基于有限单元法的二维／三维大地电磁正演模拟策略

对于二维和三维大地电磁正演问题,有限单元法最后形成了一个线性方程组KX=p。方程组中的K是大型稀疏的带状对称复系数矩阵,其条件数远大于1,为严重病态矩阵,求解其对应方程组会遇到很多困难。不完全LU分解处理的BICGSTAB算法,可用于该线性方程组的求解,并且具有速度快,精度高,稳定性好等优点。为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下,设计了非均匀网格剖分。在程序编制中,因只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间。通过对二维模型和三维模型电磁响应的计算,验证了该算法的正确性。     

直流电阻率三维正演的预条件共轭梯度法研究

三维电阻率法对反演的精度和速度的要求越来越高,而正演是反演的基础,因此直流电阻率三维正演计算的速度和精度是三维电阻率反演实用化的关键。这里利用对称超松弛预条件共轭梯度法(SSOR-PCG),求解有限差分法离散生成的大型稀疏线性方程组,预条件矩阵的选择大大降低了系数矩阵的条件数,结合矩阵的一维非零元素压缩存储模式,使得正演计算速度得以提高,而内存占用量明显减小。在直流电阻率三维正演中采用异常场法,提高了电源点附近的解的精度。利用编制的有限差分正演程序,对两层模型、垂直接触带模型和低阻异常体模型进行了数值模拟,计算结果表明该算法是可行的,且可以明显提高正演计算的速度和精度。     

三维地电场数值计算中的LANCZOS迭代过程及其改进算法

针对三维地电场正演数值计算过程中形成的超大规模稀疏线性方程组,在分析此类线性方程组的一般解法基础上,着重阐述一种适宜求解此类方程组的Lanczos迭代过程与算法原理。同时,当地下介质的电性差异较大时,形成系数矩阵A的条件数就很大,可对算法进行适当改进。讨论采用不完全Cholesky分解方法进行预条件处理,经过条件数改善后,形成新的线性方程组系数矩阵,就会变为一个近似的单位矩阵。经改进后的Lanczos算法,将提高数值计算稳定性,从而加快迭代收敛速度,为提高反演质量提供基础。     

三维电阻率正演计算中的Lanczos迭代算法

在三维电阻率的正反演计算中,快速、准确的正演计算是反演的关键。而正演计算往往涉及到求解大型线性方程组Ax=b的问题,通过Lanczos迭代构造出对称三对角阵方程组,并采用正交分解法进行求解,与传统算法相比,此算法占用内存少、收敛速度快、且稳定;针对大型稀疏矩阵的特点,采用简单地记录矩阵的非零元素值及其所在行、列值的方法,来存储大型稀疏矩阵,可大大节省机器内存,提高运算速度。通过理论分析和点电源三维地电场计算实例,阐述该法是地电三维正演计算的有效方法。     

二维地形不平条件下均匀外电场的有限差分模拟

本文提出了一种求解二维不平地形条件下中梯装置电阻率法正演问题的有限差分算法。引入了数学上的某些新进展:采用三角形和矩形相结合的方式对求解区作剖分,以积分插值法导出有限差分格式,用多层网格修正迭代法求解线性方程组,从而得到了比较满意的模拟精度和计算速度。     

电法测井的三维有限差分正演

研究了电法测井不同测量方式(井—地,地—井,井—井)下点源场井中电法的三维有限差分数值模拟。采用六面体网格剖分方式来对模型进行剖分,运用一维非零元素行压缩存储模式来存储系数矩阵,减少了内存需求和计算量;采用不完全Cholesky共轭梯度(ICCG)方法来求解线性方程组,提高了求解效率;编制了相应的程序实现了井—地、地—井、井—井、倾斜井条件下的电法测井三维有限差分数值模拟。设计的算例结果验证了该算法的正确性和效率性,并且分析了各种情形下的异常特征,为进一步的反演工作打下了基础。     

多重网格准线性近似技术在三维航空电磁正演模拟中的应用

系数矩阵存储和线性方程组求解是限制三维电磁积分方程方法发展的主要因素。Zhdanov提出准线性（QL）近似技术,建立了复杂散射场与背景场的线性关系,有效地避免了积分方程中大型线性方程组的求解,但是该算法用于多源问题航空电磁正演模拟时精度不高。因此,本文提出一种基于多重网格准线性（MGQL）近似的算法,并利用系数矩阵的Toeplitz性质存储矩阵和快速傅里叶变换,实现了矩阵与向量的快速乘积、降低了计算复杂度,采用多重网格结合了积分方程方法和准线性近似解法的优点,在保证精度的条件下提高计算速度、减少存储量。针对不同类型网格的模拟实验表明,相比于传统积分方程方法,本文算法在保证计算精度的同时,可以将计算速度极大地提高（>10倍）。     

