利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化的TSVD-Tikhonov正则化方法

利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化(TWSC)属于典型的病态问题,其关键是如何进行稳定求解并提高反演结果的精度和可靠性.本文引入TSVD-Tikhonov组合正则化方法对利用GPS垂直位移反演区域TWSC的病态问题进行求解,并以四川省TWSC反演为例进行分析与验证.首先,通过数值模拟对TSVD、Tikhonov和TSVD-Tikhonov正则化方法采用不同正则化参数选取策略(RMSE最小准则、GCV法和L-curve法)进行反演,结果显示基于TSVD-Tikhonov正则化反演的TWSC比单独使用TSVD或Tikhonov正则化反演结果的精度和可靠性更高,这三种正则化方法反演2005年1月至12月的TWSC差值的平均STD分别为14.97 mm、7.03 mm和5.04 mm.其次,利用中国地壳运动观测网络(CMONOC)的72个GPS测站的垂直位移数据,基于TSVD-Tikhonov正则化反演了四川省2010年12月至2021年2月的TWSC时间序列,结果表明GPS反演的TWSC与GRACE/GFO Mascon模型(JPL、CSR和GSFC)的空间分布特征及季节性变化符合较好,但其TWSC信号的振幅比GRACE/GFO Mascon模型更强.最后,采用广义三角帽方法(GTCH)融合不同类型的降水、蒸散发和径流数据,并根据水量平衡方程计算的dTWSC/dt序列(PER-dS/dt)对GPS反演的dTWSC/dt序列(GPS-dS/dt)和GRACE/GFO Mascon模型融合的dTWSC/dt序列(GRACE/GFO-dS/dt)进行验证,结果表明这三类dTWSC/dt序列的季节性变化符合较好,平滑后GPS-dS/dt和GRACE/GFO-dS/dt序列与PER-dS/dt序列的相关系数分别为0.78和0.87,但GPS相比GRACE/GFO对降水变化的响应更为敏感.本文研究证明了TSVD-Tikhonov组合正则化方法能够提高GPS垂直位移反演区域TWSC的精度和可靠性,同时也表明GPS观测数据对局部水质量负荷变化更为敏感,可作为GRACE/GFO反演区域TWSC的有益补充.

TSVD正则化方法的参数选取及数值计算

对于求解不适定问题的TSVD正则化方法,给出了能达到渐进最优阶的正则参数的后验选取法.从数值实现角度看,TSVD正则化方法是求解不适定问题的十分有效的方法.

求解不适定问题的TSVD正则化方法

介绍了求解反问题中的不适定问题的TSVD正则化方法 ,给出了TSVD正则解的误差分析。给出了正则参数的先验选取 ,并通过正则参数的先验选取证明了正则解的误差具有渐进最优阶。从数值实现角度看 ,TSVD正则化方法是求解不适定问题的十分有效的方法。

二维位势边界条件反识别TSVD正则化法

二维各向同性材料Cauchy位势边界条件反识别问题是不适定的,通过边界元方法得到线性方程组的系数矩阵呈现病态,测量数据的随机偏差会影响分析结果的稳定性和精确性。文章运用截断奇异值分解正则化方法来处理该反问题,借助L曲线法选择奇异值截断位置,进一步可求解得到未知边界条件。圆环和方形板区域热传导2个算例结果分析表明:获取数据的偏差越小,边界划分单元越细密,数值解越接近解析值,正则误差也越小。

二维弹性力学边界条件反识别TSVD正则化法

针对二维各向同性弹性力学Cauchy问题,文章采用线性单元对边界积分方程进行离散,再引入已知的边界条件,得到包含所有待求边界条件信息的线性病态方程组。采用截断奇异值分解正则化技术求解该病态方程组,并使用L曲线法选择最优正则化参数,即奇异值截断位置,从而得到方程组的解。通过数值算例对求得的边界条件数值解与解析解进行比较,并进行误差分析,以表明截断奇异值分解算法的有效性和稳定性。通过减少已知数据中的随机偏差和增加边界单元密度可提高求解的精确度。

面载荷识别的TSVD正则化方法

线性系统的响应可以表示为单位脉冲响应函数与动态载荷的卷积分,经离散后得到载荷识别反问题。引入TSVD正则化方法处理反问题的不适定性,对不同噪声的实测响应进行了面载荷的反演求解,并对识别精度做出了分析。算例表明,TSVD正则化方法对响应误差的适应性强,识别精度高。

病态问题解算精度的相对均方误差比较分析方法

病态问题导致参数估值方差较大,在参数真值未知的情况下,难以对正则化与TSVD(truncated singular value decomposition)方法进行精度比较。针对此问题,提出一种均方误差相对比较分析方法。首先,基于正则化估值相对变化量与TSVD估值相对变化量确定二者相对于最小二乘估值的相对偏差,避免偏差计算对真值的依赖;然后,利用相对偏差以及相对标准差确定均方根误差相对下降量,通过比较相对下降量大小确定最优的解算方法;最后,通过两组实验验证均方误差相对比较分析方法的可行性与有效性。

典则TSVD方法的有效数值实现

典则TSVD方法是求解线性不适定问题的一种很好的正则化方法.在串行模式下,采用了求特征值的二分法结合求特征向量的反迭代法和分而治之法两种不同方法来数值实现典则TSVD方法,并对两种方法分别求典则TSVD解所需的时间进行了比较,说明二分法结合反迭代法能更有效地数值实现典则TSVD方法.

