程久龍， 陳丁， 薛國(guó)強(qiáng)， 邱浩， 周項(xiàng)通

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100083 2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院， 北京　100083 3 中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京　100029 4 煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院， 北京　100013

?

礦井瞬變電磁法超前探測(cè)合成孔徑成像研究

程久龍1,2， 陳丁2， 薛國(guó)強(qiáng)3， 邱浩4， 周項(xiàng)通2

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100083 2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院， 北京100083 3 中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京100029 4 煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院， 北京100013

摘要在礦井瞬變電磁超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理和解釋中，為了更好地識(shí)別巷道前方含水體電性分界面，利用擴(kuò)散場(chǎng)與波動(dòng)場(chǎng)間的函數(shù)關(guān)系，將礦井瞬變電磁法超前探測(cè)中瞬變電磁波場(chǎng)轉(zhuǎn)換為擬地震波場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)波場(chǎng)轉(zhuǎn)換.同時(shí)，為了解決波場(chǎng)轉(zhuǎn)換后信號(hào)幅值偏弱，以增加信噪比利于解釋，利用雷達(dá)的合成孔徑方法對(duì)波場(chǎng)轉(zhuǎn)換后的擬地震信號(hào)進(jìn)行相關(guān)疊加處理.將礦井瞬變電磁法巷道超前探測(cè)的同一測(cè)點(diǎn)不同探測(cè)方向的數(shù)據(jù)作為孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行合成孔徑成像，以突出弱異常而提高信噪比，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了方法的效果.研究表明，礦井瞬變電磁法合成孔徑成像方法能夠提高電性界面信息的信噪比和界面幾何分辨率，對(duì)礦井瞬變電磁法精細(xì)超前探測(cè)含水構(gòu)造具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.關(guān)鍵詞礦井瞬變電磁法； 波場(chǎng)轉(zhuǎn)換； 擬地震信號(hào)； 合成孔徑成像； 電性界面

1引言

近幾年來(lái)，礦井瞬變電磁法在礦井工作面頂板、底板巖層富水性探測(cè)和掘進(jìn)巷道超前探測(cè)中發(fā)揮了重要作用(程久龍等, 2014).由于礦井瞬變電磁法勘探是體積勘探，受體積效應(yīng)的制約，其分辨率難以滿足生產(chǎn)實(shí)際要求(Cheng et al.,2015)，并且受井下施工環(huán)境和金屬物體的影響，采集到的數(shù)據(jù)中往往存在一定的噪聲，致使信噪比降低，而且，礦井瞬變電磁法探測(cè)成果大多是以電阻率等值線斷面圖的形式表達(dá)，不能準(zhǔn)確地分辨實(shí)際地質(zhì)情況中最為重要的地層電性界面.基于波場(chǎng)變換的瞬變電磁擬地震成像技術(shù)因能夠相對(duì)突出異常體的物性和幾何參數(shù)而越來(lái)越受到人們的重視(李貅和薛國(guó)強(qiáng), 2013)，然而由于巷道超前探測(cè)方向不可能很密，加上采樣點(diǎn)相對(duì)稀疏等問(wèn)題，所以波場(chǎng)變換成像的信噪比和分辨率有待進(jìn)一步提高，合成孔徑雷達(dá)及航空瞬變電磁中合成孔徑成像的思想為礦井瞬變電磁法合成孔徑成像提供了新的思路.

