一种基于Cole-Cole模型探测海冰厚度的方法技术

本发明专利技术属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种基于Cole

【技术实现步骤摘要】
一种基于Cole
‑
Cole模型探测海冰厚度的方法


[0001]本专利技术属于地球物理勘探
，具体涉及一种基于Cole
‑
Cole模型探测海冰厚度的方法。

技术介绍

[0002]在极区极端寒冷的地带，海洋表面会结冰，被称为海冰。与常规野外探测环境不同，大部分极地水域以及南极洲的海岸周围都覆盖着海冰，形成了独特的地质环境。近年来，在各种应用在极地环境地质探测的地球物理勘探方法中，有利用瞬变电磁法对冰层厚度、冰川形态进行勘查的相关研究。对海洋中冰水介质中电磁场传播特性进行研究并进行区分，对于寒冷地区和极地勘探而言有重要意义。
[0003]不同物态下，水的电性参数有很大差异，极地地质勘探研究多是通过电阻率差异对冰雪水等介质进行区分，但是除了电阻率差异，对于不同物态、不同类型的水，其相对介电常数也有一定差异。海水的电阻率范围在0.1～10Ω
·
m，相对介电常数为81；海冰的电阻率在10～100Ω
·
m，相对介电常数为2.5～8，因此海水和海冰在有些情况下可能电阻率相近，但相对于海洋中的冰来说，水是高极化介质，若仅考虑纯电阻率对TEM数据进行解释，有时便会很难区分这两种介质，并导致解释结果与实际地质环境有较大差异，为此通过介电性对冰层进行勘探是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于Cole
‑
Cole模型探测海冰厚度的方法，适用于极地海冰厚度的勘探，针对现有极地探测冰厚方法的不足，通过冰水的介电性差异探测冰厚，以分辨电阻率相近的海冰与海水介质。
[0005]本专利技术是这样实现的，
[0006]一种基于Cole
‑
Cole模型探测海冰厚度的方法，该方法包括：
[0007]步骤一，采用中心回线瞬变电磁法勘探装置，将装置置于海水表面进行磁场数据观测，并对实测含噪声的时域感应电动势数据进行采样、叠加、滤波处理，除去获得的感应电动势中的噪声，为后续反演操作做准备；
[0008]步骤二，根据瞬变电磁法理论，获得中心回线一维层状介质瞬变电磁响应的表达式，并根据中心回线一维层状介质瞬变电磁响应的表达式得到时域的瞬变电磁响应；
[0009]步骤三，在纯电阻率模型瞬变电磁法理论的基础上引入Cole
‑
Cole模型得到复电阻率的时域的瞬变电磁响应；
[0010]步骤四，根据复电阻率的时域的瞬变电磁响应计算理论的理论瞬变电磁响应，以及步骤一的实测瞬变电磁响应，采用非线性反演方法，进行含极化效应的瞬变电磁响应反演，提取出海水的Cole
‑
Cole模型参数m
水
、τ
水
、c
水
、ρ
水
；
[0011]步骤五，根据步骤四得到的海水的Cole
‑
Cole模型参数m
水
、τ
水
、c
水
、ρ
水
，建立双层结构的海冰和海水介质数学模型；
[0012]步骤六，采用瞬变电磁法勘探装置于海冰表面进行磁场数据观测，并对实测数据进行采样、叠加、滤波处理；
[0013]步骤七，根据复电阻率的时域的瞬变电磁响应计算理论的理论瞬变电磁响应，以及步骤六的实测瞬变电磁响应，采用非线性反演方法，进行含极化效应的瞬变电磁响应反演，提取出冰层厚度和冰层的Cole
‑
Cole模型参数。
[0014]进一步地，所述步骤二中具体包含以下步骤：
[0015]2Ⅰ、通过发射机提供阶跃电流，通过接收机接收感应电动势，通过接收到的感应电动势逆推出相应的地质信息、各层介质的厚度和电阻率；
[0016]在发射电流为理想阶跃信号的条件下，使用经典一维层状介质中心回线接收点垂直方向的频率域的瞬变电磁响应表达式：
[0017][0018][0019][0020]Z
n
＝Z
n
ꢀꢀꢀ
(4)
[0021][0022]上式中，n为介质的层数；j＝1，2，3，...，n；r为接收回线到发射回线的距离；h为中心回线距地面的高度；h
j
为各层介质的厚度；a为发射回线半径；Z
j
为求波阻抗的中间量；Z
j
为是第j层的波阻抗，Z1是第一层的波阻抗；J
k
(x)为k阶B
é
