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从麦克斯韦旋度方程出发可以直接导出瞬变电磁场扩散方程,然而扩散方程不含电场对时间的一阶导数,不能构成显式的时域有限差分方程,借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显式时域有限差分方程.对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了两点改进:第一,通过将矩形回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程,实现回线源瞬变电磁激发源加入;第二,在计算中考虑关断时间.第一点改进使时域有限差分方程考虑了一次场的计算,并且源的计算不再依赖均匀半空间模型响应作为初始条件,使算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型.由于实际观测中不可能出现阶跃电流的关断形式,第二点改进可以方便设置发射电流下降沿.采用改进的三维时域有限差分正演算法对均匀半空间模型、四类三层模型、均匀半空间中含有低阻块体模型进行了计算并分别与解析解、线性数字滤波解、积分方程解和Wang的三维时域有限差分解进行了对比验证.以H模型为例,采用建立的三维时域有限差分正演算法计算了不同关断时间的斜阶跃脉冲回线源瞬变电磁中心点感应电动势衰减曲线.以实际地质资料为基础,构建包含两层采空区的三维复杂模型,以1 μs的极短关断时间进行了复杂模型定回线源瞬变电磁响应计算,并计算了该复杂模型的视电阻率曲线. 相似文献
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《地球物理学进展》2020,(3)
瞬变电磁场数字滤波算法计算时间短,精度高,但难以实现三维正演计算;有限差分算法可以实现三维正演计算,但计算时间长,当模型网格剖分数量不足时计算精度较低.结合三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法各自优势,提出双模型三维正演方法,可以减少计算时间,提高计算精度.首先,给出了瞬变电磁场三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法.然后,通过理论分析和公式推导,提出了通过三维有限差分正演算法计算异常场,通过一维数字滤波算法计算背景场,然后叠加得到总场的双模型方法,并给出了具体计算公式和流程.最后,建立了经典的Newman均匀介质含低阻长方体模型,以及Commer层状介质含垂直接触带模型,分别采用双模型方法和常规三维有限差分算法进行了正演计算,对计算结果进行了对比分析.结果表明:在相同模型网格数量条件下双模型方法计算精度显著高于常规三维有限差分算法;双模型方法可以通过较少的模型网格数量取得高精度的计算结果,从而可以在保证计算精度的前提下显著提高计算效率. 相似文献
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近年来很多专家学者致力于时间域航空系统正反演的研究.本文针对一维均匀层状介质和三维模型进行正演.不仅计算垂直方向上的电磁响应,还计算了同线方向上的电磁响应,为航空电磁多分量观测提供理论依据.通过比较航空电磁系统的脉冲响应和阶跃响应特征,发现脉冲响应在早期时间存在奇异性,造成计算不稳定.然而,阶跃响应在早期时间没有奇异性,因而利用系统的阶跃响应可得到一种计算时间域航空电磁系统全时响应的稳定算法.该算法具有较高的精度,并很好地保持了磁场强度B和磁感应dB/dt关系的一致性.该算法推广到三维地质体的时间域正演模拟亦取得很好的效果. 相似文献
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《地球物理学进展》2015,(4)
