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。

一般各向异性介质中的改进完全匹配层(MPML)

该文提出了一般各向异性介质中的改进完全匹配层（ＭＰＭＬ），导出了各向异性介质中的ＭＰＭＬ完全匹配条件，数值计算的结果证明了方法的有效性，并表明各向异性媒质中，ＭＰＭＬ吸收层在吸收凋落波方面比ＰＭＬ更有效。

各向异性完全匹配层边界条件下雷达散射截面的误差修正

为了提高时域有限差分法的计算精度,以二维金属圆柱散射为例,研究了在各向异性完全匹配层(UPML)吸收条件下,改变总场-散射场的输出及吸收边界时误差的变化规律。比较了UPML与二阶Mur吸收边界条件下的误差。同时发现,可采用迭代步数相差半个周期的双站雷达散射截面(RCS)的平均来减小误差,也可采用距离为半个波长的两个输出边界得到RCS的平均来减小误差。

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.

基于卷积完全匹配层的旋转交错网格高阶差分法模拟弹性波传播

从一阶速度—应力弹性波方程出发,基于旋转交错网格,推导了时间二阶精度空间2M阶精度的有限差分离散格式。阐述了递归卷积复频移完全匹配层(CPML)边界条件的原理,建立了一阶速度—应力弹性波高阶差分CPML边界条件的递推公式。开展了CPML边界中关键参数m、κ和α的选取实验,通过分析反射误差分布图,选取了CPML边界条件中最优参数。全局反射误差与波场快照都说明,CPML较PML对隐失波具有更优的吸收性能。基于Matlab平台,编写了基于CPML边界的旋转交错网格弹性波正演模拟程序,应用该程序对各向异性介质及随机介质进行了模拟,得到了弹性波正演剖面记录及波场快照,通过对正演剖面记录及波场快照的分析,可以更清楚地了解弹性波在各向异性介质及随机介质的传播特性,指导非均匀介质中地震勘探资料解释。

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。

任意倾斜各向异性介质中弹性波波场交错网格高阶有限差分法模拟

给出了任意倾斜各向异性介质中二维三分量一阶应力速度弹性波方程交错网格任意偶数阶精度有限差分格式及其稳定性条件,并推导出了二维任意倾斜各向异性介质完全匹配吸收层法边界条件公式和相应的交错网格任意偶数阶精度差分格式.数值模拟结果表明,该方法模拟精度高,计算效率高,边界吸收效果好.各向异性介质中弹性波波前面形态复杂,且qP波波速不总是比qS波波速快.qS波波前面和同相轴的三分叉现象普遍,且其同相轴一般不是双曲线型.当TI介质倾斜时,3个分量上均能够观测到横波分裂现象,而且各波形的同相轴变得不对称.

基于旋转交错网格的双相各向异性介质二维三分量波场模拟

基于Biot双相介质模型,推导了双相TTI介质二维三分量一阶速度-应力弹性波方程,采用旋转交错网格(RSG)技术建立了各向异性孔隙介质波动方程的二维三分量高精度有限差分格式(FDTD),并引入不分裂卷积完全匹配层(CPML)作为吸收边界条件。为了验证算法可行性,对均匀双相TTI介质中的弹性波场进行了模拟。结果表明:使用旋转交错网格有限差分技术能够模拟出双相TTI介质中存在的快横波、慢横波、快纵波和慢纵波;双相各向异性介质中存在明显的横波分裂、波前面尖角和三分叉现象;不分裂卷积完全匹配层对边界反射的吸收效果较好。通过对比传统交错网格(SSG)和旋转交错网格有限差分技术,证明了旋转交错网格有限差分算法稳定性较强,精度较高,是一种实用的地震波场数值模拟方法。

截断各向异性介质的修正NPML吸收边界条件

基于各向异性介质中的时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法及近似完全匹配层(Nearly Perfect Match Layer,NPML)原理,提出一种截断各向异性介质的修正的NPML吸收边界条件.通过对Maxwell旋度方程中的空间偏导数进行坐标拉伸并结合空间插值方法,推导出易于在FDTD方法中实现的吸收边界公式.计算了电偶极子辐射场的反射误差,验证了这种吸收边界截断二维各向异性介质的有效性.三维算例中数值模拟了时谐场的相位分布,以及不同网格NPML吸收层随时间变化的反射误差.数值结果表明NPML吸收边界能有效吸收各向异性介质中的电磁波.

