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.     

弹性波正演模拟中改进的非分裂式PML实现方法(英文)

在弹性波有限差分正演模拟中,吸收边界条件常用来吸收截断边界处引入的不期望边界反射,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。但是PML吸收边界条件的传统实现却存在着很大不足:全局分裂式PML吸收边界条件实现简单但是需要占用太多内存;局部分裂式PML吸收边界条件需要考虑多个边界和角点区域,编程实现非常复杂;非分裂式PML吸收边界条件由于涉及卷积运算,计算量很大。本文基于非分裂式PML吸收边界条件,结合复频移伸展函数,提出了一种新的数值实现方法,其计算方程简单、占用内存小、编程实现容易,是对PML介质理论数值实现的改进和完善。     

基于卷积完全匹配层的非规则网格时域有限元探地雷达数值模拟

复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟.     

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.     

适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML与CFS-PML吸收边界条件（英文）

无网格有限差分法能有效提高数值模拟的几何灵活性,且无需网格映射或复杂的网格生成过程。RBF-FD (基于径向基函数的有限差分)是最常用的无网格有限差分法之一,可以准确模拟地震波在非矩形计算域中的传播。本文提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML (完全匹配层)吸收边界条件,可以应用于非矩形速度模型的边界。但是PML吸收边界对近掠射波、低频波的吸收效果不好。为此,我们继续提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的CFS-PML(复频移完全匹配层)吸收边界条件。本文所提两种边界条件均是通过构造辅助微分方程,得到不分裂时域表达式,具有存储量小、便于编程实现的特点。模拟结果表明,两种PML吸收边界条件都能有效地消除无网格有限差分数值模拟的人工边界反射。此外,本文所提CFS-PML相较PML对近掠射波和损耗波的吸收效果更好。     

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.     

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。     

基于递归积分的复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法

常规完全匹配吸收边界(PML)对以近掠射角入射到界面上的波以及低频波、损耗波都会产生虚假边界反射.基于递归积分的不分裂复频移PML算法,利用复频移拉伸函数,极大地改善了PML边界条件的性能,我们进一步推导出基于递归积分的不分裂复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法,对长条形介质模型进行数值模拟,与常规PML算法进行比较说明该算法对以掠射角入射到PML界面的波以及PML层内损耗波的吸收效果.     

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法. 在此基础上，将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度应力混合有限元格式中，探讨了PML应用的可行性，并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率，比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异，对两种边界的透射效果进行了分析. 结果表明， 尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性，但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果，在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显；PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中，未见失稳等不良反应，比MTF人工边界有更好的稳定性；在合理选择参数的情况下，PML人工边界的运算量可接受.      

CPML在瞬变电磁法时域有限差分三维正演中的应用分析

在瞬变电磁法三维数值模拟中,边界采用Dirichlet条件会导致计算空间过大,耗时过长.对电磁场传播的开域空间进行截断,在截断边界采用CPML吸收边界条件,可以有效减少计算量.从坐标伸缩Maxwell方程可以推导出CPML差分更新方程,通过对空气介质、似稳态条件下大地介质的吸收边界参数进行理论推导,分析了不同频率下的衰减系数和反射系数对吸收效率的影响.根据分析结果对Roden提出的吸收边界参数分布进行改进,使其适合低频条件下的电磁波吸收;分别以无耗空气模型、典型大地介质模型和地下高阻空腔模型为例,计算了CPML吸收边界在不同介质、不同空间大小下的反射误差.计算结果表明,地下模型的边界距离CPML边界在10~15个网格,空气层厚度4~6个网格的空间大小就可以满足计算精度要求.     

多分量联合逆时偏移最佳匹配层吸收边界

有限空间内的波动方程逆时偏移需要利用有效的边界处理技术用以消除人工截断对偏移结果产生的影响。本文以横向各向同性介质弹性波速度-应力方程为基础,依据传统分裂式最佳匹配层（Perfect Matched Layer,PML）吸收边界技术的思想,推导了应用于逆时偏移的完全匹配层波动方程,并给出了其高阶交错网格有限差分格式。针对由边界处向计算区域内传播的＂反射波＂,以及地震记录排列两端地震同相轴突变对计算区域的影响这两方面问题,本文给出了逆时偏移中吸收层的布设方式。模型和实际资料的弹性波叠前多分量联合逆时深度偏移结果表明本文的边界处理方法取得了较好的吸收效果,获得了好的联合偏移成像结果。     

交错网格高阶差分法三维弹性波数值模拟

本文应用交错网格高阶有限差分方法模拟弹性波在三维各向同性介质中的传播。采用时间上二阶、空间上高阶近似的交错网格高阶差分公式求解三维弹性波位移-应力方程,并在计算边界处应用基于傍轴近似法得到的三维弹性波方程吸收边界条件。在此基础上进行了三维盐丘地质模型的地震波传播数值模拟试算。试算结果表明该方法模拟精度高,在很大程度上减小了数值频散,绕射波更加丰富,而且适用于介质速度具有纵向变化和横向变化的情况。     

基于平均导数优化方法的VTI介质频率空间域正演

本文提出了一种新的基于平均导数优化方法(average-derivative optimal method,简称ADM)的二维VTI介质qP波波动方程频率空间域二阶9点格式,这种新算法将二维VTI介质qP波波动方程中中心空间导数项的差分近似表示为正交方向上3个网格点的加权平均形式.通过最小二乘优化方法求取空间导数项和加速度项的加权优化系数从而使数值频散达到极小化,每个波长所需要的网格点数在1%的误差范围内仅为3.57个网格点数,而VTI介质常规9点差分格式在相同的误差范围内则需要约12个网格点数,新方法的计算精度明显提高.复杂BP2007 2D VTI海洋标准模型数值模拟结果也验证了本文VTI介质9点ADM算法的有效性和准确性.     

