双重贝寒尔函数积分的数值计算

双重贝塞尔函数积分则由于贝塞尔函数互乘项的强振荡与慢衰减特性而以以应用通常的数值积分算法。本文将被积区间[0,∞]划分为[0，λ0]、[λ0，∞]两部分，应用贝塞尔函数的克尔函数表述式及后者的大宗量渐近特性，区间[λ0，∞]的双重贝寒尔函数积分可被转化为Fourier正（余）弦变换，并可利用各种快速算法对其进行数值计算；区间[0，λ0]上的双重贝塞尔函数积分的计算可直接应用一般的数值积分算法并能获得较高的计算精度；当需大量计算有共同参量的双重贝塞 尔函数积分时，其计算效率仍显不足。此时，可应用贝塞尔函数的导数关系式对[0,λ0]内的双重贝塞尔函数积分进行恒等变换，再用差商近似导数，将其转化为对贝塞尔函数本身的积分，而该积分又仅需计算一次。故本算法对双重贝塞尔函数积分的计算效率有明显提高。     

大定圆回线频率域电磁场特征研究

大定圆回线非中心回线装置的电磁场计算公式中含有双重贝塞尔函数,因其高震荡性,使用常规方法计算误差较大。为提高计算精度,本文使用一种通过改进核函数的快速汉克尔变换算法来进行求解,计算结果表明:该算法能够很好的压制贝塞尔函数的强震荡性对计算结果的干扰,即使在非准静态近似的条件下,也能精确地计算出大圆回线源位于地表及接收点位于地面任意一点的电磁场,此外,大定源回线电磁场的分布规律不仅与接收装置位于回线内、外有关,还与圆回线所处的位置成一定的线性关系。     

基于快速汉克尔变换算法的CSAMT一维正演

水平层状介质上的电偶源产生的电磁场数值解是含有零阶和一阶贝塞尔函数的无穷积分,这类积分实质上是汉克尔变换式。通过3种方案的计算实例,说明快速汉克尔变换滤波系数的选取对正演结果的影响。计算结果显示:加长滤波系数能明显提高计算精度,使正演结果真实地接近实际;相反,滤波系数区间过短会出现场值的畸变,视电阻率会受到较大影响。因此,合理选取滤波系数可以提高计算精度和速度。      

导线环垂直激发场高精度数值模拟

导线环垂直激发场是导线环在地下产生的激发场中垂直于地磁场的分量,在地面核磁共振找水方法中,垂直激发场在地下的分布直接决定地面核磁共振响应,探讨影响垂直激发场地下分布的诸因素进而研究这些因素对地面核磁共振响应的作用,对核磁共振找水正确野外施工具有一定的指导意义,有助于采集更高质量的野外数据.利用经典Chave算法对含有贝塞尔函数的强振荡积分核进行了数值积分试验,将其计算结果和对应的解析解进行了对比,试验结果显示该算法用于强震荡函数无穷积分的计算具有良好的收敛性、较高的精度和较快的计算速度,采用Chave算法对含有贝塞尔函数的强振荡函数进行积分是可行的.在此基础上,进一步计算并数值模拟了导线环垂直激发场及其相位,分别从地磁倾角、磁偏角、地下介质导电性、深度等方面探讨了影响垂直激发场及其相位分布的主要因素.     

均匀半空间回线源非中心点频率域电磁场计算

在回线源频率域非中心点磁场计算过程中,会遇到双贝塞尔函数积分问题。这里给出了一种基于静磁场毕奥-萨伐定律计算双贝塞尔函数积分的数值方法,将频率域电磁场写成由回线源直接激发的一次场和由地下导电介质感应出的二次场的和的形式,根据一次场和二次场被积函数的形态区别,对两部分的积分采用不同的计算方法。为了验证该方法的准确性,将回线源剖分成若干个电偶极子,用电偶极子叠加的电磁场与本文提出方法计算的结果对比。对比结果表明,二者的相对误差很小,这有助于研究回线源电磁场的分布规律。     

