一维波动方程的近似解及其在浅海声场计算中的应用

本文给出一维波动方程的一组近似解,它具有WKB解的简洁性,但又克服了WKB解在反转点附近发散的困难。文中用其结果计算了具有粗糙界面的负声速梯度浅海中的简正波声场。     

存在外源线电流元的电磁场边界积分方程

根据电磁场理论,应用δ函数及广义极限导出了存在外源线电流元的电场和磁场的亥姆霍兹方程.在此基础上,应用物理近似方法引用矢量格林第二公式导出了相应的电磁场边界积分方程,可供用边界元法计算有关勘查地球物理的正演问题.     

三维直流电场数值模拟的拟解析近似法:张量近似

拟解析近似方法是一种解决电磁场散射问题的快速求解积分方程的近似方法,它绕开了传统数值方法中的求解大型代数方程组或大型矩阵问题,适用于强散射和大扰动问题.本文应用孙建国提出的求解异常电场积分方程的张量拟解析近似理论公式,研究用其求解直流电场积分方程.利用接近实际的地电模型对异常电场进行模拟,研究了均匀场中异常球体的张量拟解析近似解;并对均匀场中的立方体异常体进行了数值计算.效果良好并具有很高的计算速度.研究结果为三维直流电场快速正反演模拟打下基础.     

地球物理学中的电磁场积分方程正演

本文对地球物理学中的电磁场积分方程正演进行了综述,重点分析和讨论了积分方程正演中的散射场近似求解方法.散射场近似解法可以在保证计算精度的前提下有效的提高计算效率,使积分方程正演突破了传统简单孤立异常体研究的限制,适用于大规模复杂三维电磁场快速正演.本文着重对近年来国内外学者提出的散射场近似求解方法,如扩展Born近似、高阶广义Born近似、准线性(QL)近似和准解析近似(QA)等进行了分析和讨论,指出了各种近似解法的优缺点和适用范围.并在前人工作的基础上总结了地球物理学中的电磁场积分方程正演的基本原理和关键问题及解决方法,包括并矢格林函数、散射场的近似求解方法以及全积分求解方法等.最后,本文提出了积分方程法发展趋势和实际工程应用的前景以及面临的困难和待解决的问题.     

体积分方程法模拟电偶源三维电磁响应

利用体积分方程法模拟电偶源激发时均匀导电半空间频率域三维电磁响应.讨论了张量格林函数的计算，对于需要计算三重积分的张量格林函数电荷项一次部分，应用一种差分近似的方法求解，这种方法在保证计算精度的同时更加便于计算机实现；采用二次剖分的算法解决了计算张量格林函数时的奇异值问题；计算含有贝塞尔函数的积分项时，利用一种结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法，在确保正确计算的同时提高了计算精度.     

VTI介质纯P波混合法正演模拟及稳定性分析

各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性.     

基于电场矢量波动方程的三维可控源电磁法有限单元法数值模拟

从可控源电磁法的基本原理出发,推导了基于电场矢量波动方程的三维边值问题,利用广义变分原理,把边值问题转换为变分问题,并引入散度条件,避免了伪解的出现,使有限元计算在理论上更加完备.在准静态近似条件下,把水平电偶极子在空中和大地的远区电场闭合表达式作为有限元计算中的区域外边界条件,解决了边界条件加载的困难;把应用于地震模拟中的伪delta函数引入到可控源电磁法中的三维有限元模拟中,消除了源点的奇异性,提高了方程组的稳定性.通过对均匀大地和层状介质模型的模拟,检验了程序的正确性,并对典型的地质体模型进行了数值模拟,分析了其变化规律.     

复杂地下异常体的可控源电磁法积分方程正演

可控源电磁法具有分辨率高及抗干扰能力强等特点,是一种重要的地电磁勘探方法.目前,可控源电磁法的高精度正演计算一直是其核心研究问题之一.传统积分方程法一般采用近似积分公式、简单矩形网格和近似的奇异性体积分计算技术,制约了体积分方程法处理复杂地下异常体的能力,降低了计算精度.针对上述问题,本文基于完全积分公式、四面体非结构化网格和奇异体积分的精确解析解来高精度求解复杂可控源电磁模型的正演响应.首先,从电场积分公式出发,推导了可控源电磁问题满足的积分方程;其次,借助于非结构化四面体网格离散技术,实现了地下复杂异常体的有效模拟.最后,利用散度定理把强奇异值体积分转换为一系列弱奇异性的面积分公式,并通过推导获得了这些弱奇异性的面积分公式的解析解,从而最终实现三维可控源电磁问题的高精度积分求解.以块状低阻体地电模型为测试模型,采用本文提出的积分方程方法获得的数值解与其他公开数值算法解进行对比分析,其对比结果具有高度的吻合性,验证了算法的正确性;同时,设计了球状及复杂地电模型进行算法收敛性测试,进一步验证算法的正确性以及能够处理地下复杂模型的能力.     

