一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法及设备
阅读说明：本技术 一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法及设备 (Semi-aviation transient electromagnetic conductivity-depth imaging method and equipment ) 是由 尹小康 曹云勇 魏栋华 赵思为 张广泽 冯涛 刘康 甄大勇 徐正宣 王哲威 林之 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及地球物理航空电磁勘探技术领域,特别是一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法及设备。本发明根据实际情况预先模拟出符合实际情况的电磁响应查询数据库,再将探测到的电磁响应数据在“库”中进行搜索,无需像反演一样进行多次迭代计算,使得半航空瞬变电磁法可以进行快速成像,并快速获得初步成像结果及反演初始模型,为无地质资料区域提供初步地质推断资料且可为反演流程提供准确的地质模型,弥补了当今无人机半航空时间域电磁探测数据电导率-深度快速成像的缺陷。(The invention relates to the technical field of geophysical aviation electromagnetic exploration, in particular to a semi-aviation transient electromagnetic conductivity-depth imaging method and equipment. According to the invention, an electromagnetic response query database which accords with the actual condition is simulated in advance according to the actual condition, then the detected electromagnetic response data is searched in the database, repeated iterative calculation is not needed to be carried out like inversion, so that the semi-aviation transient electromagnetic method can carry out rapid imaging, a primary imaging result and an inversion initial model are obtained rapidly, primary geological inference data are provided for a geological data-free area, an accurate geological model is provided for an inversion process, and the defect of rapid conductivity-depth imaging of the electromagnetic detection data in the semi-aviation time domain of the existing unmanned aerial vehicle is overcome.)
技术领域
本发明涉及地球物理航空电磁勘探技术领域，特别是一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法及设备。
背景技术
半航空电磁法是一种新型的航空电磁方法，与过去采用直升机或固定翼飞机搭载发射和观测系统不同，它是采用地面发射，无人机搭载接收传感器在空中接收的观测方式。相对传统的航空电磁法(如CN201410061917-固定翼航空电磁数据双分量查表法联合电导率深度成像方法)，半航空电磁法具有精度更高、实施方便、成本更低、安全性好的优点；同时相对传统的地面电磁法而言，半航空电磁法又具有勘探速度快，可以跨越障碍勘探的优点。无人机半航空瞬变电磁法在城市地下空间探测、地面地质调查、矿产资源勘查、环境监测领域具有广阔的应用前景。随着无人机技术的不断成熟，无人机平台可以搭载更重的航空电磁探测设备，逐步适应较大面积的多参数快速勘探。
