完全匹配层在矩阵式波动方程SBP-SAT方法应用

数值离散方法和截断边界效果是地震动模拟实现的关键。基于分部求和(summation-by-parts,SBP)和一致逼近(simultaneous approximation term,SAT)的SBP-SAT方法具有较高的稳定性,这使得该方法具备了较高的应用前景和价值。此外,完全匹配层(perfect matching layer,PML)是一种应用广泛用于模拟截断边界的技术,但引入匹配层可能会破坏原始方程的稳定性,特别是在各向异性介质或曲线域模型中。首先基于数理推导,给出弹性波动方程系数矩阵的对称形式。在此基础上,引入多轴完全匹配层(multi-axis perfect matching layer,MPML),并建立相应的匹配层方程。通过本征值分析,我们可以判断阻尼函数对原方程特征根实部的走向和取值范围的影响。然后,我们采用SBP-SAT方法对矩阵对称形式匹配层方程进行离散,并在频域中采用能量法进行稳定性评估。通过对不同模型的数值仿真,表明所提出的离散框架具有整合度高、稳定性好和拓展性强等特点。此外,多轴匹配层可以与SBP-SAT方法结合,可以稳定地模拟曲线域中的波传播。

不分裂卷积完全匹配层与旋转交错网格有限差分在孔隙弹性介质模拟中的应用

完全匹配层吸收边界在地震波模拟中已广泛使用,但常用的场分裂格式完全匹配层吸收边界(SPML)和传统的不分裂完全匹配层吸收边界(NPML)对极低频入射波或大角度入射波的边界吸收效果不好.一种无需分裂和显式卷积计算的完全匹配层吸收边界(CPML)不仅能够解决常规PML吸收边界的不足,而且具有存储量小、计算效率高、易于编程实现的特点.本文将这种完全匹配层(CPML)吸收边界引入到孔隙弹性介质速度应力格式的旋转交错网格有限差分算法中,对完全匹配层吸收边界参数进行数值分析,得到一组优化的参数.孔隙弹性介质数值模拟结果表明这种不分裂卷积完全匹配层的吸收效果优于常规完全匹配层.

探地雷达FDTD数值模拟中不分裂卷积完全匹配层对倏逝波的吸收效果研究

介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏逝波产生的机理,分析了决定逝波性吸收性能的影响因素.均匀介质的波场快照、检测点的反射误差及全局反射误差对比,说明了3种边界条件对传输波都具有较好的吸收能力,而对低频倏逝波的吸收表现迥异,其中CPML因为引入了参数α,对倏逝波的吸收效果最佳,但离散化造成的全域误差也最大.最后,应用加载UPML和CPML边界条件的FDTD程序,开展了GPR二维剖面法、宽角法矩状地电模型及三维复杂模型的正演,展示了倏逝波反射对雷达正演剖面及波场快照的影响.进一步对比了UPML与CPML对倏逝波的吸收表现优劣,结果显示,CPML可有效减少边界反射误差,并能取得满意的精度,综合考虑对倏逝波的吸收、全域误差、编程难易程度等因素,在GPR正演中推荐使用CPML.

基于卷积完全匹配层的非规则网格时域有限元探地雷达数值模拟

复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟.

三维新型非分裂场完全匹配层吸收边界条件

研究了一种3D新型时域有限差分法(FDTD)非分裂场近似完全匹配层(NPML)吸收边界。在直角坐标系中,通过直接对麦克斯韦方程组中的空间偏导的变量进行空间坐标拉伸,得到三维非分裂场的NPML吸收边界,这种吸收边界相对于PML吸收边界编程实现简单,编程复杂度低。通过对三维算例的电磁散射分析,验证了NPML吸收边界的正确性。计算结果表明了该方法是一个完美的吸收边界,可以用于实际目标的电磁散射问题分析。

多轴完全匹配层的非分裂实现

完全匹配层吸收边界(PML)已经被证明是非常有效的边界吸收技术,对体波和面波的吸收都具有非常好的效果,已经被广泛应用于弹性波的数值模拟中.但是在某些情况下传统的PML和C-PML(卷积完全匹配层)还是存在一定的问题,比如在一些介质中有固有的不稳定性等等.基于分裂的多轴完全匹配层(M-PML)通过引入多个衰减剖面可以有效地消除不稳定的现象.本文采用C-PML中不分裂的递推卷积方法,对M-PML进行了实现,这样在实现过程中不用分裂变量,与原来的分裂方法相比,直观易懂,方便简单,易于编程,而且可以减少计算量和存储量,节约计算成本.基于一阶速度-应力方程,采用交错网格高阶有限差分法对不同的介质模型进行了数值模拟,结果证明了本文的不分裂M-PML可以消除不稳定性,得到比较好的计算结果.

