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非均匀介质中低频近场的分析与探测应用

作　者: 马金
导　师: 聂在平
学　校: 电子科技大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 低频近场有限元区域分解算法电法测井全波反演
分类号: O441.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在电磁场的分析与探测应用中,非均匀介质中低频近场问题的分析一直是研究和应用中的重点和难点。一方面,该类问题的研究具有广阔的前景和应用价值,如电磁波测井与地球物理探测分析等；然而另一方面,该类问题的研究却一直是数值分析和计算方法中的难题,特别是大规模多尺度问题,更对现有的分析方法提出了严峻的挑战。针对上述挑战,本文首先从近场问题的物理本质出发,将其归类为极低频准静态位场问题和时变电磁场问题,针对不同的问题采用不同的建模策略和分析方法。然后,本文重点针对时变的低频近场问题,研发了结合树-叉树策略和高阶传输条件的有限元区域分解方法,并将其应用于电磁波测井前沿问题的分析。在该算法的基础上,本文还实现了低频近场探测前端的分析与设计,以获得多维度的地层信息。最后,为了实现低频近场问题中三维目标的探测与参数的快速反演,本文在对已有的反演算法进行研究总结的基础上,提出一种结合有限元区域分解框架的三维全波反演算法,以便在对复杂未知目标的低频近场探测问题中实现快速有效的反演。首先,本文首先针对低频准静态位场测井模型,以拉普拉斯方程作为控制方程,用标量有限元方法对低频准静态位场问题进行研究,提出了低频准静态位场理论建模的几个重要问题。根据准静态场的位场分布规律,本文首次提出,时变场中无限远边界条件并不适用于位场分析,并给出了更符合实际位场分布的截断边界条件。其次,为了减少测井仪器复杂激励模型导致的计算需求,本文提出了周期边界条件以及金属和绝缘材料边界条件。最后,以位场测量回路中引入取样电阻为例,本文提出了场与路一体化分析的建模思路,以精确模拟实际探测仪器对于匹配单元的高斯积分,唯一的区别就在于步骤(3),(4),(5)步中的坐标变换,而这些基于面的朗格朗日插值所花的时间很少,与整体建模求解时间比较起来,其次,本文针对时变电磁场问题,主要采用了矢量有限元及其区域分解算法进行分析。通过对矢量有限元方法的基础研究,本文比较、分析了有限元方法中基于不同单元的基函数,引入了一种基于任意六面体单元的高阶叠层插值基函数,该基函数能适用于复杂结构多尺度目标的建模,因此能很好地胜任复杂低频近场问题的分析。然而,在复杂大规模的问题分析中,特别是因扫描探测需要激励端不断移动时,传统有限元方法的一体化建模剖分仍将导致极大的工作量、计算量和计算资源的占用。另外在低频近场问题中,有限元等数值计算方法往往会出现低频崩溃问题,即数值误差过大甚至无法求解。为了解决上述问题,本文首先引入了区域分解算法,将待求问题区域分为若干子区域,并行计算,大大减少内存和计算时间,提高了计算效率。接着,本文在区域分解算法已有的传输条件的基础上,提出了一种改进的二阶传输条件,该传输条件相对以往传输条件,具有在本征值单位圆内更聚合于圆心的本征值分布,因此也具备在任意频率下更快的迭代收敛速度,从而进一步减少了问题的求解分析时间。为了解决低频问题,本文在非匹配区域分解算法中还引入了树-叉树分割(tree-cotree splitting)技术。树-叉树分割是一种高效快速的消除低频奇异性的方法,通过去除基函数中的冗余,并在基函数的展开中加入位势的梯度,从而使得低频近场的求解更加精确。由于引用了该技术,本文对在低至零频的任意频段内的问题分析都能保持很高的效率和精度。基于上述研究,本文通过一些典型的地球物理探测应用,如介电扫描成像测井,随钻方位电阻率测井,油基泥浆微电阻率扫描成像测井以及三分量感应测井等问题,对本文提出方法的应用效率和精度进行了验证。结果证明了上述方法和技术在分析低频近场问题时的高效性和正确性,同时也体现出了该算法在分析这类问题时的优势。在低频近场探测中,为了多维度地获取地层信息,需要对复杂的低频近场探测系统前端的激励-响应进行设计和分析。以上述算法作为分析工具,本文首先在三分量感应测井应用中设计了几种三分量线圈系结构。该设计方案因其在三个相互正交的极化方向的探测使得仪器可以探测倾斜地层和各向异性层等复杂地层。其中,三个正交方向的探测使得仪器可以探测薄互层和各向异性层等复杂地层,线圈系的共位缠绕大大缩短了仪器长度,而直耦对消则大大提高了仪器的信噪比。不仅如此,本文还进行了设计线圈系的加工,绕制,系统调试与实验井实验等,并最终推出了能用于工程生产的三分量感应测井仪器。其次,为了获取地层探测的方位向分辨力,本文首先推导出了倾斜磁偶极子在球坐标系下的解析表达,从中提取出其方位向因子。然后通过单个倾斜探头不同倾角和不同极化方向探头组合在水平面和垂直面的电场分布,本文提出了提高随钻电测井方位向分辨力的思路和策略,并在此基础上提出了新型随钻发射-接收组合设计。