[发明专利]一种虚拟时域有限差分的瞬变电磁发射源加载方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁探测发射源加载方法，特别涉及一种虚拟时域有限差分的瞬变电磁发射源加载方法。

背景技术

目前，瞬变电磁法是利用发射装置向大地发射电磁波进而探测地下目标体的电性特征的一种地球物理勘探方法。发射装置一般采用不接地回线或者接地导线向大地发射一次场信号，一次场信号关断以后，电磁波向地下传输并且感应出二次场信号，在地面或者空中利用接收机对二次场信号进行采集。通过后期对采集到的信号进行数据解释，从而得到地下地质体的电性构造信息。瞬变电磁方法可用于地下水、金属矿和石油等资源的勘探，是能源勘探和安全生产中非常重要的一种地球物理勘探方法。

在瞬变电磁的数据解释过程中，瞬变电磁的数值模拟具有很重要的地位，每一次的数据解释，都需要大量的数值模拟结果去和实际采集数据进行拟合，寻找最优的拟合结果从而对地下电性分布作出科学合理的解释。源的加载问题一直是困扰着瞬变电磁数值模拟的难题。特别是在使用时域有限差分方法对瞬变电磁方法进行数值模拟时，常规的源的处理方式是将源等效为初始场，然后带入有限差分迭代格式中进行数值计算。除了采用初始场等效源的处理方式以外，也可以在扩散场中加入脉冲信号来模拟瞬变电磁的发射源，但是这种加载方式受到不同模型以及稳定性条件的限制。针对不同的模型，需要经过大量的实验来确定脉冲信号的参数，并且脉冲信号变化剧烈，如果处理不当，就会破坏有限差分迭代过程的稳定性，造成数值结果的错误。

可见，对于采用时域有限差分方法进行瞬变电磁数值模拟，如何准确地模拟发射源从而获取正确可靠的瞬变电磁响应，成为瞬变电磁法数值模拟的重要和关键技术。

中国专利CN102520450A公开了一种煤矿充水采空区检测方法，在地面上对采空区进行瞬变电磁法数据采集，将衰减曲线由电压形式转换成磁场形式，瞬变电磁场同虚拟波动波动场之间的方程式，对方程式进行正则化计算求得虚拟波场，建立运动学剖面，根据这些剖面进行数据直接解释。

中国专利CN104408021A公开了一种电偶源三维时域有限差分正演成像方法，将高斯脉冲加载到电偶极子上，在海洋环境下，对空气、海水和海底大地三个空间建立麦克思维方程组和本构方程，采用时域有限差分方法对方程进行空间和时间上的离散，对边界进行处理设定稳定性条件，进行差分方程求解，得到任意时刻电磁场的分布。

中国专利CN106250102A公开了一种交错网格有限差分方法正演模拟化的方法，通过采用多线程和多进程的并行算法，将数据量和运算量分散到多个进程和线程上，降低边界数据交换的通信时间，提高三维弹性波正演模拟的数据交换等效率，提高交错网格有限差分方法正演模拟的运行效率。

美国专利US20140365188A1公开了一种稀疏的有限差分时域模拟方法，采用全向矢量方法进行模拟，一次性地求取所有频率的电磁响应。

以上所述方法公布了波场变换和有限差分方法在电磁领域中的研究进展，国内外专利还未涉及虚拟时域有限差分的瞬变电磁发射源加载方法，为此本发明基于波场变换技术和时域有限差分方法，在虚拟波动场中加载虚拟发射源，解决了瞬变电磁法有限差分数值模拟源的加载问题，最终实现了三维模型的直接带源的电磁响应数值模拟。

发明内容

本发明的目的是为了解决瞬变电磁法有限差分数值模拟源的加载问题，从而为了实现三维模型的直接带源的电磁响应数值模拟而提供的一种虚拟时域有限差分的瞬变电磁发射源加载方法。

本发明提供的虚拟时域有限差分的瞬变电磁发射源加载方法，其方法如下所述：

步骤一、基于波场变换技术，先获得扩散场的麦克斯韦方程组的双曲表达形式，构造虚拟介电常数，定义虚拟波动场和扩散场的角频率关系，采用傅里叶变换得到了虚拟波动场中的控制方程表达式；

步骤二、基于时域有限差分方法，采用三维Yee氏网格对计算区域进行空间上的离散，根据时域有限差分数值计算的稳定性条件，确定时间步长，对各个网格进行电性参数的设置和赋值；

步骤三、在虚拟波动场中，选用一阶高斯脉冲的导数作为虚拟发射源的信号，根据不同的瞬变电磁工作装置，对发射回线或者接地导线，进行电偶极子离散，采用软源和电偶极子叠加的方式对瞬变电磁发射装置在有限差分网格上进行模拟；

步骤四、对虚拟发射源信号进行参数设置，进行三维模型的电场和磁场的迭代计算，加载边界条件，完成虚拟波动场中时间域的电磁场数值计算；

步骤五、计算结束后，采用类傅里叶变换，将虚拟波动场中的电磁响应结果以及虚拟发射源信号恢复到真实的扩散场频率域；