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关键词： 交流电磁场检测   嵌入式   缺陷判定   云服务器  

摘要： 针对高空检测作业、受限空间作业以及复杂结构装置检测等复杂检测工况需求,当前交流电磁场检测(Alternating Current Field Measurement,ACFM)技术仪器存在的体积大、质量重、功耗高、数据追溯、现场判断缺陷困难等系列问题,难以满足复杂工况下的单人作业和长时间连续作业需求。本文针对以上问题,基于Cortex-M7平台,围绕嵌入式交流电磁场检测系统关键问题展开研究。使用有限元法建立系统数值模型,定量分析关键设计参数影响,开展嵌入式ACFM系统软硬件开发研究,并提出云端缺陷智能识别方法,提高ACFM技术仪器便携性和持续工作能力的同时,保证了高精度的缺陷判定和评估,为解决检测仪器便携性与分析计算能力之间的矛盾提供了一条有效可行的途径,为未来的多终端云检测技术发展提供技术支持。主要研究分为以下四个方面: (1)交流电磁场检测系统理论模型与仿真研究 基于ACFM检测技术基本原理,建立有限元数值模型,分析缺陷处感应电流扰动规律以及缺陷结构尺寸影响机理,定量研究工件材料特性、激励信号参数、检测线圈功率等关键参数与缺陷响应信号特征的影响规律,为后续检测系统开发提供数据支撑。 (2)嵌入式ACFM检测系统方案与硬件电路设计 设计嵌入式ACFM检测系统方案,依据小型化、轻量级、低功耗要求,仿真、设计与集成信号发生、功率放大、信号处理、信号传输等电路并进行检测仪外形结构设计。 (3)检测系统软件开发与云端缺陷识别方法研究 设计嵌入式ACFM软件系统架构,进行检测仪MCU软件开发,分析缺陷处磁场信号特征并收集数据库,构建LSTM算法模型并部署到云服务器,形成现场检测作业、数据实时传输并存储与缺陷在线判定的作业模式。 (4)嵌入式交流电磁场检测系统测试 开展嵌入式ACFM检测系统体积、质量、功耗测试,验证仿真结果中激励信号频率、幅值与检测线圈功率等关键参数,对不同尺寸的人工表面裂纹进行测试实验,结果表明检测系统达到了小型化、轻量级、低功耗、数据实时上传与存储、缺陷智能判定的研究目标。