在实际复杂的三维地电条件下,倾子作为大地电磁法的重要解释参数之一,其正演模拟和响应分析对提高大地电磁法的探测精度具有重要作用.本文在简要阐述大地电磁三维正演基本理论的基础上,利用交错网格有限差分法开展了大地电磁三维倾子正演模拟研究,首先正演模拟单个低、高阻两种地电模型的倾子响应,结果表明倾子资料能够较好反映地下异常体的空间分布;在此基础上,设计了含有两个低(高)阻异常体和低阻垂直断层的复杂组合模型并计算了其三维倾子响应,结果表明,倾子具有对复杂的地电结构良好的空间分辨率,且倾子响应既保留了模型中每单个异常体的倾子响应形态,又表现出了异常体之间相互作用的整体响应情况,进一步加深了对倾子的响应特征和规律、以及倾子资料对异常体边界的识别能力的认识,为倾子资料从定性解释向定量解释发展提供参考和依据. 相似文献
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为提高大地电磁正演计算速度,开展了基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演模拟计算研究.将稳定双共轭梯度算法作为多重网格法的细网格松弛迭代算法,插值算子采用完全加权算子,限制算子设计基于网格单元面积率,使多重网格法更适于求解大型复系数方程组.二维均匀半空间模型、低阻体模型和高阻体模型的大地电磁正演模拟结果表明:当计算量较小时(网格剖分数量少),多重网格法在计算效率方面并未有优势,网格剖分数量较大时,多重网格有限元算法在收敛速度方面的优势明显,多重网格有限元法的大地电磁正演精度优于一般数值算法.这为三维多重网格有限元的大地电磁正演研究奠定了基础. 相似文献
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时间域电磁响应的正演计算多是由频率域响应经逆Laplace变换而得到.逆Laplace变换的计算精度和效率是时间域电磁响应计算中方法选择的重要指标.论文分析了几种逆Laplace变换的算法机制,并优选出Talbot算法计算了水平电偶源层状模型的时间域电磁响应.逆Laplace变换常用的算法有折线法、数字滤波算法和Gaver-Stehfest算法(简称G-S算法).折线法需要精细地确定分割步长以提高精度,数字滤波算法系数很多,适应频率范围受计算问题所限,而G-S算法受计算机字长和问题对象的影响大.本文在64位计算平台中计算比较了G-S算法、Euler算法和Talbot算法的节点数对于精度的影响,发现Talbot算法受节点数影响小,计算精度高,适应频率范围宽.最后利用21点Talbot算法计算了水平电偶源轴向偶极装置均匀大地模型径向电场的阶跃响应和冲激响应,计算精度及响应时间范围均优于G-S算法.计算了水平电偶源赤道偶极装置均匀大地模型垂直磁场的阶跃响应和冲激响应,冲激响应峰值时刻对于电阻率的变化响应灵敏,与轴向偶极径向电场响应能力相当,但垂直磁场随收发距增大,衰减较快.根据层状模型阶跃响应晚期渐近值计算的视电阻率,水平电偶源轴向偶极径向电场有能力发现大埋深高阻或低阻薄层,收发距应大于中间目标层埋深的5~6倍方可完整探测,类似的,采用水平电偶源赤道偶极装置测量垂直磁场也能达到与之相当的探测能力.计算结果证实了21点Talbot算法适应不同地电模型、不同观测方式的时间域电磁响应计算. 相似文献
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瞬变电磁法应用广泛,三维数值模拟是研究复杂地质模型异常响应规律的重要技术手段之一,也是反演的基础.目前瞬变电磁数值模拟的不足主要有两个方面:第一,场源是在地表水平、浅层介质均匀的条件下计算的,限制了应用范围;第二,地下边界采用Dirichlet边界条件,导致计算空间很大,耗时较长.针对上述问题,在三维正演时,场源采用有限长细导线模型,在Maxwell有源差分方程中直接加入电流密度进行计算.在地表面加入空气层,避免了复杂的向上延拓计算,也可以对地形影响下的响应规律进行分析.在空气边界和地下边界均采用CPML吸收边界条件,并改进了CPML的参数分布,能够吸收空气介质和大地介质中的低频电磁波而反射误差极小,在满足计算精度的条件下可以有效减小节点数量.对循环迭代方法进行优化,将计算域、CPML区域和场源的空间循环统一转化为矩阵方式,加快了计算速度,但是空间消耗增大了约4~5倍.采用三维有限差分正演算法对均匀半空间模型、层状模型和地形模型进行了计算,并与解析解进行了对比验证. 相似文献
