一种孔间电磁波层析成像正演方法与流程

1.本发明涉及物探层析成像(ct)技术领域，特别涉及一种孔间电磁波层析成像正演方法。


背景技术：

2.70年代中期，美国的测井学家r.j.lyele等人率先利用直线理论，把医学ct引入地学领域,把透射层析应用于孔间电磁波探测的资料处理，推动了全球范围内地下物探层析技术的应用和研究。这种理论后来遭到一些学者的质疑，提出了利用波动方程理论进行层析成像，但都没有在物探实际资料处理的应用效果上有所突破。相反，在随后的几十年里，国内外的科学家在射线理论的基础上，不断改善成像方法与重建算法，经过不懈的努力，提高了成像的质量，取得了不错的应用效果。
3.孔间电磁波层析成像技术是地下物探方法的一种，利用两个钻孔对目标地质体进行电磁波扫描，重建扫描断面内介质的电磁波吸收系数分布图像，根据分析电磁波吸收系数的差异对地质体进行精确探测。电磁波从一钻孔中发射天线发出，由另一钻孔内接收天线进行接收，波在传播过程中遇到物理性质不同的地质体时会产生能量衰减。不同介质对电磁波能量具有不同程度的吸收效果，当电磁波穿过不同的地下介质(或介质中存在不均匀层、溶洞或裂隙破碎带等异常体)时，由于介质的电阻率、介电常数、磁导率存在差异，电磁波吸收系数会呈现异常，在重建出的孔间介质电磁波吸收系数分布图中，异常目标体会形成类似阴影的表现形式，可以利用这些差异来推断目标体位置、结构与形状。
4.正演是孔间电磁波层析成像技术的基础，通过对典型地质体进行正演模拟，可为反演算法提供验证支撑。现有的正演方法常采用扩展波恩近似算法及fft-eba算法等算法来获得正演结果，计算步骤繁琐，且其所需构建的正演模型非常复杂，后续的正演计算及数据存储过程相互独立，过程繁琐，耗费时间长。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种孔间电磁波层析成像正演方法，通过该方法能够快速构建出各种正演模型，可为反演算法研究提供数据支撑和提高电磁波层析成像探测成果解译的准确性。
6.本发明通过以下技术方案得以实现：
7.本发明提供的一种孔间电磁波层析成像正演方法，包括以下步骤：
8.步骤1，设定钻孔参数，构建正演模型轮廓；
9.步骤2，基于指定的钻孔参数，将正演模型离散化为正方形网格单元；
10.步骤3，设置每个所述网格单元的电磁波吸收系数，构建正演模型；
11.步骤4，基于高频电磁波直射线传播理论对所述正演模型进行模拟透射扫描并进行正演计算；
12.步骤5，基于所述正演计算结果，生成电磁波模拟透射扫描文件。
13.所述步骤1中，设定两个钻孔为同一高程的垂直、平行、等深钻孔。所述钻孔参数包括孔间距、孔深、采样点距、定点距；所述正演模型轮廓设置于平面直角坐标系上，以左孔孔口为坐标原点，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向。
14.所述步骤2中，网格大小取决于步骤1中的钻孔参数，设定每个正方形网格单元内的介质是均匀的，即每个正方形网格单元的电磁波吸收系数唯一。
15.所述步骤3中，设置每个所述网格单元的电磁波吸收系数的步骤为：设定电磁波吸收系数及其对应颜色，使用鼠标指针对所述网格单元进行填色。所述对应颜色的种类为七种，由用户自定义，设置不同颜色代表不同的电磁波吸收系数，由于一种电磁波吸收系数代表一种介质，所以不同颜色也就代表了不同的介质，直接在网格中绘制某个颜色，就代表使用相应的介质填充该网格，通过颜色填充实现对正演模型的可视化构建。
16.所述步骤4中，所述模拟透射扫描包括同步扫描和定点扫描两种方式，同步扫描时，发射探头和接收探头保持固定高差同步向下或向上移动进行透射扫描；定点扫描时，发射探头(或接收探头)固定在模型的某一深度位置，另一孔中的接收探头(或发射探头)按照设定步距向下或向上移动进行透射扫描。本发明采用定点扫描方式。
17.所述步骤4中，根据以下公式进行正演计算：
[0018][0019]
式中：gi为第i条电磁波射线的采样值(即电磁波场强增益)，∑jβ
jdij
为第i条电磁波射线在每个网格内的衰减量累加之和，βj为第j个网格内的电磁波相对吸收系数，d
ij
为第i条电磁波射线在第j个网格单元内的传播路径长度，d为两孔间的水平距离，r为射线长度。
[0020]
