的物理背景不同,它们之间存在一些重要区别,前者是与感应的瞬变电磁衰减曲线相对应的/反射0子波,是虚拟的,而后者是在弹性介质中传播的客观存在的地震子波.另外,虚拟波场在每一介质中的传播速度不仅与本介质的电导率有关,而且还受相邻介质电导率的影响,这与地震波场是不同的.瞬变电磁法的三维反演问题将是研究的热门.由于计算的复杂性,国内研究较少,国外学者研究相对较多,不断探索更多的反演方法[46~51].国内对时频联合反演进行了研究,并取得初步成果[52].其它不同方法的三维正反演问题也得到了研究[53~57],其研究成果会对瞬变电磁法有所借鉴.但随时着计算技术的不断发展,三维反演问题得到解决,瞬变电磁法的勘探精度会得到很大的提高.4研究展望在理论与应用中,瞬变电磁法已以取得了很大的进展,但是一些焦点问题还没有解决,一些研究还没有真正达到实用化,还需要研究者做更多的突破.在注意发展研究复杂地电条件下二、三维问题正反演的同时,更应注意实际应用效果,发展瞬变电磁测深资料与其它勘探资料的联合反演;投入力量研究瞬变电磁拟地震的偏移成像技术;在回线源非共中心点情况下,对水平分量的正演模拟计算和资料反演都研究的不够.需要加强水平分量资料的观测,及多分量数据的正反演问题研究.瞬变电磁法目前大多停留在一维反演阶段,三维反演则处于方法研究或者特定方式的应用阶段,所以,要实现三维反演的实用化,成果推广化,还需要走一段很长的道路.在三维正演计算中,大多研究场源为电偶极子或者接地长导线形式,对于应用较广的矩形回线源情况,由于其复杂性,正演计算研究相对较少.另外,对航空瞬变电磁法,海洋瞬变电磁法,井地瞬变电磁法,井下瞬变电磁法的正反演理论与方法的研究还远远不够.只有这些研究有足够多的突破,才有可以推进瞬变电磁法的全面发展,展示该方法最美好的一面.参考文献(References):[1]胡祥云,杨迪坤,刘少华,胡正旺.环境与工程地球物理的发展趋势[J].地球物理学进展,200621(2):598~604.H u X Y,Yang D K,L iu S H,H u Z W.Th e developing trendsof environmental and engineering g eophysics[J].Progres s in geoph ysics,200621(2):(598~604).[2]曾昭发,刘四新,刘少华.环境与工程地球物理的新进展[J].地球物理学进展,2004,19(3):486~491.Zeng Z F,Liu S X,Liu S H.T he new progress of en viron men-tal and en gineering geophysics[J].Progress in geop hysics, 2004,19(3):486~491.[3]赵永贵.中国工程地球物理研究的进展与未来[J].地球物理学进展,2002,17(2):305~309.Zhao Y G.T he Pres ent S itu ation and Future of Engineerin g Geophys ics in China[J].Progres s in geophysics,2002,17(2): 305~309.[4]滕吉文.21世纪地球物理学的机遇与挑战[J].地球物理学进展,2003,19(2):208~215.T eng J W.Opportunity challenge and developing frontiers:1170。
反演理论概述
反演理论1基于AIRS 卫星的质量分析大气红外探测器(AIRS )搭载于美国NASA 的地球观测系统(EOS )上，是Aqua EOS PM （EOS/水星）卫星平台上的主要观测仪器[5]。
其目标是以高光谱分辨率测量全球大气的温度和湿度的廓线，在3.74—15.4µm 谱段测量向上的红外辐射，同时以2378个频段（谱带）进行测量，而只有4个可见光波段。
其中覆盖了温度探测区 4.2µm 、二氧化碳带15µm 、水汽带 6.3µm 以及臭氧探测带9.6µm 等。
