基于MPI的航空瞬变电磁一维正反演

摘要

我国疆域辽阔，地大物博，拥有丰富的资源，但是这些资源大多位于沼泽、沙漠、山地等地形复杂区域。这些区域环境恶劣，给地面电磁法勘探带来了很大的困难。即使在地形较为平坦的地区进行勘探，地面电磁法的效率也较低，很难实现大面积勘探。自从20世纪50年代，航空电磁法获得应用开始，几十年来已经在矿产资源勘查、地下水调查、地质填图等领域获得了广泛的应用。由于航空电磁法的工作方式为空中激发且空中接收，以及其具有较低成本、勘探效率高、可大面积勘探等特点，使得该方法可以克服地面电磁法在复杂地形区域难以施工的困难。和频率域航空电磁法相比，时间域航空电磁法具有较大的勘探深度以及较好的横向分辨率，所以时间域航空电磁法已经称为复杂地形区域勘查的有效工具之一。本文在国家863重大项目“航空地球物理勘查技术与装备”的课题“直升机吊舱式时间域航空电磁勘查系统实用化研究”和地调项目“航空电磁数据处理研究”的支持下，对一维航空瞬变电磁正反演及其并行计算方法进行了研究和分析。具体来说，本文研究内容主要包括以下几个方面:
　　(1)本文从麦克斯韦方程组出发，推导了层状半空间中心回线的正演响应计算公式，并编程实现了一维正演模拟方法。在一维正演方法中，对频时转换问题做了深入分析并对正、余弦变换和G-S变换这三种频时转换对正演响应的影响进行详细的讨论。
　　(2)本文应用阻尼最小二乘法实现了对航空瞬变电磁数据的反演。对反演过程中的阻尼因子选择、雅克比矩阵计算和质量控制指标的设定做了一定的分析，并讨论了典型三层和四层地电模型的反演结果。
　　(3)本文实现了基于MPI(Message Passing Interface)的航空瞬变电磁一维正演和反演方法。首先验证了并行计算的正确性，接着对比了串行和并行计算的耗时问题，最后讨论了不同的多核CPU和不同的进程数情况下并行计算的加速比和并行效率问题。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 航空瞬变电磁系统的研究现状

1．2．2 航空瞬变电磁正反演的研究现状

1．2．3 MPI并行技术在地球物理中的研究现状

1．3 本文主要研究内容及创新点

第2章 航空瞬变电磁一维正演理论

2．1 基本电磁学理论

2．1．1 麦克斯韦方程组

2．1．2 谢昆诺夫势

2．2 层状半空间上中心回线源的电磁响应

2．2．1 层状半空间上任意源的电磁响应

2．2．2 中心回线源的电磁响应

2．3 小结

第3章 航空瞬变电磁一维正演模拟

3．1 汉克尔变换

3．2 频时转换

3．2．1 正弦和余弦变换概述

3．2．2 G-S变换概述

3．2．3 对G-S变换系数个数取值问题的讨论

3．2．4 三种频时转换对响应结果的影响

3．3 航空瞬变电磁一维正演响应分析

3．3．1 飞行高度不同时的正演响应分析

3．3．2 表层电阻率不同时的正演响应分析

3．4 用一维正演模拟二维地质体响应

3．5 小结

第4章 航空瞬变电磁一维反演

4．1 阻尼最小二乘法基本思想

4．1．1 阻尼因子的选择

4．1．2 雅克比矩阵的计算

4．1．3 质量控制指标的设定

4．2 航空瞬变电磁反演结果分析

4．2．1 三层地电模型的一维反演结果分析

4．2．2 四层地电模型的一维反演结果分析

4．3 小结

第5章 基于MPI的航空瞬变电磁一维正反演研究

5．1 MPI并行技术简介

5．1．1 MPI的原始数据类型

5．1．2 六个基本的MPI调用接口

5．1．3 MPI程序基本结构

5．2 航空瞬变电磁一维正反演的MPI并行实现

5．2．1 并行程序性能基本评价方法

5．2．2 并行实现及其分析

5．3 小结

结论

致谢

参考文献