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正演是电磁法勘探野外工作参数选取、室内资料处理与解释的基础,精确、稳定、高效的三维正演算法尤为重要.本文采取先求解拉普拉斯域电场、再由Gaver-Stehfest算法获得时间域磁场的思路,基于电场异常场Helmholtz方程实现了交错网格有限差分法和有限体积法对回线源瞬变电磁法的三维正演.通过对比低阻块状体的积分方程法、时域有限差分法、矢量有限单元法和SLDM法的数值解,验证了交错网格有限差分法和有限体积法的正确性.由于交错网格有限差分法、有限体积法和基于矩形块单元的矢量有限单元法将待求电场均定义在矩形块单元棱边上,因此三种数值算法可采用相同方法进行电场待求量编码、计算背景场和后处理.然而,与矢量有限单元法相比,交错网格有限差分法和有限体积法的系数矩阵更加稀疏,求解效率更高.通过对水平低阻板状体三维模型的数值模拟,我们发现本研究中交错网格有限差分法比有限体积法精度更高;再利用一维解析法求解相应三层层状地电模型的感应电动势,我们还发现两种数值算法和一维解析法计算的感应电动势等值线形状吻合程度高,只是数值范围略有差异. 相似文献
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《地球物理学进展》2015,(6)
为了应用时间域电磁法进行深部勘探,需要计算大尺度模型的晚时时域响应.本文将待求解的电磁响应分解为一次场和二次场之和,实现了波形为拟高斯脉冲的大功率脉冲源激励的一次场的计算.对于三维异常体产生的二次场,采用基于非均匀步长交错网格的时域有限差分(FDTD)和非等时步长的迭代算法求解,在层状介质模型的上阶跃响应计算结果对比以及与积分方程计算的瞬断响应结果对比验证基础上,实现了大功率脉冲源激励下晚时时域电磁响应的计算.通过设计一个简单异常体的三维模型,采用电偶极源脉冲电流激发,计算的时间域响应很好的揭示了大功率脉冲源激励的场在地中随时间扩散,以及三维异常体产生的异常场并二次扩散的过程. 相似文献
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给出了矿井全空间瞬变电磁场的时域有限差分法(FDTD)算法,并推导了Mur吸收边界条件.利用Mur吸收边界条件,选用均匀全空间电偶极源作为初始激发源,模拟了均匀介质中巷道底板岩层内部和层状介质中三维低阻异常体的全空间响应特性,分析了瞬变电磁场在均匀介质中1.9μs和27.6μs两时刻的传播规律及在层状介质中1.2μs和0.023 ms两时刻的传播规律.结果表明:巷道对电场的影响在初期并不明显,在20μs后才表现出来;瞬变场能较好地分辨低阻层,对高阻层的穿透能力强,并且对低阻体反映灵敏;吸收边界条件只有在场域较大、网格节点较多时才能产生明显的效果.所研究成果为矿井瞬变电磁法资料的解释提供了理论依据. 相似文献
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工程电法勘探中，常需要探测埋深不大、规模较小、分布复杂的目标体，对探测方法的精度要求较高.由于三维高密度电阻率法数据采集密度大，可对目标体进行多方位观测，是目前工程探测中常用的方法之一.本文对三维高密度电阻率E SCAN法的视电阻率异常特征进行研究.设计几种典型地质体模型，利用有限单元法进行正演计算，并分析其异常特征和分布规律.算例结果表明，E SCAN法对低阻体的分辨能力强于高阻体.无需对所有电极进行扫描供电观测，即可分辨地质体电性特征及水平位置，但观测结果难以分辨地质体纵向延伸. 相似文献
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《地球物理学进展》2015,(5)