一种层状大地瞬变电磁响应正演计算的改进方法

频谱法是瞬变电磁法正演计算中常用的计算方法之一,其关键在于内层含贝塞尔函数的积分计算。对于重叠回线装置的瞬变电磁法正演的内层积分,以往采用在积分区间内寻找贝塞尔函数的零点分布,依次在相邻零点之间采用一般的数值积分法在求得各自的积分值后再叠加的方法进行计算。这种方法精度较高,但效率低。利用贝塞尔函数的大宗量渐近特性,提出一种新的计算方法。计算结果表明,该方法计算效率高、方法简单、精度可靠。     

高阶统计量在油气地球物理勘探中的新应用

利用高阶统计量所具有的可抑制高斯噪声和比常规的自相关函数包含更多信息的优点,并结合油气地球物理勘探的实际问题,在油气检测、小断层自动识别和相干技术3个领域进行了理论创新,相应提出了3种新的地震资料处理与解释方法:①采用高阶谱特征参数进行油气检测和识别,并得出了含水砂岩和含气砂岩的高阶谱属性规律;②采用四阶累积量函数计算时间延迟进行小断层的自动识别;③采用四阶矩函数代替互相关函数进行相干计算,对第一代相干体算法进行了改进,发展了基于高阶统计量的相干体算法.提出了利用沉积环境时间演化切片图进行砂体的沉积环境演化分析,为砂体的沉积环境演化分析提供了一种新的工具.     

频率-贝塞尔变换方法在巢湖滩涂浅层勘探上的应用

目前常用的基于背景噪声的面波方法反演地下速度结构,存在频率范围较低,对浅部不够敏感,无法有效提取高阶面波频散曲线的缺点。研究表明,高阶面波包含丰富的地下介质结构信息,在反演时加入高阶提供更多的约束,可降低反演非唯一性,提高反演结果准确性。这里用频率-贝塞尔变换方法对从安徽巢湖滩涂采集到的背景噪声数据进行处理,并使用拟牛顿法进行反演。对比了只用基阶频散信息和基阶、1阶频散曲线联合反演两种情况,结果表明,在结合了1阶频散信息后,得到了更为准确的浅部速度结构,说明频率-贝塞尔变换方法在浅层勘探中的应用是行之有效的。     

体积分方程法模拟复电阻率三维体电磁响应

利用体积分方程法计算了均匀半空间中复电阻率(激电)效应和电磁效应同时存在时的三维体响应。在计算中,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。验证了计算结果并分析了三维体复电阻率模型(Cole-Cole)参数对正演结果的影响,为三维体复电阻率及其参数反演提供了正演依据。      

汉克尔自适应算法在电磁计算中的应用

对于地球物理电磁计算中常出现的贝塞尔函数积分,对比几种高精度的快速汉克尔长滤波系数的精度,选择出一种对于一般情况都表现较好的汉克尔滤波系数,在其基础上,进行一个自适应的截断,来计算相关核函数的积分问题。这样既能保证计算的精度,又能节省计算时间。通过计算实例表明,该算法在保证精度的前提下,相比汉克尔滤波直接计算方法,能够节省大量的时间,尤其对于积分核函数相对复杂的情况,节省时间量尤其显著。在地球物理数据计算量越来越繁琐的今天,该算法对节省计算机资源,具有可行性和实用性。     