基于MNS技术的三维大地电磁场正演模拟方法研究

目前大地电磁三维正演模拟的主要问题是计算效率偏低.Pankratov等提出了一种精确的、稳定的和宽频的三维电磁场正演计算方法,并成功应用于大地电磁场正演模拟中.该方法使用体积积分方程法,利用改进的Neumann序列(MNS)技术来求解Maxwell方程,成功地避免了解大型的线性方程组.在本文中针对这一主要问题尝试引入了广义双共轭梯度法来迭代求改进的Neumann序列中的解,与传统的迭代方法相比可以提高迭代的效率.同时使用了将格林函数分解为两部分在波数域求解,这样比常规的利用快速汉克尔变换求解效率更高.最后试验了两个模型,并与三维交错网格有限差分法计算结果相比较,证明该方法的正确与有效,并且通过具体计算表明该方法在精度保证的条件下计算速度上具有明显的优势.     

VTI介质解耦合声波方程数值模拟

Alkhalifah提出的声学近似方程对于各向异性VTI介质地震资料分析处理是一种较为高效的方法,但由于算法本身所产生的伪横波干扰,以及所带来的稳定性问题制约了该技术在实际生产中的应用.本文介绍了纵横波分离的VTI介质解耦合声波近似方程,以解决伪横波干扰问题.并针对数值求解问题,研究了伪解析法在VTI介质声波近似解耦方程数值模拟中的应用.对比数值模拟结果,该方法准确描述了VTI介质qP波波场特征的同时,消除了伪SV波干扰,使得波场传播更稳定,数值频散也更小.     

瞬变电磁场时域格林函数解

近源时间域电磁场具有信号强、探测深度大、精度高等优点,但传统勘探电磁场理论中偶极子近似在近源会引起较大误差,导致这一优势的发挥受到了制约.开展直接时间域电磁场解析式研究,是解决这一问题的途径之一.本文提出在点电荷微元假设下,引入时域格林函数,求取瞬变电磁场时间域解析解.采用积分运算法,把电磁场阻尼波动方程的求解问题转化为求其格林函数积分形式解的问题;建立辅助路径解决奇点问题,利用复分析中的约当引理、留数定理和广义函数等理论和方法,推导计算出时间域格林函数的时空四重广义积分.得到达朗贝尔方程的直接时域格林函数精确解析式,与传统方法“比拟”出的公式具有相同的形式,验证了本文推导的时域格林函数解析公式的正确性;推导出扩散方程的直接时间域解析解.通过与时变点电荷源时间域的电磁响应近似表达式进行对比,得出本文所推导的公式计算精度较高的结论;建立了全空间回线源瞬变电磁场问题的直接时间域求解公式.为解决全场区瞬变电磁场精细探测直接时域解析问题提供了基础理论.     

基于流变体模型的波恩近似方程地震正演模拟

常规τ值法假设应力松弛时间与应变延迟时间近似相等, 造成了常Q模型拟合精度低. 本文利用精确的广义流变体模型Q值计算公式, 研究改进的τ值法求解常Q模型参数. 根据地震波散射理论, 推导了基于广义流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程, 结合位移-速度关系得到了含卷积完全匹配层边界条件的黏滞性介质应力-速度方程的一阶波恩近似表达式. 通过数值实验验证并对比了黏滞性介质中全波波动方程、 一阶波恩近似方程以及单程波波动方程的波场特征, 讨论了基于流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程对速度扰动和Q扰动的适应性, 以及对旅行时和振幅精度的影响.      

基于多重网格预条件求解平均导数法离散的Helmholtz方程

有限差分法求解Helmholtz方程,依赖于两点:1差分格式的构造;2高效的求解算法.本文采用平均导数法离散Helmholtz方程.该差分格式有三点好处:1能适用于横纵不等间距采样;2在完全匹配层区域(PML),差分方程与微分方程逐点相容;3能将一个波长内的采样点数减少至少于4.求解离散的Helmholtz方程的算法一般分为直接法和迭代算法.直接法由于内存需求太大而无法适用于大规模问题;基于Krylov子空间的迭代方法结合多重网格预条件算法是一种快速高效求解方法,然而对于横纵不等间距采样(在多重网格中称为各向异性问题),经典的多重网格方法失效.本文分析了经典多重网格的三个重要组成部分:完全加权限制算子,点松弛技术以及双线性延拓算子,进而采用了半粗化技术代替全粗化技术,线松弛技术代替点松弛技术以及依赖差分算子的延拓算子代替双线性延拓算子,使得各向异性问题变得收敛;而且对于非均匀介质中-低频率的迭代问题,我们获得了较为满意的收敛速度.     