AIRS 的光谱通道被分为17个模块，波段的光谱分辨率随波长的增加而逐渐增大。
其中，模块M-11和M-01b 可用于反演二氧化碳浓度，前者光谱分辨率为0.5cm -1左右，后者近2cm -1。
因此我们选取了对流层二氧化碳分辨率较高的15µm 的M-11模块。
其探测范围为687.60-728.44cm -1。
通过热灵敏度的考察并排除参数Comments 显示质量不合格的通道，选取噪声等效温差值较小且较为平稳，通道探测灵敏度高的700-725cm -1波段。
在进行二氧化碳敏感性分析时，应按照以下原则选取二氧化碳的通道：1、根据各波段模拟的二氧化碳、温度、水汽和臭氧的权重函数，选取二氧化碳权重函数最大值最大，而受其他三者影响最小的最优波段；2、选取对二氧化碳拥有较强依赖性，而对臭氧和水汽很少依赖的通道。
最终选择了以下13个参与反演的二氧化碳通道。
表2.1 参与反演的13个通道Channel 192198 209 210 212 214 215 Wavenumber(cm -1) ) 704.436706.137 709.279 709.566 710.141 710.716 711.005Channel 216217 218 228 239 250 Wavenumber(cm -1) ) 711.293711.582 711.871 714.773 717.994 721.244 2.2二氧化碳反演理论太阳辐射穿过大气层时，必然受到大气反射、吸收和折射等多重作用，不同波段的电磁波通过大气后产生不同程度的衰减。
地球物理反演方法的分析与评价
地球物理反演方法的分析与评价地球物理反演是通过测量地球物理场并运用数学模型来推断地下结构的一种技术。
为了获得准确的地下信息，科学家们不断改进和发展不同的反演方法。
本文将对几种常见的地球物理反演方法进行分析与评价。
1. 介电常数反演方法介电常数反演方法是一种通过测量电磁场数据来推断地下介电常数分布的方法。
该方法适用于地质勘探、环境监测等领域。
通过分析电磁场数据的变化，可以推断地下的介电常数分布情况，进而了解地下的岩石性质和地形特征。
这种方法具有较高的分辨率和准确性。
2. 地震波反演方法地震波反演方法是一种通过测量地震波数据来推断地下介质的方法。
地震波波形在不同介质中传播的速度和路径都有所不同，通过分析地震波数据的变化，可以推断地下的物理性质和结构。
地震波反演方法适用于地震勘探、地震灾害预测等领域。
这种方法可以提供较准确的地下结构和地质信息。
3. 重力反演方法重力反演方法是一种通过测量地球重力场数据来推断地下密度分布的方法。
地下的密度分布会对地球重力场产生影响，通过分析重力场数据的变化，可以推断地下的密度分布情况。
重力反演方法适用于矿产勘探、地下水资源调查等领域。
这种方法具有较高的分辨率和准确性。
4. 电磁法反演方法电磁法反演方法是一种通过测量地下电磁场数据来推断地下电导率分布的方法。
地下的电导率分布与地下的水分、岩石性质等因素有关，通过分析电磁场数据的变化，可以推断地下的电导率分布情况。
电磁法反演方法适用于水资源调查、矿产勘探等领域。
这种方法可以提供较准确的地下电导率信息。
5. 时间域反演方法时间域反演方法是一种通过测量地球物理场数据的时间变化来推断地下结构的方法。
该方法适用于地壳运动监测、地震预测等领域。
通过分析地球物理场数据的时间变化，可以推断地下的结构和变化情况。
时间域反演方法具有较高的分辨率和准确性。
综上所述，地球物理反演方法是研究地下结构和物性的重要手段，不同的反演方法适用于不同的领域和问题。
植被物理遥感反演叶面积指数(lai)的基本原理
植被物理遥感是使用遥感手段对地球表面植被进行观测和研究的一门科学。
而植被的生长状态对于环境和气候变化有着重要的影响，因此研究植被的生长状态是遥感科学的重要内容之一。
而植被叶面积指数（L本人）作为一个重要的生长状态指标，在植被生长研究中有着重要的作用。
本文将从植被物理遥感的基本原理出发，结合L本人的意义和遥感技术的方法，对植被叶面积指数的反演进行详细介绍。
一、植被物理遥感的基本原理植被物理遥感是利用电磁波在地球大气和植被上的相互作用特性，通过遥感手段来获得植被信息的一种研究方法。