水平层状各向异性地层多分量感应测井数据的快速参数化反演算法

利用传输线理论、Sommerfeld积分快速计算以及最小平方拟合技术研究建立多分量感应测井数据的一种新的快速参数化迭代反演算法,同时重构水平层状横向同性地层的纵、横向电阻率以及水平层界面深度。首先,通过Fourier变换与传输线理论给出频率波数域中电磁场并矢Green函数在各个地层中的解析解,并利用三次样条插值和贝塞尔函数递推公式建立Sommerfeld积分的半解析算法,快速计算多分量感应的测井响应。然后在此基础上,利用摄动理论建立磁场并矢Green函数与模型向量间变化关系的摄动方程,并将摄动方程中各个积分转化为Sommerfeld积分,实现正演模拟的同时用半解析算法快速确定多分量感应测井响应的Fréchet导数。最后,利用归一化处理和奇异值分解技术,同时反演所有地层的纵、横向电阻率和层界面深度,实现输入数据和反演模型的模拟数据优化拟合。理论模型的数值结果验证了该反演算法的有效性及抗噪性。     

多层介质点电流源磁场响应计算

介绍了点电流源层状介质模型磁电阻率法响应的模拟方法。由电流磁场的旋度公式出发,推导了多层介质中点电流源磁场的表达式,其为一个关于空间径向坐标和贝塞尔函数空间波数的二重积分。利用贝塞尔函数的性质可将该二重积分化为标准的贝塞尔积分,然后采用直接数值积分的方法计算该积分。在此过程中通过连分式展开加快积分求和的收敛速度。利用上述方法对海底天然气水合物模型点电流源产生的磁场进行了计算。模型计算结果表明,海底天然气水合物的存在能引起磁场较为明显的相对变化。     

基于OpenMP一维CSAMT正演并行计算研究

电偶极子场源在水平层状介质中传播的电磁场的数值解是通过求解含有零阶和一阶贝塞尔函数的积分(汉克尔变换)所得,可控源音频大地电磁法(CSAMT)一维正演计算就是计算各个频率的视电阻率,使用传统串行方式对频点逐一计算,速度相对较慢。本文旨在使用Intel Visual Fortran 2013和VS2012软件,编写基于OpenMP的CSAMT一维正演并行计算程序。与一维CSAMT串行程序的对比:相同的计算量下,并行程序运行时间少于串行运行时间,计算量越大并行加速比越明显;验证了并行程序的可行性,为CSAMT多维复杂模型正演计算提供了并行研究基础。     

阶谱块体单元法及其在连续介质力学问题中的应用

介绍了阶谱块体单元法的基本概念和原理，比较了该方法与有限元法，数值流形方法的异同，并对其在连续介质力学问题中的应用进行了探讨。计算研究表明，经过简单的处理后，阶谱块体单元法可以应用于连续介质力学问题并得到与有限元法十分接近的结果。通过对形函数阶次，块体单元形状，块体单元网格密度，虚拟结构面的参数取值等问题的研究，得出了一些规律性的认识，据此提出了提高计算精度的措施和虚拟结构面参数建议取值范围。     

龙格—库塔法计算明渠恒定渐变流水面线

用龙格—库塔法计算棱柱体明渠恒定渐变流水面线,可求得距控制断面任意长度的断面水深,避免逐段试算法产生的系列问题。推导出分别由上游和下游控制断面计算水面线的两种模型,基于龙格—库塔法的Matlab函数ode45计算水面线。算例表明,与逐段试算法相比,ode45的计算结果精度更高,计算水面线的新方法简单易行,便于在工程中推广。     

增设排水廊道对大坝渗流场的影响分析

通过对大坝增设排水廊道设计方案的研究,提出了两种含自由面的三维稳态渗流有限元分析算法,即松驰型算法及丢单元法。并比较了两种算法的计算精度,最后用丢单元法对丰满大坝进行了三维渗流分析,得出了在大坝内增开排水廊道会降低下游渗出点的结论,强度计算表明该方案的实施对大坝的安全性能不会造成很大影响。     