合成孔徑成像技術(shù)最早是應(yīng)用于雷達(dá)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一系列的研究，研究?jī)?nèi)容主要包括算法、應(yīng)用及成像技術(shù)的對(duì)比等(Cetin and Karl, 2001;王治樂(lè)等, 2004；Samadi et al.,2009)，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛.在超聲波探測(cè)方面，Jensen等(2006)利用合成孔徑成像技術(shù)來(lái)提高醫(yī)學(xué)超聲波檢測(cè)圖的成像分辨率，Ganguli等(2012)研究了混凝土超聲波探傷的合成孔徑聚焦成像技術(shù).在電磁法探測(cè)方面，Mason等(2001)研究了利用寬頻井中雷達(dá)合成孔徑干涉法來(lái)繪制3D礦體圖，張春城和周正歐(2004)研究了基于stolt偏移的探地雷達(dá)合成孔徑成像.在全空間瞬變電磁數(shù)值模擬方面，李展輝和黃清華(2014)研究了將復(fù)頻率參數(shù)完全匹配層吸收邊界應(yīng)用到均勻全空間模型和包含巷道及異常體的全空間模型.上述研究沒(méi)有涉及異常體界面的定位.

在瞬變電磁勘探方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者鑒于合成孔徑雷達(dá)和航空瞬變電磁之間的相似性首先把合成孔徑成像的思想應(yīng)用于航空瞬變電磁，研究了利用合成孔徑方法對(duì)航空瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，以提高分辨率，增加勘探深度(李貅等, 2010).之所以可以把合成孔徑雷達(dá)的思想引入到地面瞬變電磁數(shù)據(jù)處理中，是因?yàn)樵诓煌瑴y(cè)點(diǎn)所接收到的由同一個(gè)發(fā)射源所激勵(lì)的二次場(chǎng)數(shù)據(jù)等效于合成孔徑雷達(dá)單點(diǎn)發(fā)射源時(shí)的陣列數(shù)據(jù)，而地面瞬變電磁所有的發(fā)射源則構(gòu)成了動(dòng)源觀測(cè).由于井下瞬變電磁法探測(cè)裝置及數(shù)據(jù)采集方式與地面基本上相似，所以，像地面瞬變電磁合成孔徑成像方法一樣，對(duì)井下瞬變電磁數(shù)據(jù)做類似的處理是可行的.本文利用合成孔徑成像技術(shù)對(duì)礦井瞬變電磁波場(chǎng)變換后的擬地震信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)合超前探測(cè)的工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)方法效果進(jìn)行對(duì)比分析和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)突出弱異常且提高界面分辨率的目的.

2 波場(chǎng)變換原理

瞬變電磁場(chǎng)與其相對(duì)應(yīng)的虛擬波場(chǎng)之間的數(shù)學(xué)積分形式為(Lee et al., 1989)

(1)

將公式(1)改寫(xiě)為數(shù)值積分形式為(李貅和薛國(guó)強(qiáng), 2013)

(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)，

(2)

其中m為采樣個(gè)數(shù)，n為數(shù)值積分時(shí)積分區(qū)間剖分的個(gè)數(shù)，hj為積分步長(zhǎng).

將公式(2)寫(xiě)成矩陣形式為

(3)

需要注意的是方程組(3)中的系數(shù)矩陣A常呈病態(tài).為了獲得穩(wěn)定的解，可采用阻尼法最小二乘法(楊文采, 1997)，建立目標(biāo)函數(shù)為

(4)

其中ε2為阻尼因子，令公式(4)的梯度為0可得

(5)

進(jìn)而有

(6)

其中(ATA+ε2I)+為(ATA+ε2I)的Moore-Penrose(M-P)廣義逆.對(duì)于廣義逆的求解，可采用IMqrginv算法(Ataei, 2014).阻尼因子需在解估計(jì)的分辨率和方差間折衷并通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取(楊文采, 1997; 陳本池等, 1999).礦井瞬變電磁超前探測(cè)數(shù)據(jù)是在同一掘進(jìn)工作面處不同方向進(jìn)行采集的，在數(shù)據(jù)采集段內(nèi)，誤差水平是一定的，所以對(duì)同一個(gè)掘進(jìn)工作面處的超前探測(cè)數(shù)據(jù)，其波場(chǎng)變換可采用同一個(gè)阻尼因子.

