[发明专利]一种基于神经网络的地空电磁数据慢扩散多参数提取方法

说明书

本发明涉及一种基于神经网络的地空电磁数据慢扩散多参数提取方法，根据电磁慢扩散现象建立慢扩散分数阶模型；将分数阶电导率表达式代入麦克斯韦方程，构建电磁场分数阶扩散方程，推导电性源地空电磁响应公式；在获取测区地质资料基础上，构建不同慢扩散参数、电导率的慢扩散分数阶模型，并计算地空电磁响应，形成样本数据集；优化选取神经网络的网络结构参数和训练函数，建立神经网络；对实测地空电磁数据进行预处理后，应用神经网络提取地下介质多参数信息；最后实现多参数结果进行成像。本发明的目的在于构建慢扩散分数阶模型，实现地空电磁慢扩散数据的高精度多参数提取，与传统电导率成像方法相比，多参数成像结果更接近实际地下介质。

技术领域

本发明涉及一种地球物理探测领域的参数提取方法，尤其适用于符合实际地下介质复杂特征和电磁慢扩散现象的电磁勘探方法。

背景技术

在地球物理探测领域中，实际地下介质在其沉积或成岩等过程中受到差异压实和变质作用等影响，使得地层具有非线性、多孔介质等特征，随着仪器精细化探测，电磁慢扩散现象逐渐被观测到。针对慢扩散现象和实际地质复杂结构，重新定义地下介质模型进行精细化探测，因此同时获取岩石的电导率、慢扩散参数等多参数信息尤为重要。

美国专利US5610523公开了一种采用地面线圈发射、空中飞机探测的电磁探测系统和方法，对接收信号应用磁电阻率分析和磁感应极化技术进行处理，判定地下体状物质。但是该分析技术是基于均匀介质理论下的方法，与实际地下复杂介质结果存在一定的偏差。

CN201810174296.7公开了一种粗糙介质模型的时域电磁数据慢扩散成像方法，对电偶极子磁场响应求解直流电导率和广义扩散深度，绘制电阻率-广义趋肤深度图。但是该方法未提取慢扩散参数等信息，所以针对实际地质情况下定义的粗糙介质广义电导率的数据解释计算方法研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电磁数据参数提取方法的不足，根据实际地下复杂介质，提供一种慢扩散分数阶模型的地空电磁数据多参数提取方法。

本发明是这样实现的，一种基于神经网络的地空电磁数据慢扩散多参数提取方法包括：

1)根据实际地下介质复杂特征和电磁慢扩散现象，引入慢扩散参数，建立慢扩散分数阶模型；

2)构建电磁场分数阶扩散方程、分数阶亥姆霍兹方程，推导电性源电磁响应公式，基于分数阶有限差分算法，实现慢扩散分数阶模型的电性源地空电磁响应三维数值模拟；

进一步地，将步骤1的慢扩散分数阶模型代入到麦克斯韦方程中，可得分数阶扩散方程和波数，引入谢昆诺夫势，求得分数阶亥姆霍兹方程，利用格林函数推导可得电性源地空电磁响应公式；分数阶有限差分按照Yee网格形式进行剖分，将含有分数阶微分项的控制方程分量形式进行离散递归，可得到电磁场各分量的迭代方程；采用初始场代替源项，采用向上延拓理论实现空中场的加载，应用复频率参数完全匹配层作为计算域的边界条件，实现慢扩散分数阶模型的电性源地空电磁响应三维数值模拟。

3)根据测区地质资料信息和步骤1的慢扩散分数阶模型，计算兼顾慢扩散参数、电导率等多参数变化的电性源地空电磁响应，将地空电磁响应作为神经网络的输入，慢扩散参数、电导率、深度等参数作为输出，建立神经网络；

进一步地，步骤3中包含以下步骤：

Ⅰ、构建不同慢扩散参数、电导率的慢扩散分数阶模型，计算兼顾慢扩散参数、电导率等多参数变化的电性源地空电磁响应，建立输入输出数据集；

Ⅱ、对步骤Ⅰ中的数据集进行归一化处理；

Ⅲ、根据样本数据集，优化选取神经网络的网络结构参数和训练函数；

Ⅳ、将步骤Ⅱ的样本数据集输入到神经网络进行训练，对神经网络训练误差进行估计并优化神经网络；

Ⅴ、保存最优神经网络。