地球物理信号能量(密度)多维分形及应用

地球物理信号代表的地质地球物理过程在多种尺度上和尺度之间表现为自相似性（self-affinity)或尺度无关性（Scale Invariant)，称为地球物理信号的分形性质，多个分形地球物理信号叠加在一起表现为多维分形特征，研究多维分形地球物理信号的能量或能量密度特征，可以进行时间或空间地球物理信号的校正、奇异性研究分析，或进行不同地球物理动力学过程的分解，本文描述了地球物理时间（空间）信号的多维分形过程和功率谱密度（能量密度）与波数以及重磁场能谱密度及面积（能量）与能谱密度的多维分形关系，并用地球物理测井与重磁资料作了试算。     

小波多尺度熵在新疆跨断层形变资料中的应用

跨断层形变资料的信息提取与分析是地震研究的重要内容之一。文中以小波分析和信息熵理论为基础,提出了能够反映局部数据信息有序度大小的小波多尺度熵信息提取方法。研究了新疆天山地区跨断层定点形变观测资料强震前小波多尺度熵的变化特征,并应用多元线性回归方法分析了减熵异常与地震三要素之间的关系。结果表明:跨断层形变速率的相对高频成分携带的信息量大于中低频成分,大多数强震前小波多尺度熵有低值异常出现,累计减熵量的对数与震级、异常起始至发震的时间具有显著的线性关系,表现为震级越大,异常起始至发震的时间越长,累计减熵量越大,多个测点整体熵值的减少与大范围的地壳运动及地震活跃期存在一定程度的关联性     

多维分形奇异功率谱分析与应用

地球物理信号中普遍含有噪声，消除噪声是地球物理信号处理中的关键技术之一.奇异功率谱分析（SSA）是在状态空间（又称相空间）中研究（系统）动力学、非线性科学与混沌现象的方法.本文在状态空间中通过SSA分解，研究、应用地球物理序列的尺度不变性进行多维分形滤波：通过在状态空间的SSA分解，构造了经验正交函数系（EOF）；在EOF子空间中定义了两种尺度与测度后，发现了两种测度与尺度皆在多个尺度范围内存在尺度不变性；利用这种尺度~测度的尺度不变性，设计、实现了多维分形奇异功率谱(MSSA)滤波模型；处理解释了大洋钻探（ODP）1143A孔岩芯自然反射性（NGR）资料；Fourier功率谱分析结果证明，MSSA能有效地压制噪声，提取有用信号.研究得出，嵌入维数对MSSA基本无影响（小于1/1000），多维分形滤波器（MSSA）能有效压制噪声或提取有用信号.     

垂直上升管中油气水三相流流型多尺度熵分析

为了研究垂直上升管中油气水三相流流动特性,本文利用纵向多极阵列电导式传感器（VMEA）和阵列电导探针组合测量方法在内径为125 mm多相流流动环中采集了油气水三相流电导波动信号,在定义6种油气水三相流流型基础上,绘制了4种油水混合液量下油气水三相流流型转换图,分析了含油率对流型转化及气相流速对油水相态逆转的影响.对水为连续相的5种流型VMEA传感器波动信号进行了多尺度熵分析,研究结果表明：含油率增加可使水包油段塞流在较低气相表观速度下产生;较低流速下的油水相态逆转可发生在油液比为0.9左右,气相流速增加使得逆转点向含油率低的方向偏移;多尺度熵细节可以刻画油气水三相流非线性动力学特性,而低尺度的多尺度熵变化率敏感地反映流型转变,是划分油气水三相流流型的有效准则.多尺度熵有助于理解油气水三相流流型非线性动力学特征.     

多维分形奇异功率谱分析与应用

地球物理信号中普遍含有噪声，消除噪声是地球物理信号处理中的关键技术之一.奇异功率谱分析（SSA）是在状态空间（又称相空间）中研究（系统）动力学、非线性科学与混沌现象的方法.本文在状态空间中通过SSA分解，研究、应用地球物理序列的尺度不变性进行多维分形滤波：通过在状态空间的SSA分解，构造了经验正交函数系（EOF）；在EOF子空间中定义了两种尺度与测度后，发现了两种测度与尺度皆在多个尺度范围内存在尺度不变性；利用这种尺度~测度的尺度不变性，设计、实现了多维分形奇异功率谱(MSSA)滤波模型；处理解释了大洋钻探（ODP）1143A孔岩芯自然反射性（NGR）资料；Fourier功率谱分析结果证明，MSSA能有效地压制噪声，提取有用信号.研究得出，嵌入维数对MSSA基本无影响（小于1/1000），多维分形滤波器（MSSA）能有效压制噪声或提取有用信号.     