Applications of Directional Wavefield Decomposition, Phase Space, and Path Integral Methods to Seismic Wave Propagation and Inversion

— Recently, de Hoop and coworkers developed an asymptotic, seismic inversion formula for application in complex environments supporting multi-pathed and multi-mode wave propagation (de Hoop et al., 1999; de Hoop and Brandsberg-Dahl, 2000; Stolk and de Hoop, 2000). This inversion is based on the Born/Kirchhoff approximation, and employs the global, uniform asymptotic extension of the geometrical method of “tracing rays” to account for caustic phenomena. While this approach has successfully inverted the multicomponent, ocean-bottom data from the Valhall field in Norway, accounting for severe focusing effects (de Hoop and Brandsberg-Dahl, 2000), it is not able to account properly for wave phenomena neglected in the “high-frequency” limit (i.e., diffraction effects) and strong scattering effects. To proceed further and incorporate wave effects in a nonlinear inversion scheme, the theory of directional wavefield decomposition and the construction of the generalized Bremmer coupling series are combined with the application of modern phase space and path (functional) integral methods to, ultimately, suggest an inversion algorithm which can be interpreted as a method of “tracing waves.” This paper is intended to provide the seismic community with an introduction to these approaches to direct and inverse wave propagation and scattering, intertwining some of the most recent new results with the basic outline of the theory, and culminating in an outline of the extended, asymptotic, seismic inversion algorithm. Modeling at the level of the fixed-frequency (elliptic), scalar Helmholtz equation, exact and uniform asymptotic constructions of the well-known, and fundamentally important, square-root Helmholtz operator (symbol) provide the most important results.     

稳定的保幅高阶广义屏地震偏移成像方法研究

以先进的波动理论为基础的波动方程保幅地震偏移成像是在给出正确位置的同时也给出真实振幅的一种特殊完善.作者从保幅单程波动方程的非稳态相移公式出发,基于反问题求解中常用的摄动理论,利用单平方根算子的渐进展开,从而推导出保幅叠前深度偏移方程的高阶广义屏形式;针对散射波场计算项对于横向变速介质的不稳定性,通过数学近似提出一个有效提高稳定性的策略,应用到波场递归外推过程中,从而得到一种稳定的保幅高阶广义屏叠前深度偏移算子.理论模型试算和实际资料处理表明,该方法不但可以更精确地使散射能量聚焦、归位,提高成像精度;而且可以输出正确反映地下反射系数的振幅信息,使AVO响应更加清晰,提高了AVO资料的分析精度.     

基于照明补偿的单程波最小二乘偏移

最小二乘偏移是一种基于反射地震数据与地下反射率间线性关系而建立起来的地震数据线性反演方法,相比常规偏移成像具有更好的保幅性能.本文提出了一种基于照明补偿的单程波最小二乘偏移方法,首先利用单程波方程的稳定Born近似广义屏波场传播算子构建反射地震数据与地下反射率间的线性算子,然后再应用线性最优化方法求解最小二乘偏移所对应的线性反问题.在迭代求解最优化问题的过程中,以地震波场的地下照明强度作为迭代反演的预条件算子加快迭代的收敛速度.单程波传播过程中考虑了速度分界面产生的透射效应,并用单极震源代替常规偏移中的偶极震源.把本文提出的方法应用于层状理论模型和Marmosi模型地震数据的数值试验中均取得了理想的结果.     

Elastic wave propagation in inhomogeneous anisotropic media

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｍｅｄｉａｉｎｅａｒｔｈａｒｅｑｕｉｔｅｃｏｍｐｌｅｘ．Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓｅｖｅｒａｌｕｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｌａｉｎｓ．Ｎｏｒｍａｌｙ,ｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｒｅａｌｍｅｄｉｕｍｗｉｔｈｌａｙ...     

一种时空域优化的高精度交错网格差分算子与正演模拟

如何有效压制数值频散是有限差分正演模拟研究中的关键问题之一.近年来,许多学者对二阶声波方程的差分算子开展了大量的优化工作,在压制频散方面取得不错的效果.一阶压强-速度方程广泛用于研究地震波在地下变密度模型中传播规律,目前针对一阶方程的优化工作大多只是在空间差分算子上展开.本文在前人研究的基础上,推导出一阶声波方程中压强场与偏振速度场之间的解析关系,据此在传统交错网格基础上给出一种高精度的显式时间递推格式,该递推格式将时间差分与空间差分算子结合在一起,并采用共轭梯度法得到精确时间递推匹配系数,实现时空差分算子的同时优化.在编程实现算法的基础上,通过频散分析与三个典型模型测试表明:本文方法能够较为有效地压制时间频散与空间频散,提高数值计算精度;同时对复杂模型也有很好适用性.