基于航空瞬变电磁法的水下高导体探测方法.pdf

基于航空瞬变电磁法的水下高导体探测方法李丁山1,屈文璋1,许诚1,栾晓东2,3,孙溥1,姚斌1,冉启顺1,潘笑1,卓贤军1,郭锐1,闫建峰1(1.中国舰船研究院,北京,100192;2.中国自然资源航空物探遥感中心,北京,100083;3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029)摘要:随着声、磁隐身技术的快速发展,主流的声探测和被动磁探测效能大幅降低。经典的航空瞬变电磁法凭借主动探测、对高导体敏感及探测速度快等优势,在水下高导体目标探测领域极具潜力。文中从航空瞬变电磁法原理出发,基于圆形中心回线装置形式求得时间域垂直磁场响应公式,通过构建海水高导电层海水海底岩石层状模型,研究了不同目标层深度及不同收发高度下一维模型中垂直磁场响应特征;并基于三维时域有限体积法对水下高导长方体进行正演计算,获得接收线圈中心处 dBz/dt 的衰减曲线。一、三维仿真结果均表明:当海水中存在高导电率目标体时,其垂直磁场响应特征与无目标存在时有明显差异。反演成像中,利用高斯白噪声合成不同信噪比的仿真数据,结合 OCCAM 反演算法对水下目标体进行一维计算,对比不同信噪比下水中目标检测效果。结果显示:当信噪比大于等于 10dB 时,水中存在的高导电层可以被有效检测;当达到 40dB 时,高导电层的深度及厚度信息也有较好地判断。最后,在 40dB 的信噪比下,将高导电层电阻率值按比例减小,发现该方法仍对目标层的深度信息有明显的反应。综合以上正演及反演计算过程,有效验证了该方法在水下高导体探测领域的可行性。关键词:航空瞬变电磁法;水下目标探测;中心回线装置;时域有限体积法;OCCAM 算法;高斯白噪声中图分类号:TJ630.34;U674文献标识码:A文章编号:2096-3920(2023)04-0607-07DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0063UnderwaterDetectionMethodofHighlyConductivelyTargetsBasedonAirborneTransientElectromagneticMethodLIDingshan1,QUWenzhang1,XUCheng1,LUANXiaodong2,3,SUNPu1,YAOBin1,RANQishun1,PANXiao1,ZHUOXianjun1,GUORui1,YANJianfeng1(1.ChinaShipResearchandDevelopmentAcademy,Beijing,100192;2.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforNaturalResources,Beijing100083,China;3.InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)Abstract:Withtherapiddevelopmentofacousticandmagneticstealthtechnology,theeffectivenessofmainstreamacousticdetection and passive magnetic detection has been greatly reduced.The classical airborne transient electromagneticmethod(ATEM),withtheadvantagesofactivedetection,sensitivitytohighlyconductivetargets,andhighdetectionspeed,hasgreatpotentialinthefieldofunderwaterdetectionofhighlyconductivetargets.Basedontheprincipleoftheairbornetransientelectromagneticmethod,thispaperobtainedtheverticalmagneticfieldresponseformulainthetimedomainbasedontheformofacircularcentralloopdeviceandstudiedtheverticalmagneticfieldresponsecharacteristicsintheone-dimensionalmodelwithdifferentdepthsofthetargetlayeranddifferenttransmittingandreceivingheightsbyconstructingthelayeredmodelofseawater-highlyconductivelayerseawaterseabedrock.Basedonthethree-dimensionaltimedomainfinitevolumemethod,收稿日期:2023-05-20;修回日期:2023-07-24.