航空电磁探测是一种基于法拉第电磁感应定律的地球物理探测方法,将电磁探测发射系统与接收测量系统搭载在飞机平台上,对探测区域进行快速测量,通过反演成像获取探测区域地下电性分布信息,具有工作效率高、探测面积广以及探测深度深等优点,在矿产探测和地质普查等方面具有广泛的应用。在航空电磁探测过程中,由于移动平台测量方式引起的飞行方向、飞行高度、外界温度、侧风、飞行速度等因素的影响,特别是固定翼航空电磁探测系统特殊的偶极-偶极的软连接方式,使得测区各测线数据水平存在差异;同时引起发射线圈和接收线圈的飞行姿态发生变化,并引入干扰噪声,这些因素均会影响数据的反演成像质量,降低系统的探测精度和分辨率。本论文在国家自然科学基金“固定翼时间域航空电磁探测的整体反演方法研究”和国家重大科研装备专项子课题“航空瞬变电磁探测数据处理与反演”的资助下,对航空电磁数据的调平和反演方法进行研究,针对地球物理数据的特殊性,提出沿测线方向的约束调平算法和沿切割线方向的微调平算法,通过横纵向两种调平方法对航空电磁数据进行调平校正,使得测区数据位于同一数据水平上。基于大地模型的连续性,构造系统footprint内测点的空间约束,并引入飞行姿态角度作为反演参数,提出固定翼时间域航空电磁数据的拟三维整体反演,从而更精确地获取探测区域地下电性分布信息。本文主要研究工作及成果如下:(1)针对航空电磁探测移动平台测量方式和飞行测量过程的非平稳性,分析航空电磁反问题的影响因素。基于飞行姿态角度下的固定翼时间域航空电磁正演理论,研究发射线圈俯仰姿态角度、接收线圈俯仰姿态角度和吊舱同向摆动姿态角度对航空电磁二次场响应的影响。通过建立拟三维大地仿真模型,定量分析系统非平稳测量时,调平误差、噪声和飞行姿态角度对航空电磁探测系统测量数据反问题的影响。(2)针对传统的全测区数据参与的调平方式,建立航空电磁拟三维仿真大地模型,研究测区异常在调平过程中产生虚假调平误差的机理。论文通过选择无异常区域的拟切割线为参考线,计算测区各拟切割线与参考线的相关系数,确定参与调平的无异常数据组,以解决全测区数据参与调平产生虚假调平误差的问题。基于相邻测线电磁响应的连续性,利用相邻测线与基准测线的数据差值,建立关于调平误差函数的优化方程,同时,根据时间域航空电磁off-time数据的衰减规律,对各测点的测道数据进行不等式衰减约束,采用二次规划求解不等式约束下的最小二乘方程组,实现沿测线方向的约束调平方法,解决传统的单道独立调平方法可能改变off-time数据衰减规律的问题。(3)针对固定翼时间域航空电磁测区数据中的微弱调平误差,提出基于测线差分与主成分分析的航空电磁数据微调平算法。通过测区数据的测线差分,去除测线间相关的电磁响应部分,增强调平误差数据特征,提高调平误差在数据中的占比。基于调平误差在切割线方向的相关性,对测线差分数据沿切割线方向进行主成分分析,通过数据协方差矩阵的奇异值分解,得到特征值及对应的特征向量,利用旋转矩阵(特征向量矩阵的转置)将测线差分数据线性映射到主成分域,采用低阶主成分与特征向量重构数据,提取调平误差的空间特征。通过反测线差分得到测区各测线调平误差,实现沿切割线方向的航空电磁数据微调平。(4)针对固定翼时间域航空电磁数据反演过程中,非平稳测量情况下的飞行姿态角度对反演的影响,将飞行姿态角度作为模型参数,与大地模型参数同时进行反演。基于大地模型的连续性,通过对footprint区域内测点进行反距离加权多步长累加,建立各测点大地模型的空间粗糙度约束,同时引入模型的先验信息和纵向粗糙度作为约束,基于正则化反演理论,提出固定翼时间域航空电磁数据空间约束的整体反演算法,可减弱姿态角度对反演结果的影响,并压制测区数据的不相关噪声,提高了数据的反演成像质量。论文的创新点如下:(1)提出了时间域航空电磁数据的约束调平方法。基于相邻测线电磁响应的连续性,利用相邻测线与基准测线的数据差值,建立关于调平误差函数的优化方程,同时,根据时间域航空电磁off-time数据的衰减规律,对各测点的各测道数据进行不等式衰减约束,采用二次规划求解不等式约束下的最小二乘方程组,实现沿测线方向的约束调平方法,解决传统的单道独立调平方法可能改变off-time数据衰减规律,从而影响数据反演成像质量的问题。(2)提出了基于测线差分与主成分分析的航空电磁数据微调平方法。采用测线差分增强测区调平误差的数据特征,提高微弱调平误差在数据中的占比。基于调平误差在切割线方向的相关性,对测线差分数据沿切割线方向进行主成分分析,取低阶成分重构数据,提取测区调平误差的空间特征,并通过反差分得到测区各测线调平误差,从切割线方向实现测区数据中微弱调平误差的去除。(3)提出了固定翼时间域航空电磁数据拟三维整体反演方法。将非平稳飞行情况下的飞行姿态角度,与大地模型参数共同作为反演参数;基于航空电磁探测系统footprint,利用反距离加权多步长累加算法,建立测点footprint区域内的空间粗糙度,构成由数据误差项、模型先验信息误差项、模型纵向粗糙度和模型空间粗糙度构成的拟三维整体反演目标函数,有效地去除飞行姿态角度对数据反演的影响,保证反演结果的空间连续性,并压制了测区不相关的噪声,提高了反演的精度。航空电磁数据调平和拟三维整体反演方法虽然不能直接改进仪器的分辨率和灵敏度,却在对发射系统和接收系统测量的数据进行处理和反演成像的过程中,去除了测量系统的漂移、压制了测量数据噪声的影响,提高了航空电磁系统整体的探测精度,间接提高了测量系统的分辨率,是航空电磁探测过程中必不可少的技术支撑。本文研究的固定翼时间域航空电磁数据调平与整体反演算法,对提高航空电磁数据处理和解释水平具有一定的理论意义和实用价值。