大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法
【專利摘要】本發(fā)明的一種大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法屬于大地電磁測(cè)深【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法包括如下步驟：S1，輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行排序；S2，將每個(gè)頻點(diǎn)的參數(shù)分配給所有的cpu進(jìn)行傾子正演并行計(jì)算；S3，并行計(jì)算中止，合并數(shù)據(jù)，對(duì)比正演結(jié)果和輸入數(shù)據(jù)的差異；S4，將每個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)差異和參數(shù)分配給所有的cpu進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)梯度并行計(jì)算，然后計(jì)算查找方向p和步長(zhǎng)α，從而得到模型修改量；S5，根據(jù)模型修改量更新模型，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)足夠小時(shí)，結(jié)束迭代，否則使用新模型重復(fù)步驟S2至S5。該反演方法通過(guò)引入非線性共軛梯度法，基于傾子數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了傾子三維反演，反演結(jié)果十分接近真實(shí)地下三維電性結(jié)構(gòu)信息，且該方法采用并行計(jì)算結(jié)構(gòu)，提高了計(jì)算效率。
【專利說(shuō)明】大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大地電磁測(cè)深【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三 維傾子反演方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 大地電磁測(cè)深方法廣泛應(yīng)用于深部地質(zhì)探測(cè)和礦產(chǎn)、水、石油、地?zé)岬荣Y源勘查。 而目前二維反演是其數(shù)據(jù)解釋的主流方法，三維反演方法的研究較少，針對(duì)阻抗數(shù)據(jù)國(guó)外 科學(xué)家分別提出了快速松弛法、共軛梯度法等方法，而對(duì)于傾子數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外研究較少。
[0003] 在利用天然電磁場(chǎng)進(jìn)行勘探的現(xiàn)代地球物理方法中，采集垂直磁場(chǎng)分量的方法主 要有兩種：（1)同時(shí)采集電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào)的大地電磁測(cè)深法（MTS):觀測(cè)兩個(gè)水平方向的電 場(chǎng)，兩個(gè)水平方向和一個(gè)垂直方向的磁場(chǎng)；（2)只磁場(chǎng)信號(hào)的地磁測(cè)深法（GDS):觀測(cè)兩個(gè) 水平方向和一個(gè)垂直方向的磁場(chǎng)。在大地電磁測(cè)深理論和地磁測(cè)深理論中，傾子（也稱垂 直磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換函數(shù)）描述了磁場(chǎng)的垂直分量與水平分量之間的關(guān)系，在以z方向垂直向下的 右手坐標(biāo)系中，傾子矢量T的定義為
[0004]

【權(quán)利要求】
1. 一種大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在于，包括如下步驟： 建立基于傾子數(shù)據(jù)的三維反演目標(biāo)函數(shù)，引入非線性共軛梯度方法，求解目標(biāo)函數(shù)梯度、查 找方向、查找步長(zhǎng)和模型改變量，通過(guò)模型改變量更新三維模型，最終實(shí)現(xiàn)三維反演；在計(jì) 算中添加基于頻點(diǎn)的并行計(jì)算結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在 于，包括如下步驟： S1，輸入反演參數(shù)、初始模型參數(shù)和數(shù)據(jù)及誤差參數(shù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序； 52, 根據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)的cpu數(shù)量自動(dòng)將每個(gè)頻點(diǎn)的參數(shù)分配給所有的cpu進(jìn)行傾子正 演并行計(jì)算； 53, 并行計(jì)算中止，合并正演數(shù)據(jù)，對(duì)比正演結(jié)果和輸入數(shù)據(jù)的差異； 54, 根據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)的cpu數(shù)量自動(dòng)將每個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)差異和參數(shù)分配給所有的cpu 進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)梯度的并行計(jì)算，然后計(jì)算查找方向P和查找步長(zhǎng)α，從而得到模型修改量； 55, 根據(jù)模型修改量更新模型，判斷目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)足夠小時(shí)，結(jié)束迭代，否則使 用新模型重復(fù)步驟S2至S5。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在 于，步驟S4中所述的目標(biāo)函數(shù)梯度的并行計(jì)算包括如下步驟： S41，定義目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如下：
其中，
和Τη分別表示傾子的觀測(cè)數(shù)據(jù)和傾子的正演響應(yīng)，ε為數(shù)據(jù)誤差，W為正則 化矩陣，λ為正則化因子，第1?Ν個(gè)數(shù)據(jù)為傾子各分量的實(shí)部，第Ν+1?2Ν個(gè)數(shù)據(jù)為傾 子各分量的虛部，傾子表達(dá)式如下：
542, 采用非線性共軛梯度法，通過(guò)迭代的方式求解使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小的模型電阻率 值，即
，找到全局最小值，解決反演問(wèn)題；目標(biāo)函數(shù)的梯度表示為：
其中，
為數(shù)據(jù)偏差函數(shù)，
辦模型光滑度函數(shù)； 數(shù)據(jù)偏差函數(shù)的梯度表示為：

543, 求解傾子的梯度，傾子的梯度表示為：

4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在 于，步驟S4中所述的計(jì)算查找方向p和查找步長(zhǎng)α包括如下步驟： 引入非線性共軛梯度方法，由單減或沿查找方向的線性查找確定模型，公式如下： m〇 = given 其中，k為迭代次數(shù)；
查找方向表不為：
其中，Pk為查找方向，α為查找步長(zhǎng)，
是另一個(gè)最速下降方向，最小化
在mk上的方向?qū)?shù)，C為預(yù)處理因子。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在 于，步驟S4中所述的模型修改量為α ·ρ，模型更新過(guò)程為： mka = mk+a k，lPk，1 = 〇, 1，2， 其中，1為線性查找次數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在 于，步驟S4中所述的并行計(jì)算為將各頻點(diǎn)參數(shù)和數(shù)據(jù)差異分散于不同線程進(jìn)行并行運(yùn)算， 即通過(guò)似正演模擬的計(jì)算求解不同頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的
□
和
，其中，v是計(jì)算 目標(biāo)函數(shù)梯度的過(guò)渡變量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在 于，步驟S4中所述的并行計(jì)算為在各個(gè)計(jì)算機(jī)cpu線程分別計(jì)算對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的查找步長(zhǎng)和方 向后進(jìn)行參數(shù)規(guī)整，包括如下步驟： 544, 分布式存儲(chǔ)； 545, 各線程v計(jì)算； S46,各線程
計(jì)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大地電磁場(chǎng)非線性共軛梯度三維傾子反演方法，其特征在 于，所述的并行計(jì)算結(jié)構(gòu)為基于OpenMP平臺(tái)和離散頻點(diǎn)構(gòu)建的并行計(jì)算結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01V3/40GK104123455SQ201410347852
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】張昆, 董浩, 嚴(yán)加永, 唐寶山 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所