作者简介:李丁山(1977-),男,博士,研究员,主要研究方向为水下目标探测及长波通信等领域.第31卷第4期水下无人系统学报Vol.31 No.42023年8月JOURNALOFUNMANNEDUNDERSEASYSTEMSAug.2023引用格式 李丁山,屈文璋,许诚,等.基于航空瞬变电磁法的水下高导体探测方法 J.水下无人系统学报,2023,31(4):607-613.水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-607theforwardcalculationoftheunderwatercuboidwithhighconductivitywascarriedout,andtheattenuationcurveofdBz/dtatthecenterofthereceivingcoilwasobtained.Theone-dimensionalandthree-dimensionalsimulationresultsallshowthattheverticalmagneticfieldresponsecharacteristicsaresignificantlydifferentwhenthereisatargetwithhighconductivityinseawater,comparedwiththeconditionwithnotarget.Intheinversionimaging,thesimulationdataofdifferentsignal-to-noiseratios(SNRs)weresynthesizedbyGaussianwhitenoise,andtheone-dimensionalcalculationofunderwatertargetswascarriedoutincombinationwithOCCAMinversionalgorithm,soastocomparethedetectioneffectofunderwatertargetsunderdifferentSNRs.InversionresultsshowthatwhentheSNRisgreaterthanorequalto10dB,thehighlyconductivelayerinthewatercanbeeffectivelydetected;whenitreaches40dB,thedepthandthicknessinformationofthehighlyconductivelayercan also be well judged.Finally,at an SNR of 40 dB,the resistivity value of the high conductive layer is reducedproportionally,anditisfoundthatthismethodstillhasasignificantresponsetothedepthinformationofthetargetlayer.Accordingtotheaboveforwardandinversioncalculationprocesses,thefeasibilityofthismethodinthefieldofunderwaterdetectionofhighlyconductivetargetsiseffectivelyverified.Keywords:airbornetransientelectromagneticmethod;underwatertargetdetection;centerloopdevice;timedomainfinitevolumemethod;OCCAMalgorithm;Gaussianwhitenoise0引言目前,在应用上较为成熟的水下目标探测手段是水声探测和被动磁异常探测。水声相对于其他信号在海水中具有衰减慢、分辨率较高等特点,吊放声呐和声呐浮标是典型的水声探测装备。被动磁异常探测技术具有连续工作、反应迅速及定位精度高等优点,可作为声呐探测发现目标后的辅助探测手段,用于目标确定及精确定位1。