基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正方法与流程

本发明属于半航空瞬变电磁发射波形控制，具体涉及基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正方法。

背景技术：

1、半航空瞬变电磁法（semi-airborne transient electromagnetic method，satem）是一种将地面发射与空中接收相结合的地球物理勘探方法。

2、在发射波形控制方面，现有技术主要集中于发射机电路级优化。《基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术》提出恒压钳位与阻尼吸收电路以改善发射端关断特性；《瞬变电磁发射机电流波形改善技术研究》分析了电缆线和发射线圈的分布参数对波形的影响。上述工作均聚焦于发射机输出端的波形质量控制，解决关断沿振荡和线性度问题，不涉及长导线沿线的电流空间分布。《发射电流波形对瞬变电磁测量结果影响及校正的研究》分析了发射电流关断沿对测量结果的影响并提出校正方法，但其校正对象为时间域上的关断效应，仅考虑发射端单点波形，未考虑导线的传输线分布效应。

3、在长导线源瞬变电磁正演方面，专利申请cn202311358881《一种基于非均匀剖分的接地长线源瞬变电磁快速正演方法》将长线源离散为多段电偶极子进行正演响应叠加计算，但其目的在于快速正演计算，不涉及电流波形的空间分布反演。

4、在理论建模方面，《半航空瞬变电磁发射机关键技术研究》第3章提出了地回路模型用于分析半航空瞬变电磁系统的冲激响应，其建模思路与传输线模型有理论渊源，但该模型用于系统响应分析而非波形校正，未实现导线上任意位置的电流分布反演。

5、此外，现有接收端数据处理方法（如磁场补偿、卡尔曼滤波去噪等）均针对接收信号的后处理噪声抑制，与发射源波形校正无关。

6、现有技术中，关于satem发射波形校正的方案主要集中在发射端电路设计（改善关断特性）和接收端数据处理（噪声抑制）两个方向，尚无将传输线分布参数模型应用于长导线源沿线电流波形反演的公开技术方案。

7、现有技术存在的缺点：（1）集中参数模型误差大：现有技术采用rlc集中参数模型描述发射回路，对于长度超过1km的长导线，分布电阻、分布电感、分布电容效应不可忽略，集中参数模型无法准确描述电流沿导线的传播与衰减特性。（2）波形沿导线分布不均被忽略：现有技术仅测量发射端的单点电流波形，并假设整根导线上各点的电流波形与发射端一致，忽略了传输线效应引起的幅值衰减、相位延迟和波形畸变的空间分布。（3）正演源项不准确：瞬变电磁正演通常将发射源简化为理想阶跃波或单个已知波形的电偶极子，未考虑长导线的波形空间分布，导致正演结果与实际响应存在系统性偏差。（4）硬件方案无法解决传播畸变：恒压钳位、阻尼吸收等发射端电路优化技术仅能改善发射机输出端的波形质量，对导线上因分布参数导致的传播畸变无能为力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服因采用集中参数模型描述长导线发射回路并忽略传输线分布效应而导致的发射波形空间分布不均、瞬变电磁响应计算存在系统性偏差的问题，提出了基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正方法。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正方法，包括以下步骤：

4、s1、将半航空瞬变电磁系统的接地长导线等效为有损传输线，建立包含单位长度电阻、单位长度电感、单位长度电容和单位长度漏电导的分布参数等效电路模型；

5、s2、在发射端同步采集发射电流波形和发射电压波形，基于发射电流波形和发射电压波形获取实测输入阻抗，以实测输入阻抗与基于分布参数等效电路模型计算的输入阻抗的频域残差最小化为目标，辨识单位长度电容和单位长度漏电导；

6、s3、基于辨识得到的单位长度电容和单位长度漏电导，以及发射电流波形，通过分布参数等效电路模型的电报方程频域通解计算接地长导线上任意位置的频域电流，经逆傅里叶变换得到任意位置的时域电流波形，生成发射电流的时空分布；