关键词： 镁合金   水平双辊铸轧   电磁场   凝固焊合线   边裂  

摘要： 镁合金因密度小、比强度高及比刚度高等特性,被广泛应用于新能源汽车、高铁、航空航天等领域。镁合金板带材有多种制备方式,其中作为新兴技术的双辊铸轧技术发展迅猛,能够实现板带材铸-轧连续化、板带材生产自动化,但目前镁合金铸轧工艺尚存在不可控流体流动、冷却速率不均致使板带材组织偏析、性能较低等问题。本文基于镁合金铸轧生产面临的边裂技术瓶颈,结合课题组对镁合金轧制边裂抑制理论阶段性研究成果,通过有限元模拟仿真多物理场调控镁合金铸轧凝固焊合线特征,重点探究了电磁场对铸轧凝固焊合线特征的影响机制,为电磁外场辅助镁合金铸轧工艺制定及优化提供基本理论模型。主要研究内容及结论如下:（1）通过对电流密度、铸轧速度、轧辊换热与铸轧区边部区域凝固焊合点匹配关系进行探究。结果显示:传统铸轧时边部凝固焊合点位置是侧封板内预埋电极板的最佳位置,电流密度一定时,不同位置施加的电极板截面面积和电流量不同;电流密度由4×10～7 A/m2增大至6×10～7 A/m2,铸轧区最高温度升高,电流密度每提高4×10～6 A/m2,电极板处镁合金温度升高幅度均匀,同时边部区域凝固焊合点向辊缝偏移2%左右,凝固焊合点处板厚方向温度差值减小;铸轧速度由1 m/min增大至2.5 m/min,电极板处镁合金温度由减小,铸轧速度每提升0.8 m/min,边部区域凝固焊合点向辊缝偏移达到10%以上;轧辊换热能力提高由3000 W/m2K增大至5000 W/m2K,电极板处镁合金温度由增大,边部区域凝固焊合点向入口移动,由距离入口55.1 mm偏移至37.4 mm,凝固焊合点处板厚方向温度分布不均匀性有所增大。（2）通过对电流密度、铸轧速度、轧辊换热与全板宽凝固焊合线特征匹配关系进行研究。结果显示:增大电流密度、提高铸轧速度、减小换热系数会使凝固焊合线整体向辊缝偏移,改变电流密度主要影响铸轧区温度进而调控凝固焊合线位置,而改变铸轧速度主要影响流场分布;增大电流密度,凝固焊合线的中心部与边部沿铸轧方向的位置差由19.4 mm减小至3.3 mm;增大铸轧速度,两者位置差值从1.5 mm增加至11.9 mm;增大换热系数,两者位置差值维持在6 mm至8 mm。通过调节三者匹配关系可以调控凝固焊合线的“（?）”形趋于“1”形,避免板材经过辊缝时纵向不均匀延伸,预防边裂。（3）通过外加磁场与凝固焊合线特征匹配关系进行研究。结果显示:流体在流入、流出磁场时,熔体内部产生相反方向的感应电流和感应磁场,较大磁场会影响高温熔融态镁合金的流场分布;在铸轧区一定区域施加磁场,板厚中心面流体有两次降速现象,增大磁场强度（0.9-1.4 T）,会出现磁场区域内板厚中心面边部流体沿铸轧方向速度高于中部的现象,两者之间差值增大;磁场强度增大（0-1.4 T）,铸轧区边部凝固焊合点向辊缝移动,凝固焊合线中部与边部沿铸轧方向位置差值由17.1 mm减小至6.8 mm,有利于板厚中心面处凝固焊合线趋于直线。本文针对双辊铸轧镁合金板带材时板材纵向不均匀延伸现象,基于电磁场和流场基本理论,探究电磁外场、铸轧工艺参数与凝固焊合线匹配关系,通过精准调控凝固焊合线特征实现金属沿板宽的同步凝固轧制,预防边裂。

关键词： 海上风电   电磁场   光纤传感器   光学磁场检测  

摘要： 随着我国倡导海洋资源的开发与利用,海上清洁能源的获取就越来越被人们所关注,海上风力发电就是清洁能源之一。随着海上风力发电的逐步建设与投入使用,环境问题也逐渐被人们重视起来。海上风电的电力传输过程中产生的磁场是否会对海洋生物和环境产生影响以及电力的传输过程中产生的电磁场的分布规律都是亟待研究的问题。因此研制一种可以长期应用于水下的光纤磁场传感器对海上风电产生的磁场进行实时测量和监测,将对未来海洋领域的开发与利用提供很大助益。本文研制了一种光纤磁场传感器应用于水下磁场的测量,同时对海底电缆周围的磁场分布规律进行了仿真。论文的主要研究内容如下:首先,综述了目前海上风电领域中磁场检测技术的国内外现状,分析该技术进一步的发展方向,并给出本文的研究内容;其次,设计用于海洋风电海底电力传输电缆周围磁场监测的光纤磁场传感器,对所设计的光纤磁场传感器的结构及光纤参数进行理论研究与仿真,建立传输方程,以得到光纤磁场传感器优化的结构与参数;再次,研究海洋风电海底电力传输电缆周围磁场分布规律的仿真分析方法,研究基于有限元仿真的海底电缆周围的电磁场分布规律,仿真在不同环境下海底电缆周围的磁场分布规律,仿真研究鱼礁内部磁场分布规律。最后,研制基于磁流体的水下光纤磁场传感器,设计并搭建了光纤磁场传感器实验平台,利用大电源模拟海底电缆的传输电力过程制作出磁场发生装置模拟海洋风电磁场的分布环境,将研制的传感器分别在水中与空气中在电缆周围进行了磁场传感实验,得到该传感器的磁场灵敏度;进一步利用该传感器在距离模拟电缆不同位置处进行磁场传感实验,得到其磁场分布规律。本文的工作将为未来海洋风电、海洋牧场的发展提供技术支持。