但由于无人机半航空瞬变电磁探测系统发射源和接收线圈之间的偏移距并不固定，偏移距随无人机飞行航迹变化而变化，其发射源与接收线圈的相对位置一直是变化的，这使得半航空瞬变电磁法无法像航空瞬变电磁那样实现电导率-深度成像CDI(Conductivity depth imaging)。所以如今需要一种全新的半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法，使半航空瞬变电磁法能够实现电导率-深度成像CDI。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的半航空瞬变电磁法无法像航空瞬变电磁那样实现电导率-深度成像，提供一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法及设备。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法，包括以下步骤：
S1：获取目标工区的工区参数，根据所述工区参数进行正演模拟，获取电导率-电磁响应查询数据库；所述工区参数包括线源(无数个等强度或不等强度的点源所组成的线)长度、测线(即按一定比例尺沿一条直线布置的观测点组成的观测线)长度、线圈接收高度、测点位置间距以及电流强度；
S2：采集各个测线的电磁响应数据，并对所述电磁响应数据进行预处理，输出电磁响应值；
S3：根据所述测线的所述电磁响应值在所述电导率-电磁响应查询数据库中进行搜索，获取各个所述测线上不同测点的视电阻率以及视深度；
S4：根据各个所述测线上不同测点的视电阻率以及视深度构建地下电性结构剖面，并输出为深度成像结果；
其中，所述电导率-电磁响应查询数据库中每个所述电导率值对应一个测点位置的不同时间道的电磁响应值，所述电导率-电磁响应查询数据库的正演模拟计算式为：
y0＝σ+iωε0
式子中Hz(ω)为垂直分量的频率域磁场响应(A/m)；ω为采样角频率(rad/s)；I为电流强度(A)；L和-L是以导线源的中心为坐标原点，R为偏移距，沿x轴向两侧延伸点，2L为线源长度；rTE为TE模式下的反射系数；σ为电导率；ε0为真空中的介电常数；k0为空气介质波数；z为线圈接收高度(m)；J1为一阶Bessel函数；λ为积分变量；ReHz(ωj)为取Hz(ωj)的实部；N为线圈匝数；S为线圈的有效面积(m2)；μ0为真空下的磁导率(4π×10-7H/m)，μ0为真空下的磁导率(4π×10-7H/m)，t为时间，j为频点标号，x为测点位置，VZ(t)为电磁响应值。本发明为了使半航空瞬变电磁数据像快速成像，提出建立“库”的思想，根据实际情况来建立符合实际情况的电磁响应查询数据库，将探测到的电磁响应数据在“库”中进行搜索，无需像反演一样进行多次迭代计算，使得半航空瞬变电磁法可以进行快速成像，并快速获得初步成像结果及反演初始模型，为无地质资料区域提供初步地质推断资料且可为反演流程提供准确的地质模型，弥补了当今无人机半航空时间域电磁探测数据电导率-深度快速成像的缺陷。
作为本发明的优选方案，所述步骤S3采用分段二分搜索算法查询不同测点的视电阻率以及视深度。
作为本发明的优选方案，所述分段二分搜索算法包括以下步骤：
S31：计算出不同时间道的二分极值点；
S32：将所述电磁响应值放入正演建立的电导率-电磁响应查询数据库中进行搜索；其中，初始搜索区间为[σmin，σmax]，σmin，σmax分别为电导率的最小值和最大值；
S33：计算搜索精度，判断所述搜索精度是否小于预设上限值；若所述搜索精度满足预设条件，跳出搜索并输出对应的电导率值；若所述搜索精度不满足预设条件，判断Vz(σi，ti)与Vz(σk1/k2)的大小关系；
当Vz(σi，ti)大于Vz(σk1/k2)时，调整搜索区间为[σk1/k2，σk]，并进入步骤S33；
当Vz(σi，ti)等于Vz(σk1/k2)时，输出σk1/k2为电导率值，进入步骤S34；
当Vz(σi，ti)小于Vz(σk1/k2)时，调整搜索区间为[σmin/max，σk1/k2]，调整搜索区间，并进入步骤S33；
其中，Vz(σi，ti)为电磁响应值，σk为二分极值点，σk1和σk2分别为两个单调区间的二分点；
S34：根据所述电导率值输出对应的视电阻率值，并计算对应的视深度。
作为本发明的优选方案，所述电导率的极值不能获取时，所述初始搜索区间为[0.0001,100]。
作为本发明的优选方案，所述步骤S33中搜索精度计算公式为：
其中，ε为搜索精度，Vz(σk1/k2，tk1/k2)为搜索电磁响应的一个判别点位置中不同单调区间对应二分点的位置。由于在均匀半空间情况下，不同时间道的电磁响应值随电导率的增大呈现先增后减的变化趋势，即一个电磁响应值可能对于两个电导率值，称之为“二值性”，故对正演建立的电导率-电磁响应查询数据库进行直接查询时会导致查询的视电阻率值紊乱的情况。本发明采取分段二分搜索算法来规避此情况，即找出不同时间道的电磁响应极值点分为两段进行二分法查询，克服了如今存在的“二值性”问题。
作为本发明的优选方案，所述步骤S34中视深度计算公式为：
d＝|(2tρ/μ0)1/2-h|