波場(chǎng)變換時(shí)，瞬變電磁場(chǎng)中的誤差會(huì)給變換后的波場(chǎng)造成較大的影響，特別是當(dāng)解估計(jì)的單位協(xié)方差矩陣(楊文采, 1997)較大時(shí)，這種影響會(huì)更大.為此，在波場(chǎng)變換前需對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)選取小波變換法(Toetal., 2009)進(jìn)行濾波效果較好.

由于礦井瞬變電磁超前探測(cè)位置是在礦井巷道掘進(jìn)工作面處，故采集的信號(hào)是前后雙向回波，可借助于半空間和全空間瞬變響應(yīng)關(guān)系將全空間瞬變響應(yīng)校正為半空間瞬變響應(yīng)，也即相當(dāng)于僅有超前探測(cè)時(shí)的前方回波信號(hào).半空間和全空間瞬變響應(yīng)磁場(chǎng)間的關(guān)系(KaufmanandEaton, 2001)為

(7)

3礦井瞬變電磁合成孔徑成像方法

3.1雷達(dá)和地面瞬變電磁合成孔徑成像原理

合成孔徑雷達(dá)(SAR)就是利用雷達(dá)-目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以單元陣在不同相對(duì)空間位置上接收的時(shí)間采樣信號(hào)替代大尺寸源的空間采樣信號(hào).由雷達(dá)-目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的軌跡構(gòu)成一個(gè)合成孔徑來(lái)代替龐大的真實(shí)孔徑，把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達(dá).合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)是分辨率高，能有效地識(shí)別目標(biāo)物(Chan and Koo, 2008)，合成孔徑成像原理如圖1a所示.

地面瞬變電磁法是在地表布設(shè)一個(gè)矩形回線發(fā)射框，在發(fā)射框的內(nèi)部和外部接收瞬變電磁信號(hào).地面瞬變電磁法也是在移動(dòng)方式中觀測(cè)瞬變電磁信號(hào)，并且不同發(fā)射源間的信號(hào)滿足類相干性.因此地面瞬變電磁法也可以使用合成孔徑成像技術(shù)(Guo et al., 2012；李貅等, 2012).地面瞬變電磁合成孔徑原理如圖1b所示.

地面瞬變電磁合成孔徑成像公式為(李貅等, 2012)

(j=1,2,…,m)，

(8)

圖1　雷達(dá)合成孔徑和地面電磁法合成孔徑(a) 雷達(dá)合成孔徑；(b)地面瞬變電磁合成孔徑.Fig.1　Schematic diagram of SAI of SAR (a) and ground TEM (b)

從以上雷達(dá)和地面瞬變電磁合成孔徑成像技術(shù)中可以看出，合成孔徑成像方法的本質(zhì)是不同測(cè)點(diǎn)信號(hào)間的相關(guān)疊加.

3.2礦井瞬變電磁超前探測(cè)合成孔徑成像原理和方法

礦井瞬變電磁法超前探測(cè)的地點(diǎn)是在巷道掘進(jìn)工作面處，如圖2a所示，圖中矩形小回線源緊靠掘進(jìn)工作面掌子面上，虛線圓圈代表掘進(jìn)工作面前方瞬變電磁一次場(chǎng)不同時(shí)刻的“煙圈”.常采用扇形布置，即在掘進(jìn)工作面位置放置小線框天線，以巷道正前方為中心軸，按一定的角度(10°或15°)往兩幫分別進(jìn)行不同方向探測(cè)，最終形成扇形探測(cè)斷面，如圖2b所示，圖中箭頭表示同一斷面上不同的探測(cè)方向(發(fā)射線框的法線方向)，虛線框表示掘進(jìn)工作面前方的異常體，設(shè)掘進(jìn)工作面正前方為z軸，z軸所指方向?yàn)?°，用與z軸所夾的角度θ來(lái)定義探測(cè)方向(z軸左側(cè)的角度為負(fù)，右側(cè)的角度為正)，即：U(-θi)表示z軸左側(cè)與z軸成θi角度方向上的實(shí)測(cè)信號(hào)值，U(+θi)表示z軸右側(cè)與z軸成θi角度方向上的實(shí)測(cè)信號(hào)值，U(θ0)表示z軸方向上的實(shí)測(cè)信號(hào)值.

