航空瞬变电磁法2.5维正演模拟研究

论文摘要

航空瞬变电磁法（Airborne Transient Electromagnetic,简称ATEM）是近年来发展起来的一种快速勘探方法,具有飞行高度更低,探测深度更大,适航范围更广等特点,广泛应用于森林、山地、戈壁、沼泽、湖区以及浅海等地区,是一种前景广阔的方法。目前,航空瞬变电磁法只能进行一维数据处理与解释,严重阻碍了该方法的发展。因此,在国家863项目“航空瞬变电磁法快速正反演专题”的资助下,本文开展了航空瞬变电磁2.5维有限单元法正演计算研究,为人们正确认识二、三维地质体的瞬变异常特征提供理论依据。首先,本文从时间域电磁场理论出发,构建空中发射线圈的拉氏傅氏域异常场变分问题,使用规则三角网格剖分完成有限单元法求解过程；采用GS变换与正弦变换数值滤波算法实现拉氏傅氏域到时间域的转换,并改进数值求导算法,得到了高精度的感应电动势；推导了拉氏傅氏域下空中发射线圈的背景电磁场解,并以此计算有限元法方程右端向量,从而体现了空中磁性源。在求解背景场和异常场的过程中,各数值算法层层嵌套,容易产生积累误差,因此对其进行了分析,结果表明,求解的相对误差满足精度要求。其次,对典型的一维、二维模型进行了数值模拟,并分析其响应特征。对块状低阻体、直立板状体等典型二维模型的模拟结果表明,整体异常特征与一维模拟响应特征一致,其早期幅值都随着线圈距离地面的高度增大而减小,衰减速率随之趋缓。局部异常体的规模、产状等均能在响应上反映出来,但规律较为复杂,有待更深入的分析研究。最后,对航空瞬变电磁2.5维有限元模拟的算法进行了优化改进,并在MPI+Fortran编程环境下设计了粗粒度的并行算法,初步解决了计算耗时过长的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 ATEM正演模拟研究现状与发展动态
• 1.2 ATEM正演模拟的目的与意义
• 1.3 本文研究内容与结构
• 第二章 2.5维ATEM有限元正演模拟算法
• 2.1 拉氏傅氏域电磁场基本方程及其边界条件
• 2.2 拉氏傅氏域电磁场有限元分析
• 2.2.1 有限元变分问题
• 2.2.2 有限元实现流程
• 2.3 拉氏傅氏域背景电磁场求解
• 2.4 逆拉氏傅氏变换的实现
• 2.4.1 数值滤波法求解逆拉氏傅氏变换
• 2.4.2 逆拉氏傅氏变换算法精度分析
• 2.5 感应电动势求解算法
• 2.5.1 改进的数值求导算法
• 2.5.2 直接求解感应电动势
• 2.5.3 求解精度分析
• 2.6 一维ATEM响应基本特征
• 2.6.1 垂直磁场响应特征
• 2.6.2 感应电动势响应特征
• 2.7 本章小结
• 第三章 2.5维ATEM有限元模拟响应特征
• 3.1 块状低阻体有限元模拟
• 3.2 直立板状低阻体有限元模拟
• 3.3 2.5维ATEM响应特征
• 3.3.1 线圈高度对响应的影响
• 3.3.2 异常体横向延伸规模对响应的影响
• 3.4 复杂模型有限元模拟
• 3.5 本章小结
• 第四章 ATEM正演模拟算法效率分析
• 4.1 ATEM正演模拟算法优化设计
• 4.2 ATEM正演模拟并行算法
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果目录