曲线坐标系下的完全匹配层吸收边界条件

在地震波数值模拟中,需要采用吸收边界条件以吸收人为边界反射。本文针对曲线坐标系下的二阶弹性波方程提出了一种完全匹配层(PML)吸收边界条件。与直角坐标系下的PML吸收边界条件类似,曲线坐标系下的PML吸收边界条件是一种在频率域中给出的人工边界条件,由相应的复坐标变换得到。在变换到时间域后,完全匹配层中将出现复杂的卷积运算。为了避免这些卷积运算,引入了4个中间变量。为了简化自由边界条件,采用正交贴体网格对起伏地表模型进行网格剖分。数值算例表明,该方法可以有效消除人为边界反射。     

起伏地表条件下频率-空间域声波介质正演模拟

频率-空间域正演模拟是频率域及Laplace-Fourier域全波形反演的基础,起伏地表条件下波形反演算法的关键是正演算法中考虑起伏地表的影响。基于带PML吸收边界的声波波动方程,在已有最优9点有限差分正演算法的基础上构建了起伏地表条件下频率-空间域正演算法。通过应用变网格技术,进一步提高算法的计算效率、降低内存开销,使得大规模起伏地表模型的频率域正反演问题成为可能。理论分析及数值测试表明：通过对近地表区域进行局部网格加密,可有效地压制由于矩形网格离散引起的角点散射;结合变网格技术可较易获得5倍以上计算效率的提高及内存占用的降低,且随着模型尺度的增加及地表起伏高程差的减小,倍数将显著增加;在细网格与粗网格交界处产生的虚假反射振幅幅值控制在原始波场的2%以内,满足地震波场正反演的需求。     

基于PML边界下的弹性及黏弹性TTI介质波场模拟

基于一阶速度-应力波动方程,采用高阶交错网格有限差分数值模拟方法,对弹性及黏弹性TTI介质进行正演数值模拟。模拟时采用完全匹配层吸收边界条件(PML)消除边界反射。同时设计了层状介质模型、断层模型,通过模型的正演计算,得到了不同时刻的地震波波场快照及合成地震记录,分析其波场运动学及动力学特征。模拟结果表明,交错网格有限差分法可以很好地完成对复杂介质的波场模拟,具有较高的精度和可靠性。     

高效优化非分裂PML边界二阶标量波方程数值模拟方法

卷积完全匹配层（convolution perfectly matched layer,CPML）吸收边界是一种高效处理波动方程数值模拟中人工边界反射波的方法。本文基于传统的一阶系统CPML吸收边界条件推广并推导了新的二阶系统CPML边界条件（NCPML）。与常规二阶系统CPML边界条件不同,新边界条件推导的核心思想是在复数-频率域中忽略部分衰减因子空间变化特性,避免其在时间域产生复杂卷积算子,然后反变换至时间域得到基于CPML吸收条件的二阶标量波方程,并应用于二阶标量波方程数值模拟。均匀介质模型测试验证了NCPML吸收条件在内存使用上相对于常规二阶系统CPML与SPML（split PML）吸收条件更少。在对人工边界反射的吸收效果上,NCPML稍逊色于常规二阶系统CPML,但二者均相对于SPML优势明显。最后通过层状模型和Marmousi模型测试验证了NCPML的稳定性及其在效率上的优势。     

复杂模型高精度数值模拟研究

通过对声波方程采用二阶有限差分与四阶有限差分近似,进行数值模拟及波场分析,边界条件利用吸收边界和增加衰减带混合使用的方法。计算结果表明,四阶有限差分的精度明显高于二阶有限差分,并且边界吸收效果好。对于单炮记录难于模拟复杂模型的情况下,实现了单次叠加剖面和爆炸反射面的零炮检距剖面,并进行了偏移处理。地震剖面更加清晰地反映了复杂构造的信息,更好地实现了对复杂地质模型的正演模拟。     

VTI介质中弹性波方程正演的一阶混合吸收边界

波动方程正演是研究地震波在地下介质中的传播机理以及提高地震资料采集、处理、解释精度和效果的重要工具,截断边界的处理是波动方程正演的重要研究内容。针对在地震数值模拟中常用的三种(吸收)边界处理方法存在的不足与问题,提出了适用于VTI介质中弹性波动方程正演的一阶混合吸收边界条件,并给出了该方法在过渡区域的线性叠加系数公式。数值模拟实验表明:相同条件下,VTI介质一阶混合吸收边界方法不仅在吸收效果方面优于常规的PML边界条件,而且在存储量和计算效率方面也具有较大优势。     

三维探地雷达数值模拟中UPML边界研究

应用时域有限差分进行探地雷达正演计算时,边界条件的吸收效果是提高雷达波响应模拟精度的关键因素之一。这里推导出了三维各向异性完全匹配空间UPML吸收边界的计算公式,并编程实现。模拟结果表明:UPML吸收边界在吸收效果,反射误差及计算效率等方面,都明显优于常用的Mur、PML吸收边界,具有较好的模拟效果。采用三维UPML边界的时域有限差法,可以提高探地雷达正演模拟的可靠性、准确度。     

准P波方程紧致交错网格井间地震波场模拟及边界条件

研究井间地震波场的形成过程以及波场的传播机理、规律,对于指导实际井间地震勘探有着重要的意义.基于具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质中的一阶准P波方程,应用具有无条件稳定性质的紧致交错网格隐式差分格式求解该方程.重点研究了紧致交错网格求解该方程的完全匹配层(PML)吸收边界条件,在此基础上实现了VTI介质中一阶准P波方程的井间地震波场的正演模拟.数值算例表明:紧致交错网格能精准模拟VTI介质中准P波的传播过程,得到高精度的正演结果.一阶准P波方程能以足够的精度描述VTI介质中准P波特征.完全匹配层吸收边界能有效地解决人工边界问题,是一种高效的边界吸收算法.     