從圖2礦井瞬變電磁超前探測(cè)的觀測(cè)方式中可以看出：同一個(gè)掘進(jìn)工作面處其周圍全空間范圍內(nèi)的地質(zhì)條件在觀測(cè)期間是一定的，不同探測(cè)方向(也即不同發(fā)射源，相當(dāng)于地面瞬變電磁法的不同測(cè)點(diǎn))觀測(cè)到的瞬變電磁信號(hào)間具有類相干性.因此，礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)具備相干疊加的條件，也即可以采用合成孔徑成像技術(shù).

在礦井瞬變電磁擬地震波場(chǎng)變換、反褶積和時(shí)深轉(zhuǎn)換等的基礎(chǔ)上(程久龍等, 2013)，根據(jù)合成孔徑成像的思想，本文提出合成孔徑成像公式為

(9)

其中U′(θm+N，tk)為合成孔徑成像后θm+N探測(cè)方向上的信號(hào)值，θm是指合成孔徑成像的起始探測(cè)方向，而θm+2N為合成孔徑成像的結(jié)束探測(cè)方向，m和m+2N分別為起始探測(cè)方向編號(hào)和結(jié)束探測(cè)方向編號(hào)，2N+1為合成孔徑的長(zhǎng)度，M是指同一探測(cè)方向上重復(fù)測(cè)量次數(shù)，Wij是權(quán)重函數(shù)，U(θi，tj)是礦井瞬變電磁波場(chǎng)變換后θi探測(cè)方向上第j次測(cè)量的擬地震波振幅值，τijk為權(quán)函數(shù)Wij取極值時(shí)的時(shí)移量.

權(quán)函數(shù)Wij為相關(guān)系數(shù)，表達(dá)式為

(10)

圖2　巷道瞬變電磁超前探測(cè)(a) 巷道瞬變電磁超前探測(cè)立體； (b) 巷道瞬變電磁超前探測(cè)平面.Fig.2　Schematic diagram of roadway advanced detection using MTEM(a) 3D view； (b) Planar view.

其中i依次取m、m+1、…、m+2N，j取1、2、…M，τijk為公式(10)取極大值時(shí)的相對(duì)時(shí)移量，K為波場(chǎng)變換后某一探測(cè)方向上的類時(shí)間門數(shù).礦井瞬變電磁超前探測(cè)合成孔徑成像原理如圖3所示.

相關(guān)系數(shù)表征了兩個(gè)探測(cè)方向上波場(chǎng)變換后信號(hào)值間的相關(guān)程度.相關(guān)系數(shù)越接近于1或-1，相關(guān)性越強(qiáng)；反之，相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)性越弱.在通常情況下，通過(guò)以下取值范圍判斷信號(hào)間的相關(guān)性(表1).

表1　相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性對(duì)照表

圖3　礦井瞬變電磁超前探測(cè)合成孔徑原理(a) 方向-θi上的單次探測(cè)； (b) 方向θ0上的單次探測(cè)； (c) 方向θi上的單次探測(cè).Fig.3　Principle ofsynthetic aperture schematicof advanced detection in roadway(a) Detection in the direction of -θi; (b) Detection in the direction of θ0; (c) Detection in the direction of θi.

4工程應(yīng)用

某礦巷道掘進(jìn)至G22+5 m位置，需要查清掘進(jìn)迎頭前方是否存在含水地質(zhì)體，對(duì)迎頭前方100 m范圍內(nèi)砂巖富水情況、斷層帶富水情況進(jìn)行總體控制，對(duì)含水異常區(qū)進(jìn)行地質(zhì)解釋.選擇礦井瞬變電磁法進(jìn)行超前探測(cè)，裝置方式為中心回線，回線邊長(zhǎng)為2 m×2 m，電流1.8 A，關(guān)斷時(shí)間約為110 μs，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間區(qū)間為[116.8 μs, 7088 μs]，均在關(guān)斷時(shí)間之外.巷道圍巖為砂巖，電阻率大于20 Ωm.

