基于射线追踪法的矿井可见光通信信道特性分析

提出了一种新颖的基于射线追踪法的矿井可见光通信信道特性分析方法。首先,结合煤矿工作面可见光应用场景和煤矿工作面特点,基于射线追踪法建立可见光通信信道模型;其次,通过米尔散射理论对煤尘粒子对可见光的散射特征进行分析,计算得出消光系数、散射系数和吸收系数与煤尘粒子大小的关系;最后,针对不同煤尘粒子浓度的吸光度和粒子半径之间的关系进行仿真,分析煤尘粒子浓度对吸光度的影响。实验结果表明,矿井可见光通信信道特性受煤尘粒子半径和浓度影响较大,当煤尘粒子半径小于1μm时,对光的散射和吸收极为敏感,随着煤尘粒子半径的增大,消光系数趋于稳定。此外,相同煤尘粒子半径下,煤尘粒子浓度越高,吸光度越大,散射越明显。

界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术

以Moser方法为代表的最短路径射线追踪算法可以快速稳定地获得整个追踪区域的全局最小走时和路径,但它存在两个缺陷:一是射线大多由折线呈锯齿状相连,长度和位置偏离真实射线路径;二是在低变速区容易出现射线路径多值现象.本文提出的界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术(以下简称界面源法)旨在解决上述两个问题.不同于Moser方法,界面源法只在物性分界面上设置子波源点,子波出射射线可以到达任何不穿越物性界面而直接到达的空间点和界面离散点,在均匀块体内或层内地震波以精确的射线路径传播.显然,界面源法的子波出射方向数远远大于传统方法,算法的追踪误差主要由界面离散引起的,因此,界面源法很好地解决了Moser法存在的问题,大大提高了追踪的精度.同时,由于界面源法的子波源点数远远小于Moser法,因而效率也很高.模型实算证实了该算法的高效性.

快速行进法射线追踪提高旅行时计算精度和效率的改进措施

快速行进法(FMM)是一种基于网格的新型射线追踪方法,其旅行时计算精度和效率受差分格式及网格剖分大小的影响。本文针对传统FMM旅行时的精度和效率存在的问题,给出三项改进措施:1加入角点计算;2细化并补充改进一阶差分计算公式;3引入Vidale差分方法,并采用双重网格技术与三者结合。模型试算结果表明:第一项改进措施可提高一阶差分格式及其计算精度,后两项改进措施可不同程度地提高FMM旅行时计算的精度和效率,增强了FMM的适用性,有利于基于网格的射线追踪法的应用。

利用可见性概念改进基于镜像原理的射线追踪法

研究改进了基于镜像原理的反射线追踪算法。将镜像点用树的结点形式作拓扑表示 ,再建立判据去除无效的像点 ,从而极大提高了计算效率。

PS转换波界面二次源法射线追踪

界面二次源法是最近提出的一种最小走时射线追踪方法,尤其适合层状介质中走时和射线路径的计算.该方法相对于传统的最小走时树方法(如Moser法),仅在物性界面上设置二次源,射线路径的方向只在层界面处发生改变,该方法最大程度地消除了射线路径的锯齿状现象,同时也避免了低变速区的射线路径多值现象,因此,它具有更高的追踪精度和效率.本文采用界面二次源法在各向同性介质中实现了PS转换波射线追踪,理论模型的计算证实了界面二次源法追踪PS转换波的准确性和高效性,同时该方法在各向异性介质中也很好地追踪出分离的PSV波和PSH波,因此该方法有利于横波分裂在地震勘探中的研究和应用.

基于波前构建法的TTI介质射线追踪

射线(群速度)方向与旅行时梯度(相速度)方向不一致,使得TTI介质的射线追踪变得非常困难。传统的以弹性参数表示的各向异性射线追踪系统比各向同性条件下要复杂得多,而且在每一步都要求通过解特征值问题来计算极化矢量,使得整个射线追踪过程相当耗时。鉴于此,本文引入一种用相速度和群速度重构的射线追踪系统,该射线追踪系统与各向同性条件下的完全相似,从而简化了TTI介质的射线追踪问题。在综合考虑多种走时计算方法的优劣后,选择波前构建法进行射线追踪和波前传播的计算。将简化的射线追踪系统与波前构建法的优势相结合,得到了简单、高效的TTI介质射线追踪方法,并通过模型试算验证了此法的可行性。

三维试射射线追踪子三角形法

地震波的射线追踪方法在地震资料处理中有着广泛的应用,而且射线追踪的精度和计算效率直接决定着资料处理的质量和效率。所以不断改进射线追踪方法一直是人们的研究热点。人们普遍认为,试射法是解决两点射线追踪的一种快速、精确的方法。在此基础上,本文运用三角形的面积坐标,提出了几种试射追踪方法:单纯形法,细分三角形法,分割三角形法和子三角形法。研究表明子三角形法平均试射次数最少,而且收敛快,精度最高。文中给出的三维射线追踪实例及理论研究证明:试射修正时采用对射线的方向分量修正比直接对试射角度修正的效果要好。