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.     

弱形式时域完美匹配层

应用高精度人工边界条件可有效提升近场波动数值模拟计算效率.完美匹配层是吸收层形式高精度人工边界条件,匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到,亦曾将无限域界面条件当作匹配层界面条件.场方程和界面条件构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发数值失稳、计算精度低下等问题.本文提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法.弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件,进而规避了变换后所得场方程与界面条件之间的匹配不合理问题.新方法可直接建立弱形式匹配层,在此基础上亦可给出强形式匹配层.弱形式便于有限元离散,强形式便于有限差分离散.基于弱形式完美匹配层,结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案.利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性.本文工作可直接推广至多相耦合介质近场波动数值模拟.     

波动方程三维吸收边界分解与拟合深度偏移方法

在偏移问题中引入吸收边界条件，既可以消除由人工边界激发的虚假反射，从而提高剖面质量。又可以减少计算工作量．本文讨论了三维吸收边界条件方程，提出了求解具有吸收边界条件的三维波动方程偏移定解问题的分解与拟合方法。理论分析与合成记录及野外实际地震资料处理结果表明，本文方法为一有效的三维吸收边界深度偏移方法。     

An unsplit complex frequency-shifted perfectly matched layer for second-order acoustic wave equations

The perfectly matched layer(PML) boundary condition has been proven to be effective for attenuating reflections from model boundaries during wavefield simulation. As such, it has been widely used in time-domain finite-difference wavefield simulations. The conventional PML has poor performance for near grazing incident waves and low-frequency reflections. To overcome these limitations, a more complex frequency-shifted stretch(CSF) function is introduced, which is known as the CFSPML boundary condition and can be implemented in the time domain by a recursive convolution technique(CPML). When implementing the PML technique to second-order wave equations, all the existing methods involve adding auxiliary terms and rewriting the wave equations into new second-order partial differential equations that can be simulated by the finite-difference scheme, which may affect the efficiency of numerical simulation. In this paper, we propose a relatively simple and efficient approach to implement CPML for the second-order equation system, which solves the original wave equations numerically in the stretched coordinate. The spatial derivatives in the stretched coordinate are computed by adding a correction term to the regular derivatives. Once the first-order spatial derivatives are computed, we computed the second-order spatial derivatives in a similar way; therefore, we refer to the method as two-step CPML(TS-CPML). We apply the method to the second-order acoustic wave equation and a coupled second-order pseudo-acoustic TTI wave equation. Our simulations indicate that amplitudes of reflected waves are only about half of those computed with the traditional CPML method, suggesting that the proposed approach has computational advantages and therefore can be widely used for forwarding modeling and seismic imaging.     

Reverse‐time migration from rugged topography using irregular,unstructured mesh

We developed a reverse‐time migration scheme that can image regions with rugged topography without requiring any approximations by adopting an irregular, unstructured‐grid modelling scheme. This grid, which can accurately describe surface topography and interfaces between high‐velocity‐contrast regions, is generated by Delaunay triangulation combined with the centroidal Voronoi tessellation method. The grid sizes vary according to the migration velocities, resulting in significant reduction of the number of discretized nodes compared with the number of nodes in the conventional regular‐grid scheme, particularly in the case wherein high near‐surface velocities exist. Moreover, the time sampling rate can be reduced substantially. The grid method, together with the irregular perfectly matched layer absorbing boundary condition, enables the proposed scheme to image regions of interest using curved artificial boundaries with fewer discretized nodes. We tested the proposed scheme using the 2D SEG Foothill synthetic dataset.     

A hybrid absorbing boundary condition for elastic staggered‐grid modelling

We recently proposed an efficient hybrid scheme to absorb boundary reflections for acoustic wave modelling that could attain nearly perfect absorptions. This scheme uses weighted averaging of wavefields in a transition area, between the inner area and the model boundaries. In this paper we report on the extension of this scheme to 2D elastic wave modelling with displacement‐stress formulations on staggered grids using explicit finite‐difference, pseudo‐implicit finite‐difference and pseudo‐spectral methods. Numerical modelling results of elastic wave equations with hybrid absorbing boundary conditions show great improvement for modelling stability and significant absorption for boundary reflections, compared with the conventional Higdon absorbing boundary conditions, demonstrating the effectiveness of this scheme for elastic wave modelling. The modelling results also show that the hybrid scheme works well in 2D rotated staggered‐grid modelling for isotropic medium, 2D staggered‐grid modelling for vertically transversely isotropic medium and 2D rotated staggered‐grid modelling for tilted transversely isotropic medium.