圖4是G22+5 m探測(cè)點(diǎn)水平斷面11個(gè)方向(以巷道掘進(jìn)方向?yàn)?°，往左幫每隔10°一個(gè)探測(cè)方向，到左幫50°，往右?guī)兔扛?0°一個(gè)探測(cè)方向，到右?guī)?0°)的實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線圖，圖中曲線表示不同探測(cè)方向上相同時(shí)間門間的連線.

圖4　G22+5 m位置處TEM超前探測(cè)水平斷面實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.4　Measured induction electromotive force on horizontal sectionby MTEM at G22+5 m

對(duì)圖4實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行濾波和全空間校正后，進(jìn)行波場(chǎng)轉(zhuǎn)換和時(shí)深轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理(程久龍等, 2013)，可以得到該測(cè)點(diǎn)水平斷面上11個(gè)探測(cè)方向(從左幫-50°至右?guī)?50°，每隔10°依次探測(cè))的擬地震信號(hào)，橫軸表示深度，縱軸代表探測(cè)方向角，如圖5所示.從圖中可以看出，擬地震信號(hào)有明顯的兩個(gè)同相軸，但總體偏弱.第一個(gè)相位在30～40 m范圍內(nèi)，能量相對(duì)較強(qiáng)，反映的是高阻到低阻的界面特征；第二個(gè)相位在65～80 m范圍內(nèi)，能量相對(duì)較弱，反映的是低阻到高阻的界面特征(程久龍等, 2013).

圖5　G22+5 m位置處TEM超前探測(cè)水平斷面波場(chǎng)變換后擬地震信號(hào)Fig.5　Pseudo-seismic wave-field signalafter transformon horizontal section by MTEM at G22+5 m

根據(jù)公式(10)，對(duì)水平斷面11個(gè)探測(cè)方向的擬地震數(shù)據(jù)分別計(jì)算相鄰兩探測(cè)方向之間的相關(guān)系數(shù)，判斷相關(guān)性，見(jiàn)表2.從表中可以看出，水平斷面上相鄰兩測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間最小的相關(guān)系數(shù)為0.12，最大的相關(guān)系數(shù)為0.9726.

孔徑長(zhǎng)度的選擇，即中心探測(cè)方向確定以后，具

體應(yīng)該選取幾個(gè)探測(cè)方向上的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加而且疊加后會(huì)有好的效果，一般情況下應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選取.根據(jù)礦井瞬變電磁超前探測(cè)的特點(diǎn)，水平斷面上只有11個(gè)方向的探測(cè)數(shù)據(jù)，探測(cè)方向數(shù)較少，選擇了3個(gè)方向和4個(gè)方向上的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行合成孔徑試驗(yàn)，最終確定選擇3個(gè)方向進(jìn)行合成孔徑成像.

圖6為巷道迎頭G22+5m位置處礦井瞬變電磁超前探測(cè)合成孔徑成像后擬地震信號(hào)，可以看出，波場(chǎng)變換曲線的極值位置沒(méi)有改變，深度方向未發(fā)生偏移，即合成孔徑處理不影響波場(chǎng)曲線極值點(diǎn)與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

對(duì)比該斷面合成孔徑前(圖5)與合成孔徑后(圖6)擬地震信號(hào)波形圖，合成孔徑之后的波形圖在相關(guān)性較好的探測(cè)方向較合成孔徑之前的信號(hào)得到了明顯加強(qiáng)，如在相關(guān)性較好的-20°探測(cè)方向到+20°探測(cè)方向間的探測(cè)數(shù)據(jù)，合成孔徑前的兩處曲線幅值較為平緩，但合成孔徑后，波形幅值增大，信號(hào)得到了顯著增強(qiáng)，并且波形寬度未發(fā)生變化；而在相關(guān)性相對(duì)較差的-50°探測(cè)方向以及50°探測(cè)方向，合成孔徑前曲線幅值較為平緩，在合成孔徑后，波形幅值被削弱；其他探測(cè)方向合成孔徑后波場(chǎng)曲線幅值得到了不同程度的加強(qiáng).整體而言，各個(gè)探測(cè)方向上有意義的弱異常得到了加強(qiáng)，信噪比得到了提高，合成孔徑效果比較顯著.