各向异性介质拟声波叠前逆时偏移及成像条件的应用

考虑到基于各向同性假设的传统逆时偏移方法的局限,研究了各向异性介质叠前逆时偏移方法。由于各向异性弹性波逆时偏移中,存在着计算效率低和波场分离困难等不足,各向异性介质拟声波逆时偏移更具优势。从声学近似的胡克定律和运动方程出发,研究了VTI介质拟声波波动方程,并引入旋转坐标系将其推广为TTI介质情形。然后利用交错网格高阶有限差分方法,构建逆时偏移所需的正向和逆时波场外推算子,并引入完全匹配层(PML)边界条件来吸收边界反射能量。最后应用优化的归一化互相关成像条件,实现各向异性拟声波逆时偏移成像。模型试算结果表明,考虑各向异性因素的逆时偏移方法能够有效地改善成像质量,应用优化的成像条件得到的成像效果,明显优于常规的归一化互相关成像条件。

基于APML-FDTD的非对称平板波导模场分析

利用APML-FDTD法模拟分析了非对称平板波导低阶模(TE_0、TE_1和TE_2)的模场分布,研究当芯层和衬底折射率保持不变,敷层折射率n_3变化时,非对称平板波导芯层内的模场分布变化情况.结果表明,敷层折射率变化对模场分布有明显的影响,且敷层折射率变化对三种模式场量分布影响的基本规律是一致的.

黏弹TTI介质中旋转交错网格高阶有限差分数值模拟

以Carcione黏弹各向异性理论为基础,给出了适用于黏弹性具有任意倾斜对称轴横向各向同性介质(黏弹TTI介质)的二维三分量一阶速度-应力方程,采用旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式求解该方程,并推导出了二维黏弹TTI介质完全匹配层(PML)吸收边界条件公式和相应的旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式,实现了该类介质的地震波场数值模拟.数值模拟结果表明:该方法模拟精度高,边界吸收效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;并且波场快照和合成记录能较好地反映地下介质的各向异性特征和黏弹性特征.

探地雷达信号的高阶时间域有限差分模拟

探地雷达信号时域有限差分法模拟,多采用二阶精度的中心差分法近似(FDTD(2,2)),虽然计算简单,但数值色散误差较大,影响了模拟精度。在解决较复杂介质分布的探地雷达信号时,不能很好地反映信号的精细变化。而高阶时域有限差分模拟能减少数值色散带来的误差,提高了模拟的精度。采用各向异性完全匹配层(UPML)作为吸收边界条件,实现了高阶计算,有效地吸收边界电磁波反射,而且提高了计算效率。通过模拟的结果分析可知,高阶时域有限差分法能很好地提高模拟精度。

基于UPML边界条件的交替方向隐式有限差分法GPR全波场数值模拟

交替方向隐式差分(ADI FDTD)法突破了Courand-Friedrich-Levy(CFL)条件的约束,具有无条件稳定的特点;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.综合两者优势,本文提出了基于UPML边界条件的ADI-FDTD探地雷达数值模拟算法,通过对3个二维Maxwell方程进行离散化,推导了GPR波的ADI-FDTD及其UPML边界条件的两个子时间步的迭代差分公式,并分别给出了详细计算步骤.在此基础上,开发了相应的模拟程序,应用该程序对两个GPR模型进行了正演模拟,得到了两个正演模型的wiggle图、扫描图与全波场快照.通过分析这些雷达剖面图与波场快照,可以了解雷达波形在空间中的传播过程及变化规律,有助于雷达资料更可靠、更准确的解释.模拟结果表明,基于UPML边界条件的ADI-FDTD算法可取较大的时间步长,消除了截断边界处的强反射,能对简单与复杂GPR模型进行快速、高效模拟.

