基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法

1.本发明属于城市探测领域，涉及一种电磁勘探成像方法，尤其是对城市探测中地下异常体的基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法。


背景技术：

2.电磁法以地下介质的导电性、导磁性、介电性差异为基础，通过观测研究人工或天然交变电磁场的分布，获得地下介质电性、磁性参数，进而达到勘探目的。频率域电磁法利用电磁感应的趋肤效应，即高频电磁场穿透浅，低频电磁场穿透深，通过改变电磁场的频率来达到测深的目的。与时间域电磁法相比，频率域电磁法分辨率高、能穿透高阻层、各向异性影响小、工作效率高。当前可控源频率域电磁探测方法普遍采用绝对场测量及处理，其在背景干扰抑制和边界识别方面有所不足，难以实现地下电性结构精细探测；反演可以准确获取异常体便捷信息，但其需要消耗大量资源和时间，现场快速成像方法在城市地下空间探测中具有重要意义。
3.随着近些年城市空间资源愈发紧缺，合理开发城市地下空间愈发重要，无创的地下勘探方法作为地下空间开采的重要步骤，可以有效避免盲目开采造成的危害。由于城市探测环境复杂、可利用空间有限，常规野外探测方法难以应用于城市空间探测场景。采用阵列源电磁梯度拖曳式矩形布阵测量，可以有效匹配城市地下空间探测需求：进行无损测量，避免前期勘探对城市路面的破坏；采用拖曳式测量，平台小巧便携，使用灵活方便，适应城市复杂路况。
4.公开号为cn115508900a的发明专利公开了一种地面拖曳式瞬变电磁成像方法及系统，使用cnn-lstm网络模型获取目标电阻率模型，提升了反演速度。但是对于异常体边界识别精度不够。
5.公开号为cn115437015a的发明专利公开了一种利用视电阻率和电阻率圈定不良地质体边界的方法，首先广泛测得区域视电导率数据，然后圈定不良地质体边界水平位置并进行详探，最后综合视电阻率数据和电阻率数据确定不良导体边界。但是该方法需要对同一区域进行多次测量，不适用于大范围探测。
6.公开号为cn109541695a的发明专利公开了一种人工场源频率域电场梯度远区视电阻率快速成像方法，通过求取电场梯度，提升异常体横、纵向边界的响应能力。但是需要在地面布设大量电极，对在城市场景中应用多有不便。
7.综上所述，需要一种适用于城市环境探测的便捷快速强边界识别能力的无损探测方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对上述现有视电阻率成像方法的不足，提供一种基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法。
9.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
10.基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，包括以下步骤：
11.步骤一，采用多源多频激励下的拖曳式矩形阵列非接触式测量，读取系统接收到的阵列元激发下的z方向磁场强度hz数据；
12.步骤二，结合两相邻测点的磁场强度和之间的距离根据空间梯度计算公式计算得到空间梯度h
zδx
，结合同一测点两相邻测量频率及其响应磁场强度根据频率梯度计算公式计算得到频率梯度h
zδz
；
13.步骤三，利用空间梯度h
zδx
和相邻测点间的距离根据空间视电阻率变化量计算公式计算得到两个相邻测点间的空间视电阻率变化量δρ
ax
，利用频率梯度h
zδz
和两个相邻的测量频率根据频率视电阻率变化量计算公式计算得到两个相邻频率的频率视电阻率变化量δρ
az
；
14.步骤四，结合测区内某测点电阻率，根据磁场梯度视电阻率计算公式，可以计算得到测区内任意点在任意发射频率下的视电阻率；
15.步骤五，结合趋肤深度公式，绘制视电阻率-视深度拟断面图。
16.优选的，步骤一中，hz为阵列源激发下的z方向磁场强度，由多个电偶极源响应的叠加而成。具体公式如下：
[0017][0018]
式中，pe为发射磁矩，y为垂直方向坐标，ω为角频率，μ为真空磁导率，ri为测点i的收发距；
[0019]
优选的，步骤二中，空间梯度h
zδx
是对同一测线上，相邻测点在同一测量频率下的z方向磁场强度hz做距离差商，频率梯度h
zδz
是对同一测线、同一测点的两相邻测量频率取对数，并作差，对相邻频率下的z方向磁场强度hz幅值做差商，具体公式如下：
[0020]
位于测线i上的测点j，在频率为fk时的空间梯度为：
[0021][0022]
式中，δl
xi
表示相邻测点间的的距离。
[0023]
优选的，步骤二中，位于测线i上的测点j，在频率为fk时的频率梯度为：
[0024][0025]
式中，fk、f
k-1
(k＝1,2
…
n，n为测量频率总个数)表示两个相邻的测量频率；
[0026]
优选的，步骤三中，利用长导线作为发射源时，当发射源中点到观测点距离大于导线源长度的3-5倍时，在观测点的电磁场即可被认为是偶极子场。当测量区域位于远区时，大地的视电阻率为：
[0027][0028]
式中，rj为测点j的收发距。
[0029]
优选的，步骤三中，，空间视电阻率变化量δρ
ax
和联合视电阻率变化量δρ
az
，是通过结合已有的远区视电阻率计算公式与空间梯度、频率梯度公式推导而出，其中：
[0030]
两个相邻测点间的空间视电阻率变化量为：
[0031][0032]
两个相邻频率间的频率视电阻率变化量为：
[0033][0034]
优选的，步骤三中，测区内任意测点j
l
在测量频率为fk时，磁场梯度视电阻率计算公式为：
[0035][0036]
式中，l＝1,2,3,
…
,n；k＝1,2,3,
…
,n；ρ(i,j0,f0)为测区内，位于测线i上的选定的测点j0，在频率为f0时的视电阻率值。
[0037]
本发明的有益效果：
[0038]
