具吸收边界条件的波动方程偏移的拟合分解方法

本文讨论了在波动方程偏移问题中构造吸收边界条件方程的原则,并提出了求解具有吸收边界条件的偏移问题的一种新方法--矩阵拟合分解方法。这一方法的特点在于所构造的差分方程的拟合分解格式可以通过三点褶积和正、反递归被快速求解。 通过合成记录和野外实际资料的偏移对这一方法进行了验证。理论分析和实际计算都表明,该方法可以有效地消除来自网格边界的人工反射,减少了因增加边道或其他方法所需要的辅助计算而带来的计算工作量,提高了计算效率,因而是一种有效方法。     

三维弹性波正演模拟中的混合吸收边界条件（英文）

地震波场数值模拟中不可避免地会出现边界反射,一般采用吸收边界条件以压制人工边界反射。目前常用的分裂式完全匹配层(PML)边界条件需要在边界处进行特殊处理,尤其是在三维情况下需要将变量分裂为三个分量,增加了数值模拟的计算时间和内存占用量。与分裂式PML吸收边界条件相比,混合吸收边界条件(HABC)具有易于实现、计算量小和吸收效果好等优点,可以提高三维波动方程数值模拟的计算效率。本文将基于一阶Higdon单程波方程的混合吸收边界条件从二维计算域发展到三维,提出了适用于三维弹性波数值模拟的混合吸收边界条件。均匀模型以及复杂模型的三维数值模拟结果表明,混合吸收边界条件与传统的完全匹配层边界条件相比,具有效率高、吸收效果好的优势。     

三维弹性波数值模拟中的吸收边界条件

在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件从而达到衰减人为边界 反射的目的. 本文基于傍轴近似法提出了计算三维弹性波方程的吸收边界条件公式,表示了 各边界面、边棱和角点处波场所满足的单程波方程,并在三维弹性波数值模拟中进行了应用 . 理论模型及三维盐丘地质模型波场切片快照试算结果表明,该吸收边界条件可以有效地吸 收人为边界反射,适用于较大入射角情况,从而消除了边界有效波信息的干扰. 由于采用四 阶近似方程,在保证计算精度的前提下,该方法具有节省计算工作量和易于实现的特点.     

非规则测区三维地震偏移的边界吸收层法

对不规则测区的地震资料直接进行三维偏移不仅可减少计算量,而且可提高偏移剖面的质量. 本文在单程波方程中增加了一项简单的阻尼因子,其作用如同在实际不规则测区的外部有一个薄吸收层. 因为波穿越这个薄层时,波场值迅速衰减,所以偏移时把吸收层外边界处的波场值取为零所产生的反射非常微弱. 又因为不规则测区零边界条件偏移程序极易编制,所以就可以实现对不规则测区的地震资料直接进行三维偏移. 通过对实际地震资料的处理,说明了该方法的有效性.     

三维叠后差分偏移的因子分解法

提出一种三维叠后偏移的一步差分方法，称为因子分解法．差分格式是二阶精度的隐式格式，求解方法与通常一步差分偏移不同，不采用分步法交替求解。ｘ－ｙ方向的二维问题，而是采用因子分解法，将求解的差分方程分解为向前因子和向后因子，从而在一次扫描中同时完成ｘ－ｙ方向的正递归和反递归．为了抑制边界反射，采用了吸收边界条件，给出了理论合成记录和实际记录的偏移结果，数值试验表明该方法具有较好的精度和较高的计算效率．     

一阶弹性波方程数值模拟中的混合吸收边界条件

Liu和Sen（2010和2012）在地震波场数值模拟中提出一种混合吸收边界条件. 该方法具有计算量小、容易实现及吸收效果好等优点. 但现有的混合吸收边界条件是针对二阶位移-应力方程设计的,存在稳定性问题. 本文首先推导了两种速度-应力单程波方程：二阶Higdon单程波方程和一阶Higdon单程波方程. 进而提出基于一阶弹性波方程的混合吸收边界条件方法. 在内部区域和边界之间引入一个过渡区域,通过单程波与双程波方程平滑过渡来消除人工边界反射. 为了改善混合吸收边界条件的吸收效果和稳定性,我们采用了能同时吸收纵、横波反射的一阶单程波方程和与变量位置有关的加权系数. 为了验证混合吸收边界条件的有效性,将其与常规分裂完全匹配层（PML）方法进行了比较. 数值模拟结果表明,与PML边界条件相比,混合吸收边界条件在耗用更小计算时间和存储量的前提下,可以获得更好的吸收效果. 另外,本文提出的两种混合吸收边界条件中,混合一阶Higdon吸收边界条件具有更好的稳定性.     

