一种瞬变电磁扫描探测系统及方法

本发明属于无损对地探测，具体涉及一种瞬变电磁扫描探测系统及方法。

背景技术：

1、瞬变电磁法(transient electromagnetics method，tem)也称时间域电磁法，是上世纪50年代快速发展起来的一种人工源地球物理勘探方法。该方法发射一次脉冲电磁场向地下扩散，将在电性不均匀体内部激发出感应电流，又称涡流；通过观测一次扩散场和异常体内部涡流产生的二次电磁场，即可反演得到地下电性结构。此外，tem具有操作便捷，实验效率高，且对复杂地形适应性强的特点，这使得其在各个基础建设领域中都具有广阔的应用前景，例如地下水监测、矿产勘查、地质填图和环境工程探测，滑坡、崩塌等自然灾害监测等等。

2、现有的tem探测技术主要采用一维反演，然后将多个一维反演模型拼接起来形成二、三维模型，来快速获取地下电阻率结构。然而，一维反演是以层状结构为基础进行正演建模，仅能对纵向电阻率的变化趋势施加约束，在数据误差、地下异常体的三维效应以及地形起伏的影响下，不同观测点的反演结果可能会存在较大差距，使得拼接后的电阻率模型横向连续性较差。在探测某些结构复杂的地层情况下，例如产状近垂直的断层时，可能会产生明显的虚假异常，给地质地球物理解释综合解释带来极大的困难。一维反演存在非唯一性较强的问题，主要的原因在于没有充分挖掘有效的电磁场信号。目前，瞬变电磁超前预测在工作中主要采纳中心回线，仅采集垂直方向的感应电动势，而忽视其他方向的电磁场数据。然而，由异常引起的电磁场空间分布是三维的，取决于不同的接收和发射位置以及地下电阻率结构，不同方向的电磁场信号对异常的灵敏度变化较大，因此，如果仅利用垂直分量对地下异常进行探测，势必会丢失重要的有效信息。有限的电磁场信号、有限的观测资料不足以约束地下电阻率分布结构，在数学上是一个明显的欠定问题。另一方面，为了提高中心回线装置的便捷性，人们通常提高发射线圈的匝数，同时减少线圈面积，这导致了发射线圈和测量线圈存在较强的互感效应，在互感效应消失前的测量数据为无效数据，这导致了tem难以测量到早期的有效数据，形成近距离测量的盲区。

3、此外，为了增强数据解释的准确性，有学者也针对atem(airborne time domainelectromagnetic，时间域航空电磁法)二、三维反演展开了研究，并从提高反演效率和减少内存等多个角度优化atem反演算法。三维反演虽然能够提供更为精细的地下介质电阻率分布信息，但是在实际应用中仍充满挑战，主要存在计算量较大、容易陷入局部极小等问题。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、(1)现有的一维瞬变电磁技术存在观测方式单一，观测数据覆盖不足等问题。

6、(2)在利用中心回线装置进行观测时，发射线圈和测量线圈存在较强的互感效应，导致tem近距离测量存在盲区。

7、(3)反演主要以一维层状模型为主，不足以描述三维不均匀的地下空间，容易出现虚假异常，且反演不稳定，横向连续性较差。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，实现提高探测精度的目的，本发明采用如下的技术方案：

2、一种瞬变电磁扫描探测方法，包括如下步骤：

3、步骤s1：扫描观测系统的设计，tem扫描探测系统携带仪器的越野车，牵引着发射器框架和接收线圈，使用偶极发射装置，在每个发射脉冲之后，测量早期和晚期的感应电动势数据；

4、步骤s2：构建训练集，采用随机电阻率模型生成算法，生成大量符合实际情形的电阻率模型，通过对电阻率模型进行正演计算，得到tem响应数据；

5、步骤s3：构建tem预测模型，训练时模型的输入为tem响应数据，输出为随机产生了地下电阻率结构。所述的模型的输出，是每一个随机电阻率模型所对应的tem响应。tem响应数据是基于有限体积数值模拟得到的。在数值模拟中，设置发射线圈在一定角度内旋转，在每个对应的旋转角度和关断采样时刻，得到的对应径向感应电动势和切向感应电动势，对感应电动势数据分别取绝对值和对数，以及标准化操作，将得到的取绝对值和对数后的径向感应电动势数据、取绝对值和对数后的切向感应电动势数据，以及标准化后的径向、切向感应电动势数据，输入tem预测模型进行预测，标准化操作是将感应电动势减去平均值再除以方差。基于作为标签的电阻率模型真值与预测结果，训练tem预测模型，得到训练好的tem预测模型。

6、进一步地，所述步骤s2中随机电阻率模型生成方法，包括如下步骤：

7、步骤s2.1：随机产生层状电阻率模型r(l)，电阻率大小随深度渐变增加，最小电阻率范围服从均匀分布u(log10(1),log10(100))ω·m，电阻率变化范围也服从均匀分布u(log10(100),log10(10000))ω·m；

8、步骤s2.2：随机产生二维模型网格m，每个网格的值随机分布；

9、步骤s2.3：对二维模型进行平滑，平滑程度越大，意味着模型分辨率越低；

10、步骤s2.4：将平滑后的模型的每一层数据进行归一化处理；

11、步骤s2.5：假设tem的分辨率随深度成指数衰减，因此对每层模型数据进行如下处理：

12、m(l)＝m(l)·r(l)·e(-τl)