它主要基于以下几个基本原理：1. 光谱特征：植被反射和吸收不同波长的电磁波具有不同的特征，通过对这些特征的分析可以获取植被的信息。
2. 辐射传输：植被对不同波段的光有着不同的透过、反射和散射特性，通过对辐射传输的研究可以了解植被在不同波段下的特性。
3. 植被生理过程：植物的生长状况和生理过程与其在不同波段上的反射、吸收等特性存在相关性，通过对植被生理过程的研究可以推断植被在遥感数据中的表现。
以上基本原理为植被物理遥感的开展提供了理论基础，并为植被信息的提取和解释奠定了基础。
二、叶面积指数（L本人）的意义叶面积指数（Leaf Area Index，简称L本人）是指植被表面单位面积上叶片的总表面积与该单位面积的比值。
L本人的大小反映了植被的生物量、生长状态和生态功能，同时也是评价植被覆盖度和光能利用效率的重要参数。
1. 生物量：L本人与植被的生物量密切相关，L本人较高表示植被的叶面积较大，通常意味着植被覆盖度较高，生物量也较高。
2. 生态功能：L本人反映了植被的光合作用能力和蒸腾作用强弱，对于了解植被的生态功能和生态系统的健康状况有着重要的指导意义。
3. 环境变化：L本人的变化对于环境变化和气候变化有着一定的响应，通过监测L本人的变化可以了解植被对环境变化的响应和适应能力。
由于L本人在植被研究和生态环境监测中的重要作用，因此通过遥感手段反演L本人成为了研究的重要课题之一。
地球物理反演方法及应用领域分析
地球物理反演方法及应用领域分析一、引言地球物理反演是一种通过观测地球上的物理场，并利用物理定律和数学模型，对地下结构和地球内部特征进行分析的方法。
地球物理反演方法在地质勘探、地震研究、资源勘探等领域具有重要应用价值。
本文将围绕地球物理反演方法展开讨论，并分析其在不同应用领域的具体应用。
二、地球物理反演方法1. 重力反演法：重力反演法是通过测量不同地点的重力场强度，利用物理模型和解析方法，进行地下密度结构的反演。
它在石油勘探、地质构造研究和火山活动监测等领域都有广泛应用。
2. 电磁反演法：电磁反演法通过测量电磁场数据，包括电磁地震、磁力计和电磁感应仪等，来推断地下岩石的电性性质。
电磁反演法在矿产资源勘探、地下水资源评价和环境地球物理研究等领域具有重要作用。
3. 地震反演法：地震反演法是通过地震波在地下传播的速度以及反射和折射现象，推断地下介质的物理特性。
它在地震勘探、地震监测和地震预测等领域发挥着重要作用。
4. 磁法反演法：磁法反演法是通过测量地磁场的强度和方向，推断地下岩石的磁性特征。
它在矿产勘探、石油勘探和矿床研究等领域中得到广泛应用。
三、地球物理反演方法的应用领域1. 地质勘探：地球物理反演方法在地质勘探领域中极为重要。
通过研究地球物理场的各种参数，例如重力场、磁场和电磁场，可以获得地下岩石的构造、性质和分布情况。
这对于石油勘探、矿产资源探测和地质灾害预警具有重要意义。
2. 地震研究：地球物理反演方法在地震研究中起到关键作用。
地震波的传播速度和反射、折射现象可以帮助科学家了解地震震源的位置、深度和强度，进而预测地震活动趋势和地震风险区域。
3. 矿产资源勘探：地球物理反演方法在矿产资源勘探中有广泛应用。
通过测量地下电磁场、地震波速度和重力场等物理参数，可以判断地下矿床的位置、形态和含量。
这对于矿产勘探和矿石储量评估具有重要意义。
4. 环境地球物理研究：地球物理反演方法在环境地球物理研究中也扮演着重要角色。
利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究
利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究一、概括本文针对北京及其周边地区的气溶胶光学厚度（AOD）进行了研究，探讨了利用MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer）资料反演AOD的方法。
气溶胶是大气中粒径小于或等于微米的颗粒物，对环境、气候和人类健康具有重要影响。