表2　G22+5 m位置處水平面內(nèi)相鄰探測(cè)方向擬地震數(shù)據(jù)間相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性列表

由以上分析可以看出：合成孔徑處理不影響擬地震波場(chǎng)曲線極值點(diǎn)與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系.相關(guān)性較強(qiáng)的兩個(gè)探測(cè)方向上，其擬地震信號(hào)極值點(diǎn)在合成孔徑后得到了明顯增強(qiáng)；而相關(guān)性較弱的兩個(gè)探測(cè)方向上，其擬地震信號(hào)極值點(diǎn)在合成孔徑后被削弱.這說(shuō)明合成孔徑成像在礦井瞬變電磁超前探測(cè)中突出弱異常、壓制假異常進(jìn)而提高分辨率的有效性.

將圖6的擬地震波場(chǎng)曲線進(jìn)行歸一化處理，并輔以實(shí)際斷面扇形坐標(biāo)，標(biāo)定電性界面位置，以利于解釋.圖7是G22+5 m位置瞬變電磁超前探測(cè)合成孔徑成像斷面圖與常規(guī)視電阻率斷面圖對(duì)比，可以看出：常規(guī)視電阻率斷面圖上有一明顯的低阻異常，位于巷道前方約20～60 m范圍，中心在34 m附近；合成孔徑成像斷面圖有兩個(gè)電性界面，第一電性界面位于前方35 m處，信號(hào)能量較強(qiáng)，應(yīng)該是高阻到低阻的突變界面；第二個(gè)電性界面位于前方73 m處，信號(hào)能量相對(duì)較弱，應(yīng)該是低阻到高阻的突變界面.兩處界面大體上為直線，并與探測(cè)方向近垂直.巷道掘進(jìn)實(shí)際揭露了探測(cè)位置為前方33～70 m范圍砂巖含水，為弱富水，與合成孔徑成像解釋成果吻合較好，而常規(guī)視電阻率斷面圖所反映的異常與實(shí)際揭露存在一定的偏差.這進(jìn)一步說(shuō)明，僅依據(jù)斷面圖視電阻率的變化來(lái)確定電性界面位置存在較大誤差，而合成孔徑成像確定電性界面具有明顯優(yōu)勢(shì).

圖6　G22+5 m位置處TEM超前探測(cè)合成孔徑成像后擬地震信號(hào)Fig.6　Pseudo-seismic wave-field signalafter SRIon horizontal section by MTEM at G22+5 m

圖7　合成孔徑成像斷面與常規(guī)視電阻率扇形斷面對(duì)比(a) 常規(guī)視電阻率斷面； (b) 合成孔徑成像斷面.Fig.7　Comparison ofgeneral resistivity section (a) and SAI section (b)

5結(jié)論

論文在將礦井瞬變電磁波場(chǎng)轉(zhuǎn)換為擬地震波場(chǎng)的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了礦井瞬變電磁合成孔徑成像，并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)方法的有效性和實(shí)用性進(jìn)行了探討和驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)對(duì)比分析合成孔徑前后波形圖可知，合成孔徑之后的波形圖在相關(guān)性較好的探測(cè)方向上較合成之前的信號(hào)得到了加強(qiáng)，且波形寬度未發(fā)生變化；而在相關(guān)性相對(duì)較差的方向上合成孔徑后較合成孔徑前由噪聲引起的小幅值異常進(jìn)一步減小，降低了隨機(jī)噪聲，提高了信噪比.