关键词： 旋转电磁场   复杂裂纹   电流分布   表面轮廓重构   简化仿真模型  

摘要： 在人类的生产生活中,经常出现因材料断裂而造成人员伤亡和经济损失的事故,复杂裂纹通常是造成事故的主要原因。但是,复杂裂纹中各裂纹间隔较近,分布形式多样,现有的无损检测技术难以实现对复杂裂纹的准确识别。本文以复杂裂纹为研究对象,使用旋转电磁场检测技术,提出基于方形电偶极子的复杂裂纹表面轮廓重构算法,通过磁场数据对试件表面电流进行反演,达到对裂纹表面轮廓重构的效果,并搭建配套的复杂裂纹表面轮廓检测系统进行实验测试。主要的研究内容和进展如下: (1)根据电磁场理论对旋转电磁场检测机理进行研究。建立旋转电磁场简化仿真模型,当裂纹长度小于实际探头激励线圈底面尺寸的50%时,简化模型建议用于原理和信号影响因素的研究,在保证仿真精度的情况下减少仿真时间。使用简化模型对旋转电磁场检测信号影响因素展开研究,结果表明:裂纹深度越深信号幅值越大;裂纹角度与信号相位呈线性关系;在较高的激励频率下信号相位基本不变。 (2)提出了一种基于方形电偶极子的复杂裂纹表面轮廓重构算法。通过检测信号的幅值和相位信息,对磁场信号进行分解,得到不同时刻下的扰动磁场瞬时分布。使用方形电偶极子模型对试件表面扰动电流进行离散化,并通过瞬时磁场分布对扰动电流分布进行反演,从而实现复杂裂纹的表面轮廓可视化检测。通过简化模型,对提出的算法进行验证,成功实现了多种不同复杂裂纹的表面轮廓可视化检测。 (3)开发旋转电磁场复杂裂纹表面轮廓检测系统。借助有限元仿真模型对激励线圈结构进行优化,制作高精度旋转电磁场检测探头,搭建检测系统硬件电路,编写检测系统软件,完成旋转电磁场复杂裂纹表面轮廓检测系统的开发。 (4)使用旋转电磁场复杂裂纹表面轮廓检测系统进行实验测试,对系统的测试精度进行评估。通过对激励信号的校准,实现了对任意角度裂纹检测的相同灵敏度。对激励频率进行优化,得到合适的激励频率。对多个复杂裂纹进行可视化反演,所有裂纹测量结果最大相对误差不超过5%,具有较高的量化精度。