一种新的射线追踪方法—三区分划处理法

从射线的矢量方程出发 ,假设射线折射角的变化和群路径的变化是平滑的 ,文章提出了三区分划处理法 ,把射线路径按照不同的物理规律分为平滑区、介电常数的“极小值”区和拐点区。拐点区和介电常数的“极小值”区并不重合 ,一般拐点区位于介电常数的“极小值”区两侧。当在拐点区和介电常数的“极小值”区射线平滑性有可能被破坏时 ,有必要进行针对性的处理。文中以二维的带有水平梯度的指数分层的电子浓度不均匀体等离子体频率分布为例 ,展示了三区分划处理法的必要性和在射线追踪中的优点。

对旅行时进行抛物型插值的地震射线追踪方法

提出一种对旅行时进行抛物线插值的地震射线追踪方法(简称PTI方法),它比基于旅行时线性插值方法(简称LTI方法)计算结果更准确.PTI和LTI方法都是基于2D网格单元模型,用于计算地震波的旅行时和射线路径.首先介绍了相关方法的一些基本概念.旅行时和射线路径都是在网格边界上进行计算的,因此,射线路径在同一恒速网格内是直线.其计算过程有两步.第一步,计算旅行时,第二步追踪射线路径.然后给出了LTI算法的基本公式.因为在炮点网格内可能存在折射波,文章也相应导出了其公式.最后详细推导了PTI方法的公式.通过模型试算对比说明,用PTI方法较LTI算法更精确、更有效,PTI方法是一种很有发展前途的地震射线追踪算法.

三维结构中两点射线追踪的分步搜索法

在三维射线追踪中，一般都必须同时考虑引起壳幔结构非均匀性的介质及构造因素．本研究用类似于计算机辅助设计中图形产生的方法，生成三维结构模型．在Ｃｅｒｖｅｎｙ等三维复杂结构中全射线追踪算法的基础上，提出一种在三维横向非均匀结构中进行两点射线追踪的分步搜索法，并给出了数值计算实例．

基于体弹跳射线法的等离子体目标散射建模技术研究

针对非均匀等离子体包裹目标的电磁散射问题,提出了一种基于体射弹射线法的建模技术,重点研究电磁波在介质体中的传播特性及散射分析方法。针对在介质体中透射与反射射线数据量激增的问题,提出了基于迭代追踪加速技术以此提高体介质散射中透射反射射线的追踪效率。仿真实例表明,与传统弹跳射线法相比,体弹跳射线法能更快速准确地计算出等离子体目标的散射特性。采用所提出的技术研究了等离子体鞘套对阿波罗号返回舱雷达散射截面积的影响,验证了等离子体对目标雷达散射截面积有一定缩减作用。

复杂地质层面的网格化模型及两点射线追踪方法

本文针对三维复杂介质的两点射线追踪的适用性和有效性,提出了网格模型和层状模型相结合的建模方式.文中利用规则网格化的层状模型对复杂地质单元进行数值描述,一方面避免了用纯粹复杂地质网格体描述时需要的大量内存,另一方面结合运用规则化的层状模型,必有利于提高计算效率.在计算单元自动生成的射线追踪方法基础上,本文结合波前法提出一种快速、有效的两点射线追踪方法.利用反射波波前在地表形成的射线方位角和倾角坐标体系,能快速、准确地收敛到所有从源点到接收点的射线路径,亦可有效地解决射线路径的多值解难题,从而可适用于复杂地质模型的特点.

射线追踪法在南海天然气水合物速度分析中的应用

采用射线追踪法对南海北部陆坡A测线层速度进行计算,结合BSR(Bottom Simulating Reflector)、振幅空白带,以及波形极性反转等多种水合物赋存信息的分析,对水合物成矿带的速度特征进行了综合研究。结果表明:低速背景中的高速异常,是天然气水合物赋存的重要特征;高速异常体一般呈平行于海底的带状分布;在高速异常体的内部,速度也是不断变化的,一般在异常体的中心速度最高,由中心到边缘速度逐渐降低,反映在水合物矿带内部,水合物饱和度由矿体中心向边缘逐渐降低的特征。研究结果还表明,高精度速度分析不仅可以帮助寻找水合物矿点,还可以进一步判定水合物的富集层位。

邻域辅助径迹法提高射线追踪效率

针对面元形式的目标数据,从提高入射点求解的成功率着手,采用增加对参考路径上参考面元的相邻单元进行相交性判断的方法,并将普通径迹法的单参考路径改为双参考路径,提高了径迹法射线追踪的效率.对邻域辅助径迹法在样条曲面格式目标文件上的应用作了探讨.分析了该方法与其它方法的兼容性和对计算资源的占用情况,给出了该方法提高射线追踪速度的上限.以2个典型目标为例,对该方法的效果进行了测试.结果表明,该方法通过减少真实、遍历式追踪的次数,能将普通径迹法射线追踪过程的计算量减少到原来的1/3左右.该方法对目标具有很强的适应性,并克服了普通径迹法对射线管的划分密度的依赖性.