基于时域有限差分(FDTD)的瞬变电磁三维正演已经基本实现,但是复杂三维体的建模还存在问题,从而影响瞬变电磁对于复杂模型响应规律的分析.本文针对复杂模型的几何建模及Yee元胞的网格剖分问题,基于GID软件平台进行了二次开发,编写了"FDTD问题类型",通过编写代码,获得了能够直接应用于FDTD三维正演的网格剖分节点数据.文中利用GID软件对实际采矿巷道、隧道内TBM机模型、以及矿体模型进行建模,并采用FDTD方法进行正演计算.计算结果表明,基于二次开发的GID的可视化建模能够满足目前复杂模型建模的需求,为瞬变电磁FDTD三维正演模拟提供有力的支持. 相似文献
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本文将大地电磁场分解为一次场和二次场,应用交错网格有限差分法模拟计算大地电磁二次场,并引入各向异性最佳匹配层(PML)吸收边界条件作为二次场边界条件,实现了耦合PML吸收边界条件的三维大地电磁二次场有限差分正演模拟.为了确保正演的稳定性和效率,QMR求解器和磁感应矢量散度校正技术被用于PML吸收边界条件下系数矩阵的快速求解.三维模型正演响应表明,基于二次场的三维大地电磁有限差分算法具有较高的计算精度和可靠性.通过计算分析不同PML吸收因子条件的大地电磁正演结果,显示在适当的吸收因子下,PML吸收边界条件可较大幅度的减小外边界距离,从而有效的压缩模型求解空间,最终提高三维大地电磁正演模拟的效率. 相似文献
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《地球物理学进展》2015,(5)
为适应多通道瞬变电磁法的特点,文章对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了四点改进:第一,通过解一个三维直流电法正演问题获取准确的初始值,既避免了光滑波形近似带来的误差,又可适应浅表电阻率不均匀的模型;第二,利用阶跃响应和脉冲响应的导数关系对二者进行交错递推,可同时获得阶跃响应和脉冲响应而不增加计算量;第三,引入了Kirchhoff积分延拓公式,代替传统的基于静磁场假设的地空边界条件,提高了地空边界条件的精度.第四,通过褶积合成最终响应,可以适应任意发射电流波形.文中利用改进后的三维时域差分格式分别对均匀半空间模型、含油气薄层的层状模型和含油气薄层的盐丘模型进行了正演计算,并通过与伪随机码褶积合成了带波形的响应.计算结果表明:在合适的参数条件下,该差分格式是稳定的,且模拟结果是精确可靠的.含油气薄层的模型计算结果证明多通道瞬变电磁法对油气薄层有较好的勘探能力. 相似文献
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本文将面向目标的自适应算法应用于三维大地电磁数值模拟.使用基于非结构网格的矢量有限单元法对起伏地表大地电磁正演模拟问题进行求解.使用利用垂向电流密度在物性界面上的连续性对后验误差进行估算的算法指导网格优化.由于全局自适应算法针对观测点优化网格的能力较差,本文通过求解正演问题的对偶问题计算后验误差的加权系数,并对相关加权系数进行改进,从而实现了面向目标的自适应算法.与传统基于结构化网格的电磁正演算法相比,采用非结构网格能够更好地拟合起伏地表和地下不规则异常体.由于使用了面向目标的自适应算法,本文能够使用更少的网格达到较高的计算精度.通过对比本文模拟结果与半空间响应和全局自适应算法计算结果,并通过对比使用改进前和改进后加权系数得到的网格剖分结果验证了本文算法的有效性. 相似文献
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工程电法勘探中，常需要探测埋深不大、规模较小、分布复杂的目标体，对探测方法的精度要求较高.由于三维高密度电阻率法数据采集密度大，可对目标体进行多方位观测，是目前工程探测中常用的方法之一.本文对三维高密度电阻率ESCAN法的视电阻率异常特征进行研究.设计几种典型地质体模型，利用有限单元法进行正演计算，并分析其异常特征和分布规律.算例结果表明，ESCAN法对低阻体的分辨能力强于高阻体.无需对所有电极进行扫描供电观测，即可分辨地质体电性特征及水平位置，但观测结果难以分辨地质体纵向延伸. 相似文献