基于粒子群算法优化小波支持向量机的岩土力学参数反演

常用的确定岩土力学参数的方法有原位测试和室内试验两种,但都存在一定的局限性,参数选择的合理与否,对设计计算及数值模拟分析结果的有效性影响很大。支持向量机法在理论基础和求解算法方面都具有明显优势,为确保岩土力学参数取值的合理性,采用支持向量机法对岩土力学参数进行反演。先通过小波分析理论构造出支持向量机的核函数,再用粒子群算法(PSO)分别优化Morlet小波、Mexico小波和RBF函数的支持向量机模型参数,通过小波支持向量机模型建立反演参数与沉降值间的非线性映射关系。根据正交试验和均匀试验对需反演的岩土力学参数进行设计,结合有限元软件进行计算分析,得到学习样本和测试样本。分别采用Morlet小波、Mexico小波和RBF函数得出的预测结果和原始数据进行对比分析,发现采用Morlet小波核函数预测效果更佳。使用Morlet小波核函数预测的参数输入到Midas模型中计算建筑物最终沉降量,比较计算值与实际监测值,其相对误差不超过8.1%。研究结果表明,该方法在岩土工程参数的反演中具有良好的应用价值,对今后岩土力学参数的确定及校核提供了一种新方法。     

联用高斯求积与连分式求和计算Hankel变换及在地球物理上的应用

光学、电磁学和地震学都需要计算Hankel变换。除少数核函数的Hankel变换有解析式,绝大多数的通常采用数值积分的方法对其近似计算。虽然数字滤波法是常规的计算方法,但由于滤波系数的不统一,导致计算结果并不完全一致,甚至在某些情况结果是错误的。为了解决这个问题,采用直接数值积分的方法计算Hankel变换。具体过程是:首先将Hankel变换分解为积分限从零到Bessel函数的第一个零点值的积分段和后续各相邻零点值作为积分限的积分段的和,然后用高斯求积计算每段积分。对高斯求积结果组成的序列采用连分式求和,无论是计算结果的精确性还是收敛速度都要优于直接求和。这里首先详细阐述了联用高斯求积与连分式求和计算Hankel变换的基本原理和相关算法,然后用Matlab编程对比了直接求和与连分式求和的计算效果,最后将此方法应用于电偶源在均匀半空间激发的地下场计算的两个实例中。应用表明:将高斯求积与连分式求和进行联用是计算Hankel变换的一种有效方法,可以广泛应用于地球物理应用中。     

大定源回线全区视电阻率平移算法与核函数算法的对比

为了更快、更准确地进行瞬变电磁一维正、反演,研究了中心回线装置计算全区视电阻率的平移算法和核函数算法。研究表明,均匀半空间大定源回线的瞬变响应曲线具有平移伸缩特性和核函数特点,可以运用平移算法和核函数算法计算。推导出全区视电阻率的计算公式,通过三层K型、4层KH型地电模型理论计算,对比分析了平移算法和核函数算法的运算速度和误差,结果表明:平移算法的运算速度为0.140 6 s,均方根误差为1.824×10-2,核函数算法的运算速度为3.241 8 s,均方根误差为0.728×10-2,两种方法均能计算大定源回线的全区视电阻率,各有优缺点。      

边坡可靠度分析的支持向量机法

提出了基于支持向量机（SVM）的边坡可靠度分析新算法。该方法采用均匀设计确定样本点,通过一定数量的确定性计算来训练SVM,拟合边坡的功能函数;采用一阶可靠度方法（FORM）和迭代算法优化SVM模型,获得可靠度指标和验算点信息;在SVM模型基础上进一步通过二阶可靠度方法（SORM）和蒙特卡罗模拟（MCS）计算边坡的失稳概率。以两个典型边坡为例,通过与其他方法比较,证明了该方法的准确性和高效性。结果表明：提出的在标准正态空间（U空间）中取样并构建SVM,在原始空间（X空间）中计算功能函数的算法,有效地解决了具有相关非正态分布变量的可靠度分析问题,并且可很容易扩展到SORM的计算。算例结果证明,该方法的精度高于FORM;而效率优于MCS。分析过程中,边坡安全系数计算和可靠度分析相互独立。因此,该方法既适用于具有显式功能函数的简单问题,也适用于需要软件计算安全系数的实际边坡问题。