线性走时插值射线追踪算法的改进

在LTI(Linear Travel-time Interpolation)射线追踪算法基础上提出的扩张-收缩扫描算法能正确追踪直达波、绕射波和回波的射线路径,但其存在计算效率低、收敛速度慢的问题.采用交叉扫描方式对扩张-收缩扫描算法进行改进,并由此提出了基于交叉扫描方式的扩张-收缩扫描改进算法.理论分析及数值模拟结果表明:改进算法在保留了原扩张收缩扫描算法所有优点的同时,具有更高的计算效率;当模型网格尺寸划分较细时,改进算法在计算效率上的优势更为显著.

三维最短路径法射线追踪及改进

射线追踪技术在地震学领域有着广泛的应用,其中以最短路径算法在复杂介质中走时计算稳定性最好。理论上最短路径法的误差来源为速度模型采样误差、空间离散化误差和角度离散化的误差,由此造成网格稀疏时射线路径呈之字形,计算走时比实际走时偏大。弯曲法追踪精度高,但是射线追踪速度受初始路径与真实射线路径逼近程度制约,在复杂介质中可能找不到全局最小走时路径。最短路径法追踪出来的网格射线路径,可以作为较理想的初始路径,供弯曲法迭代优化。将最短路径法和弯曲法结合,通过射线在初始路径附近的扰动得到Fermat原理约束下的最短路径。文章对常速模型的试算,显示了改进方法对射线路径优化的作用,在模型网格稀疏的情况下效果尤其明显。本算法适用于计算三维任意复杂介质中初至波走时和射线路径,可应用于三维走时层析成像等领域。

六棱柱和三棱锥冰晶的散射相矩阵——一种矢量射线追踪方法

本文发展了作者过去的工作(Cai-Liou),利用改进后的数值模式对六角柱冰晶(匀谱和非匀谱)的散射相矩阵进行了计算,所需计算量比Cai-Liou的约小二个量级,且本文的数值模式的结果误差较小。同时,对三棱锥冰晶的散射相矩阵,本文也进行了计算,并与六角冰晶的结果进行了比较。

反射张量在射线追踪法中的应用

针对射线追踪法(shooting and bouncing ray,SBR)中反射路径计算,提出了采用反射张量表示单次和多次反射作用的方法,并进行了详细推导。对于同一反射路径,射线方向、极化方向的变化可以用同一个张量与原方向的点积表示。通过分析张量的运算,研究了单站情形不同极化下射线追踪法计算结果。算例表明,反射张量表示方法用于射线追踪法正确、有效,可方便地对各种构型的散射目标进行分析研究。

基于射线追踪法的线性菲涅尔聚光镜场阴影与遮挡分析

线性菲涅尔式聚光镜场的阴影与遮挡直接影响着系统光学效率,对其进行分析计算至关重要.根据线性菲涅尔式聚光镜场反射镜单轴跟踪的特点,建立平面直角坐标系,推导出任意时刻每列反射镜的坐标方程,利用射线追踪法追踪任意时刻入射至每列反射镜边缘及经边缘反射至接收器的太阳光线,得到阴影与遮挡的长度,根据几何光学推导了由太阳方位角导致的阴影与遮挡未形成区域面积的计算公式,进而得出阴影与遮挡效率.该方法计算量小、执行效率高,可以准确计算线性菲涅尔聚光镜场的阴影与遮挡效率.

采用射线追踪法的天然气水合物海底地震观测系统设计

射线追踪法是以建立的地下地质模型为基础,研究不同的激发点发出的射线经地下地质界面反射后可以被接收到的信息,从而了解不同的观测系统对于特定地质条件地震资料采集的效果,对于海上地震采集相关参数的确定十分关键。在天然气水合物地震勘探中,丰富的多波勘探信息对于查清水合物内部速度结构、提高地层的分辨率具有重要意义。本文在分析国外天然气水合物海底地震仪(OBS,ocean bottom seismometer)勘探的应用成果基础上,采用射线追踪法理论计算和海上实验,实现了针对天然气水合物的海底地震观测系统设计,试验获得了转换横波记录,取得了良好的应用效果。