其中，Dk为第k个延时所述电导率值对应的视深度，d为不同时间道进行数据查询时视电阻率对应的视深度，h为接收线圈离地高度，dk是第k个延时的视深度，k≥1为延时序号。本发明表示当前时间道的视深度是由前一个时间道对应视深度加上下一个延时扩散的视深度，故通过这种计算得到的视深度值不会出现紊乱，保证了视深度值得连续性。
作为本发明的优选方案，所述步骤S2中预处理还包括将对应测线上的数据点提取出来，选择二次场截断时间后进行二次场信号叠加和抽道(将连续的信号进行离散化，也就是选取几个时间道的信号就称之为抽道)，得到每秒时刻的电磁响应值及对应时间点。
作为本发明的优选方案，所述步骤S4还包括结合地质资料与所述深度成像结果构建深度模型。
一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述方案中任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明为了使半航空瞬变电磁数据像快速成像，提出建立“库”的思想，根据实际情况来建立符合实际情况的电磁响应查询数据库，将探测到的电磁响应数据在“库”中进行搜索，无需像反演一样进行多次迭代计算，使得半航空瞬变电磁法可以进行快速成像，并快速获得初步成像结果及反演初始模型，为无地质资料区域提供初步地质推断资料且可为反演流程提供准确的地质模型，弥补了当今无人机半航空时间域电磁探测数据电导率-深度快速成像的缺陷。
2.由于在均匀半空间情况下，不同时间道的电磁响应值随电导率的增大呈现先增后减的变化趋势，即一个电磁响应值可能对于两个电导率值，称之为“二值性”，故对正演建立的电导率-电磁响应查询数据库进行直接查询时会导致查询的视电阻率值紊乱的情况。本发明采取分段二分搜索算法来规避此情况，即找出不同时间道的电磁响应极值点分为两段进行二分法查询，克服了如今存在的“二值性”问题。
3.本发明表示当前时间道的视深度是由前一个时间道对应视深度加上下一个延时扩散的视深度，故通过这种计算得到的视深度值不会出现紊乱，保证了视深度值得连续性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法的流程示意图；
图2为本发明实施例2所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法中数据库的建立流程示意图；
图3为本发明实施例2所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法中不同时间道数的电导率-电磁响应查询数据库的示意图；
图4为本发明实施例2所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法中三层地质体模型单测点SATEM-CDI成像结果示意图；
图5为本发明实施例2所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法中四层地质体模型单测点SATEM-CDI成像结果示意图；
图6为本发明实施例2所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法中某地区实测数据SATEM-CDI成像结果示意图；
图7为本发明实施例2所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法中某地区实测数据SATEM-CDI成像结果示意图；
图8为本发明实施例3所述的一种利用了实施例1所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法的一种电子设备。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取目标工区的工区参数，根据所述工区参数进行正演模拟，获取电导率-电磁响应查询数据库；所述工区参数包括线源长度、测线长度、线圈接收高度、测点位置间距以及电流强度；
S2：采集各个测线的电磁响应数据，并对所述电磁响应数据进行预处理，输出电磁响应值；上述预处理包括将对应测线上的数据点提取出来，选择二次场截断时间后进行二次场信号叠加和抽道(将连续的信号进行离散化，也就是选取几个时间道的信号就称之为抽道)，得到每秒时刻的电磁响应值及对应时间点。
S3：根据所述测线的所述电磁响应值在所述电导率-电磁响应查询数据库中进行搜索，获取各个所述测线上不同测点的视电阻率以及视深度；
本发明采用分段二分搜索算法查询不同测点的视电阻率以及视深度；所述分段二分搜索算法包括以下步骤：
S31：计算出不同时间道的二分极值点；
S32：将所述电磁响应值放入正演建立的电导率-电磁响应查询数据库中进行搜索；其中，初始搜索区间为[σmin，σmax]，σmin，σmax分别为电导率的最小值和最大值；当所述电导率的极值不能获取时，所述初始搜索区间为[0.0001,100]。
S33：计算搜索精度，判断所述搜索精度是否小于预设上限值；若所述搜索精度满足预设条件，跳出搜索并输出对应的电导率值；若所述搜索精度不满足预设条件，判断Vz(σi，ti)与Vz(σk1/k2)的大小关系；