7、s4、将接地长导线离散为多个电偶极子单元，每个电偶极子单元采用时空分布中所在位置的时域电流波形作为激励源，分别计算每个电偶极子单元在接收点产生的瞬变响应并叠加，得到总瞬变响应。

8、进一步地，s2中，采用levenberg-marquardt非线性最小二乘算法迭代求解频域残差的最小值，得到单位长度电容和单位长度漏电导的辨识值；在迭代求解过程中对单位长度漏电导和单位长度电容施加物理约束，物理约束包含单位长度漏电导的取值上限和单位长度电容的取值上限。

9、进一步地，s1中，单位长度电阻和单位长度电感由接地长导线的物理规格确定，单位长度电容和单位长度漏电导为待辨识参数；分布参数等效电路模型还包含接地长导线的末端接地电阻，末端接地电阻作为有损传输线的终端负载参与输入阻抗的计算。

10、进一步地，s2中，基于分布参数等效电路模型计算的输入阻抗满足：

11、

12、其中，z0为特性阻抗，zl为末端接地电阻，γ为传播常数，l为接地长导线的总长度。

13、进一步地，s3中，电报方程频域通解包含传播常数和特性阻抗，传播常数满足下式：

14、

15、特性阻抗满足下式：

16、

17、其中，r0为单位长度电阻，l0为单位长度电感，g0为单位长度漏电导，c0为单位长度电容，ω为角频率，j为虚数单位；

18、接地长导线上任意位置的频域电流满足：

19、

20、其中，i(0,ω)为发射电流波形的频域形式，x为位置坐标，l为接地长导线的总长度，γ为传播常数，z0为特性阻抗，zl为末端接地电阻。

21、进一步地，s4中，将接地长导线等分为多个电偶极子单元，每个电偶极子单元的激励源取自电偶极子单元中点位置的时域电流波形。

22、进一步地，还包括s5、将s4得到的总瞬变响应与均匀半空间解析解进行对比，并进行实测数据重复性验证，输出校正后的发射波形数据集与瞬变电磁响应数据。

23、第二方面，本发明提供基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正系统，包括：

24、等效电路模型建立模块，用于将半航空瞬变电磁系统的接地长导线等效为有损传输线，建立包含单位长度电阻、单位长度电感、单位长度电容和单位长度漏电导的分布参数等效电路模型；

25、电容与漏电导辨识模块，用于在发射端同步采集发射电流波形和发射电压波形，基于发射电流波形和发射电压波形获取实测输入阻抗，以实测输入阻抗与基于分布参数等效电路模型计算的输入阻抗的频域残差最小化为目标，辨识单位长度电容和单位长度漏电导；

26、生成时空分布模块，用于基于辨识得到的单位长度电容和单位长度漏电导，以及发射电流波形，通过分布参数等效电路模型的电报方程频域通解计算接地长导线上任意位置的频域电流，经逆傅里叶变换得到任意位置的时域电流波形，生成发射电流的时空分布；

27、计算总瞬变响应模块，用于将接地长导线离散为多个电偶极子单元，每个电偶极子单元采用时空分布中所在位置的时域电流波形作为激励源，分别计算每个电偶极子单元在接收点产生的瞬变响应并叠加，得到总瞬变响应。

28、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正方法。

29、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正方法。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

31、本发明提出的基于传输线等效模型的半航空瞬变电磁发射波形校正方法，将有损传输线分布参数模型引入半航空瞬变电磁发射源描述，从物理本质上刻画长导线的电流传播与衰减特性，克服集中参数模型在公里级导线上因分布参数效应不可忽略而产生的建模误差。本发明通过发射端实测电流与电压辨识传输线分布参数，基于电报方程频域通解反演导线上任意位置的时域电流波形，建立发射电流时空二维分布，解决现有技术仅测量发射端单点波形并假设整线电流一致的缺陷。本发明将长导线离散为多个电偶极子单元，每个单元采用所在位置的实际电流波形作为激励源，消除因波形空间分布不均导致的瞬变电磁响应计算系统性偏差。本发明为纯软件校正方法，无需改造现有硬件系统，可直接集成于现有半航空瞬变电磁数据处理流程。