本發(fā)明涉及地球物理探測，尤其涉及一種基于改進粒子群算法的小回線源瞬變電磁反演方法。

背景技術(shù)：

1、瞬變電磁法(transient?electromagnetic?method，tem)是一種基于電磁感應(yīng)原理的地球物理探測方法。它通過回線或長直線源向地下發(fā)射一次脈沖場，檢測一次脈沖關(guān)斷后地下介質(zhì)的感應(yīng)二次場隨時間的衰減特性，從而獲得地下介質(zhì)的物電參數(shù)(電導(dǎo)率、埋藏深度)。

2、其中，小回線源探測裝置由于具有體積小、重量輕、成本相對較低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于城市地下工程探測、未爆彈藥探測、煤礦含水層探測等領(lǐng)域。因此近年來對于小回線探測數(shù)據(jù)的處理解釋成為瞬變電磁探測領(lǐng)域的研究重點。

3、利用已知的物電參數(shù)進行計算得到二次場的衰減特性稱為正演，反之，通過探測數(shù)據(jù)獲得物電參數(shù)、重建地下結(jié)構(gòu)稱為反演。傳統(tǒng)的tem反演主要采用“煙圈”快速成像法，該方法屬于近似處理，成像速度快，但對異常地質(zhì)體深度不敏感、反演精度較低。而瞬變電磁反演問題本質(zhì)上是非線性的，因此近年來，粒子群算法(pso)、遺傳算法、模擬退火和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性全局優(yōu)化算法被廣泛應(yīng)用于瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理與解釋方面，但是其抗噪性有待進一步提升。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決了現(xiàn)有的煙圈反演技術(shù)存在的對異常地質(zhì)體深度不敏感、反演精度較低的問題，本發(fā)明提出了一種基于改進粒子群算法的小回線源瞬變電磁反演方法，該方法且相較于傳統(tǒng)的粒子群算法抗噪性更強。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于改進粒子群算法的小回線源瞬變電磁反演方法，該方法包括下列步驟：

4、步驟1，采用小回線瞬變電磁探測裝置在待測地表發(fā)射一次脈沖，將探測系統(tǒng)接收到的二次感應(yīng)電動勢作為觀測數(shù)據(jù)；

5、步驟2，根據(jù)實際地質(zhì)條件設(shè)置地下介質(zhì)參數(shù)(如電導(dǎo)率、深度等)的搜索范圍，并將地下介質(zhì)參數(shù)視作粒子位置，在搜索范圍內(nèi)設(shè)置粒子種群的初始位置；

6、步驟3，將粒子位置通過正演得到的感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)基于l2范數(shù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)作為粒子群更新的適應(yīng)度，再基于粒子的適應(yīng)度執(zhí)行粒子群算法的粒子位置更新；即基于所構(gòu)建的新的目標(biāo)函數(shù)計算粒子的適應(yīng)度，進而執(zhí)行本發(fā)明的改進粒子群算法進行粒子位置的更新；

7、當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值達到精度要求或迭代次數(shù)超出預(yù)期設(shè)置時，可認(rèn)為當(dāng)前的粒子位置即為瞬變電磁反演得到的地下介質(zhì)參數(shù)。

8、本發(fā)明方法區(qū)別于傳統(tǒng)粒子群算法，可以避免迭代過程中為了保證整體的適應(yīng)度降低而損失某一層參數(shù)精確度的問題，保證了反演準(zhǔn)確度。

9、進一步地，地下介質(zhì)參數(shù)包括：電導(dǎo)率和深度。

10、進一步地，步驟1還包括：構(gòu)建反演初始層狀地電模型，該地電模型包括若干層，每層包含電導(dǎo)率和深度兩個地下介質(zhì)參數(shù)，且地電模型的最內(nèi)層的深度(介質(zhì)層深)定義為無窮大。

11、進一步的，步驟2中，在搜索范圍內(nèi)設(shè)置粒子種群的初始位置包括：

12、初始化粒子數(shù)目m、每個粒子的位置、粒子更新時的初始搜索速度、種群總體最大迭代次數(shù)maxcount、分段循環(huán)最大迭代次數(shù)loopcount、當(dāng)前不參與迭代的地電模型的層數(shù)k以及精度eps。其中粒子數(shù)目m表示有m個地電模型進行尋優(yōu)，粒子位置代表尋優(yōu)時地電參數(shù)的估計值。

13、進一步的，步驟3中，將粒子位置通過正演得到的感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)基于l2范數(shù)構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)的表達為：

14、

15、其中，vt為實際測量中第t個時間道的感應(yīng)電壓，v′t為以待求參數(shù)的估計值進行正演得到的第t個時間道感應(yīng)電壓理論值，t為測量時的時間道總數(shù)。目標(biāo)函數(shù)實際上反映了測量值與正演值的擬合程度，適應(yīng)度值越小，代表正演值越接近測量值，當(dāng)前的參數(shù)估計值越接近地下介質(zhì)參數(shù)的真實值。因此，當(dāng)將該目標(biāo)函數(shù)作為例子個體的適應(yīng)度時，當(dāng)前粒子個體的適應(yīng)度歷史最小值對應(yīng)的即是個體最優(yōu)位置，粒子群體的目標(biāo)函數(shù)適應(yīng)度歷史最小值對應(yīng)的即是粒子種群最優(yōu)位置。