当Vz(σi，ti)大于Vz(σk1/k2)时，调整搜索区间为[σk1/k2，σk]，并进入步骤S33；
当Vz(σi，ti)等于Vz(σk1/k2)时，输出σk1/k2为电导率值，进入步骤S34；
当Vz(σi，ti)小于Vz(σk1/k2)时，调整搜索区间为[σmin/max，σk1/k2]，调整搜索区间，并进入步骤S33；
其中，Vz(σi，ti)为电磁响应值，σk为二分极值点，σk1和σk2分别为两个单调区间的二分点；所述搜索精度计算公式为：
其中，ε为搜索精度，Vz(σk1/k2，tk1/k2)为搜索电磁响应的一个判别点位置中不同单调区间对应二分点的位置。
S34：根据所述电导率值输出对应的视电阻率值，并计算对应的视深度。
所述视深度计算公式为：
d＝|(2tρ/μ0)1/2-h|
其中，Dk为第k个延时所述电导率值对应的视深度，d为不同时间道进行数据查询时视电阻率对应的视深度，h为接收线圈离地高度，dk是第k个延时的视深度，k≥1为延时序号。
S4：根据各个所述测线上不同测点的视电阻率以及视深度构建地下电性结构剖面，并输出为深度成像结果；最后结合地质资料与所述深度成像结果构建深度模型。
其中，所述电导率-电磁响应查询数据库中每个所述电导率值对应一个测点位置的不同时间道的电磁响应值，所述电导率设置为对数间隔分布，所述电导率-电磁响应查询数据库的正演模拟计算式为：
y0＝σ+iωε0
式子中Hz(ω)为垂直分量的频率域磁场响应(A/m)；ω为采样角频率(rad/s)；I为电流强度(A)；L和-L是以导线源的中心为坐标原点，R为偏移距，沿x轴向两侧延伸点，2L为线源长度；rTE为TE模式下的反射系数；σ为电导率；ε0为真空中的介电常数；k0为空气介质波数；z为线圈接收高度(m)；J1为一阶Bessel函数；λ为积分变量；ReHz(ωj)为取Hz(ωj)的实部；N为线圈匝数；S为线圈的有效面积(m2)；μ0为真空下的磁导率(4π×10-7H/m)，μ0为真空下的磁导率(4π×10-7H/m)，t为时间，j为频点标号，x为测点位置，VZ(t)为电磁响应值。
实施例2
本实施例为实施例1的具体应用例：
一、如图2所示，建立电导率-电磁响应查询数据库：
(1)由现场实际情况确定线源长度、测线长度、线圈接收高度、测点位置间距以及电流强度等参数。
(2)根据确定参数建立电导率-电磁响应查询数据库，如图3所示。
二、SATEM-CDI成像过程：
(1)单点电导率-深度SATEM-CDI成像：
为验证SATEM-CDI成像可靠性，正演建立单测点三层H、K型地质模型及四层地质体模型，在正演建立好电导率-电磁响应查询数据库后，将正演模拟的单测点电磁响应结果放入电导率-电磁响应查询数据库中进行搜索。如图4中所示，正演出K、H型地质体的单点电磁响应值，通过SATEM-CDI成像方法均可有效反映出大致地质体模型，且对低阻体反映灵敏，为探测地下水，裂隙水，含水采空区等情况提供了充足的理论证明。如图5所示，为四层地质体模型SATEM-CDI成像结果，验证此发明方法理论同样适用于多层模型。
(2)地下水模型SATEM-CDI成像
模拟半航空瞬变电磁法探测薄层地下水，模拟建立地质模型，表层地质体(电阻率：50Ω·m，厚度80m)下方为低阻目标体(电阻率：10Ω·m，厚度：20m)，模拟地质体厚度为150m，设测线点距为10m进行SATEM-CDI成像。SATEM-CDI成像结果如图6所示，虽说无法如反演一样精确反映出地质体的电阻率值，但其整体趋势是较好的反映出来，并且其不用像反演一样迭代计算，在电导率-电磁响应查询数据库中搜索的时间很快就可成像，可为地质推断快速提供相关资料、为反演提供较为准确的地质模型。
(3)某地区实测数据SATEM-CDI查询
图7为某地区实测数据，将飞行探测数据进行简单处理后，在符合现场情况的电导率-电磁响应查询数据库中进行搜索，SATEM-CDI成像结果如下，与钻探及地质资料相对比，其结果与实际情况相符合。验证SATEM-CDI成像方法在实际工作中的实用性，虽不及反演的高精度，但其无需迭代计算、成像快的优势正是野外工作所需的。可为无地质资料工区提供初步地质推断资料且在有地质资料工区可结合地质资料与SATEM-CDI成像结果为反演提供较为准确的初始模型，使得反演结果更为精确、可靠。
实施例3
如图8所示，一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的一种半航空瞬变电磁电导率-深度成像方法。所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源用于为电子设备提供电能。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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