本发明通过求取磁场空间梯度，提升了对异常体的横向边界响应能力；
[0039]
本发明通过求取磁场频率梯度，提升了对异常体的纵向边界响应能力；
[0040]
该方法采用阵列源电磁梯度拖曳式矩形布阵测量，进行无接触式磁场梯度测量，无需在城市应用中布设电极、无需挖电极坑，属于无损测量方法，且拖曳式测量平台灵活便携，有利于提升探测效率和方便性，更适用于城市地下空间探测；
[0041]
该方法计算量小，计算速度快，可实现快速成像，可用于现场监测；
[0042]
该方法所得结果可作为精确反演参考，可基于探测出的异常体进行重点探测，实现对地下异常体的精确识别。
附图说明
[0043]
图1为基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法流程图；
[0044]
图2为三维大地模型顶视图；
[0045]
图3为三维大地模型正视图；
[0046]
图4为h
x
响应曲线图；
[0047]
图5为hy响应曲线图；
[0048]
图6为hz响应曲线图；
[0049]
图7为h
x
梯度响应曲线图；
[0050]
图8为hy梯度响应曲线图；
[0051]
图9为hz梯度响应曲线图；
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明：
[0053]
基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤一，采用多源多频激励下的拖曳式矩形阵列非接触式测量，读取系统接收到的阵列元激发下的z方向磁场强度hz数据；
[0055]
步骤二，结合两相邻测点的磁场强度和之间的距离根据空间梯度计算公式计算得到空间梯度h
zδx
，结合同一测点两相邻测量频率及其响应磁场强度根据频率梯度计算公式计算得到频率梯度h
zδz
；
[0056]
步骤三，利用空间梯度h
zδx
和相邻测点间的距离根据空间视电阻率变化量计算公式计算得到两个相邻测点间的空间视电阻率变化量δρ
ax
，利用频率梯度h
zδz
和两个相邻的测量频率根据频率视电阻率变化量计算公式计算得到两个相邻频率的频率视电阻率变化量δρ
az
；
[0057]
步骤四，结合测区内某测点电阻率，根据磁场梯度视电阻率计算公式，可以计算得到测区内任意点在任意发射频率下的视电阻率；
[0058]
步骤五，结合趋肤深度公式，绘制视电阻率-视深度拟断面图。
[0059]
图1为基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，具体如下：
[0060]
读取系统采集到的z方向磁场强度hz数据；
[0061]
对同一条测线上、相邻测点在同一测量频率下的z方向磁场强度hz幅值做差商，除以相邻测点间的距离，根据空间梯度计算公式计算得到空间梯度h
zδx
，对同一测线、同一测点的两相邻测量频率取对数，并作差，对相邻频率下的z方向磁场强度hz幅值做差商，根据频率梯度计算公式计算得到频率梯度h
zδz
，其中：
[0062]
位于测线i上的测点j，在频率为fk时的空间梯度为：
[0063][0064]
式中，δl
xi
表示相邻测点间的的距离；
[0065]
位于测线i上的测点j，在频率为fk时的频率梯度为：
[0066][0067]
式中，fk、f
k-1
(k＝1,2
…
n，n为测量频率总个数)表示两个相邻的测量频率。
[0068]
接着，结合发射磁矩、垂直方向坐标、角频率、真空磁导率、测点i的收发距，可以计算得到两个相邻测点间的空间视电阻率变化量δρ
ax
，以及两个相邻频率的频率视电阻率变化量δρ
az
，其中：
[0069]
两个相邻测点间的空间视电阻率变化量为：
[0070][0071]
两个相邻频率间的频率视电阻率变化量为：
[0072][0073]
然后，利用远区视电阻率计算公式计算出测区内某一确定点在特定频率下的视电阻率，再根据磁场梯度视电阻率计算公式，可以计算得到测区内任意点在任意发射频率下
的视电阻率，其中：
[0074]
测区内某一测线上的某一测点，在特定频率下的视电阻率为：
[0075][0076]
式中，pe为发射磁矩，y为垂直方向坐标，ω为角频率，μ为真空磁导率，rj为测点j的收发距；
[0077]
测区内任意测点j
l
在测量频率为fk时，磁场梯度视电阻率计算公式为：
[0078][0079]
式中，l＝1,2,3,
…
,n；k＝1,2,3,
…
,n；ρ(i,j0,f0)为测区内，位于测线i上的选定的测点j0，在频率为f0时的视电阻率值。
[0080]
最后结合趋肤深度公式，绘制视电阻率-视深度拟断面图。
[0081]
三位大地模型顶视图如图2所示，发射源延y方向放置，位于地电模型xy平面中心，低阻异常体位于发射源右侧，虚线为观测平面；三位大地模型正视图如图3所示，低阻异常体上边界距xy平面200m，左边界距yz平面8050m，右边界距yz平面8950m。
[0082]hx
响应曲线如图4所示，可以看出无明显异常；hy响应曲线如图5所示，可以看出在x＝8050m处有异常，而x＝8090m处仍无明显异常；hz响应曲线如图6所示，可以看出在x＝8050m和x＝8950m处有异常，但其边界不清晰，只能大致确定异常体范围，无法精确定位异常体边界。
[0083]hx
梯度响应曲线如图7所示，可以看出在x＝8050m和x＝8950m处有较小异常；hy梯度响应曲线如图8所示，可以看出在x＝8050m和x＝8950m处有异常，但其边界不清晰；hz梯度响应曲线如图9所示，可以看出在x＝8050m和x＝8950m处有异常，且其边界清晰，效果明显，可以精确定位异常体位置。
[0084]
通过对比图4、图5、图6与图7、图8、图9结果，不难发现，磁场梯度在边界识别中有明显优于绝对场的效果，其中z方向磁场强度hz梯度效果尤为显著。
[0085]
上述模型试算结果表明，梯度场视电阻率具有更强的对异常体的边界识别能力，能够更准确地定位异常体位置。