(2) 合成孔徑成像的效果與各探測(cè)方向之間的相關(guān)系數(shù)或相關(guān)性密切相關(guān)，較大的相關(guān)系數(shù)會(huì)獲得較好的合成孔徑成像效果.

(3) 對(duì)實(shí)際資料的處理和分析可知，低阻異常體在常規(guī)的視電阻率等值線圖中表現(xiàn)為一個(gè)放大的低阻區(qū)域，而在合成孔徑成像后的成果圖上則表現(xiàn)為更為精確的兩個(gè)電性界面.合成孔徑成像處理后電性界面的分辨率顯著提高.一般來(lái)說(shuō)，在高阻到低阻的突變界面處，波場(chǎng)變換后信號(hào)較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)界面合成孔徑成像后的能量較強(qiáng)；而在低阻到高阻的突變界面處，波場(chǎng)變換后信號(hào)較弱，對(duì)應(yīng)界面合成孔徑成像后的能量也相對(duì)較弱.對(duì)于后者，增強(qiáng)波場(chǎng)變換后信號(hào)有待進(jìn)一步研究.

(4) 合成孔徑成像方法能夠突出瞬變電磁數(shù)據(jù)中所包含的電性界面信息，彌補(bǔ)了礦井瞬變電磁法在異常體深度確定方面的不足，提高信噪比，突出弱異常進(jìn)而提高分辨率及勘探精度，發(fā)展了礦井瞬變電磁法對(duì)低阻異常電性界面的精細(xì)探測(cè).

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(本文編輯張正峰)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574250, 51174210)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20120023110014)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介程久龍，男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事應(yīng)用地球物理科研與教學(xué)工作.E-mail：jlcheng@126.com

doi:10.6038/cjg20160230 中圖分類號(hào)P631

收稿日期2015-02-09，2015-09-28收修定稿

Synthetic aperture imaging in advanced detection of roadway using the mine transient electromagnetic method

CHENG Jiu-Long1,2, CHEN Ding2, XUE Guo-Qiang3, QIU Hao4, ZHOU Xiang-Tong2

1StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China2CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China3KeyLaboratoryofMineralResources,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China4MineSafetyTechnologyBranchofChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China

AbstractDuring the data processing and interpretation of the mine transient electromagnetic method (MTEM), it is an important goal to improve the identification of the geo-electrical interface between low resistivity abnormal body and surrounding rock in advanced detection. To achieve this end, the transient electromagnetic field is transformed into the pseudo-seismic wave-field based on the function relationship between spreading electromagnetic field and seismic wave-field in whole-space. Meanwhile, the signal of pseudo-seismic after transform is processed with correlative stack to strengthen the amplitude and improve signal-noise-ratio (SNR) using the synthetic aperture imaging(SAI). The data of different detection directions on one surveying point in the MTEM are imaged as aperture data, which would highlight weak anomalies and improve SNR. In addition, the application effect of SAI was testified with the in-site advanced detection in roadway using the MTEM.The results show that the SAI of the MTEM can improve SNR of the electrical interface information and highlight the geometrical resolution to increase exploration accuracy. The technique is significant theoretically and practically in accurate advanced detection of aquifer structure by the MTEM.

KeywordsMine transient electromagnetic method； Wave-field transformation； Pseudo-seismicsignal； Synthetic aperture imaging； Geo-electrical interface

程久龍， 陳丁， 薛國(guó)強(qiáng)等. 2016. 礦井瞬變電磁法超前探測(cè)合成孔徑成像研究.地球物理學(xué)報(bào)，59(2):731-738,doi:10.6038/cjg20160230.

Cheng J L, Chen D, Xue G Q, et al. 2016. Synthetic aperture imaging in advanced detection of roadway using the mine transient electromagnetic method.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(2):731-738,doi:10.6038/cjg20160230.