目前已有多种型号磁探仪(如氦光泵磁探仪、铯光泵磁探仪、核磁共振式磁探仪及超导磁探仪等)投入使用。但是,随着水下目标声、磁隐身技术的快速发展,传统声探测和被动磁探测效能大幅降低。基于上述问题,聚焦于利用航空瞬变电磁法(airbornetransientelectromagnetic,ATEM)对水下目标进行主动电磁探测的方法研究。ATEM 具备主动探测能力,对高导体的反应敏感、探测速度快,可实现大面积快速勘探。在地球物理勘探领域,该方法通过分析具有不同电性的地下矿藏和围岩之间所感应出的二次场信号,可得到地下电性结构分布信息,从而实现地下资源探测2。同理,由于海水的均匀导电性,而水下高导目标体相对海水呈现明显低阻3,这为利用航空瞬变电磁法探测水中高导体提供了良好的物性基础。文中拟从 ATEM 基本原理出发,分别基于一维和三维模型进行正演计算,研究不同仿真环境下水中高导体的垂直磁场响应特征,并结合不同信噪比数据模拟实际干扰进行反演计算,探索该方法在水下目标探测领域的可行性。1ATEM 基本原理ATEM 是一种电磁感应原理为基础的主动源电磁探测方法4。通常是将电磁探测设备(包含发射线圈、接收线圈及发射机等)搭载在飞行平台上利用发射线圈(磁偶源)向海水中发射不同波形的电磁波(如三角波、半正弦波等),在一次场关断期间,线圈接收由水中高导体感应产生的二次涡流场,该二次场含有丰富的高导体信息,通过分析接收线圈内感应电动势的变化,进而识别水中高导体的位置和尺寸特征。基本原理如图 1 所示,红色长方体代表高导体,虚线代表电磁场。飞行平台及其控制设备OXrhdYZ发射和接收线圈一次场二次场海水海底岩石高导目标体图1ATEM 法探测原理示意图Fig.1DetectionprinciplebasedonATEMmethod2023年8月水下无人系统学报第31卷608JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-2一维仿真计算为探索航空瞬变电磁法在水下目标探测领域的可行性,从基本原理层面出发,首先构建海水高导电层海水海底岩石的 4 层层状模型,再采用数值滤波方法进行数值计算,最终研究该方法能否对水下高导电层进行辨别。2.1模型构建12nd1d2dn图 1 中高导体存在于海水之中、海底岩石之上,将此场景简化成在一维层状模型中某一深度存在高导电层,据此构建层状模型。直角坐标系中,层状大地在 x 和 y 方向是均匀无限的,以海平面为 z=0,向下为正。其中:,分别代表每层的电导率;,分别代表每层的厚度,采用中心回线装置,圆形发射线圈半径为 r,接收线圈设置在回线的中心,距离海面高度为 h(h 取值为正),如图 2 所示。接收线圈 Rx发射线圈 Txrh1,d1z=0Z2,d2n,dn图2一维层状模型Fig.2One-dimensionallayeredmodel2.2正演理论Hz对于圆形发射中心回线源而言,该装置下接收线圈中心处垂直磁场响应是关于频率 的函数,可用下式表达5Hz=Ia2w0(e(z+h)+rTEe(zh)J1(a)d(1)J1()rTE式中:为 1 阶贝塞尔函数;I 为发射电流;a 为发射线圈半径;为积分变量;为反射系数,和模型介质参数有关。对上式频率域作傅里叶逆变换可得到时间域的垂直磁场响应hz(t)t=1t2ReHz(ent)Wn(2)或者hz(t)t=1t2ImHz(ent)Wn(3)Wn式中:t 为时间;为采样间隔;为滤波系数,n 表示滤波系数个数。实测数据感应电动势与磁场分量存在以下关系V=SRx0dHdt(4)SRx式中:为接收线圈的面积;H 为磁场强度分量。2.3垂直磁场响应特征分析基于一维层状模型,采用 47 点 1 阶汉克尔系数和 300 点正弦数值滤波系数进行数值计算6,设计了 2 种仿真场景,分别将高导电层放在不同深度,收发线圈放置在不同高度,计算不同场景下接收线圈中心处垂直磁场响应值 dBz/dt。1)不同目标层深度时垂直磁场响应根据目标层的高导电属性,将其电阻率设为0.00005m,目标层厚 1m,嵌入海水(深度 300m)之中,其中心距离海面分别设为 5、10、25、50、75 和 100m;以中心距离海面 5m 为例,该层状模型参数见表 1。表1层状模型参数表Table1Parametertableoflayeredmodel层序电阻率/(m)厚度/m备注第1层0.250004.5海水层第2层0.000051.0高导电层第3层0.25000294.5海水层第4层200.00000海底层发射和接收线圈在海面 15m 高处,圆形发射线圈半径 15m,发射电流 110A 时,得到该目标层在不同深度的垂直磁场响应衰减曲线,见图 3。