连续框架下有效数值实现典则TSVD方法

本文变了一种思路在连续框架下采用二分法结合反迭代法来数值实现典则TSVD方法,就是先用最小二乘法直接求算子A的近似奇异系,转换为求对称正定广义特征值问题,再把对称正定广义特征值问题转化为对称特征值问题,最后求出cTSVD解。在连续框架下,通过数值结果相应得到一些结论,且结果显示在连续框架下有效数值实现典则TSVD方法时计算量小。

典则TSVD方法的两种有效数值实现方式的比较

典则TSVD方法是求解线性不适定问题的一个好正则化方法,而采用二分法结合反迭代法能有效数值实现典则TSVD方法.选取均匀性的基和继承性的基两种不同的离散基,应用上述方法对同一个问题进行了有效数值实现,结果显示采用均匀性的基进行有效数值实现得到的结果较好.

基于刀倾法的螺旋锥齿轮齿面误差修正算法研究

针对螺旋锥齿轮齿面偏差识别方程的特点及采用最小二乘法求解此方程的不足,提出采用截断奇异值分解(TSVD)法与L曲线法进行求解,并且将此方法和最小二乘法进行了比较。研究表明:对小轮凹面,采用TSVD法与L曲线法,方程求解误差为0.051 571,而采用最小二乘法,方程求解误差为0.895 63;对小轮凸面,采用TSVD法与L曲线法,方程求解误差为0.043 882,而采用最小二乘法,方程求解误差为0.353 76。采用TSVD法与L曲线法求解此齿面偏差识别方程更精确,且得到的解都有意义。

薄体各向异性位势边界条件识别反问题正则化边界元方法

针对二维薄体各向异性位势Cauchy边界条件识别反问题,提出了解析积分和截断奇异值分解联合正则化算法。解析积分用于该薄体位势问题边界元法中几乎奇异积分的正则化。截断奇异值分解技术用来求解系统方程。提出了波动曲线法来截取得到适用的奇异值,该法基于位势梯度计算结果.数值算例表明该算法的有效性和精确性。

用于图象复原的离散L-曲线自适应算法

描述了一种自适应的离散L-曲线正则参数的计算方法,正则化方法为截断奇异值分解法。该算法不需要预置参数,能够滤除L-曲线上的局部特征,略掉局部拐点,确保了解的收敛。在不同的噪声背景下以及不同尺度下我们进行了数值测试,并将测试结果与最优正则解进行对比分析。实验表明,该算法对图像的复原效果、可靠性和稳定性要优于传统的算法。

改进的受力状态映射法在结合部动力学参数辨识中应用

针对受力状态映射法作为辨识非线性结合部参数重要方法具有物理意义明确、辨识准确等特点,而实际辨识试验时结构某些参数难以测定、致辨识过程困难等问题,提出结合子结构模态综合法的受力状态映射法,可有效解决该问题。参数辨识过程中对模型易出现的缺失项及冗余项,利用基于TSVD(Truncated Singular Value Decomposition)正则化方法的模型迭代修正法。仿真模型表明,修正模型较精确模型误差小、辨识精度高。通过对导轨结合部进行参数辨识实验研究,证明辨识方法的有效性及准确性。

通过PVDF阵列测量阶梯梁体积位移的实验

以阶梯梁为例,通过一组阵列式压电薄膜(Polyvinylidene fluoride,PVDF)测量阶梯梁的体积位移。在梁表面均匀布置一组相同形状的矩形PVDF阵列,通过测量PVDF与激励力之间的频率响应函数,然后利用伪逆方法结合截断奇异值法(The truncated singular value decomposition,TSVD)设计这组PVDF阵列的加权系数,从而得到阶梯梁体积位移。实验结果表明,该方法能够准确测量到阶梯梁的体积位移,具有不需计算结构模态、附加质量小、与激励力位置无关等优点。