地震信号多尺度分解及弱震相的提取

地震波携带着地球内部(包括震源和介质)的信息,这些信息是研究地球物理及地震的重要依据之一。并以频率、相位、振幅、时间等物理量特征,如何提取这些信息就显得至关重要。傅里叶变换实现了信号从时域到频域的变换,揭示了波列中各频率成分的能量分配,但丢失了时间这一重要信息。Gabor变换对傅氏变换作了推进和发展,通过加窗和平移的方法实现了时域局部化,但由于窗口一经选定,对所有频率的信号都固定不变,无法对高频和低频成分同时获得高分辨率,在许多研究中受到局限。1984年,法国地球物理学家Morlet提出了小波分析的概念和理论,后经许多科…     

基于复杂度理论的地磁变化场时间序列特征分析

复杂度理论为研究地磁变化场提供了新思路和新途径.地磁变化场从物理起源上可以看作是一种复杂系统,因此,本文从军事工程应用需求出发,基于复杂度理论,提出运用样本熵、多尺度熵及滑动窗样本熵方法对不同磁扰程度下的地磁变化场时间序列进行复杂度特征分析,结果表明：（1）样本熵和多尺度熵能够很好地表征地磁扰动强度及演化特征,启发我们可设计一种新的“熵指数”来衡量地磁扰动大小;（2）滑动窗样本熵能够准确定位地磁扰动时间段,对于磁暴识别与预测、空间灾害性天气预警等有一定的参考价值;（3）Mackey-Glass时滞混沌方程随时间的演化呈现出与地磁场日变曲线非常相似的形态,因此,地磁变化场或许可用时滞混沌方程来表示,对于我们更好地认识地磁变化场物理机理、建模预测与地磁寻的等军事工程应用都有一定的意义.     

测井多尺度分析方法用于准层序自动划分研究

多尺度分析方法实现了信号分析的时频局部化,是测井数据时频分析与地质解释恰当的数学工具.测井资料作为地层岩性、物性的反映,其中必然蕴含了大量与沉积地层旋回变化有关的信息.以胜坨油田某井为例,采用db4最佳小波基分别对自然伽马、自然电位和声波等测井曲线进行了多尺度分析,将一维测井数据拓展为二维深度-尺度空间,提取小波变换系数的时频色谱信息和能量信息,从而确定出测井曲线识别准层序界面的最佳尺度.依据最佳尺度下的小波系数幅度振荡特征和时频色谱信息实现了对准层序界面的自动划分,与传统方法所划分的界面基本一致.这些探索为层序地层的定量划分提供了一种新的思路.     

基于多尺度边缘约束的重力场信号的向下延拓

利用多尺度边缘检测理论,研究改善重力场信号向下延拓稳定性的新方法,简要介绍了小波多尺度边缘检测的基本原理,以EGM96重力场模型为例分析了地球重力场的多尺边缘。提出了基于多尺度边缘约束的向下延拓方法,并给出了模拟算例。计算结果表明,利用多尺度边缘约束改善向下延拓的稳定性是可行的,在观测值信噪比较差的情况下该方法的效果尤为明显。     

一种基于数据融合的地球物理数据联合反演方法

从地球物理反演的基本概念出发，认为地球物理反演是 对实测数据的地球物理属性的理解或解释，多方法的地球物理数据联合反演是一种多传感器 的数据融合. 本文分析了地球物理数据的模糊特性，采用基于语义的模糊化方法，使不同物 理意义和尺度的特征数据及测区的地质和地球物理背景成为一体，结合地球物理专家解释的 方法，利用基于模糊逻辑系统的神经网络实现了融合. 该方法充分利用了各种地球物理探测 数据的全部信息，避免了线性反演的复杂计算；其数据融合的观点,为解决地球物理联合反 演问题提供了新的思路. 通过模拟实验和应用实例验证，该方法是有效的.     