技术特征：
1.基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，其特征在于，采用多源多频激励下的拖曳式矩阵阵列非接触测量，通过磁场梯度计算得到视电阻率，包括以下步骤：步骤一，采用多源多频激励下的拖曳式矩形阵列非接触式测量，读取系统接收到的阵列元激发下的z方向磁场强度h
z
数据；步骤二，结合两相邻测点的磁场强度和之间的距离根据空间梯度计算公式计算得到空间梯度h
zδx
，结合同一测点两相邻测量频率及其响应磁场强度根据频率梯度计算公式计算得到频率梯度h
zδz
；步骤三，利用空间梯度h
zδx
和相邻测点间的距离根据空间视电阻率变化量计算公式计算得到两个相邻测点间的空间视电阻率变化量δρ
ax
，利用频率梯度h
zδz
和两个相邻的测量频率根据频率视电阻率变化量计算公式计算得到两个相邻频率的频率视电阻率变化量δρ
az
；步骤四，结合测区内某测点电阻率，根据磁场梯度视电阻率计算公式，可以计算得到测区内任意点在任意发射频率下的视电阻率；步骤五，结合趋肤深度公式，绘制视电阻率-视深度拟断面图。2.根据权利要求1所述的基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，其特征在于，所述步骤一中磁场强度h
z
为阵列源激发下的z方向磁场强度，由多个电偶极源响应的叠加而成：式中，p
e
为发射磁矩，y为垂直方向坐标，ω为角频率，μ为真空磁导率，r
i
为测点i的收发距。3.根据权利要求1所述的基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，其特征在于，所述步骤二中，空间梯度计算公式为：位于测线i上的测点j，在频率为f
k
时的频率梯度为：式中，δl
xi
表示相邻测点间的的距离。4.根据权利要求1所述的基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，其特征在于，所述步骤二中，频率梯度计算公式为：位于测线i上的测点j，在频率为f
k
时的频率梯度为：式中，fk、fk-1表示两个相邻的测量频率，k＝1,2
…
n，n为测量频率总个数。5.根据权利要求1所述的基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，其特征在于，所述步骤三中，空间视电阻率变化量计算公式为：6.根据权利要求1所述的基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，其
特征在于，所述所述步骤三中，频率视电阻率变化量计算公式为：7.根据权利要求1所述的基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，其特征在于，所述所述步骤三中，频率视电阻率变化量计算公式为：测区内任意测点j
l
在测量频率为f
k
时：式中，l＝1,2,3,
…
,n，k＝1,2,3,
…
,n；ρ(i,j0,f0)为测区内，位于测线i上选定的测点j0，在频率为f0时的视电阻率值。

技术总结
本发明公开了基于磁场梯度的强边界识别能力快速视电阻率成像方法，属于城市探测领域，包括以下步骤：步骤一，采用多源多频激励下的拖曳式矩形阵列非接触式测量，读取z方向磁场强度H


技术研发人员：张铭 王沁怡 游萌 林君
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/31