从图 3 中可以看到,随着高导电层深度的增加,所观测到瞬变电磁响应曲线越接近于背景场,当深度为 100m 时,其响应曲线与背景曲线基本重合,意味着此时并不能有效探测到高导层。这主要是因为随着目标层与收发线圈之间距离的增大,目标体受发射线圈一次场的影响在减小,由此生成的二次场也在迅速减小。但整体可以看出,该方法对一定深度内的高导电层具有明显的分辨能力。2023年8月李丁山,等:基于航空瞬变电磁法的水下高导体探测方法第4期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-609时间/ms背景场5 m10 m25 m50 m75 m100 m102102dBz/dt/(nT/s)101100101101100101102103104图3目标层在不同深度处的垂直磁场响应对比图Fig.3Comparisonofverticalmagneticfieldresponsesoftargetlayeratdifferentdepths2)不同收发高度时垂直磁场响应以目标层在 75m 水深处为模型,分别将收发线圈设定在水面以上 10、5 和 0.5m 处进行信号发射与接收,发射磁矩(发射电流大小与线圈面积的乘积)不变,得到不同收发高度时的垂直磁场响应曲线,如图 4 所示。时间/ms背景场 10 m有目标 10 m背景场 5 m有目标 5 m背景场 0.5 m有目标 0.5 m102102dBz/dt/(nT/s)1015.0X:4.923 88Y:4.223 2921001011011001011021031045.56.046图4不同收发高度时垂直磁场响应对比图Fig.4Comparisonofverticalmagneticfieldresponsesatdifferenttransmittingandreceivingheights图 4 中可以看出,3 种收发高度下有无高导层得到的垂直磁场响应曲线在早期时两者基本重合,但在晚期 4.9ms 左右时两者会有明显的分叉走势,说明可以明显分辨海水中高导层。值得考虑的是,在晚期 4.9ms 之后,随着收发高度增大,其二次场值逐渐减小,实际情况下,二次场可能会淹没在背景噪声之中。因此实际应用中需要设法增强二次场值,以提高信噪比。3三维仿真计算文中从一维层状模型出发,对海水中有无高导电层进行仿真研究,结论表明该方法一定范围内能够分辨出高导电层,但并未考虑三维目标体尺寸、规模等因素,故从三维模型正演出发对水下三维目标体垂直磁场响应特征进行深入研究。3.1三维模型正演方法海水中的三维脉冲响应可以通过在空间中数值求解麦克斯韦方程组得到。对比频率-时间转换算法,利用时域有限体积法直接在时域上求解麦克斯韦方程组7,得到海水的脉冲响应,该方法可以在早期阶段达到较高的仿真精度。对于激励源的选取,考虑到实际的脉冲发射系统有一定的带宽,因此将理想的脉冲源换作高斯源8。对于空间网格的剖分,采用典型 Yee 方法9,采用不等间距的六面体将边缘电场和面磁通量离散化(见图 5),电场分量 E 在边缘(蓝色箭头)上定义,磁通分量B 在面(橙色箭头)上定义。文中给出了电偶源下电场离散表达式,且每个时间步长的电场值利用迭代法求解,即(tn1Me+CTMfC)en=tn1Meen1+lims0tnt0s212sexp(tnt0)22s2)(5)MfMe式中:e 为离散电场;和分别为磁导率和电导率矩阵;C 为离散旋度矩阵。Ex(i,j-1/2,k+1/2)Ex(i,j+1/2,k+1/2)Bz(i,j,k+1/2)Bx(i+1/2,j,k)Ey(i-1/2,j,k+1/2)Ey(i+1/2,j,k+1/2)Ez(i+1/2,j+1/2,k)Ez(i+1/2,j-1/2,k)Ey(i+1/2,j,k-1/2)Ex(i,j+1/2,k-1/2)Ez(i-1/2,j+1/2,k)By(i,j+1/2,k)图5三维空间离散化Fig.5Spatialdiscretizationinthree-dimensionalspace2023年8月水下无人系统学报第31卷610JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-3.2正演计算在三维仿真计算中,利用图 1 中圆形中心回线形式进行信号收发,发射线圈半径 r=15m,发射电流分别选用 1A 和 10A;发射/接收线圈离海面距离 h=10m;高导体长 75m,宽 6m,高 8m;电阻率0.00005m,高导体中心离海面距离 d=10m,高导体轴线和线圈的直径在同一平面内。