最终,采用有限元区域分解算法的仿真结果证明了新型设计在方位向分辨力上的优势,同时也表明随钻电测井的方位向分辨力仍有很大的提升空间。最后,在总结已有的近似反演方法的基础上,为了使得低频近场目标探测中三维复杂目标的反演更加快速和精确,本文在区域分解的框架下提出了一种新型的三维全波反演算法。该反演算法对求解区域的分解将使得区域分解框架下的反演算法所需内存更少,并行效率更高,计算时间更快。不仅如此,与基于FEM的其它反演算法相比,该算法在每次反演迭代中只用重新计算需要反演的目标区域,而不用重复计算整个区域。因此,当本文将该反演算法应用到磁感应成像,地下目标探测等问题的反演分析中时,收到了很好的效果。证明了该算法确为一种快速和稳健的三维全波反演算法。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-22
  1.1 研究的历史、背景与意义  14-19
  1.2 本文的研究贡献与创新点  19-21
  1.3 本文的结构  21-22
第二章复杂非均匀介质中准静态位场的理论建模  22-33
  2.1 准静态位场分析中的无限远边界条件  23-25
  2.2 非均匀介质中准静态场模型的简化  25-26
    2.2.1 周期边界条件  25-26
    2.2.2 金属与绝缘边界条件  26
  2.3 低频准静态场与测量电路的一体化建模  26-29
  2.4 水基泥浆微扫仪器模型成像结果  29-32
  2.5 本章小结  32-33
第三章有限元区域分解算法及其在近场问题中的应用  33-64
  3.1 有限元基本原理  34
  3.2 有限元场的展开与基函数的选择  34-36
  3.3 有限元区域分解算法原理与传输条件  36-41
  3.4 非匹配分界面的高斯积分处理  41-42
  3.5 低频崩溃问题与树-叉树分割  42-45
  3.6 各传输条件的本征值分布比较  45-47
  3.7 有限元区域分解算法在近场中的应用  47-62
    3.7.1 S型波导  47-50
    3.7.2 介电扫描成像测井仪  50-54
    3.7.3 随钻方位电阻率测井仪  54-59
      3.7.3.1 哈里伯顿的ADR仪器考察  54-55
      3.7.3.2 斯伦贝谢Periscope 15仪器考察  55-59
    3.7.4 油基泥浆微扫成像测井仪  59-61
    3.7.5 三分量阵列感应测井仪  61-62
  3.8 本章小结  62-64
第四章低频近场中的探测前端分析与设计  64-92
  4.1 三分量感应阵列探测前端分析与设计  65-76
    4.1.1 三维感应线圈系的设计方案  66-73
    4.1.2 三维感应线圈系的组装和调试  73-74
    4.1.3 三维感应线圈系的刻度与实验  74-76
  4.2 随钻方位电阻率测井前端分析与设计  76-91
    4.2.1 倾斜磁偶极子的场在球坐标中的解析分析  78-85
      4.2.1.1 倾斜磁偶极子场在球坐标系中的解析推导  78-83
      4.2.1.2 不同极化方向磁偶极子的组合  83-85
    4.2.2 新型发射-接收线圈系组合设计  85-87
    4.2.3 各发射-接收组合方位向分辨力分析  87-91
      4.2.3.1 倾斜线圈不同倾角的方位向分辨力考察  87-88
      4.2.3.2 不同极化组合线圈系方位向分辨力考察  88-91
  4.3 本章小结  91-92
第五章有限元区域分解反演算法与应用  92-108
  5.1 近似反演算法  93-97
    5.1.1 变形玻恩迭代法  93-94
    5.1.2 玻恩迭代法  94-95
    5.1.3 对比源反演方法  95
    5.1.4 拓展的波恩近似方法  95-97
    5.1.5 对角张量近似方法  97
  5.2 正则化方法  97-98
    5.2.1 最小二乘法  97-98
    5.2.2 吉洪诺夫正则化方法  98
  5.3 区域分解框架下的全波反演算法  98-102
    5.3.1 响应与目标参数的关系  98-99
    5.3.2 基于高斯-牛顿迭代的区域分解反演算法  99-102
  5.4 区域分解反演算法的应用  102-107
    5.4.1 医学磁感应成像应用  102-105
    5.4.2 地下目标探测成像应用  105-107
  5.5 本章小结  107-108
第六章全文总结与展望  108-111
  6.1 全文总结  108-109
  6.2 后续工作展望  109-111
致谢  111-112
参考文献  112-122
攻读博士学位期间取得的成果  122-123

非均匀介质中低频近场的分析与探测应用

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