关键词： 矿井瞬变电磁法   多匝小回线   时频分析   过渡过程   尺度变换  

摘要： 多匝小回线瞬变电磁法是我国煤矿采掘工作面含导水构造探测的主要物探方法,在隧道超前探、城市工程环境勘探、地下空间开发利用等领域也有着广泛应用。与大回线装置相比,多匝小回线瞬变电磁法有其特殊性,最为突出的问题是其实测感应电动势比磁偶极子瞬变电磁场衰减变缓、持续时间更长,导致基于磁偶极子瞬变电磁场晚期视电阻率公式的计算结果严重偏低。目前,对该问题的研究多集中在感应电动势幅值方面,认为一次场或其他附加场引起感应电动势幅值增大是造成视电阻率计算值偏低的原因,并采用减小感应电动势幅值的方法将视电阻率值校正到与地层本征电阻率相近的水平。然而,这种校正方法带来了新的问题,在视电阻率值大幅增加而信号持续时间保持不变的情况下,反演出的深度将大幅增加。多匝小回线瞬变电磁法井下实测信号多持续几十ms,采用此类方法计算出的探测距离可达几百甚至上千m,与多匝小回线装置的实际探测距离明显不符。本文采用理论研究、数值模拟、时频分析、地面与井下试验等多种研究方法,从时域和频域两个角度系统研究了多匝小回线装置瞬变电磁场响应规律,揭示了发射和接收线圈边长、匝数、电感、电容与内阻等参数对实测感应电动势及视电阻率计算结果的影响特征与机理,并提出了科学有效的装置影响消除方法。研究结果表明发射线圈和接收线圈对多匝小回线装置瞬变电磁场观测信号的影响不同,论文主要研究成果如下:(1)发射线圈边长越小,进入晚期条件的时间越早,对感应电动势及视电阻率的影响程度越低、影响时间越短,二次场信号的频带范围越宽,2m边长小回线激发的二次场信号频带范围约为100m边长发射回线的10倍,小回线源与磁偶源激发的信号频带范围更接近。(2)关断时间对感应电动势及视电阻率的影响程度远大于线圈边长的影响。当以关断结束时刻作为采样零时刻时,关断时间的增加使感应电动势早期响应值减小,视电阻率计算值偏大;当以开始关断时刻作为采样零时刻时,关断时间的增加使感应电动势早期响应值增大,视电阻率计算值偏小;关断时间对感应电动势及视电阻率计算的影响程度随时间指数型减弱,影响时间范围约14～20倍的关断时间。关断时间越长,二次场信号频带范围越窄,信号中的高频分量大幅减少,不利于浅层勘探,因此在工程实践中应尽可能减少发射线圈匝数来缩小关断时间,以减小测量盲区和提高分辨能力。多匝小回线瞬变电磁实测信号与磁偶极子瞬变电磁场数值仿真结果相比,频带范围更窄、低频响应幅值更大。(3)接收线圈过渡过程对一次场的影响与接收线圈阻尼因子有关,阻尼因子越大,关断结束后一次场感应电动势存续时间越短,对二次场感应电动势的影响越小。对于煤矿井下常用多匝小回线装置,关断结束后1ms左右,一次场感应电动势即可衰减到仪器灵敏度水平以下,采用类似圆锥形场源或等值反磁通方法也能从源头上降低或消除一次场。(4)接收线圈过渡过程使得二次场感应电动势频带范围减小,致使早期信号幅值减弱和晚期信号延迟。叠加场理论计算结果与实测信号的对比分析发现,接收线圈过渡过程是造成多匝小回线装置二次场感应电动势衰减慢、持续时间长、视电阻率计算值偏低的主要原因。(5)根据以上认识,本文提出了基于尺度变换原理消除接收线圈过渡过程影响的频域标定法。尺度变换原理描述了频域压缩倍数与时域扩展倍数相同的客观事实,揭示了接收线圈过渡过程对二次场影响的数学物理机制。通过频域标定法计算接收线圈输出信号与理论输入信号带宽之比可确定时域扩展倍数,据此可进行实测感应电动势时间尺度上的校正。该方法避免了接收线圈电性参数测定受环境因素影响的缺陷,减小了主观因素对数据处理结果的影响。工程应用实例表明,该方法校正后的视电阻率计算与时深转换结果更加准确、客观。