据此,计算了高导体中心正上方存在高导体和不存在高导体时的 dBz/dt 响应,如图 6 所示。时间/ms有目标 1 A有目标 10 A无目标 1 A无目标 10 A102dBz/dt/(nT/s)101100102101102100102104106图6不同电流下垂直磁场响应对比图Fig.6Comparison of vertical magnetic field responsesunderdifferentcurrents图 6 中可以看出:电流 1A 和 10A 情况下,有无目标体得到 dBz/dt 衰减曲线在 4ms 左右均有明显的分叉现象,说明该方法对高导体有明显的异常响应特征;同时,发现当发射电流变大,其二次场信号值也变大,信噪比也随之提高。4反演成像目标检测通过前面不同算例的正演计算,证明了该方法对高导体具有明显的异常响应特征,这为后续反演计算奠定了坚实的基础。反演成像是通过观测数据进行反演拟合得到介质模型,然而满足拟合阈值的模型众多,需要在反演过程中增加正则化约束条件,以减少反演的多解性,实现目标介质属性(尺寸、位置及电阻率)的有效检测10。OCCAM反演算法具有对初始模型依赖程度小,运算稳定收敛等优点,能够寻找在极小目标体下符合数据的光滑模型11,因此文中将该算法用来反演计算进行目标检测。4.1OCCAM 反演基本原理OCCAM 算法是一种基于光滑模型约束的算法12,在数据拟合差和模型光滑度之间寻求最佳权衡,使得目标函数值最小,可以表示为U(m)=R(m)+1WdobsWF(m)2X2(6)R(m)=w(dm/dz)2dz(7)R(m)=w(d2m/d2z)2dz(8)U(m)R(m)dobsF(m)dobsF(m)XWdobsWF(m)2式中:为目标函数值;为模型约束项,也称模型粗糙度;为拉格朗日因子;为数据拟合项,其中为观测数据,为正演数据;W 为数据归一化的对角矩阵;为项的期望值。U/mi+1=0使即可,通过求解方程组得到模型的一般解为mi+1=T+(WJi)TWJi1(WJi)TWdi(9)di=dobsF(mi1)+Jmi1mi1Jij=Fi/mj式中,J 为模型的雅克比矩阵,。mi+1反演的计算过程就是每一次将式(9)得到的模型参数代入目标函数式(6)中计算,不停迭代寻找出满足阈值条件的最佳模型参数为止13。该算法快速精准成像的关键在于拉格朗日因子的合理选取、初始模型结构的设定以及雅克比矩阵的快速求解。4.2噪声分析为了研究噪声对目标检测效果的影响,以一维层状模型为例,假设正演计算得到时间采样窗口下的 dBz/dt 值所受噪声服从高斯分布,且不同时间窗口该值互不相关,则可以认为 dBz/dt 值所受的噪声服从高斯白噪声14。因此,在正演仿真数据中叠加不同信噪比的高斯白噪声,讨论其对目标检测效果的影响。其中,发射条件为圆形发射线圈半径 30m,收发线圈距离海面 10m,发射电流大小 100A。模型总共 3 层,第 1 层和第 3 层均为海水层,第 2 层为高导电目标层(0.005m),高导薄层深度及厚度均为 5m,第 3 层的代表半空间。观测数据信噪比分别为 10、20、30 和 40dB,不同信噪比的数据如图 7 所示,反演结果如图 8 所示。从图 7 中明显看出,信噪比越低,正演数据所受干扰越严重,观测数据质量越低。图 8 中红色线2023年8月李丁山,等:基于航空瞬变电磁法的水下高导体探测方法第4期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-611段表示正演模型,蓝色线段代表不同信噪比下的反演结果,可以看出:信噪比为 40dB 时,可准确反演出高导薄层的深度和厚度值;信噪比降为 30dB时,反演效果变差,但是对深度值能给出较好的约束;当信噪比减小为 20dB 和 10dB 后,虽然能对高导薄层有异常响应,但无法准确判断出深度及厚度信息。因此,认为当信噪比大于等于 10dB时,利用 OCCAM 反演算法对水中有无高导体能准确判断;信噪比越高,反演计算判断效果越好;当达到 40dB 时,该方法能够对目标层所处深度及厚度进行有效检测。