本文關(guān)鍵詞：固定翼時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)整體反演

  更多相關(guān)文章： 固定翼航空電磁探測 線圈姿態(tài) 一維正演 一維整體反演 擬二維整體反演

【摘要】：固定翼航空電磁探測是以固定翼飛機(jī)為平臺(tái)，電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的地球物理探測方法，具有探測深度深，工作效率高等優(yōu)勢，目前廣泛應(yīng)用于油氣探測，礦產(chǎn)勘查等領(lǐng)域，尤其適用于地面探測難以進(jìn)入的森林、沙漠、沼澤等地帶。固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)發(fā)射線圈架設(shè)于飛機(jī)四周，接收吊艙以吊繩連接，懸掛在飛機(jī)后下方，由于飛機(jī)姿態(tài)、速度、風(fēng)速等因素，發(fā)射線圈、接收線圈姿態(tài)和吊艙擺動(dòng)狀態(tài)不斷變化，在測量數(shù)據(jù)中引入如發(fā)射磁矩方向，接收分量方向以及系統(tǒng)收發(fā)距等參數(shù)的誤差，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)的一致性，進(jìn)而無法獲得準(zhǔn)確的反演成像效果。我國航空電磁探測數(shù)據(jù)反演解釋理論研究起步較晚，與國外存在一定的差距。近年來，隨著國家對(duì)航空物探方法的重視，國內(nèi)學(xué)者對(duì)航空電磁數(shù)據(jù)的處理及反演解釋進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于數(shù)據(jù)校正、反演方法都是傳統(tǒng)的各步驟單獨(dú)進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理方法，在反演過程中，沒有考慮系統(tǒng)吊艙擺動(dòng)和線圈姿態(tài)角度的影響。 本論文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“固定翼時(shí)間域航空電磁探測的整體反演方法研究”和國家重大科研裝備研制項(xiàng)目子課題“航空瞬變電磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與反演成像”的資助下，針對(duì)上述問題，提出了固定翼時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)擬二維整體反演方法，實(shí)現(xiàn)了一條測線數(shù)據(jù)“校正-反演”同時(shí)進(jìn)行的擬二維整體反演。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)基于固定翼時(shí)間域航空電磁正演理論，采用層狀大地模型，計(jì)算了平穩(wěn)飛行狀態(tài)下的固定翼時(shí)間域航空三分量電磁響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了任意吊艙擺動(dòng)角度、發(fā)射線圈姿態(tài)角度以及接收線圈姿態(tài)角度情況下的計(jì)算表達(dá)式。分別研究了發(fā)射線圈旋轉(zhuǎn)姿態(tài)、接收線圈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)和吊艙擺動(dòng)對(duì)x分量和z分量接收線圈接收到的電磁響應(yīng)的影響。綜合分析了姿態(tài)角度和擺動(dòng)角度同時(shí)存在時(shí)對(duì)z分量接收線圈接收到電磁響應(yīng)的影響。提出了相應(yīng)的姿態(tài)角度和擺動(dòng)角度校正算法，并通過準(zhǔn)二維大地模型校正前后反演結(jié)果與理論模型的對(duì)比，驗(yàn)證了方法的正確性。 (2)針對(duì)傳統(tǒng)的固定翼航空電磁數(shù)據(jù)處理和反演方法中“校正-反演，...再校正-再反演...”的復(fù)雜處理流程，將吊艙的同向擺動(dòng)角度和接收線圈的俯仰姿態(tài)角度作為模型參數(shù)，同時(shí)參與反演，并基于正則化反演理論，引入了模型的縱向粗糙度和先驗(yàn)信息作為約束項(xiàng)，推導(dǎo)了反演迭代方程，實(shí)現(xiàn)了固定翼時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)一維整體反演方法。在反演迭代過程中，雅克比矩陣?yán)枚嗖介L累加算法求��；正則化因子采用線性搜索自適應(yīng)迭代的方法自動(dòng)選取，提高了反演結(jié)果的穩(wěn)定性。對(duì)比分析了大地模型仿真數(shù)據(jù)傳統(tǒng)一維反演算法和固定翼時(shí)間域一維反演整體反演算法的結(jié)果，驗(yàn)證了算法的正確性。 (3)建立了測線數(shù)據(jù)整體的目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)Tikhonov正則化反演理論，引入包含空間粗糙度和先驗(yàn)信息的模型參數(shù)約束項(xiàng)，確定了擬二維反演的目標(biāo)函數(shù)，推導(dǎo)了反演迭代方程組，利用超松弛共軛梯度算法，求得由于整條測線整體反演所致的大型稀疏矩陣的極小化解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整條測線數(shù)據(jù)同時(shí)反演的固定翼航空電磁數(shù)據(jù)的擬二維約束反演算法。將校正參數(shù)同向擺動(dòng)角度和發(fā)射、接收線圈俯仰姿態(tài)角度引入擬二維約束反演中，根據(jù)吊艙的同向擺動(dòng)角度和接收線圈的俯仰姿態(tài)角度在時(shí)間上連續(xù)的特征，同時(shí)對(duì)相鄰測點(diǎn)間的系統(tǒng)校正參數(shù)進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)了固定翼時(shí)間域擬二維整體反演方法。對(duì)比分析了帶姿態(tài)角度仿真數(shù)據(jù)的擬二維反演與擬二維整體反演結(jié)果，驗(yàn)證了算法的正確性。 (4)采用對(duì)比層狀大地模型和均勻半空間視電阻率相對(duì)誤差的方法，研究了對(duì)薄層厚度的分辨能力以及對(duì)薄層埋深的分辨能力，并根據(jù)誤差，，給出了多種情況下高阻薄層和低阻薄層的分辨極限。在此基礎(chǔ)上，利用擬二維整體反演算法對(duì)極限分辨模型數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并與電導(dǎo)率深度成像結(jié)果和Marquardt反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了擬二維反演算法對(duì)薄層異常具有更好的分辨能力。最后，分析了系統(tǒng)噪聲對(duì)反演分辨能力的影響，得出擬二維整體反演算法應(yīng)用于野外實(shí)測數(shù)據(jù)同樣可以取得較好的結(jié)果，驗(yàn)證了算法的實(shí)用性。 論文的創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)推導(dǎo)了任意發(fā)射線圈姿態(tài)角度、收線圈姿態(tài)角度以及任意吊艙擺動(dòng)角度情況下的計(jì)算表達(dá)式，分別研究了發(fā)射線圈、接收線圈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)和吊艙擺動(dòng)對(duì)x分量和z分量接收線圈接收到的電磁響應(yīng)的影響，為發(fā)射線圈、接收線圈的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)和吊艙擺動(dòng)角度的校正奠定了基礎(chǔ)。 (2)提出了固定翼時(shí)間域一維整體反演方法，將吊艙的同向擺動(dòng)角度、發(fā)射線圈的俯仰姿態(tài)角度和接收線圈的俯仰姿態(tài)角度作為模型參數(shù)，同時(shí)參與反演，避免了“校正-反演，再校正-再反演”的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理流程，提高了反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。 (3)提出了將同向擺動(dòng)角度和發(fā)射、發(fā)射線圈的俯仰姿態(tài)角度和接收線圈俯仰姿態(tài)角度引入光滑二維大地模型的擬二維整體反演中，建立了大地模型的空間約束和系統(tǒng)參數(shù)模型的時(shí)間約束，實(shí)現(xiàn)了整條測線“校正-反演”同時(shí)進(jìn)行的固定翼時(shí)間域擬二維整體反演方法，提高了反演結(jié)果的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：固定翼航空電磁探測 線圈姿態(tài) 一維正演 一維整體反演 擬二維整體反演
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P631.32
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-18
• 第1章 緒論18-30
• 1.1 論文的研究背景及意義18-19
• 1.2 固定翼時(shí)間域航空電磁探測基本原理19-23
• 1.2.1 固定翼時(shí)間域航空電磁探測基本原理20-21
• 1.2.2 固定翼時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)的特殊性21-23
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題23-27