LANCZOS迭代算法及其在三维地电场数值模拟计算中的应用研究

在三维电阻率的正演计算中往往涉及到快速、准确求解大型线性方程纽Ax=b的问题。通过采用有限差分法来构造出求解点电源三维地电场的大型稀疏对称线性方程组。并引入Lanczos迭代技术，构造出三对角阵方程组，然后采用正交分解法进行求解，它是Krylov子空间方法中的一种。与传统迭代算法相比，它占用内存少，收敛速度快且稳定。针对大型稀疏矩阵及MATLAB语言的特点，采用简单记录矩阵的非零元素值及其所在行、列值的方法存储大型稀疏矩阵，可大大节省机器内存，提高运算速度。理论分析和计算实例显示，此算法是地电三维正演计算的有效方法，为下一步的反演计算打好基础。     

利用ICCG迭代技术加快电阻率三维正演计算

一般而言,有限差分法求解点源三维地电场正问题所形成的大型稀疏线性方程组Ａｘ＝ｂ,直接解法的计算效率极低。本文从系数矩阵Ａ的不完全Ｃｈｏｌｅｓｋｙ分解及矩阵特征值的特点等角度,说明了不完全Ｃｈｏｌｅｓｋｙ共轭梯度（ＩＣＣＧ）迭代技术可大大提高电阻率三维正演速度的内在原因。结合矩阵Ａ的稀疏存储模式,使得内存需求也大大减少。     

倾斜地层三侧向测井曲线三维有限元正演模拟

本文用三维有限元素法对三侧向测井曲线做了正演计算,对空间有限单元以正三棱柱(在柱面坐标系下)剖分。线性方程组的系数矩阵用一维紧缩存储,并用分块三角分解法求解方程。针对青海省热水矿区柴达尔井田急倾斜(倾角在50—80度)、贫瘦煤且煤层是高阻的特征,计算了两种层厚十六条测井响应曲线。从计算结果可以看到不同地层倾角条件下三侧向测井曲线的差异,从而掌握了倾角对三侧向测井曲线的影响。     

大地电磁三维正演聚集多重网格算法

为了加快大地电磁三维正演的求解速度,本文将一种新型的代数多重网格算法——聚集多重网格（aggregation-based algebraic multigrid, AGMG）算法引入大地电磁三维正演模拟中。首先从准静态条件下的麦克斯韦方程出发,利用交错网格有限体积法进行离散,并采用第一类Dirichlet边界条件形成大型稀疏复线性方程组;然后阐述AGMG算法的粗化策略和套迭代技术,并实施3种不同的AGMG求解算法：1）传统的V循环AGMG算法;2）AGMG预处理共轭梯度（AGMG-CG）;3）AGMG预处理广义共轭残差法（AGMG-GCR）。最终实现大地电磁法三维正演模拟。对典型地电模型进行正演模拟,并与已有的大地电磁三维正反演程序（ModEM）进行结果对比,以验证本文算法的准确性。另外,不同剖分网格和极化方式正演模拟结果与准残量最小化（QMR）迭代算法的对比表明,AGMG预处理求解算法（AGMG-CG、AGMG-GCR）不仅能够改善算法的稳定性,而且能够快速有效地求解正演问题;其中AGMG-GCR迭代次数更少,求解速度更快,误差衰减曲线更光滑,在144×152×104网格剖分情况下,相对于现有ModEM程序能够提高十几倍的计算速度,尤其适合大规模大地电磁三维正演问题。     

电导率分块线性变化的二维高频大地电磁法有限元正演模拟

为了适应电性参数在水平方向和垂直方向是连续变化的实际需要,这里采用矩形剖分,线性插值的有限元法研究了电导率分块线性变化的高频大地电磁高精度,快速正演模拟。首先给出了二维高频大地电磁测深的变分问题以及电导率分块线性变化时的有限元数值解法,编制了相应的有限元程序。利用该程序对层状模型进行了计算,并与解析解的结果做了对比分析,证明了程序的正确性和有效性,然后对典型电导率随深度线性变化的模型和典型地堑模型进行了正演模拟,结果表明能够有效地解决电导率在水平和垂直方向分块线性变化的高频大地电磁正演问题。     

对比抛物Radon正变换几种矩阵求解方法

抛物Radon变换法(Parabolic Radon Transform)在地震资料处理中有广泛的应用。PRT可对不同频率的地震数据解耦处理,这一特点使得抛物Radon变换的计算效率比双曲Radon变换有数量级上的提高。在频率域求解时,需要对每一个频率成份求解同样大小的线性方程组。求解抛物Radon正变换的计算方法主要有Levinson递推法、共轭梯度法、Cholesky分解法和直接矩阵求逆法。最小平方抛物Radon正变换所形成的矩阵具有Toeplitz结构,可采用Levinson递推法进行计算。高分辨率抛物Radon正变换所形成矩阵的Toeplitz结构被破坏,一般采用共轭梯度法或Cholesky分解法进行求解。这里详细推导了复Toeplitz矩阵的Levinson递推算法,并分别对求解方程的四种方法进行了讨论,最后给出抛物Radon正变换求解的数值算例,并对所给出的四种方程求解方法的计算效率及计算精度进行了对比。     