4.3目标体导电性对反演效果影响分析在 40dB 信噪比情况下,将高导薄层的电阻率值分别设为 4.2 节中高导薄层电阻率(0.005m)无噪声10 dB时间/ms102101100102dBz/dt/(nT/s)103104无噪声20 dB时间/ms102101100102dBz/dt/(nT/s)103104无噪声30 dB时间/ms102101100102dBz/dt/(nT/s)103104无噪声40 dB时间/ms102101100102dBz/dt/(nT/s)103104图7不同信噪比数据质量对比图Fig.7DataqualitycomparisonofdifferentSNRs模型值10 dB深度/m01031020102反演电阻率/(m)101100模型值20 dB深度/m01031020102反演电阻率/(m)101100模型值30 dB深度/m01031020102反演电阻率/(m)101100模型值40 dB深度/m01031020102反演电阻率/(m)101100图8不同信噪比数据反演结果图Fig.8InversionresultsofdifferentSNRdata2023年8月水下无人系统学报第31卷612JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-的 1/10(0.0005m)和 1/100(0.00005m),其他参数相同,对应的反演电阻率值分别绘制见图 9。可以看出:在逐渐降低高导薄层的电阻率后,OCCAM算法计算得到的反演电阻率值能对目标层所处深度进行有效检测,但厚度信息却无法辨别。同时看出,当目标层电导率值逐渐变大时,得到的水下深部反演电阻率值逐渐接近高导目标层的电阻率值,这主要是由于高导电层对深部海水电性信息的屏蔽作用。模型值反演值深度/m01031020102反演电阻率/(m)101100模型值反演值深度/m01041031020102反演电阻率/(m)101100模型值反演值深度/m01041031020102反演电阻率/(m)101100图940dB 下目标体不同电阻率值反演结果图Fig.9Inversion results of different resistivity values oftargetat40dB5结论通过一维计算可知:1)在一定深度内、一定收发高度下,该方法对水中高导电层具有明显的分辨能力;2)考虑实际噪声情况下,应该选取更优的装置参数(如收发线圈高度更低),获得更大的二次场值,保证更佳的分辨能力。通过三维模型正演计算可知:有无目标体得到 dBz/dt 衰减曲线有明显的分叉现象,说明该方法对高导体有明显的异常响应特征。利用不同信噪比合成观测数据进行反演计算,可以得到:1)当信噪比大于等于 10dB 时,OCCAM反演算法能对水中有无高导体进行准确判断;2)信噪比越高,反演计算效果越好;3)当达到 40dB时,该算法能够对目标层所处深度及厚度进行有效检测;4)高导薄层的电阻率逐渐减小后,OCCAM算法仍能对目标体所处深度进行有效检测,但厚度信息却无法辨别。综上,采用航空瞬变电磁法对水下高导体探测在理论上是可行的,在未来可考虑作为水下目标探测的补充手段。但是该方法到应用还需要剔除水下目标体的激电效应,否则会导致在实测数据中经常出现符号反转现象;同时还需考虑装置形式所存在的运动噪声该如何克服等核心问题;对于反演成像问题,当数据信噪比得到提高后,可考虑通过并行计算快速获取目标模型。参考文献:成建波,孙心毅.航空磁异常探潜技术发展综述J.声学与电子工程,2018(3):4.1殷长春,张博,刘云鹤,等.航空电磁勘察技术发展现状及展望J.地球物理学报,2015,58(8):2637-53.2钱建兵,李貅,戚志鹏,等.航空瞬变电磁合成孔径成像方法探潜应用研究C/国家安全地球物理丛书(八)遥感地球物理与国家安全.大连:第八届国家安全地球物理学术讨论会,2012:227-233.3齐耀光.基于矩阵束的航空瞬变电磁去噪方法研究D.成都:成都理工大学,2016.4NabighianMN,CorbettJ.Electromagneticmethodsinappliedgeophysics:Volume1,theoryM.Tulsa:SocietyofExplorationGeophysics,1988.5李华林,雷达,杨良勇,等.航空瞬变电磁激电效应特性研究J.地球物理学进展,2020(5):1953-61.6HaberE,SchwarzbachC,ShekhtmanR.Modelingelec-tromagnetic fields in the presence of casingC/2016SEGInternationalExpositionandAnnualMeeting.Dal-las,Texas:2016SEGInternationalExpositionandAnnu-alMeeting,2016:959-964.7LuanX,ZhangW,DiQ,etal.Directsynthesisoftimedomain pseudo-random 3D electromagnetic 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