关键词： 磁力耦合器   无量纲数   传动性能   感应电流   调速性能  

摘要： 磁体旋转型磁力耦合器是由可旋转式永磁转子和导体转子组成,是一种新型调速装置。该磁力耦合器具有无接触式传动、结构简单、维护成本低以及节能显著等优势。本文针对磁体旋转型开槽盘式磁力耦合器推导了耦合器的多个无量纲参数,并围绕磁体旋转型开槽盘式磁力耦合器不同无量纲数对气隙磁场、轴向力、传动性能、感应电流以及调速性能进行了研究,获得了以下的成果:(1)通过量纲分析法和方程分析法推导了磁体旋转型开槽盘式耦合器的无量纲数。提出量纲分析法推导耦合器无量纲数的具体表达式,通过用耦合器的基本物理量与其它物理量组成关系式,基于量纲齐次原则,推导了磁力耦合器的无量纲数,其中包括长径比、偏心率、气隙参数、磁密参数和速度参数等,减少了影响磁体旋转型磁力耦合器传动性能的参数数目,并通过方程分析法对量纲分析法推导出的关系式进行验证分析。(2)模拟磁体旋转型开槽盘式磁力耦合器整体无量纲数、导体转子无量纲数以及永磁转子无量纲数对气隙磁场影响。通过三维有限元软件,建立了磁体旋转型磁力耦合器的模型,模拟得到了耦合器整体不同无量纲数对气隙磁场的影响,分析了其对气隙磁密、轴向力以及输出转矩的影响,获得了磁力耦合器的偏心率、气隙参数和速度参数变化对耦合器气隙磁密的变化规律。模拟分析了导体转子不同无量纲数对气隙磁场的影响,包括导体层径长比、轭铁层径长比、槽极配比以及开槽角度。针对可旋转式永磁转子的特点,研究了S极永磁体旋转角度对气隙磁场的影响,主要分析了S极旋转角度对耦合器静态和瞬态气隙磁场影响,另外分析了小转速差和大转速差下的轴向力和输出转矩变化规律。通过磁力耦合器以上三个方面的无量纲数,从而得到了耦合器不同无量纲数下气隙磁场的变化规律以及无量纲数的最优取值范围。(3)模拟获得磁体旋转型开槽盘式磁力耦合器不同无量纲数对导体转子中感应电流的影响,还对不同无量纲数下磁力耦合器的调速性能进行分析研究。通过有限元模拟软件,分别研究了磁力耦合器整体无量纲数下感应电流变化情况和无量纲数对耦合器调速性能的影响。研究了导体转子不同无量纲数下感应电流和无量纲数对调速性能的影响,包括导体层径长比、轭铁层径长比、槽极配比和开槽角度。另外,对于磁体旋转型永磁转子,主要分析S极永磁体不同旋转角度对感应电流和调速性能的影响。通过以上三个方面得到磁体旋转型开槽盘式磁力耦合器不同无量纲数下感应电流和调速性能的变化规律,得到无量纲参数的最佳取值范围。(4)搭建气隙磁场测量装置和搭建智能测试平台。分别测量磁力耦合器三维气隙磁场强度和对磁力耦合器的传动性能和调速性能进行试验测试,获得耦合器静态下三维气隙磁场的轴向气隙磁密值和径向气隙磁密云图以及两者的气隙磁密值。获得不同气隙参数下磁力耦合器的调速性能和输出转矩变化曲线,并将试验值与模拟值进行对比,验证得到最优气隙参数下耦合器传动性能最佳的正确性。