一种求解平面热传导反问题的新型无网格方法

平均源边界点法(average source boundary node method,ASBNM)是一种新型无网格方法。采用该方法可避免边界元方法中的强弱奇异积分计算,克服了基本解法中的虚假边界问题。首次采用平均源边界点法与截断奇异值分解(TSVD)和Tikhonov正则化技术相结合模拟平面热传导Cauchy反问题,通过广义交叉校验准则(GCV)来确定正则化参数。提出的无网格方法基于一种完全规则化边界积分方程,通过加减去奇异和平均积分的思想,消除了基本解的源点奇异性,具有无网格、无积分、仅需边界离散、半解析的特性。3个典型数值算例的结果表明:该方法在求解平面热传导反问题时具有简单、精确、稳定的优势,即使边界数据噪音水平达到5%,仍可获得高精度的数值解,对平面热传导反问题的研究具有参考意义,并拓展了平均源边界点法的应用领域。

二维核磁共振变参量迭代快速反演方法

核磁共振二维谱应用在储层流体识别与评价中具有快速直观识别流体类型、储层参数估算精度高的特点,使之能高效率的完成测井资料解释工作,然而拥有稳健、可靠及计算快速的反演方法是获取高质量核磁共振二维谱的关键所在.通过对二维核磁共振子空间类型反演方法的大量研究,在奇异值截断公式上进行了分析和改进,使得反演方程组的奇异值矩阵能保留下更多的奇异值,为反演结果的保真性奠定基础,并对其进行分组处理使反演方程组的条件数降低,从而提高求解的稳定性;在迭代计算中提出变参量迭代算法,使求解更合理、快速及高效.在数值模拟中,变参量迭代快速反演方法能够准确地还原30×30、60×80扩散弛豫二维构造谱,计算用时都在1分钟内;在油水试验中,变参量迭代快速反演方法反演出的扩散—弛豫二维谱能够正确识别所测流体类型,含油饱和度估算结果的相对误差为0.6%,绝对误差为0.79%.变参量迭代快速反演方法能够快速有效得处理二维核磁共振数据,反演出的扩散一弛豫二维谱质量高,二维谱应用于解释中所得到的结论可靠性高,表明该方法具有一定应用价值.

D-T_2二维核磁共振脉冲序列及反演方法改进设计

面对日益复杂的勘探对象,-2二维核磁共振技术在实际应用中面临无法兼顾扩散系数测量范围和横向弛豫分辨率的困境.脉冲序列作为-2二维核磁共振数据采集的核心技术,其性能优劣直接影响应用效果,在综合对比PFG,STE-PFG,BP-PFG、改良式CPMG,扩散编程,多回波间隔CPMG脉冲序列性能的基础上,有效融合脉冲梯度场、恒定梯度场-2脉冲序列的优点,本文提出一种基于脉冲梯度场的双变量、两窗口-2脉冲序列改进设计.针对两个窗口的-2二维核磁共振数据反演,为突破现有反演方法无法兼顾反演精度和解谱效率的瓶颈,本着第二个窗口回波信号为主、第一个窗口回波信号为辅的原则,本文提出一种同时使用两个窗口数据参与解谱的联合TSVD反演方法.气水、油水、稠油、油气水模型不同信噪比条件下的数值模拟结果表明,本文提供的-2改进脉冲序列达到了平衡扩散系数测量范围和横向弛豫分辨率的设计要求,本文提供的联合TSVD反演方法也有效平衡了反演精度要求和解谱效率.文中的-2改进脉冲序列及联合TSVD反演方法在复杂油气藏流体识别和产能预测中具有广泛的应用前景,可为促进国内-2二维核磁共振岩心分析技术的发展提供有利条件.

GNSS极化掩星信号反演雨团垂直结构方法

本文紧跟国际上新兴起的GNSS提取降雨信息这一研究思路,重点针对利用GNSS极化掩星信号提取雨团垂直结构问题进行了建模、解算和仿真研究.以GNSS-LEO掩星事件为背景,基于GNSS掩星信号经过雨团产生极化相移的物理特性,借鉴计算机层析技术的原理,构建了层析雨团垂直结构的数学物理模型,并提出了采用两种反演算法(TSVD法、Tikhonov法)及两种正则化参数选取方法(L曲线准则、GCV准则)的反演方案;通过数值模拟,分别研究了该方案在超定和欠定情况下的可行性,并对比分析了不同反演算法的效果.结果表明:超定情况时,上述算法均能较准确地重构出雨团垂直结构,和原始分布的相关系数超过0.96,且不同算法采用不同正则化参数选取方法时结果相同;欠定条件下,甚至在未知数个数远大于观测量个数时,该方案仍可重构出雨团信息,不同仿真试验最优结果的相关系数位于0.75~0.98之间,且Tikhonov法明显优于TSVD法.该研究对利用GNSS信号获取区域雨团信息进行了有益探索,为后续低轨卫星载荷方案设计和论证提供了技术支撑.