所述步骤5中，所述电磁波模拟透射扫描文件内容包括钻孔参数、扫描组数、每组的扫描范围及射线总数和每组中每条射线的采样值。
[0021]
本发明的有益效果在于：本发明基于高频电磁波直射线传播理论，采用电磁波相对吸收系数进行正演计算，简化了计算方法及流程；本发明采用连续模型离散化处理方法，简化了电磁波层析成像正演模型的构建方法，通过简单的参数设置和可视化操作，能够按实际需求快速构建出各种正演模型，并快速生成正演计算结果。
附图说明
[0022]
图1为本发明所提出的方法流程图。
[0023]
图2为本发明中正演模型示意图。
[0024]
图3为本发明中网格内射线路径计算示意图。
[0025]
图4为实施例中构建的正演模型图。
[0026]
图5为实施例中正演模型对应的反演结果。
具体实施方式
[0027]
以下通过实施例形式，对本发明的内容作进一步详细说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思路情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，在无实质变更技术内容下，
均包括在本发明的范围内。
[0028]
本发明基于高频电磁波直射线传播理论，采用电磁波相对吸收系数进行正演计算，简化了计算方法及流程；采用连续模型离散化处理方法，简化了电磁波层析成像正演模型的构建方法，通过简单的参数设置和可视化操作，能够按实际需求快速构建出各种正演模型，并快速生成正演计算结果。
[0029]
如图1所示，并结合图2和图3，本发明提供的一种孔间电磁波层析成像正演方法包括以下步骤：
[0030]
步骤1，设定钻孔参数，构建正演模型轮廓：为简化构建正演模型的难度，两个钻孔设计为同一高程的垂直、平行、等深钻孔；钻孔参数包括孔间距、孔深、采样点距、定点距；正演模型轮廓设置于平面直角坐标系上，以左孔孔口为坐标原点，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向。
[0031]
步骤2，基于指定的钻孔参数，将正演模型离散化为正方形网格单元：网格大小由步骤1中的采样点距决定；设定每个正方形网格单元内的介质是均匀的，即每个正方形网格单元的电磁波吸收系数唯一。
[0032]
步骤3，设置每个网格单元的电磁波吸收系数，构建正演模型。其中，设置每个网格单元的电磁波吸收系数的步骤为：设定电磁波吸收系数及其对应颜色，使用鼠标指针对每个网格单元进行填色。共设计7个颜色，每个颜色分别代表一种电磁波吸收系数的地质介质，颜色和对应的电磁波吸收系数均可自定义。对代表某种介质的网格单元进行填色之前都需要先选择好对应的画笔颜色，然后再通过鼠标进行模型绘制。由于步骤2中已经设定了每个网格的电磁波吸收系数是单一的，因此每个网格只能填涂上一种颜色。
[0033]
步骤4，基于高频电磁波直射线传播理论对所述正演模型进行模拟透射扫描并进行正演计算：模拟透射扫描包括同步扫描和定点扫描两种方式，同步扫描时，发射探头和接收探头保持固定高差同步向下或向上移动进行透射扫描；定点扫描时，发射探头(或接收探头)固定在模型的某一深度位置，另一孔中的接收探头(或发射探头)按照设定步距向下或向上移动进行透射扫描。
[0034]
根据以下公式进行正演计算：
[0035][0036]
式中：gi为第i条电磁波射线的采样值(即电磁波场强增益)，∑jβ
jdij
为第i条电磁波射线在每个网格内的衰减量累加之和，βj为第j个网格内的电磁波相对吸收系数，d
ij
为第i条电磁波射线在第j个网格单元内的传播路径长度，d为两孔间的水平距离，r为射线长度。
[0037]
上式即为本发明中采用的电磁波射线传播衰减计算公式。由上述文字可知：两孔间的水平距离、发射点位置、接收点位置已知，且发射点与接收点间的电磁波传播路径已设定为直线，射线的直线长度和在每个网格内的传播路径长度可通过简单的坐标运算求得；且每个网格的电磁波吸收系数均为已知，因此，利用上式即可计算出覆盖整个剖面的所有射线的电磁波场强增益。
[0038]
步骤5，基于正演计算结果，生成电磁波模拟透射扫描文件。电磁波模拟透射扫描文件内容包括钻孔参数、扫描组数、每组的扫描范围及射线总数和每组中每条射线的采样