AOD 是衡量气溶胶光学特性的重要参数，可反映气溶胶的分布、浓度和谱分布等信息。
文章首先介绍了大气气溶胶的基本概念和重要性，然后分析了几种常见的MODIS AOD反演方法，包括辐射传输模型（ATM）、神经网络模型、经验统计方法和遥感影像融合技术。
对这些方法进行了简要评述，并提出了研究中需要解决的关键问题和技术难点。
通过实际观测数据和对比分析，验证了所提出方法的准确性和可行性。
1.1 研究背景与意义随着社会的快速发展，大气污染问题日益凸显，尤其是气溶胶粒子的污染。
气溶胶粒子不仅影响太阳辐射的吸收和散射，还对人类健康、气候变化等产生重要影响。
准确、实时地了解大气气溶胶光学厚度（AOD）对于大气污染监测、气候变化研究和环境评估具有重要意义。
遥感技术在大气污染监测领域得到了广泛应用，尤其是利用MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer）数据反演气溶胶光学厚度。
MODIS是 NASA 下属的地球观测与地球系统实验室（EOS），具有高时间分辨率和高空间分辨率的遥感数据。
通过 MODIS 数据反演气溶胶光学厚度，可以为政府和相关部门提供有力的决策支持。
北京及其周边地区作为中国的政治、经济和文化中心，以及重要的交通枢纽，大气污染物排放量大，气溶胶光学厚度时空变化复杂。
研究该地区气溶胶光学厚度的分布特征、影响因素及其对大气污染的影响，对于深入理解区域大气污染机制、制定科学合理的大气污染治理措施具有重要意义。
1.2 MODIS资料的特点与优势高时间分辨率：MODIS数据具有一天内多次更新的潜力，为捕捉气溶胶光学厚度的变化提供了便利。
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电磁波散射特性与反演技术研究
电磁波是一种在空间中传播的电场和磁场相互作用产生的波动。
它在许多领域中有广泛的应用，如无线通信、雷达探测、医学影
像等。
其中，电磁波的反射、透射、散射等特性是电磁波技术应
用中的重要问题。
本文将从电磁波散射特性和反演技术两个方面
进行讨论和分析。
一、电磁波散射特性
散射是电磁波遇到不均匀介质（包括障碍物、边界等）时所发
生的现象。
散射对于一些应用，比如雷达目标识别、地质探测、
医学诊断等非常关键。
电磁波散射的特性主要包括反射、散射、
透射和折射。
反射：当电磁波遇到介质表面时，一部分电磁波会被反弹回来，这种现象就是反射。
反射率的大小与入射角度、介质的电磁性质
等因素有关。
散射：当电磁波遇到分布相对杂乱的界面（如浑浊液体），在
其遇到杂乱界面时，会发生随机的散射，使得原本传播方向改变。
透射：当电磁波从一种介质进入另一种介质时，电磁波将发生
透射。
透射的强度取决于介质的电磁性质、入射角度和波长等因素。
折射：当电磁波从一种介质进入另一种介质时，由于介质的电磁性质不同，电磁波传播方向将发生变化，这种现象就是折射。
二、反演技术
反演技术是指根据电磁波在介质中传播的特性和散射特性来恢复介质内部的信息，常见的反演技术有声呐成像、雷达成像、医学成像等。
其中雷达成像是利用雷达技术实现对车辆、飞机等物品检测的一种成像技术，医学成像则是指通过对人体的电磁波信号进行处理，对人体进行身体检测和成像。
雷达反演技术是目前研究最为活跃的一种反演技术。
雷达反演成像技术利用雷达信号经过目标表面时的反射特性，得到目标的表面形态特征，可以实现对目标进行二维或三维成像。
目前，基于雷达反演技术的成像技术已经广泛应用于工业、交通、水利、医学等领域。
医学成像技术是指利用电磁波在人体内部的传播特性和散射特性，对人体进行成像。
常见的医学成像技术有X射线成像、CT成像、MRI成像、超声成像等。
这些成像技术能够对人体内部的器官、组织、病变等进行检测和成像，为临床医学提供了强有力的工具。
总的来说，电磁波散射特性和反演技术是电磁波应用的重要研究领域，其研究成果不仅可以促进电磁波技术的发展，还可以在
医疗、生物、工业、国防等领域中得到广泛应用。
随着计算机科学和数学方法的发展，反演技术将成为未来电磁波应用领域的重要研究和发展方向。