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。     

含直立裂隙介质的弹性波动方程正演模拟

从具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）介质中的弹性波动方程出发,在交错网格空间中采用高阶差分算子对弹性波动方程进行差分离散,得到了HTI介质中地震波正演的高阶有限差分格式,研究并实现了PML吸收边界条件。在此基础上实现了HTI介质中弹性波方程的多波正演。数值算例表明,该方法能够精确模拟弹性波在复杂各向异性介质中的传播过程,得到高精度的正演记录。     

二维地基中空沟−波阻板联合隔振屏障分析

针对地基隔振控制,提出了一类新型的空沟?波阻板联合隔振屏障,并对其隔振性能进行了数值分析。首先,利用复伸展坐标变换,在频域内建立了完全匹配层（perfect matched layer, PML）吸收边界的控制方程;其次,利用Galerkin近似技术,给出了以位移为基本未知量的二阶非分裂格式PML的频域有限元计算列式;最后,通过数值算例分析了空沟?波阻板联合隔振屏障的物性参数（地基与波阻板的模量比）、几何参数（空沟深度、波阻板深度）以及载荷参数（振动波频率）等对其隔振性能的影响规律。结果表明,空沟?波阻板联合隔振屏障结合了空沟和波阻板各自的优势,可以有效地控制不同频率振源引起的地基振动。     

基于频率域高阶有限差分法的正演模拟及并行算法

在弹性波频率空间域有限差分数值模拟方面,差分网格及边界条件是影响弹性波模拟成功与否的关键,为了压制数值模拟中的网格频散,采用25点有限差分算子,建立了有限差分矩阵方程,且借鉴匹配层衰减边界条件思想,设计了弹性波频率空间域有限差分数值模拟算法。由于采用高阶有限差分法来提高差分格式的精度,将会导致计算量显著增加,为此,对频率空间域有限差分弹性波数值模拟方法,采用流水线技术与分治策略进行了并行算法研究,提高了计算效率,使得在合理的计算时间内更精确地模拟弹性波在弹性介质中的传播过程。     

声波散射数值模拟的两种新方案

声波散射的数值模拟问题一般用网格法或积分方程法解决。当模型的尺度很大时,两种方法都会遇到计算机资源不足所造成的困难。另外,在网格法中,场源的位置和场源附近的波场奇异性逼近精度都受网格点的控制,因此难以满足实际问题所提出的要求。针对这些问题,提出了两种处理声波散射问题的新方案。一种主要针对网格法,另外一种针对积分方程法。在针对网格法的方案中,通过模型分解和波场分裂,将原始的总场计算问题转化为散射场计算问题。由于背景场是由解析公式给出的,所以可以将场源放置在数值网格的任意位置,不一定非得在网格点上。基于同样的原因,场源附近的波场奇异性可以精确地算出。在针对积分方程法的方案中,通过引入拟线性近似,使得散射场的数值求解不必再借助于代数方程组,只要进行数值积分即可。所建立的数值计算方案具有普遍的适用性,其基本思想可以直接用于解决弹性波散射的数值模拟问题并用于反演密度和速度。     

辅助微分方程完全匹配层在声波方程数值模拟中的应用

在地震波数值模拟中,为提高算法精度,需要使用高阶时间更新格式,而普通的非分裂完全匹配层（PML）吸收边界局限于低阶时间格式。辅助微分方程完全匹配层（ADE PML）是一种可以适应任意阶时间格式的非分裂完全匹配层技术,且可以直接应用复频移拉伸算子以提高PML在高角度入射时的效果。作者将ADE PML应用于声波方程四阶Runge Kutta时间格式的数值模拟中,对其吸收效能进行了检验。数值模拟表明,复频移ADE PML在高角度入射时表现优于非复频移ADE PML。另外,不同辅助变量更新格式的吸收效果存在微小差异,显格式下计算结果与解析解吻合较好。长时间能量衰减计算表明ADE PML可以稳定至2 × 10⁵时间步。     

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。     

Nearly perfectly matched layer boundary conditions for operator upscaling of the acoustic wave equation

Acoustic imaging and sensor modeling are processes that require repeated solution of the acoustic wave equation. Solution of the wave equation can be computationally expensive and memory intensive for large simulation domains. One scheme for speeding up solution of the wave equation is the operator-based upscaling method. The algorithm proceeds in two steps. First, the wave equation is solved for fine grid unknowns internal to coarse blocks assuming the coarse blocks do not need to communicate with neighboring blocks in parallel. Second, these fine grid solutions are used to form a new problem which is solved on the coarse grid. Accurate and efficient wave propagation schemes also must avoid artificial reflections off of the computational domain edges. One popular method for preventing artificial reflections is the nearly perfectly matched layer (NPML) method. In this paper, we discuss applying NPML to operator upscaling for the wave equation. We show that although we only apply NPML to the first step of this two step algorithm (directly affecting the fine grid unknowns only), we still see a significant reduction of reflections back into the domain. We describe three numerical experiments (one homogeneous medium experiment and two heterogeneous media examples) in which we validate that the solution of the wave equation exponentially decays in the NPML regions. Numerical experiments of acoustic wave propagation in two dimensions with a reasonable absorbing layer thickness resulted in a maximum pressure reflection of 3–8%. While the coarse grid acceleration is not explicitly damped in our algorithm, the tight coupling between the two steps of the algorithm results in only 0.1–1% of acceleration reflecting back into the computational domain.