zier函数；n为介质的层数；σ为电导率；I0为发射回线电流幅值；i为虚数单位；λ为Hankel变换参数，d为微分符号；ω为频率；u为是中间量；μ0为真空磁导率；
[0023]式(3)为从第n层到第一层介质的波阻抗递推表达式，数值计算顺序为：通过式(2)算出Z
n
，通过式(4)算出第n层波阻抗Z
n
，再通过式(2)算出Z
n
‑1，最后通过式(3)算出Z
n
‑1，
[0024]由于均匀半空间环境中上半空间及第0层为空气层，因此σ0＝0，得出u0＝λ，中心回线装置的r＝0，且J0(0)＝1，依据以上条件可以将式(1)H
z
(ω)化简为：
[0025][0026]2Ⅱ、采用Guptasarma
‑
Singh线性数值140点滤波算法对表达式进行Hankel变换，其计算公式为：
[0027][0028][0029][0030]上式中，i＝1，2，3，...，l；λ
i
为抽样点的位置；l为积分区间的长度；W
i
为线性滤波器系数；J
k
(x)为k阶B
é
zier函数；d为微分符号；K(λ)为任意表达式，同时b为任意变量，式(7)是Hankel变换的格式，只要将任意表达式变为式(7)的格式进行Hankel变换，即变换为(8)式；采用l为140的140点HankelJ1变换线性滤波器系数进行计算，其中a0＝
‑
7.91001919，S0＝0.087967143957，140点Hankel加权系数已知，表达式简化为：
[0031][0032]2Ⅲ、采用折线逼近法余弦变换算法将频率域瞬变电磁响应表达式转换到时间域，得到时域的瞬变电磁响应。
[0033]进一步地，所述步骤2Ⅲ中，采用折线逼近法求余弦变换，余弦变换把傅里叶逆变换简化为：
[0034][0035]余弦变换与傅里叶变换具有相似的频域微分的性质，即tf(t)的余弦变换为jK
′
(ω)，t2f(t)的余弦变换为
‑
K
″
(ω)，得到：
[0036][0037]采用折线逼近法将K(ω)的积分区间[0，∞)分成若干段，K
′
(ω)的图像近似为若干段平行于x轴的横线，而K
″
(ω)的图像则近似为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
为发射回线电流幅值；i为虚数单位；λ为Hankel变换参数，d为微分符号；ω为频率；u为是中间量；μ0为真空磁导率；式(3)为从第n层到第一层介质的波阻抗递推表达式，数值计算顺序为：通过式(2)算出Z
n
，通过式(4)算出第n层波阻抗Z
n
，再通过式(2)算出Z
n
‑1，最后通过式(3)算出Z
n
‑1，由于均匀半空间环境中上半空间及第0层为空气层，因此σ0＝0，得出u0＝λ，中心回线装置的r＝0，且J0(0)＝1，依据以上条件可以将式(1)H
z
(ω)化简为：2Ⅱ、采用Guptasarma
‑
Singh线性数值140点滤波算法对表达式进行Hankel变换，其计算公式为：算公式为：算公式为：上式中，i＝1，2，3，...，l；λ
i
为抽样点的位置；l为积分区间的长度；W
i
为线性滤波器系数；J
k
(x)为k阶B
é
zier函数；d为微分符号；K(λ)为任意表达式，同时b为任意变量，式(7)是Hankel变换的格式，只要将任意表达式变为式(7)的格式进行Hankel变换，即变换为(8)式；采用l为140的140点HankelJ1变换线性滤波器系数进行计算，其中a0＝
‑
7.91001919，S0＝0.087967143957，140点Hankel加权系数已知，表达式简化为：2Ⅲ、采用折线逼近法余弦变换算法将频率域瞬变电磁响应表达式转换到时间域，得到时域的瞬变电磁响应。3.按照权利要求2所述的基于Cole
‑
Cole模型探测海冰厚度的方法，其特征在于：所述步骤2Ⅲ中，采用折线逼近法求余弦变换，余弦变换把傅里叶逆变换简化为：余弦变换与傅里叶变换具有相似的频域微分的性质，即tf(t)的余弦变换为JK
′
(ω)，t2f(t)的余弦变换为
‑
K
″
(ω)，得到：采用折线逼近法将K(ω)的积分...

【专利技术属性】
技术研发人员：于生宝，沈铱涵，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：