13、其中l表示层数，τ表示衰减指数，τ越大表示深部的模型越平滑，e表示自然对数，最终得到的m表示二维不均匀分布的电阻率模型，且随着深度增加，电阻率变化越平缓；

14、步骤s2.6：通过八叉树网格对m进行最近邻插值，得到用于快速数值模拟的电阻率模型。tem扫描探测系统的目标是浅地表精细探测，因此仅需要模拟50×50m2的目标区域，采用八叉树网格对二维空间进行划分，模拟区域网格较为密集，向外逐渐稀疏，以提高计算效率。

15、进一步地，所述步骤s3中，tem响应数据是基于有限体积数值模拟得到的。在数值模拟中，设置发射线圈在一定角度内旋转，在每个对应的旋转角度和关断采样时刻，得到的径向感应电动势和切向感应电动势，径向是指垂直于线圈平面的方向，切向是指线圈平面与xz平面的交线的方向；以横坐标表示旋转角度、纵坐标表示关断时刻，分别构建取绝对值和对数后的径向、切向感应电动势数据特征图，以及标准化后的径向、切向感应电动势数据特征图，将预测的感应电动势数据特征图与原始的电动势对应的特征图进行比较，训练tem预测模型。

16、进一步地，所述步骤s3中的tem预测模型采用unet，包括卷积层、下采样层、上采样层、归一化层，对输入的感应电动势通过卷积层和下采样进行逐级特征提取，然后逐级进行上采样和特征提取，最后通过归一化层输出预测的感应电动势，在每级对应的上、下采样层之间进行直连，以提高模型的反向传播效率和预测精度；对卷积层的输出进行激活操作，并通过bn层进行标准化，以进一步防止梯度消失或梯度爆炸现象，同时可以增加正则化效果。

17、进一步地，所述步骤s3中，将标签与预测结果间的均方误差，作为判断unet性能的指标：

18、mse＝‖predi-label‖2+λ‖predi‖2

19、其中，‖·‖2表示l2正则化处理，使其不仅可以拟合标签，同时需尽可能的平滑，这与本发明设计的电阻率模型保持一致，λ表示数据拟合和数据平滑之间的权重。

20、进一步地，方法还包括步骤s3：模型预测，采集tem响应数据，输入训练好的tem预测模型，得到预测的电阻率模型。

21、进一步地，所述步骤s3中，对采集的tem响应数据进行区域分解，将得到的与训练集一致的小尺度区域进行预测，再将预测结果按原有分解顺序进行拼接，从而重建大尺度反演模型，以适应探测区域过大的情形。

22、一种瞬变电磁扫描探测系统，包括观测系统模块，训练集构建模块、tem预测模块；

23、所述的观测系统模块，包括越野小车、发射装置、接收装置、gps定位装置和gis导航系统；

24、所述训练集构建模块，采用随机电阻率模型生成算法，生成大量符合实际情形的电阻率模型，再通过电阻率模型进行正演计算，得到tem响应数据；

25、所述tem预测模块，获取的tem响应数据，是基于旋转的发射源在每个采样点对应的角度和关断采样时刻，得到的对应径向感应电动势和切向感应电动势，对感应电动势数据分别取绝对值和对数，以及标准化操作，将得到的取绝对值和对数后的径向感应电动势数据、取绝对值和对数后的切向感应电动势数据，以及标准化后的径向、切向感应电动势数据，输入tem预测模块进行预测，标准化操作是将感应电动势减去平均值再除以方差，基于作为标签的电阻率模型真值与预测结果，训练tem预测模块，得到训练好的tem预测模块；取对数的目的是避免数量级相差太大。

26、进一步的，所述系统包括瞬变电磁仪、发射装置、接收装置和处理模块，瞬变电磁仪通过接收装置采集发射装置发射的脉冲电磁场，得到感应电动势；

27、所述发射装置，为竖直旋转的线圈，使用偶极发射线圈，竖直旋转角度范围θ∈[-90°,90°]；

28、所述接收装置，包括竖直和水平两组线圈，与发射装置配合设置；

29、所述处理模块，包括由训练好的所述tem预测模块，获取接收装置获取的感应电动势，输出预测的电阻率模型。

30、进一步地，所述系统的移动装置为车辆，定位装置为gps定位装置，导航装置为gis导航装置，瞬变电磁仪、发射装置、接收装置设置于车辆上并保持一定距离，gps定位装置用于获取发射装置和接收装置的位置信息，gis导航装置用于为车辆导航。

31、本发明的优势和有益效果在于：

32、本发明的一种瞬变电磁扫描探测系统及方法，采用180°对地扫描探测模式，提高了观测资料的覆盖范围，减少了反演的非唯一性。此外，传统的tem探测方法只能对正下方的地下电阻率结构进行探测，把反演模型近似为一维层状介质，这不足以描述地下介质的横向不均匀性。本发明对线圈下方介质在2d剖面上进行扫描，可以较好地探测地下横向不均匀结构，避免出现错误的模型解译。本发明中发射线圈和接收线圈分离，相隔8～10m，避免了两个线圈之间的电磁耦合，极大地减少了探测盲区，提高了浅部的信噪比。最后，tem扫描探测采用深度学习模型实现对地下二维结构的预测，一旦训练完成可以实现对目标的秒级预测，极大地提高了计算效率，为实现实时反演成像奠定了基础。