值。电磁波模拟透射扫描文件为txt文本文件，存储格式充分考虑了孔间电磁波层析成像技术的实际工作方法，可作为通用反演文件格式，具体存储格式如下所示：
[0039]
第一行：孔间距，孔深，网格步长，左孔高差，右孔高差，数值0。
[0040]
第二行：定发、定收和同步的总组数。
[0041]
第三行：第1组扫描数据的头部信息，按顺序分别为：左孔探头开始深度，结束深度，右孔探头开始深度，结束深度，第1组射线总数(假定为q)。
[0042]
第4～(q 3)行：按顺序逐行保存第1组所有射线的采样值。
[0043]
后续行：按照“第三行”和“第4～(q 3)行”的形式，分别依次保存其他组的扫描数据。
[0044]
本实施例基于西南地区岩溶特征，构建正演模型并进行计算。结合图1、图2、图3所示，本实施例包括以下步骤：
[0045]
步骤1，设定钻孔参数，构建正演模型轮廓。其中钻孔参数包括孔间距40m、孔深60m、采样点距1m、定点距4m，正演模型轮廓设置于平面直角坐标系上，以左孔孔口为坐标原点，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向。本实施例中两个钻孔设计为同一高程的垂直、平行、等深钻孔；
[0046]
步骤2，基于指定的钻孔参数，将正演模型离散化为正方形网格单元。本实施例中网格单元的大小由步骤1中设定的采样点距决定；
[0047]
步骤3，设置每一所述网格单元的电磁波吸收系数，构建如图4所示的正演模型。设置每个所述网格单元的电磁波吸收系数的步骤为：设定电磁波吸收系数及其对应颜色，使用鼠标指针对所述网格单元进行填色。本实施例中设置围岩的电磁波相对吸收系数为0.2db/m，三个溶洞的电磁波相对吸收系数均为0.8db/m；
[0048]
步骤4，基于高频电磁波直射线传播理论对所述正演模型进行模拟透射扫描并进行正演计算。所述模拟透射扫描包括同步扫描和定点扫描两种方式：同步扫描时，发射探头和接收探头保持固定高差同步向下或向上移动进行透射扫描；定点扫描时，发射探头或接收探头固定在模型的某一深度位置，另一孔中的接收探头或发射探头按照一定步距向下或向上移动进行透射扫描。本实施例采用定发扫描模式进行透射扫描，先从左孔逐点进行定发扫描，待将正演模型扫描完成后，再从右孔逐点进行定发扫描，直至将正演模型扫描完成。
[0049]
本实施例中，场强表达式为：
[0050][0051]
式中，e0为初始辐射电磁场强度，r为射线长度，β为电磁波平均吸收系数，f(θ)为电磁波传播方向性因子。
[0052]
对于本实施例中的钻孔，在θ＝60
°
～120
°
的方位角范围内，上式可以进一步推导为：
[0053]gs
＝-βsr 40log(d)-60log(r)
[0054]
式中，gs为接收点的电磁波场强增益，r为射线长度，βs为电磁波平均相对吸收系数，d为两孔间的水平距离。
[0055]
对于网格化处理后的正演模型，每个网格单元的电磁波吸收系数唯一，上式可进一步变换为：
[0056][0057]
式中：gi为第i条电磁波射线的采样值(即电磁波场强增益)，∑jβ
jdij
为第i条电磁波射线在每个网格内的衰减量累加之和，βj为第j个网格内的电磁波相对吸收系数，d
ij
为第i条电磁波射线在第j个网格单元内的传播路径长度，d为两孔间的水平距离，r为射线长度。
[0058]
步骤5，基于所述正演计算结果，生成电磁波模拟透射扫描文件。所述电磁波模拟透射扫描文件内容包括钻孔参数、扫描组数、每组的扫描范围及射线总数和每组中每条射线的采样值。本实施例中电磁波模拟透射扫描文件为txt文本文件，其存储格式充分考虑了孔间电磁波层析成像技术的实际工作方法，可作为通用反演文件格式。具体文件存储格式及内容见表1。
[0059]
表1本实施例中电磁波模拟透射扫描文件存储格式及内容
[0060][0061][0062]
为验证本实施例的正演模型计算结果的准确性，对本实施例正演模型的电磁波模拟透射扫描文件进行反演，反演结果如图5所示，可以看出，溶洞的埋深、大小和形态都与正演模型吻合，溶洞和围岩的电磁波相对吸收系数整体上与正演模型一致，之所以出现微小差异，是由于孔间ct属于不完全成像观测系统，测量方向仅仅限于两孔内，无法从上下方向
进行扫描测量，即所提供的测量数据不是全包裹的透射扫描数据，因此反演精度较医学ct低，也就导致反演结果与正演模型存在一定的差异。