电磁法探测技术是根据地壳中各类岩石和矿体的电磁学性质差异,通过观测和研究天然存在的或由人工建立的电磁场时间特性和空间分布规律,来研究地质构造、寻找有用矿产资源,解决工程、环境、灾害等地质问题的一类地球物理勘查方法。数值模拟、仪器研制、数据处理共同有机组成了电磁法探测技术。随着对资源能源的巨大需求以及地球物理技术的深入发展,电磁探测技术也朝着精细化、大深度和高效处理等方面发展,复杂介质和复杂模型下的电磁探测数值模拟和测量成为了一项亟待解决的问题。现有的数值模拟技术均是基于网格实现的,都不可避免地涉及到网格的剖分问题,对于单元的形状也有一定的要求,在处理复杂介质和复杂模型时,存在着数值计算精度低、网格剖分复杂、自适应分析困难等问题,而已有的电磁探测仪器功能较为单一,对野外环境抗干扰能力比较弱,已经越来越难适应于电磁法快速发展的需要。本文在国家重大科研装备研制项目“深部资源探测核心装备研发”和国家自然科学基金项目“基于无网格隐式差分法的时域航空电磁探测三维数值模拟研究”的共同资助下,为克服现有数值模拟技术过于依赖网格的缺陷,针对复杂介质和复杂模型下电磁探测问题,将无网格法较为全面地应用到时频域电磁探测数值模拟中,系统地研究了无网格法的基本理论以及在电磁探测中的实际应用,形成了适合于不同模型和不同探测方法的高效无网格法。在分别分析了频率域电磁法和时间域电磁法响应特征和优势缺点的基础上,采用了时频联合的电磁测量工作模式,研制了时频一体采集装置,进行了系统测试和模型试验验证,实现了异常目标体的近区时域测量和远区频域测量,形成了相对较为完整的研究体系。主要研究内容如下:1.系统地研究了无网格法的基本理论与实现方式。在弱式无网格法中,重点研究了移动最小二乘法和径向基点插值法两种形函数构造方法,以静场电磁问题中的Possion方程为例,研究了全局弱式无网格法计算中的关键问题,探究了无网格法中支持域大小、权函数、基函数、高斯点数量等对计算精度的影响。将基于径向基函数的无网格配点法引入到偏微分方程的求解,介绍了径向基函数插值与求解偏微分方程的基本原理和实施过程,给出了具体的仿真计算实例,验证了无网格配点法求解的有效性,体现出无网格法实施方便、精度较高的优势,为在电磁探测中的应用打下了基础。2.研究了基于全局弱式无网格法的频域电磁探测数值模拟。针对经典的电磁计算方法在频率域电磁探测中对复杂地电结构较难进行准确模拟的问题,详细推导了天然场源大地电磁法和人工源频率域电磁法边值问题的弱式等价形式,介绍了全局弱式无网格法求解的基本原理,在均匀半空间模型下进行了算法验证和参数优化,与有限元法的结果进行了对比,表明了算法的正确性和精确性。先后计算及分析了连续电导率、起伏地形、各向异性以及倾斜断层等复杂模型,讨论了不同模型下的电磁响应差异,为复杂电性和分布形态下频率域电磁探测高精度数值模拟开辟了新的思路。3.研究了基于径向基点配置无网格法的时域电磁探测数值模拟。针对在时间域电磁探测数值模拟中,传统数值计算方法对复杂形态的异常体需要进行精细化网格剖分、无法准确描述异常体边界等问题,提出了无网格配点-有限差分融合方法。推导了沿走向方向电场的扩散方程,利用径向基函数离散空间域,采用Crank-Nilcoson差分格式对时间进行离散,得到了迭代控制方程,利用向上延拓求取地空边界条件,给出了稳定性条件。在均匀半空间模型下与解析解和有限差分方法进行了对比,计算了含有异常体的复杂模型,研究了异常体导电性、埋深、发射电流、接收线圈高度等时域电磁响应特征,指出了时间域电磁法探测的优势和不足,为时频一体电磁探测采集系统的研制奠定了基础。4.在系统地研究了频率域电磁法和时间域电磁法响应特征的基础上,结合时域电磁探测高效快捷、分辨率高,频域电磁探测测量稳定、勘探深度大的优势,采用了电性源激励下时频联合的电磁测量工作模式,研制了多通道宽频带高精度时频一体采集装置,给出了采集系统总体设计方案和性能指标。设计了协同式防浪涌保护电路、低噪声模拟信号调理电路、信号采集电路、大容量高速数据传输电路等,对本底噪声、动态范围等进行了室内测试,对不同通道进行了一致性测试。在长春市文化广场进行了时频联合异常环试验,验证了装置对时频一体采集的有效性,实现了异常目标体的近区时域测量和远区频域测量。论文紧密围绕着“复杂模型下电磁探测响应计算和测量”这一核心问题,沿着“提出问题—基础理论研究—算法的理论验证—时频域复杂模型计算及分析—时频一体采集系统的研制—模型试验验证”的思路方向,从理论方法的研究到具体工程实践,遵循着从易到难、从一般到个别、由理论到实践的原则,形成了较为完整的研究体系,为电磁探测数值计算和仪器研发开辟了新的思路和方法。