分层介质电磁场计算和MATLAB实现

海洋电磁法探测深海石油创始人之一孔凡年教授从理论和编程两方面阐述分层介质电磁场计算问题，兼具理论性与实用性，是勘探地球物理专业研究者，以及计算电磁方法学习者的教材及案头书。

本书讨论的是分层介质中电磁场的求解问题。

本书应用部分主要涉及海洋电磁法在探测深海油层的应用，而作者本人参加了这项世界前沿技术的建立和发展的全过程，所以本书对该问题的探讨是极为深刻和透彻的。

本书在很多问题的处理上有独到之处，如Hankel变换的估值方法，作者本人正是该方法的创始人。

另外，本书的重要特点之一是在讨论理论的同时提出了详细的计算过程，提出的程序除了考虑到帮助学习理论外，还考虑到实用性，读者在修改一些模型参数后就能解决一些使用问题。

孔凡年教授是近年来广受关注的海洋电磁法探测深海石油的创始人之一。他1966 年毕业于西安电子科技大学，1978 年被录取为中科院研究生，1980 年至 1983 年在英国剑桥大学工程系攻读博士并获得博士学位，回国后到中科院电子所工作。1989 年至 2009 年，在挪威地质技术研究所（NGI）工 作。他是近年来获得广泛重视的海洋电磁法探测深海石油(Seabed Logging)的创始人之一。他作为发明人之一的有关 Seabed Logging 的几项专利是用海洋电磁探测深海石油的服务公司的重要技术基础。由于孔凡年和他的同事在海洋可控源电磁方面的工作，NGI 在 SEG(勘探地球物理学家协会)2007年年会上被授予卓越成就奖。他是步进频率式探达的早倡导者和使用者之一，是第 9、10、11、14 届国际探达大会的技术委员会成员或主席团成员。同时，在 2002 年被聘为日本东北大学访问教授，2009 年被聘为吉林大学、同济大学客座教授，浙江大学客座研究员。

本书讨论的是分层介质中电磁场的求解问题,分层介质指的是介质的电磁参数只 在一个特定的方向上有变化.许多应用问题都可以归结为分层介质的问题,例如大地 模型就经常可以用分层介质来表示.因此,计算分层介质电磁场问题具有重要的应用 背景.而且,由于分层介质问题有解析解,它又是电磁场数值解法的基础,可以用于检 验数值解法的正确性.

章讨论了电磁场基本理论.这一章的目的是用短篇幅介绍以后几章所需的 电磁场内容,例如,平面分层介质反射系数的计算、三维格林函数的表示等.根据电磁 场理论,三维格林函数可以表示为平面波展开后再作一次 Hankel变换,这个表示法 用于求解平面分层介质问题.三维格林函数也可以表示为柱面波展开后,再作一次 Fourier变换,这个表示法用于求解柱面分层介质问题.因此,Hankel变换和 Fourier 变换的计算是分层介质中电磁场求解问题的重要部分.

书中讨论了两种情况下的分层介质:一种是平面分层介质,即电磁参数只沿直角 坐标中的某一轴(本书中假定为z轴)方向变化;另一种是柱面分层介质,即电磁参数 只沿柱坐标中的ρ轴方向变化.平面分层介质问题的理论和算法,及其在海洋电磁中的应用,分别在第二章和第三章中进行讨论;而柱面分层介质问题则在第四章中进行 讨论.如果说平面分层介质是一维介质,那么将其推广为二维介质就可适用于更多应用 情况.二维介质的情况不再有解析解,必须用数值法求解.因此,本书的第五章和第六章讨论用有限元方法求解二维情况(二维介质和无限长线源)和2.5维情况(二维介质 和有限长线源)的算法.本书把平面分层介质中具有二维目标的情况看成是平面分层 介质问题的扩展. 第七章讨论了在有耗介质情况下计算 Hankel变换和 Fourier变换的一种有效方 法.这种方法的常规名称是“基于滤波系数的算法”,而我认为称之为“基于指数采样值 的算法”可能更为贴切.

本书内容中若干理论问题已在一些有名的专著里得以讨论,例如有关平面介质电 磁场的问题可见J.A.Kong的著作(Kong,1990;孔金瓯,2003).对于有限元方法等 数值解法,可见J.Jin的著作(金建敏,1998;Jin,2002,2010).读者应学习这些专著 以加深对理论的理解,而本书的特点在于讨论理论的同时提出详细的计算过程(或程 序).我认为,具体动手算一算就会发现自己是否对理论有真正的理解.所以动手算是深入学习理论的必要的一步.而讲述这一步,即从理论到算出结果的著作较少,这是写作本书的主要理由.本书提出的程序,除了考虑到帮助学习理论外,还考虑到实用性. 希望读者在修改一些模型参数后就能解决一些实用问题.