基于复频移完全匹配层的辛龙格库塔算法探地雷达正演

为了消除探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演模拟的截断边界处的非物理反射,需要对模拟区域边界进行特殊处理。目前应用效果较好的边界处理方法为加载完全匹配层吸收边界条件。而复频移完全匹配层(complex frequency shift perfectly matched layer,CFS-PML)可以加强对低频区凋落波、倏失波的吸收效果,还可以压制信号的虚假反射,被引入到GPR正演边界条件处理中。将CFS-PML应用于辛龙格库塔求解二维GPR波动方程的数值模拟中,利用辛算法可以实现对时间坐标和空间坐标的保辛计算,从而实现GPR高精度正演模拟。首先,以横磁(transverse magnetic,TM)波为例,推导了基于CFS-PML的辛龙格库塔GPR波动方程求解公式。其次,利用狭长模型开展了CFS-PML吸收边界条件中的关键参数的选取试验,通过对比反射误差的大小确定了最优参数。此外,通过CFS-PML吸收边界条件与透射边界条件的对比实验,说明大角度掠射下CFS-PML边界条件较透射边界具有更好的吸收效果。最后,为了进一步验证该算法的效果,应用加载CFS-PML边界的辛龙格库塔算法对一个具有起伏地形的地电模型进行了正演。通过剖面法和宽角法得到的正演剖面图,证明该算法具有较好的GPR正演精度。

基于柱坐标系复频移完全匹配层的随钻套管井声场有限差分模拟

将柱坐标系复频移不分裂完全匹配层(CFS-NPML)吸收边界条件应用于随钻套管井声场有限差分模拟中,分析不同环隙位置和胶结质量条件下各模式波的传播特征。结果表明与NPML吸收边界条件相比,CFS-NPML吸收边界条件具有更好的吸收效果和更高的计算稳定性;当环隙位置不同时,套管波在随钻条件下的变化规律与电缆条件下的变化规律基本一致,而钻铤波受套管井环境的影响相对较小;套管波波速和钻铤波波速相近,短源距条件下时域波形会发生重叠;随着胶结指数的增大,首波幅度先快速减小后基本不变。

实现复频移完全匹配层吸收边界条件的递推卷积方法

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技术还是存在一定的问题,比如对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波的吸收等等。在坐标变换中采用复频移拉伸函数的复频移PML可以有效地改善PML边界条件的吸收性能。基于弹性波一阶速度-应力方程,推导了复频移PML的递推卷积实现方法,并采用交错网格高阶有限差分法对其进行了数值模拟,与传统的PML进行了对比。结果表明:传统的PML对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波吸收不足,会产生虚假反射,影响真实波场;而基于递推卷积的复频移PML算法能够有效地改善困难情况下的吸收效果,并且在实现过程中不用分裂变量,应用更加方便简单。计算卷积时采用递推的形式,推导过程直观易懂,易于编程,而且不会增加计算量,存储量也没有太大的变化。

多轴复频移近似完全匹配层弹性波模拟

在地震正演模拟中完全匹配层是现今吸收效果最好、应用最广的边界条件。由分裂法发展到各种非分裂方法,很大程度上提升了完全匹配层的计算效率并减少所需内存。近似完全匹配层是一种直接对波场进行变换的新型非分裂方法,相比卷积完全匹配层具有不改变方程形式且易于实现等优势,但无法吸收掠入波和瞬逝波,因此目前仍以卷积完全匹配层为主。本文在近似完全匹配层边界处理技术的基础上引入复频移技术,实现了对大角度入射波和极低频波的吸收;采用多轴技术提升近似完全匹配层的稳定性;引入新的衰减函数以整体提升近似完全匹配层吸收效果。最终使近似完全匹配层能够更稳定有效地吸收任意入射波。

地震波模拟中多轴复频移近似完全匹配层的吸收效果及稳定性

在进行地震波模拟计算的过程中用有限的计算区域模拟地下无限空间,需要进行边界截断.为了在边界处不产生虚假反射影响模拟结果,需要引入吸收边界条件.本文采用的近似完全匹配层是一种新型非分裂完全匹配层,计算效率较高.同时相比于其他非分裂完全匹配层,其还具有不改变方程的形式、易于实现等优势.但是当入射波角度较大,边界吸收效果变弱,且残留在边界中的能量使近似完全匹配层变得极其不稳定.多轴复频移近似完全匹配层的提出就是为了改善对大角度入射波的吸收并且提高边界的稳定性.通过实验模拟和矩阵特征值灵敏度来研究多轴复频移近似完全匹配层的吸收效果及稳定性.结果表明该方法不仅能够吸收掠入波,而且对常规入射波的吸收也得到提升,同时拥有更好的稳定性.