16、進一步的，步驟3中，基于粒子的適應(yīng)度執(zhí)行粒子群算法的粒子位置更新具體包括：

17、步驟301，基于目標(biāo)函數(shù)計算每個粒子的適應(yīng)度值，尋找當(dāng)前粒子與粒子群的最優(yōu)位置；

18、步驟302，將當(dāng)前群體最優(yōu)位置的地電模型的第k層參數(shù)視作理論值，不參與粒子位置更新；

19、步驟303，計算慣性權(quán)重系數(shù)，計算更新后的粒子速度；

20、步驟304，基于更新后的粒子速度計算粒子的更新位置，再判斷粒子個體位置是否超出搜索范圍，若未超出，則執(zhí)行種群遷移；

21、步驟304，判斷粒子適應(yīng)度值是否滿足預(yù)置條件，若滿足，則更新粒子最優(yōu)位置。

22、更進一步地，步驟302的計算過程中，為了提高計算精度，改進粒子群算法原有的迭代方式，由整體循環(huán)改進為分段循環(huán)，每一段循環(huán)時，以當(dāng)前得到的最優(yōu)值為基準(zhǔn)，將第k層包含的待求參數(shù)視作已知真實值，不參與粒子位置的更新計算，而其余層的參數(shù)進行迭代更新；接下來每一段循環(huán)結(jié)束后，都將根據(jù)上一段循環(huán)求得的最優(yōu)值，依次將第k+1層待求參數(shù)視作已知真實值，進行下一次計算，反復(fù)迭代，直到滿足精度條件或達到最大迭代次數(shù)。

23、更進一步地，所述步驟303中，粒子的速度更新公式為：

24、任意第m個粒子在iter+1次迭代時的速度更新公式為：

25、

26、其中，分別表示第m個粒子在iter+1次與iter次迭代更新后的粒子速度，r1、r2為均勻分布在(0,1)區(qū)間的隨機數(shù)，c1、c2為學(xué)習(xí)因子，優(yōu)選的，反演時取值均設(shè)置為2，pm為個體最優(yōu)位置，pg為群體最優(yōu)位置，迭代次數(shù)iter的初始值為預(yù)設(shè)值，例如設(shè)置為0，ω為慣性權(quán)重，其計算公式為：

27、ω＝0.99iter·rand()/2+0.1

28、其中，rand()為均勻分布在(0,1)區(qū)間的隨機數(shù)。

29、更進一步地，步驟304中，基于更新后的粒子速度計算粒子的更新位置具體為：

30、第m個粒子在iter+1次迭代時的位置更新公式由下式計算：

31、

32、其中，分別表示第m個粒子在iter+1次與iter次迭代更新后的粒子位置，r為約束因子，優(yōu)選的，r在反演時取值為1。

33、需要說明的是，迭代更新后的粒子位置需要滿足位置限定范圍，不滿足則重新選擇位置。

34、更進一步地，步驟304包括：

35、計算粒子的適應(yīng)度，判斷每個粒子的當(dāng)前適應(yīng)度是否小于個體歷史最優(yōu)值，是則更新個體最優(yōu)值；判斷每個粒子的當(dāng)前適應(yīng)度是否小于群體歷史最優(yōu)值，是則更新群體最優(yōu)值。

36、更進一步地，步驟3中，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值達到精度要求或迭代次數(shù)超出預(yù)期設(shè)置時，認(rèn)為當(dāng)前的粒子位置即為瞬變電磁反演得到的地下介質(zhì)參數(shù)具體包括：

37、判斷當(dāng)前群體最優(yōu)值對應(yīng)的適應(yīng)度是否達到精度要求或達到分段循環(huán)最大迭代次數(shù)，不滿足則繼續(xù)循環(huán)；滿足要求則保存結(jié)果，得到分段循環(huán)最優(yōu)解，判斷是否達到整體循環(huán)最大迭代次數(shù)；不滿足則令k增1后，再將第k層包含的待求參數(shù)視作已知真實值，不參與粒子位置的更新計算，繼續(xù)下一段循環(huán)；滿足要求則保存并輸出結(jié)果，得到的粒子最優(yōu)位置即可作為反演出的地下介質(zhì)參數(shù)真實值。

38、本發(fā)明提供的技術(shù)方案至少帶來如下有益效果：

39、本發(fā)明在傳統(tǒng)粒子群算法的基礎(chǔ)上，改進了粒子在每一次迭代時的位置更新方法。區(qū)別于現(xiàn)有應(yīng)用到多層介質(zhì)反演中的粒子群算法，本發(fā)明提出的方法在迭代時，將當(dāng)前最優(yōu)估計值的第k層電導(dǎo)率和層深假定為真實值進行計算，有效避免了傳統(tǒng)粒子群算法在迭代時為了整體目標(biāo)函數(shù)適應(yīng)度下降而損失某一層參數(shù)精確度的問題。相較于傳統(tǒng)的煙圈反演，本發(fā)明方法可以有效解決介質(zhì)分層邊界電導(dǎo)率和分層高度估計不準(zhǔn)確的難題；相較于傳統(tǒng)粒子群算法，本發(fā)明方法的抗噪性更強。