电磁波在不均匀非磁化等离子体中的吸收

提出了一种新型归一化的Z变换FDTD算法(ZTFDTD).ZTFDTD采用DH模式,根据DE的频变关系式,利用Z变换形成D-E-H-D迭代模式,将这种方法用于电磁波与非磁化等离子体的仿真,通过二维模型分别仿真了在不同等离子体自由电子密度分布,不同电磁波频率和不同等离子体碰撞频率下,不均匀非磁化等离子体对电磁波的吸收衰减.数值结果表明,等离子体隐身在理论上是有效可行的,合理地设置等离子体参数,可以极大地增强等离子体隐身效果.

二维DGTD方法中UPML吸收边界的实现

针对二维情形单轴各向异性完全匹配层吸收边界条件,研究了横磁波情形时域离散伽略金算法单轴各向异性完全匹配层吸收边界的理论基础和实现方案.借鉴时域有限差分方法——时域离散伽略金算法中吸收边界阻抗匹配、各向异性介质参数设置和匹配矩阵等思想,结合时域离散伽略金算法空间离散网格的非结构特性和离散单元之间场量传递的特点,给出了在单轴各向异性完全匹配层中电磁场量时域迭代公式,进一步离散成为离散时域迭代计算式.由于时域离散伽略金算法网格的非结构特性,一阶SM吸收边界条件一般对入射电磁波的反射率在-24dB左右.仿真算例说明,给出的时域离散伽略金算法单轴各向异性完全匹配层吸收边界对电磁波的双重衰减达130dB,表明单轴各向异性完全匹配层具有良好的吸收效果.

CFS-PML在探地雷达FDTD法模拟中应用

探地雷达(GPR)数值模拟中,为了使截断边界处不产生人为的反射波,需要加载边界条件.目前常用的完全匹配层(PML)边界对隐失波、低频波、掠角波等不能很好地吸收.为此,在时域有限差分(FDTD)法中引入复频移卷积完全匹配层(CFS-PML).从二维TM波的Maxwell方程组出发,阐述了CFS-PML边界条件的原理,推导了CFS-PML边界加载的离散差分公式,给出了CFS-PML边界条件的参数选取原则.应用均匀介质中GPR波场快照,对比了截断处没有加载边界条件、加载3种不同边界条件的边界处反射波的强弱,实例说明单轴各向异性完全匹配层(UPML)、CFS-PML边界条件具有较好的吸收效果.为了进一步对比UPML与CFS-PML的吸收效果,设置了双层介质狭长模型,通过波场快照与全局反射误差证明了CFS-PML对隐失波、低频波、掠角波的吸收较UPML效果更佳.

有耗色散地质介质中电磁波传播特性的FDTD计算分析

介绍一种基于三维时域有限差分法(FDTD)的有耗色散地质介质中电磁波传播特性数值分析方法。通过将色散介质本构关系和场量关系直接变换为时域微分方程的方法,导出了适用于一般色散介质中电磁场分析的时域有限差分法计算公式,并将完全匹配层(PML)吸收边界融入了FDTD计算格式。通过计算分析了介质色散对电磁波场传播的影响,观测到介质色散会导致电磁脉冲在传播中波形展宽、位相滞后、幅度减小。因此,电磁探测数据的处理解释应将介质的色散影响纳入考虑。

UPML吸收边界条件统一建模与优化方法

单轴各向异性介质完全匹配层(UPML)是时域有限差分方法(FDTD)的一种理想的吸收边界条件,但多个子区域的迭代运算增加了UPML实现的难度和耗用资源.通过寻找UPML区域中介质属性的变化规律,提出实现UPML吸收边界条件的统一建模方法,并在此基础上提出两种精简辅助变量占用空间的优化算法———六区域分割方法和压缩变量方法.计算结果表明,统一建模方法只需三次循环即可完成三个方向所有介质参数及迭代系数的初始化;六区域分割方法虽然节省了大量无用存储空间,但速度最慢;压缩变量方法不仅节省存储空间、方便编程实现,而且提高了仿真速度.