多尺度地震资料联合反演方法研究

常规三维地面地震反演不可避免的存在多解性和分辨率不高的缺陷,而油藏地球物理阶段丰富的多尺度地震资料为减小多解性、提高分辨率提供了可能.基于贝叶斯反演理论,通过联合概率分布建立新的似然函数,将三维地面地震、VSP和井间地震三种多尺度资料有机地融合在一起,完善了多尺度地震资料联合反演框架及反演流程.模型测试及实际资料处理表明,联合反演算法有效地引入了小尺度地震资料中的高频信息对大尺度资料进行约束,反演结果在保留大尺度地震资料特征的基础上提高了分辨率,降低了多解性,同时促进了多种地震资料之间的相互匹配.     

Multiscale island injection genetic algorithms for groundwater remediation

Genetic algorithms have been shown to be powerful tools for solving a wide variety of water resources optimization problems. Applying these approaches to complex, large-scale water resources applications can be difficult due to computational limitations, especially when a numerical model is needed to evaluate different solutions. This problem is particularly acute for solving field-scale groundwater remediation design problems, where fine spatial grids are often needed for accuracy. Finer grids usually improve the accuracy of the solutions, but they are also computationally expensive. In this paper we present multiscale island injection genetic algorithms (IIGAs), in which the optimization algorithms have different multiscale populations working on different islands (groups of processors) and periodically exchanging information. This new approach is tested using a field-scale pump-and-treat design problem at the Umatilla Army Depot in Oregon, USA. The performance of several variations of this approach is compared with the results of a simple genetic algorithm. The new approach found the same solution as much as 81% faster than the simple genetic algorithm and 9–53% faster than other previously formulated multiscale strategies. These findings indicate substantial promise for multiscale IIGA approaches to improve solution of complex water resources applications at the field scale.     

Multiridge Euler deconvolution

Potential field interpretation can be carried out using multiscale methods. This class of methods analyses a multiscale data set, which is built by upward continuation of the original data to a number of altitudes conveniently chosen. Euler deconvolution can be cast into this multiscale environment by analysing data along ridges of potential fields, e.g., at those points along lines across scales where the field or its horizontal or vertical derivative respectively is zero. Previous work has shown that Euler equations are notably simplified along any of these ridges. Since a given anomaly may generate one or more ridges we describe in this paper how Euler deconvolution may be used to jointly invert data along all of them, so performing a multiridge Euler deconvolution. The method enjoys the stable and high‐resolution properties of multiscale methods, due to the composite upward continuation/vertical differentiation filter used. Such a physically‐based field transformation can have a positive effect on reducing both high‐wavenumber noise and interference or regional field effects. Multiridge Euler deconvolution can also be applied to the modulus of an analytic signal, gravity/magnetic gradient tensor components or Hilbert transform components. The advantages of using multiridge Euler deconvolution compared to single ridge Euler deconvolution include improved solution clustering, increased number of solutions, improvement of accuracy of the results obtainable from some types of ridges and greater ease in the selection of ridges to invert. The multiscale approach is particularly well suited to deal with non‐ideal sources. In these cases, our strategy is to find the optimal combination of upward continuation altitude range and data differentiation order, such that the field could be sensed as approximately homogeneous and then characterized by a structural index close to an integer value. This allows us to estimate depths related to the top or the centre of the structure.     

The intrinsic nonlinear multiscale interactions among the mean flow,low frequency variability and mesoscale eddies in the Kuroshio region

Using a new functional analysis tool, multiscale window transform(MWT), and the MWT-based localized multiscale energetics analysis and canonical transfer theory, this study reconstructs the Kuroshio system on three scale windows, namely,the mean flow window, the interannual-scale(low-frequency) window, and the transient eddy window, and investigates the climatological characteristics of the intricate nonlinear interactions among these windows. Significant upscale energy transfer is observed east of Taiwan, where the mean Kuroshio current extracts kinetic energy from both the interannual and eddy windows.It is found that the canonical transfer from the interannual variability is an intrinsic source that drives the eddy activities in this region. The multiscale variabilities of the Kuroshio in the East China Sea(ECS) are mainly controlled by the interaction between the mean flow and the eddies.The mean flow undergoes mixed instabilities(i.e., both barotropic and baroclinic instabilities) in the southern ECS, while it is barotropically stable but baroclinically unstable to the north. The multiscale interactions are found to be most intense south of Japan, where strong mixed instabilities occur; both the canonical transfers from the mean flow and the interannual scale are important mechanisms to fuel the eddies. It is also found that the interannual-scale energy mainly comes from the barotropically unstable jet, rather than the upscale energy transfer from the high frequency eddies.     