基于优化有限差分和混合吸收边界条件的三维VTI介质声波和弹性波数值模拟

传统有限差分系数是通过泰勒级数展开求取的,这样导致所计算的频散曲线在大波数区域会产生较强的数值误差.针对二阶空间偏导数的显式有限差分离散,本文发展了一种新的优化差分系数方法：首先将泰勒级数展开与多点采样方法结合应用于空间频散关系,基于最大范数建立直观有效的优化目标函数,采用Remez算法求解该目标函数,从而获得最优化差分系数.利用优化有限差分方法求解三维垂直对称轴横向各向同性（VTI）介质中的声波和弹性波方程.另外,本文将二维混合吸收边界条件推广到三维VTI介质中,用于吸收人工截断边界反射;基于各向异性特征,合理调整了边界区域的速度值来提高吸收效果.考虑到三维情况下计算效率的问题,本文波场外推过程中采用图形处理器（GPU）取代传统的中央处理器（CPU）.数值精度分析表明,相比较于传统的泰勒级数展开方法,优化有限差分方法在大波数区域对频散误差的压制效果更明显.在三维均匀和修改的Hess VTI模型中的数值模拟实验证明了本文方法具有更高的精度与效率,混合吸收边界条件在三维VTI介质中具有良好的边界吸收效果.     

三维弹性波数值模拟中改进的NPML研究

在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件达到衰减人为边界反射的目的,其中完全匹配层(PML)吸收边界条件被认为是目前最理想的吸收边界条件.但在三维地震波传播数值模拟中直接应用常规的PML吸收边界条件存在编程实现复杂、计算资源需求高等不足之处.本文基于传统的NPML吸收边界条件,提出了一种改进的方法.该方法通过引入伸展函数和辅助变量,把PML介质中的三维弹性波动方程分解成正常计算项和衰减项,其中衰减项的计算只在PML区域内部进行,其值只与坐标轴的方向相关,可通过离散数值迭代求解.分析和试验结果表明,该方法避免了卷积运算,减少了辅助变量的个数,具有理论方程简洁、编程实现简单、计算资源需求少等优点,能更有效地解决三维地震波传播数值模拟中的吸收边界问题.     

格子法在起伏地表叠前逆时深度偏移中的应用

基于全程波波动方程的逆时偏移(Reverse Time Migration)可以对回转波、多次反射波成像,不受横向速度变化影响,没有倾角限制,随着计算机软硬件技术的进步,再次成为偏移方法研究热点.本文将格子法用于叠前逆时深度偏移成像.格子法作为波场延拓方法,处理起伏地表边界条件容易,可用于含起伏地表边界条件的逆时波场延拓;可利用变尺度非规则对计算域进行离散,因此可根据速度模型调整网格尺度来降低存储量,放大时间步长,降低计算量.采用光滑的曲人工边界,也可避免常规的PML吸收边界存在的角点区域需特别处理的麻烦.本方法通过事先计算和存储边界单元的局部几何参数,与直边界PML方法相比不增加任何计算量.格子法还具有容易实现并行计算的特点,非常适用于叠前逆时偏移.本文给出了二维问题算例.     

VSP时空域高角度单程波方程偏移及其应用研究

偏移成像是VSP数据处理中的一个重要环节,常规的VSP成像方法通常利用VSP-CDP转换或Kirchhoff偏移,均存在保幅性差及成像精度低等问题,而波动方程叠前深度偏移被认为是对地下复杂构造进行成像的精确偏移方法.任意广角波动方程作为一种高精度的空间域单程波波动方程,同时由于只含有二阶偏导数项,易于数值实现,与其他单程波波动方程相比,具有更大的成像倾角,因此是偏移成像的有力工具之一.本文将AWWE推广应用到VSP数据成像中,实现了VSP时空域高角度单程波方程偏移.首先从三维标量任意广角波动方程出发,推导了完全匹配层吸收边界条件,在基本不增加计算量的前提下有效地压制了边界反射成像噪音,同时利用非线性反演算法优选参考速度来提高平方根算子的近似程度,从而提高高角度地层的成像精度.模型数值模拟实验验证了该方法的有效性,同时表明该方法在陡倾角构造情况下能取得很好的成像效果.最后对某地区实际观测的VSP资料进行了偏移成像,并与地面地震偏移结果进行了对比,显示出VSP波动方程偏移在成像分辨率上的优势.     

基于吸收边界条件的瞬变电磁法三维矢量有限元快速正演

瞬变电磁法的三维有限元正演通常采用齐次边界条件,为满足该边界条件,需要构建较大尺寸的模型,这降低了正演问题的求解速度.针对该问题,本文采用吸收边界条件代替齐次边界条件,以缩小模型体积,加快正演速度:首先,从时间域麦克斯韦方程组出发,推导了基于库伦规范的矢量势的微分控制方程,结合一阶吸收边界条件推导了相应的的弱形式方程;在此基础上采用一阶四面体矢量单元进行单元分析、Newmark法进行时间离散,实现了瞬变电磁法的快速三维正演.通过均匀半空间模型的解析解,H型地电断面的CR1Dmod解和相应模型有限元解的对比,验证了本文算法的正确性.均匀半空间模型分别采用吸收边界条件和齐次边界条件的正演结果对比表明:吸收边界条件确实可以提高三维正演的精度或者缩小模型尺寸、加快计算速度.     