基于无分裂复频移卷积完全匹配层边界的黏弹介质勒夫波模拟

本文建立了无分裂复频移卷积完全匹配层(CFS-CPML)吸收边界条件,利用交错网格下的高精度有限差分格式对黏弹性介质中的勒夫波场进行了数值模拟;分析了松弛机制个数对品质因子拟合精度的影响,验证了CFS-CPML边界条件对大角度掠射波的吸收效果.数值结果表明:本文方法所使用的5个松弛机制和空间4阶差分精度,即可在保证计算效率的前提下满足目前理论研究的需要;随着品质因子的减小,频散特征曲线的相速度逐渐向增高的方向偏离理论频散特征曲线的相速度,且各模式的高频能量也随之减弱.本文结果可为发展高精度的面波反演方法提供必要的理论依据.

复频移完全匹配层在复杂速度模型中的应用

地震波数值模拟中因离散网格空间大小有限,导致计算模型最外层时易产生虚假反射。完全匹配层(PML)方法可有效吸收虚假反射,其中复频移完全匹配层(CFS-PML)的吸收效果尤为突出。但前人针对CFS-PML参数优化取值问题的研讨大多是基于均匀速度模型,而实际模拟中面临的更多是具有强非均匀性的复杂模型。为此,基于均匀速度模型参数选取方法,对复杂速度模型的CFS-PML参数设置进行了探究。认为参数的设置除了与震源和网格性质有关外还同吸收层内的速度值和波长相关,即高度依赖于速度模型;对于复杂速度模型,参数设置的关键在于参考速度的选取,并给出了参考速度的三种实用选取方法。通过对双层、多层及Marmousi模型进行测试和吸收效果对比,明确了"统一设置为边界介质速度中间值"为最佳的参考速度选取方法,进而总结出完整的复杂速度模型CFS-PML优化参数设置方法。

复频移图像子带编码

本文提出了复频移(CFS)法实现图象子带编码的新方案,并在理论和实验两方面证明了CFS法图像子带编码的可行性和优越性。 在用计算机模拟实现CFS法和QMF’S图像子带编码的基础上,比较两种方案的结果,CFS法所获得的重建图象质量更加优良。而且这种方法不需QMF方法中的FFT型变换,运算结构简单,运算速度高,易于硬件实现。

基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟

通过数值模拟研究探地雷达(GPR)高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件(CFS-PML)以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明:本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度.

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。

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.

适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML与CFS-PML吸收边界条件（英文）

无网格有限差分法能有效提高数值模拟的几何灵活性,且无需网格映射或复杂的网格生成过程。RBF-FD(基于径向基函数的有限差分)是最常用的无网格有限差分法之一,可以准确模拟地震波在非矩形计算域中的传播。本文提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML(完全匹配层)吸收边界条件,可以应用于非矩形速度模型的边界。但是PML吸收边界对近掠射波、低频波的吸收效果不好。为此,我们继续提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的CFS-PML(复频移完全匹配层)吸收边界条件。本文所提两种边界条件均是通过构造辅助微分方程,得到不分裂时域表达式,具有存储量小、便于编程实现的特点。模拟结果表明,两种PML吸收边界条件都能有效地消除无网格有限差分数值模拟的人工边界反射。此外,本文所提CFS-PML相较PML对近掠射波和损耗波的吸收效果更好。

基于CFS-PML的高阶有限元在地质雷达数值模拟中的应用研究

为衰减地质雷达数值模拟时因截断区域厚度或者参数影响产生的倏逝波,提出了一种利用复频移完美匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML)作为吸收边界,并结合频域高阶有限元算法(higher order finite element method,HO-FEM)求解电磁总场分量分布情况的新方法.该方法改善了截断域介质本构张量矩阵的特性,利用矩阵频移参量α吸收倏逝波,提高掠射角处吸收性能.数值实验结果表明,与传统PML相比,结合CFS-PML的HO-FEM方法精度得到明显提高,反射误差额外降低10~30 dB,节省了17%~30%的计算时间.此外,该方法能应用于复杂地质结构模型的电磁总场计算,为地质雷达数值模拟提供了一种新的方法.

虚拟波动域三维海洋可控源电磁场正演模拟

本文基于对应原理将似稳态条件下频率域电磁场扩散方程转换成虚拟波动域电磁场波动方程,采用高阶时域有限差分进行求解,引入复频移完全匹配层吸收边界条件,降低了内存需求,提高了计算效率,并在虚拟波动域用伪δ函数离散电偶极源,实现了虚拟波动域任意取向电偶极源三维海洋可控源电磁场高阶时域有限差分正演算法.通过与拟解析解和频率域三维可控源电磁场数值模拟结果的对比,验证了本文算法的正确性和高效性,且探讨了网格参数和边界条件对不同频率电磁场模拟结果的影响.

图象的子带编码及其实现

本文介绍图象子带编码(SBC)的基本概念,阐明分裂图象子带所用的二维正交镜象滤波器(QMF)的特征及其实现子带分裂的方法,并论述了经过子带压缩编码实施后的图象质量。