关键词： 膝关节骨性关节炎   脉冲电磁场   玻璃酸钠   注射治疗   临床疗效  

摘要： 目的：本研究主要目的为观察脉冲电磁场联合膝关节注射玻璃酸钠治疗早中期膝关节骨性关节炎的临床疗效。以减轻膝关节骨性关节炎患者的临床症状，改善其生活质量，为临床提供新的治疗方案。　　方法：实验对象选自于2020年11月~2021年12月，就诊于包头市中心医院并诊断为膝关节骨性关节炎的患者60例。将60位患者随机、平均分成3组，分别给予脉冲电磁场、玻璃酸钠注射治疗及二者联合。收集患者治疗前与治疗后一周、一个月的西安大略湖与麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）、视觉模拟评分（VAS）、膝关节活动度（ROM）及膝关节Lysholm评分。使用SPSS26.0进行数据分析，数据属于计量资料，治疗前后对比采用t检验，多组间比较使用方差分析（F检验），以Plt;0.05表示差异有统计学意义。　　结果：与治疗前相比，治疗后一个月注射组、磁疗组和联合组的VAS、WOMAC评分降低、ROM、Lysholm评分升高，说明三种治疗方案均有效。三组治疗前与治疗后一个月VAS、WOMAC、ROM、Lysholm评分差值组间相互比较，具有统计学意义（Plt;0.05），联合组与注射组、磁疗组相比，WOMAC、ROM及Lysholm评分治疗前与治疗后一个月差值具有统计学意义（Plt;0.05），注射治疗结合磁疗效果优于单独注射治疗或磁疗。　　结论：玻璃酸钠注射、脉冲电磁场及二者联合治疗早中期膝关节骨性关节炎均有效，并且注射结合磁疗效果优于单独注射治疗或磁疗。

关键词： 数值模拟   结构优化   微波加热   流体流动形态   介质功率损耗密度  

摘要： 超重力反应器作为一种过程强化设备,在化工分离、纳米材料制备、环境保护等领域发挥着重要作用。但是,目前超重力设备采用的是夹套加热的方式,这种传统的加热方式不仅升温速度慢,无法满足节能减排的发展要求,而且影响反应的顺利进行。因此,需要对超重力设备的加热方式升级改造。鉴于微波加热具有升温速度快、环境污染小等优势,本课题提出将超重力与微波进行耦合,开展超重力微波耦合场内流场及电磁场模拟研究,以优化超重力微波耦合反应器的结构参数,实现耦合效果的强化。主要研究内容及结论如下:(1)超重力微波耦合场内流场模拟研究。利用Fluent软件模拟了超重力微波耦合场内的流体流动形态,考察了网格数量对流体流动形态的影响,进行了网格无关性检验,确定了网格划分依据,获得了较佳的流体流动形态。(2)超重力微波耦合场内电磁场模拟研究。在获得较佳流体流动形态的基础上,通过计算得到了旋转圆盘上液膜的平均厚度,然后利用HFSS模拟了超重力微波耦合场内的介质功率损耗密度,分别考察了单微波源和双微波源相关参数对介质功率损耗密度的影响,获得了效果较佳的结构参数:单微波源时,微波源馈入长度为40 mm,功率为1500 w,位置为120 mm,安装方式为水平安装,此时介质功率损耗密度最大,介质吸收的能量多;双微波源时,微波源的相对位置为互相垂直,功率分配比为1:5,微波源之间的高度差为60 mm,此时介质功率损耗密度最大,介质吸收的能量多,效果好。(3)超重力微波耦合场内温度场实验研究。研究发现,在微波加热过程中,介质吸收的能量越多,介质功率损耗密度越大,介质温升越高。在完成模拟研究的基础上,考察了单微波源相关参数对流体温升效果的影响,进行了实验和模拟的对比,结果发现,当微波源功率为1500 w,位置为120 mm,安装方式为水平安装时,流体温升最高,为14.5°C,表明两者具有较高的吻合度。