• 1.3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3.2 固定翼航空電磁數(shù)據(jù)校正及反演方法存在的問題25-27
• 1.4 論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排27-30
• 第2章 固定翼時(shí)間域航空電磁一維正演模擬30-56
• 2.1 引言30-31
• 2.2 系統(tǒng)平穩(wěn)狀態(tài)下固定翼時(shí)間域航空電磁的一維正演計(jì)算31-35
• 2.2.1 電磁場基本理論31-32
• 2.2.2 一維正演理論計(jì)算32-34
• 2.2.3 頻-時(shí)轉(zhuǎn)換34-35
• 2.3 任意線圈姿態(tài)角度及吊艙擺動(dòng)角度的三分量正演計(jì)算35-44
• 2.3.1 發(fā)射線圈任意姿態(tài)角度的三分量正演計(jì)算36-38
• 2.3.2 接收線圈任意姿態(tài)角度的三分量正演計(jì)算38-40
• 2.3.3 吊艙任意擺動(dòng)角度的三分量正演計(jì)算40-44
• 2.4 任意線圈姿態(tài)角度及吊艙擺動(dòng)角度對(duì)電磁響應(yīng)的影響分析44-49
• 2.4.1 單一角度變化對(duì)電磁響應(yīng)的影響分析44-47
• 2.4.2 多角度同時(shí)變化對(duì)電磁響應(yīng)的影響分析47-49
• 2.5 線圈姿態(tài)角度及吊艙擺動(dòng)角度的校正49-53
• 2.5.1 校正方法49-51
• 2.5.2 校正軟件模塊51
• 2.5.3 校正前后反演結(jié)果對(duì)比51-53
• 2.6 本章小結(jié)53-56
• 第3章 固定翼時(shí)間域航空電磁一維整體反演方法56-80
• 3.1 引言56-57
• 3.2 固定翼時(shí)間域一維整體反演方法基本原理57-59
• 3.2.1 Thikhonov 正則化方法57
• 3.2.2 反演目標(biāo)函數(shù)的建立57-59
• 3.3 固定翼時(shí)間域一維整體反演算法59-70
• 3.3.1 反演迭代方程的推導(dǎo)59-61
• 3.3.2 雅克比矩陣計(jì)算方法61-68
• 3.3.3 正則化因子的選擇68-70
• 3.4 仿真結(jié)果與分析70-78
• 3.4.1 Multi-layer 反演結(jié)果70-74
• 3.4.2 Few-layer 反演結(jié)果74-78
• 3.5 本章小結(jié)78-80
• 第4章 固定翼時(shí)間域擬二維整體反演方法80-104
• 4.1 引言80-81
• 4.2 固定翼時(shí)間域擬二維約束反演方法81-94
• 4.2.1 擬二維約束反演算法目標(biāo)函數(shù)81-83
• 4.2.2 反演迭代方程的推導(dǎo)83-84
• 4.2.3 超松弛迭代預(yù)處理共軛梯度算法84-85
• 4.2.4 擬二維約束算法流程85-86
• 4.2.5 仿真結(jié)果分析86-89
• 4.2.6 反演結(jié)果影響因素分析89-94
• 4.3 固定翼時(shí)間域擬二維整體反演方法94-101
• 4.3.1 二維大地模型的參數(shù)化94-96
• 4.3.2 擬二維整體反演算法的原理96-98
• 4.3.3 仿真結(jié)果分析98-101
• 4.4 本章小結(jié)101-104
• 第5章 擬二維整體反演方法對(duì)異常分辨能力的影響研究104-124
• 5.1 引言104-105
• 5.2 薄層探測能力研究105-112
• 5.2.1 探測能力研究方法105-107
• 5.2.2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析107-112
• 5.3 擬二維約束反演方法對(duì)異常分辨能力影響分析112-117
• 5.3.1 低阻薄層模型113-115
• 5.3.2 高阻薄層模型115-117
• 5.4 噪聲對(duì)反演分辨能力的影響分析117-122
• 5.4.1 系統(tǒng)實(shí)測噪聲對(duì)擬二維約束反演結(jié)果影響118-120
• 5.4.2 系統(tǒng)實(shí)測噪聲對(duì)擬二維整體反演結(jié)果影響120-122
• 5.5 本章小結(jié)122-124
• 第6章 結(jié)論與展望124-128
• 6.1 主要研究成果124-125
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)125
• 6.3 后續(xù)工作展望125-128
• 參考文獻(xiàn)128-136
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及科研成果136-137
• 致謝137

【參考文獻(xiàn)】

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