基于曲波变换的航空电磁数据调平方法研究

航空电磁法由于高效和高精度的特点广泛应用于地质填图、矿产资源、地下水、及环境与工程等勘查.然而,航空电磁系统处于动态环境,噪声影响严重,航空电磁数据处理至关重要.航空电磁数据噪声除随机成分外,还包括有各种效应引起的畸变,数据去噪需要依据噪声特征进行处理.航空电磁数据调平是航空电磁数据处理中至关重要的步骤,它能有效去除数据中由飞机飞行条件变化导致系统状态变化而产生的异常.传统的调平方法由于效率较低、易产生数据畸变等受到限制.为了克服这些局限性,我们提出一种基于曲波变换的数据调平方法.该方法得益于曲波变换多尺度和多方向性特征,可以有效地提取数据中的调平误差并予以去除.与此同时,利用该方法我们可以对非规则测区数据进行直接调平,无需进行测区分割,显著提高调平效率和普适性.为了检验本文曲波变换调平方法的有效性,我们将其应用于理论数据以及在爱尔兰Waterford地区实测的航电数据调平.实验结果表明该方法有效地去除调平误差的同时很好地保留有用信号.     

A note on variational multiscale methods for high-contrast heterogeneous porous media flows with rough source terms

In this short note, we discuss variational multiscale methods for solving porous media flows in high-contrast heterogeneous media with rough source terms. Our objective is to separate, as much as possible, subgrid effects induced by the media properties from those due to heterogeneous source terms. For this reason, enriched coarse spaces designed for high-contrast multiscale problems are used to represent the effects of heterogeneities of the media. Furthermore, rough source terms are captured via auxiliary correction equations that appear in the formulation of variational multiscale methods [23]. These auxiliary equations are localized and one can use additive or multiplicative constructions for the subgrid corrections as discussed in the current paper. Our preliminary numerical results show that one can capture the effects due to both spatial heterogeneities in the coefficients (such as permeability field) and source terms (e.g., due to singular well terms) in one iteration. We test the cases for both smooth source terms and rough source terms and show that with the multiplicative correction, the numerical approximations are more accurate compared to the additive correction.     

多尺度全变分法及其在时移地震中的应用

本文针对时间推移地震本身包含不同时期的两次或者两次以上的勘探反问题,构造了一种快速有效的反演方法--多尺度全变分法.通过引入全变分正则化来代替传统的Tikhonov正则化,针对待反演参数不连续的情况,提高了算法精度.为了提高计算效率,引入了多尺度方法,从而构造了多尺度全变分方法.在数值模拟中,针对一个时间推移地震反演问题对多尺度-Tikhonov正则化法、单一尺度全变分法、以及本文所构造的多尺度全变分法进行了比较.结果表明,本文所提出的多尺度全变分法是一种稳定、快速和精确的反演方法.     

中国大陆地电暴时频特征

基于沿中国大陆两条经度链(118°E,99°E)、两条纬度链(40°N,34°N)的25个台站地电场分钟测量数据,分析了2014年8月至2016年8月共83次地电暴(磁情指数Kp≥5) 的波形特点,认为:地电暴可分为急始型、缓始型两类,一般持续1—3天;地电暴在广大区域同时发生,变化波形相同或相似,表现为明显的广域性特点.讨论了地电暴对地磁暴的变化响应以及不同台站和测道之间地电暴变幅的差异,认为地磁暴期间太阳风等引起的空间电磁场变化与地球介质相互作用激发大地电流产生变化,引起了地电场快变化和地磁场快变化的强烈响应,且地电暴变幅与台址地下介质电导率关系密切,电导率越小,变幅越大.用最大熵谱方法估算了地电暴的主要周期成分,按功率谱密度大小依次约为1.6 h,1 h,15 min,10 min等,而且不同地电暴的优势周期略有不同.      

地震波形多尺度反演的一点讨论

基于在反演过程中对初始模型依赖性强、易陷入局部极值等问题,本文引入小波分析,提出多尺度地震波形反演方法,从而将参数反演问题转化到小波域中重要系数优化问题。利用多尺度之间的内在联系及小波域中重要系数的稀疏性,有将改进了局部极值、计算量等问题。并对几种多尺度反演策略进行了比较讨论。基于波动方程正演及褶积模型的两种反演方法的数值实便结果显示了本方法良好的效果。