关键词： 大地电磁测深法   传播方向   阻抗张量   演进估算策略  

摘要： 经典大地电磁理论认为,地表电磁场的传播遵从均匀平面波假设,并垂直入射地下。基于此假设,前人给出了阻抗张量的经典估算方法。然而,在实际观测中,虽然地表电磁场的主要成分为垂直入射,但仍然混杂了其他传播方向的电磁场,而使用经典的估算方法对传播方向不统一的电磁场数据集进行传递函数估算时会降低结果的准确性。论文针对这一问题,提出了任意传播方向的大地电磁场阻抗传递函数的演进估算策略。该估算策略借助视波矢等信息,结合传递函数的连续性等约束条件,使用融合了Mean Shift聚类、差分进化及线搜索方法的数据集演进算法对电磁场数据集进行演进,最终在估算策略中实现了任意传播方向下大地电磁阻抗传递函数的最小二乘估算。 论文推导了任意传播方向条件下的大地电磁理论,获得了大地电磁测深法中传统传递函数(如阻抗张量、磁倾子等)的波矢描述,并模仿磁倾子参数的形式,提出了类倾子参数的概念及其计算方法。通过联立法拉第电磁感应定律、安培环路定律以及磁感应矢量的散度条件,定义了视波矢以及相应的波数视电阻率等参数,并讨论了参数估算过程中视波矢的方向性、传递函数的连续性等约束条件。在此基础上,首次提出并实现了改进的基于Mean Shift聚类的随机差分下降数据集演进算法,并将数据集演进算法与最小二乘估算方法结合,实现了阻抗传递函数的演进估算策略。 论文利用一维和三维有限差分正演模拟结果,验证了上述理论推导及估算策略的正确性,同时采用了自主研发的多级降采样加速算法提升了三维正演数值模拟的计算效率。将所开发的演进估算策略用于大地电磁实测数据的传递函数估算,结果表明,在垂直入射条件下,该估算策略获得的传递函数结果与传统估算方法一致,并可有效解决任意传播方向电磁场的参数估算问题,为大地电磁测深方法在非垂直入射条件下的应用研究提供了新的思路。

关键词： 瞬变电磁法   垂直电性源   响应特征   突水监测   突水灾害   井孔  

摘要： 回采工作面顶、底板与巷道掘进前方隐伏的导、含水构造极易造成矿井突水事故的发生,对煤矿的安全生产构成了极大的威胁。虽然“两探要求”在煤矿防治水工作中发挥了重要作用,但无形当中增加了煤矿生产负担,是以牺牲生产效率与生产成本换取生产安全的权宜之举。而现有的突水监测技术在发射系统、接收系统的维护与供电上有着诸多不足,且基本未实现网络化。由此,“十四五”国家应急体系规划中,“矿山水害智能感知与预警预报技术与装备”被列为关键技术与装备研发重点。基于此,提出垂直电性源瞬变电磁(TEM)突水动态监测技术,以期实现煤矿隐蔽突水致灾源的在线、实时、立体式监测和有效预警。本文以电磁场扩散理论为基础,以正演数值方法为工具,以实现矿井突水监测为目的,以典型低阻异常体(岩溶、采空区、陷落柱、断层)为模型,开展了垂直电性源瞬变电磁场时空分布特征与突水动态监测技术研究。论文主要成果及创新点如下:(1)提出了垂直电性源瞬变电磁监测方法,设计了矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统,该系统由中央总控系统、信号传输系统、永久发射站、接收系统构成,旨在仅利用矿区中部的一个钻孔,布设垂直发射导线AB,通过中央总控系统调度进行同步发射接收及数据实时处理,以实现对整个矿区巷道掘进和工作面回采过程中的连续性、网络化的突水监测;(2)通过对均匀半空间垂直电性源瞬变电磁场扩散规律研究,从平面分布特征和响应曲线衰减规律两个部分,分析了不同时刻、接收深度的电磁场时空分布特征。并探究了该方法的有效观测区域:垂直发射导线长1000m,以源为中心,半径为500～4500m的同心圆环区域内,均可进行突水监测,且可监测深度为100～2000m;(3)采用岩溶、采空区、陷落柱、断层四个异常体模型,并考虑其分别位于工作面顶、底板或巷道迎头的情况,进行了正演模拟。将异常体响应特征结合均匀半空间进行对比分析,总结出了垂直电性源TEM对典型低阻异常的识别能力,以及六分量的优劣及可识别到异常的范围:d B/dt与E识别异常的能力欠佳,其余分量识别效果都比较好,又以E最佳,可以清楚展现出异常体的形态与大致范围;可在距异常中心100m处探测到岩溶、采空区、陷落柱,在180m处便可识别断层。