高阶复合完全匹配层的应用研究

研究了应用于时域算法的一种高阶完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)方法,并提出了一种复合PML研究方法。在高阶PML原理的基础上,给出了复合PML的研究思路,及其应用于显式时域有限差分方法的过程。采用高阶PML和复合PML计算了波导的反射系数,结果表明有限元计算的结果是准确而稳定的。对比计算结果,可以看出与普通PML相比,高阶PML和复合PML对隐失波和各个频段的传输波都能起到良好的吸收效果,为有限元算法的广泛应用奠定了良好的基础。

完全匹配层吸收边界条件的研究

边界反射是数值模拟中的一个关键问题。构建完全匹配层(PML)吸收边界条件是消除边界反射的理想方法之一。此方法是在研究区域的边界上加入吸收层,使边界上传入吸收层的波随传播距离按指数规律衰减,不产生任何反射,达到消除边界反射的目的。首先给出了二维声波方程完全匹配层的公式,然后通过地面地震模型和井间地震模型数值算例与常规吸收边界条件进行了比较。结果表明,PML边界条件具有吸收更干净、相位对应关系好且能够吸收各种角度的边界反射等优点,从而验证了完全匹配层吸收效果的优越性。

基于完全匹配层构建新方法的2.5维声波近似方程数值模拟

传统的吸收边界条件只对有限入射角和有限频率范围内的波具有很好的吸收效果,而在有效吸收范围外的边界反射将对数值模拟结果造成污染。为此,在2.5维声波数值模拟中引入完全匹配层吸收边界条件,并提出了一种完全匹配层构建新方法。该方法将完全匹配层构建在研究区域的右边界和下边界的外部,同时改变相应的衰减因子,使之关于完全匹配层的中心呈对称分布。在采用有限差分法计算波场时,将完全匹配层外边界的网格点与相应的研究区域边界的网格点连接起来,使波在传入完全匹配层之后又传入到研究区域中。由于完全匹配层良好的吸收效果,波在完全匹配层中被完全吸收,基本不会再传入到研究区域。在构建相同数量的完全匹配层的情况下,完全匹配层构建新方法使波在传播过程中比以往的构建方法多通过一倍的完全匹配层介质,从而提高了对边界反射的吸收效果。通过均匀速度模型和Marmousi速度模型证实,完全匹配层构建新方法对边界反射的吸收效果较好。

完全匹配层人工边界条件中的衰减因子分析

为了得到地下地质体的地震波场响应特征,需要进行三维地震波场数值模拟,但其计算量很大。利用有限差分方法进行数值模拟时,减少计算量的途径有两种:一是差分格式设计;另一种是边界条件的选择。从完全匹配层(PML)吸收边界条件的原理出发,总结了目前PML人工边界条件中的常用衰减函数,说明了衰减函数设计的重要性。数值模拟结果表明,余弦型吸收衰减因子的波场模拟效果要优于其它吸收衰减因子。

卷积完全匹配层在两维声波有限元计算中的应用

将基于复坐标变换和复频移扩展坐标变量的卷积完全匹配层Convolution Perfectly Machted Layer(CPML)引入到两维声波方程的有限元(FEM)计算中,该匹配层作为一种吸收边界条件Absorbing Boundary Condition(ABC)应用在有限元计算的边界截断上。文中分别给出了频域和时域的CPML方程的表达形式,并在有限元计算软件COMSOL中完成数值计算。相对于经典的PML,CPML最大的优势在于它不需要把场分裂开,这使其具有更好的稳定性和更高的吸收性能,且更易于实现。数值计算结果表明,CPML边界层有着比PML更好的吸收效果,其更有效的吸收了进入其中的声场能量。

完全匹配层吸收边界条件应用研究

在地震波正演和波动方程偏移的数值计算中,人工边界的引入限制了实际计算区域的大小,边界处反射波的能量严重影响数值计算结果.文中研究了完全匹配层(PML)吸收边界条件在地震波正演及逆时偏移中的有效应用,将PML边界条件的衰减因子引入到声波方程中,利用有限差分的数值方法求解声波方程,在保证差分近似稳定性的情况下,也使边界处的人工反射得到了最小化的处理.数值结果表明,文中所述的完全匹配层方法对地震波的吸收能力不受入射角度的限制,在地震波传播的数值模拟以及叠前逆时偏移算法测试中,均能有效地吸收地震波,是一种高效的边界吸收算法.

卷积完全匹配层截断3维金属矩形波导的应用研究

讨论了高功率微波源模拟中波导开放边界截断的需求,分析了不同类型完全匹配层(PML)的特点,选用卷积形式PML截断色散波导器件的开放边界。从自由空间电磁波的平面波解和分裂形式的PML出发,构造了未分裂形式的PML,用傅里叶变换的卷积定理,导出了直角坐标系下卷积完全匹配层(CPML)介质中电磁场的迭代形式的离散方程。在不同频率和模式激励源作用下,模拟计算了CPML截断矩形波导开放边界的性能,数值结果表明最大相对误差都小于-70 dB,远好于Mur吸收边界的截断效果。