Numerical modeling and inversion of electromagnetic logs in the wells drilled with biopolymer and oil-based mud

Algorithms and software for numerical modeling and inversion of electromagnetic logs in the wells drilled with biopolymer and oil-based mud are developed. The algorithms are based on linearized solutions of the forward and inverse problems of electromagnetic logging and permit fast modeling of induction logs and efficient recovery of electric conductivity around the well. Mathematical modeling is based on numerical-analytical solution of the 2D forward problem taking into account high conductivity contrast between the well and the formation. Linear inversion is based on SVD-decomposition of information matrix. The results of numerical modeling and inversion of synthetic and field logs at the intervals of fluid-saturated terrigenous and carbonate formations drilled using biopolymer and oil-based mud are given.     

基于高性能并行计算的隧道开挖数值模拟

随着岩土工程规模的不断扩大、复杂性的增加以及计算参数的多样化和计算精度的提高, 人们对于计算机计算能力的要求越来越高, 然而单处理器无法满足这类大规模计算.从数据输入、区域分解、线性方程组的迭代求解、后处理等方面详细阐述高性能计算平台上并行有限元求解大规模岩土工程的关键问题.提出了利用MPI2的新特性进行海量数据的分段并行读入, 采用ParMetis软件并行地进行区域分解, 实现了前处理过程的完全并行化; 采用基于Jacobi预处理技术的预处理共轭梯度法(PCG)进行线性方程组的并行迭代求解; 采用Paraview软件实现了后处理的并行可视化.在深腾7000系统上对某隧道工程的三维开挖过程进行了数值模拟, 对其并行性能进行了分析和评价, 验证了采用的区域分解算法和系统方程组的求解方法的可行性, 并且具有较高的加速比和并行效率.      

High Precision Time Domain Forward Modeling for Crosshole Electromagnetic Tomography

To improve the resolution of crosshole electromagnetic tomography, high precision of forward modeling is necessary. A pseudo-spectral time domain (PSTD) forward modeling was used to simulate electromagnetic wave propagation between two boreholes. The PSTD algorithm is based on the finite difference time domain (FDTD) method and uses the fast Fourier transform (FFT) algorithm for spatial derivatives in Maxwell's equations. Besides having the strongpoint of the FDTD method, the calculation precision of the PSTD algorithm is higher than that of the FDTD method under the same calculation condition. The forward modeling using the PSTD method will play an important role in enhancing the resolution of crosshole electromagnetic tomography.     

井间电磁波层析成像中的高精度时间域正演计算

为提高井间电磁波层析成像的分辨率, 正演计算中需保持较高的计算精度.本文正演计算中采用时间域伪谱(PSTD) 法模拟井间电磁波的传播.该算法在时间域有限差分(FDTD) 法的基础上采用快速傅立叶变换(FFT) 计算麦克斯韦方程中的空间导数.该算法除了具备时间域有限差分法的优点外, 在计算条件完全相同的情况下, 计算精度明显高于时间域有限差分法.时间域伪谱法的正演计算为井间电磁波高分辨率层析成像奠定了重要基础.      

RPROP算法在测井岩性识别中的应用

为了更好地解决测井岩性识别问题,引入一种快速实用的BP算法--Resilient Backpropagation (RPROP)算法。在说明RPROP算法的基础上,结合某地的实际测井资料,建立基于RPROP算法的BP网络岩性识别模型,进行岩性识别的应用研究。结果表明,应用RPROP算法进行测井资料岩性识别,识别的准确率较高,与基本BP算法及其一些改进算法相比,训练速度快,具有很好的应用前景。     

实现稀疏反褶积的预条件双共轭梯度法

地震勘探稀疏反褶积计算一般要导出一个Toeplitz矩阵的线性系统，通常可以用矩阵求逆、Levison递推及共轭梯度等方法直接求解。当Toeplitz矩阵的条件数很大时，数值稳定性差，甚至无法求解。使用共轭梯度法，在矩阵的对角元素上加入规则化因子，可以改善这种情况，但不能彻底解决数值稳定性和精度问题。若求解最小二乘问题的原始问题，结果会好些。线性系统形式的细微改变，将导致不同的数值计算特性。在规则化策略基础上，可巧妙地构造稀疏反褶积的问题原型，引入预条件，采用双共轭梯度法求解，从而实现稀疏反褶积，获得较好结果。数值算例表明，预条件双共轭梯度法比直接稀疏反褶积方法收敛快、精度高。