三维地形频率域人工源电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算频率域人工源三维地形电磁场的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件，将上半空间（空气）和下半空间（地下介质）两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中，假设单元中电磁场为无限大气空间电磁场与地形影响的叠加,并假设地形影响为常项,这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算，每一个矢量面积分方程分解为对应三个坐标方向的三个常量线性方程，这些线性方程组成了对角占优的线性方程组，可用SSOR方法求解.文中给出了垂直磁偶源的垂直磁场地形影响的例子.     

可控源电磁三维频率域有限元模拟

本文采用电磁场的磁矢量位和电标量势,将Maxwell方程组化为位势的类似于Helmholtz型方程,并引入罚项及稳定化方法克服了电磁三维有限元算法中的伪解及数值不稳定性;采用人工边界把计算区域局域化,将均匀半空间中水平电偶极子源产生的位势值作为人工边界上的第一类边界条件以表示源的作用,减少了实际的计算区域.理论模型和复杂模型的计算结果均表明,可控源电磁三维有限元数值模拟给出了稳定、可靠的电磁场分布.     

三维高阶深度偏移方程及其数值求解方法

从三维非均匀介质中的波动方程出发，利用拟微分算子理论，Ｐａｄｅ逼近方法及因式分解技巧，获得了非均匀介质的三维高阶深度偏移方程，相应地提出了逐次低阶方程方法、低阶方程组方法及分裂方法等３种求解方法．与二维情形不同，以上每一种方法在数值求解时均存在由测线坐标ｙ的出现而带来的困难．为了克服这一困难，我们提出了差分算子分解方法，避免了近年来人们竞相研究的ｘ－ｙ方向微分算子分裂带来的分裂误差，保持了应有的相容性，解决了这一令人烦恼的问题．     

Perfectly matched layer boundary conditions for the second-order acoustic wave equation solved by the rapid expansion method

We derive a governing second-order acoustic wave equation in the time domain with a perfectly matched layer absorbing boundary condition for general inhomogeneous media. Besides, a new scheme to solve the perfectly matched layer equation for absorbing reflections from the model boundaries based on the rapid expansion method is proposed. The suggested scheme can be easily applied to a wide class of wave equations and numerical methods for seismic modelling. The absorbing boundary condition method is formulated based on the split perfectly matched layer method and we employ the rapid expansion method to solve the derived new perfectly matched layer equation. The use of the rapid expansion method allows us to extrapolate wavefields with a time step larger than the ones commonly used by traditional finite-difference schemes in a stable way and free of dispersion noise. Furthermore, in order to demonstrate the efficiency and applicability of the proposed perfectly matched layer scheme, numerical modelling examples are also presented. The numerical results obtained with the put forward perfectly matched layer scheme are compared with results from traditional attenuation absorbing boundary conditions and enlarged models as well. The analysis of the numerical results indicates that the proposed perfectly matched layer scheme is significantly effective and more efficient in absorbing spurious reflections from the model boundaries.     

地震波数值模拟的非规则网格PML吸收边界

以格子法为基础,以声波方程为例研究非规则网格PML(Perfectly Matched Layer)方法.本方法的核心是建立局部坐标系下的分裂方程和基于积分近似的微分方程弱形式.该非规则网格模拟方法允许在计算域内设置任意形状的人工边界.对于二维半空间问题,与采用矩形人工边界相比,采用半圆形人工边界可减少计算量20%以上.采用光滑的曲边界,不仅可减少计算区域,还可避免常规的PML吸收边界在吸收带角点区域的特殊处理.本方法事先计算和存储边界单元的局部几何参数,在计算的每一时间步查表调用这些参数,与常规的直边界PML方法相比,不增加任何计算量.     

频率域激电有限元数值模拟

在三维地电条件下,应用有限元方法模拟了不同频率谐变电流激发下的地表激电响应,首先根据麦克斯韦方程推导出谐变电磁场复电位的波动方程,利用广义变分原理得到复电位波动方程及其边界条件下边值问题等价的变分问题.尔后将区域剖分离散化,在单元中进行插值,得到一组线性方程组,通过合理存储刚度矩阵、解方程组,得到各个结点上的复电位值,最后得到表征频率域激电响应的幅频率等参数.模拟结果表明该方法合理正确.     

弹性波边界元法正演模拟

弹性波边界元地震模型方法（ＢＥＥＳＭ），实现了二维和三维问题的纵、横波及转换波的同时模拟，并且能模拟任意复杂构造的地震声波正演模型．根据地震模型的特点，本文发展了数值积分计算与矩阵消元同步进行的块状高斯消元法；用解析法处理奇异积分；用无限元法处理边界吸收问题；采用单元长度随介质速度和计算频率变化的变单元算法，及自动剖分单元等技术，提高了计算精度，节省了内存，缩短了计算时间．