非分裂完全匹配层边界存储时间域全波形反演

正演波场的储存或重建是制约时间域全波形反演的关键问题,以计算代替存储的常规分裂完全匹配层(PML)边界存储策略可有效减少存储量。但常规分裂PML边界条件所需变量个数多、计算存储量大以及编程复杂。为此,采用非分裂复频移完全匹配层(CFS-NPML)有效边界存储策略重建正演波场实现时间域全波形反演。研究表明:CFS-NPML所需变量个数少,在边界吸收层网格点较少时吸收效果优于常规PML边界条件,波场重建过程中所需存储量少于常规PML边界条件。数值试验表明,该存储策略得到的重建波场与正向传播波场几乎无差别,其全波形反演结果与常规保存波场反演法一致;正演过程中引入并行计算技术未显著增加波场重建导致的额外正演时间。

完全匹配层(PML)吸收边界条件的理论分析

本文以屏蔽微带线为例,应用谱域方法推导了时域差分(FDTD)法中所用的完全匹配层(PML)吸收边界条件的公式,并且严格证明了有关参数的选择原则.计算表明,在屏蔽微带线中,这种吸收边界条件的反射系数可以小于-80dB.本文所给出的推导方法对于平面分层介质结构是普遍适用的,因为谱域中的每一个波谱实际上都代表一个平面波.文中所给出的推导揭示了这种吸收边界条件的机理,它对于正确使用以及进一步改进这种吸收边界条件都是有意义的.

曲线坐标系下的完全匹配层吸收边界条件

在地震波数值模拟中,需要采用吸收边界条件以吸收人为边界反射。本文针对曲线坐标系下的二阶弹性波方程提出了一种完全匹配层(PML)吸收边界条件。与直角坐标系下的PML吸收边界条件类似,曲线坐标系下的PML吸收边界条件是一种在频率域中给出的人工边界条件,由相应的复坐标变换得到。在变换到时间域后,完全匹配层中将出现复杂的卷积运算。为了避免这些卷积运算,引入了4个中间变量。为了简化自由边界条件,采用正交贴体网格对起伏地表模型进行网格剖分。数值算例表明,该方法可以有效消除人为边界反射。

全局稳定性一致的共形卷积完全匹配层

在正交网格体系中建立物理模型共形描述的基础上,针对采用扩展元胞技术的共形时域有限差分(ECT-CFDTD)方法模拟计算波导器件遇到的开放端口截断问题,给出了积分形式的共形卷积完全匹配层方法,算法具有与ECT-CFDTD相同的数值稳定性。设置不同的完全匹配层的控制参数,对波导中有消逝波存在的情况进行长时间模拟计算,分析共形卷积完全匹配层对消逝波的长效截断能力,分析卷积完全匹配层的截断误差。计算结果显示:积分形式的共形卷积完全匹配层可有效截断波导器件的开放端口。

几种自由边界实施方法在完全匹配层条件下的对比研究

传统的完全匹配层技术是一种能够较为有效地消除边界反射的边界条件,但是当表层为泊松比较高的自由表面时,该技术可能会产生不稳定的现象.针对传统的完全匹配层技术固有的不稳定和掠射情况下吸收效果不佳等缺陷,发展了多轴完全匹配层、卷积完全匹配层以及将两者结合的多轴卷积完全匹配层等3种边界条件.本文介绍了水平自由表面的不同处理方法以及传统、多轴、卷积和多轴卷积等4种完全匹配层条件的原理,通过二维半无限空间模型的交错网格有限差分正演模拟对比,分析了几种自由边界实施方法在这几种完全匹配层条件下的稳定性,并通过提取单道波形与解析解进行对比,定性分析了水平自由表面几种不同处理方法的准确性以及各自的适用条件.结果表明,泊松比和水平自由表面实施方法对波场模拟效果及其稳定性有重要影响.

声波方程完全匹配层吸收边界

本文针对声波方程 ,给出了完全匹配层吸收边界方法。其基本思想是在所研究区域的边界上引入吸收层 ,波由研究区域边界传到吸收层时不产生任何反射 ,在吸收层内按传播距离的指数规律衰减 ,不产生反射 ,从而达到吸收边界的效果。文中给出了完全匹配层方法的基本原理 ,导出了声波方程完全匹配层的控制方程 ,并给出了令人满意的数值模拟结果。

基于单轴各向异性完全匹配层边界条件的ADI-FDTD三维GPR全波场正演

基于交替方向隐式差分(ADI-FDTD)法突破了CFL稳定性条件的约束,具有无条件稳定性的特点,而单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件具有宽频带吸收特性、不需要对电场和磁场进行分裂、迭代公式简单、便于编程的特点,提出基于UPML边界条件的ADI-FDTD三维探地雷达数值模拟算法;通过对三维Maxwell方程进行离散化,推导GPR波的ADI-FDTD及其UPML边界条件2个子时间步的迭代差分公式,以及计算步骤。开发ADI-FDTD三维模拟程序,并对三维复杂GPR模型进行正演模拟,分析该模型的剖面图、切片图及不同时刻6个分量的全波场快照。研究结果表明:由全波场快照可以了解雷达波形在空间中的传播过程及变化规律,有助于对雷达资料进行更可靠、更准确的解释;基于UPML边界条件的ADI-FDTD算法消除了截断边界处的强反射,能对三维复杂的GPR模型进行快速、高效模拟。