SH波场中完全匹配层吸收边界研究(英文)

无限域中的波动方程数值模拟往往需要稳定有效的吸收边界来消除人为边界截断所引起的虚假反射.本文首先写出了全匹配层(PML)内SH波的波动方程推导结果,并给出了方程的Crank-Nicolson计算格式与其中窄间导数2阶,6阶,10阶精度的有限差分算法以及伪谱法算法.然后设计了均匀各向同性介质模型和分层溶洞模型并引入图像处理中的信噪比(SNR)概念来定量研究边界吸收效果同PML宽度、不同精度算法的关系.数值结果表明当匹配层宽度比较薄时可以用低精度的有限差格式来获得比较好的吸收效果,当匹配层比较宽时,采用高精度的算法可以获得很好的吸收效果.最后对"反射系数"进行了讨论,指出"反射系数"的不足和文中用SNR来定量衡量吸收边界     

一种改进的二阶弹性波动方程的最佳匹配层吸收边界条件

在分析前人有关二阶波动方程的最佳匹配层(PML)吸收边界条件的构建方式的基础上,讨论了这些PML吸收边界条件在计算效率和计算精度方面的不足,并给出了一种新的改进PML吸收边界条件.本文的核心思想是在频率域引入一个中间变量,避免了褶积运算,对该变量做傅里叶逆变换得到时间域的精确解.通过模型试算,把本文的改进算法与前人的算法的计算精度和计算时间进行比较.对比分析表明,本文提出的PML吸收边界条件计算量小且精度较高,并且是一种稳定的算法.     

横向各向同性介质弹性波多分量叠前逆时偏移

随着油气勘探程度的提高,隐蔽油气藏在增储上产方面起到了重要作用,因此发展基于各向异性介质的多分量偏移方法是非常必要的.本文基于横向各向同性（VTI）介质,从二维弹性波速度\|应力方程出发,通过在时间上的二阶差分和空间上的交错网格高阶差分对方程进行离散,得到弹性波交错网格高阶差分的多分量逆时偏移算子.在激发时间成像条件的应用过程中引入Poynting矢量进行成像并消除逆时偏移所引起的低频干扰,在此基础上实现了VTI介质中二维弹性波叠前多分量逆时深度偏移.理论模型的偏移处理表明,该方法能够对地层进行准确成像,并可以消除逆时偏移所引起的低频噪声.     

黏性声波方程数值正演中的匹配Z变换完全匹配层吸收边界

本文将非分裂场形式的匹配Z变换PML引入黏声波方程数值正演中,用时域有限差分模拟检验了其在黏声波方程模拟中的效果.数值正演结果表明,在大角度入射时匹配Z变换完全匹配层比传统PML表现更佳,消除了大角度入射产生的低频虚假反射.长时间能量衰减计算证明匹配Z变换完全匹配层在黏声波方程模拟中具有105时间步的稳定性.     

基于吸收衰减补偿的多分量高斯束逆时偏移

高斯束逆时偏移结合了射线类偏移的高计算效率和波动方程逆时偏移的高精度,能很好地处理焦散点、大倾角成像问题,并且具有面向目标成像的能力.多分量地震资料的偏移技术可以对地下复杂构造进行更准确的成像,由于实际地下介质具有黏滞性,研究黏弹性叠前逆时偏移具有一定的现实意义.本文采用高斯束逆时偏移方法对多分量地震数据进行吸收衰减补偿,首先分别给出纵波和转换波共炮域高斯束叠前逆时偏移方法原理,在此基础上推导补偿吸收衰减的表达式,校正Q引起的振幅衰减和相位畸变,实现基于吸收衰减补偿的多分量高斯束叠前逆时偏移.数值模型的测试结果显示,在考虑地下介质的黏滞性时,本文方法具有更高的成像分辨率.     

完全匹配层吸收边界在孔隙介质弹性波模拟中的应用

模拟弹性波在孔隙介质中传播,需要稳定有效的吸收边界来消除或尽可能的减小由人工边界引起的虚假反射. 本文在前人工作基础上,首次建立了弹性孔隙介质情况下完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法,并详细讨论了完全匹配层的构建及其有限差分算法实现. 首先,本文通过均匀孔隙模型的数值解与解析解的对比,验证所提出的数值方法的正确性;然后,本文考察了完全匹配层对不同入射角度入射波和自由表面上的瑞利波的吸收性能,将完全匹配层与廖氏和阻尼吸收边界进行了对比,研究了这三种吸收边界在不同吸收厚度情况下对弹性波吸收能力. 数值结果表明,在孔隙介质中,完全匹配层作为吸收边界能十分有效地吸收衰减外行波,无论对体波还是面波,是一种高效边界吸收算法.     

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.     

基于一阶速度-应力方程的多震源最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移（Least-Square Reverse Time Migration,LSRTM）相比于常规偏移具有更高的成像分辨率、振幅保幅性及均衡性等优势,是当前研究的热点之一.然而,目前LSRTM算法大多是基于二阶常密度标量声波方程建立的,忽略了密度变化对振幅的影响,因而基于振幅匹配策略的常规LSRTM很难在变密度介质下取得保真的成像结果.一阶速度-应力方程能够很好地处理变密度介质,但简单地将一阶速度-应力方程应用到LSRTM中缺乏理论基础.为此,本文从LSRTM的正问题入手,提出了基于交错网格的一阶速度-应力方程LSRTM理论方法.首先将一阶波动方程线性化,建立了一阶方程LSRTM的目标泛函,随后推导其伴随方程,并借助伴随状态法给出了迭代更新流程,最终建立了基于一阶速度-应力方程LSRTM的理论框架.进一步,通过在相位编码LSRTM中引入随机最优化思想,极大地减小了计算量、提高了计算效率.最后,通过模型试算验证了本算法的正确性和有效性.     

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.     

声反射成像测井弹性波逆时偏移方法对比研究

声反射成像测井中的声波逆时偏移算法在处理单分量偶极横波反射资料时可获得高精度成像结果, 而面对单极声源中的多波多分量弹性波反射资料时, 由于其包含PP、PS、SP和SS等多种波型分量, 基于声波方程的逆时偏移处理结果中出现单反射界面对应多同相轴的偏移假象.首先在声反射成像测井中实现了纵横波耦合弹性波逆时偏移和基于Helmholtz分解的弹性波逆时偏移, 在此基础上首次提出和实现了基于一阶速度-应力纵横波解耦方程的弹性波逆时偏移, 通过纵横波解耦结果和成像结果对三种声反射成像测井弹性波逆时偏移进行对比研究, 数值算例表明基于纵横波耦合的弹性波逆时偏移无法处理转换波(PS或SP)成像问题; Helmholtz分解虽可实现纵横波解耦但同时引起反射波振幅和相位改变, 进而导致包含S波的成像分量出现极性反转问题.基于一阶速度-应力纵横波解耦方程的弹性波逆时偏移可有效处理多波多分量反射资料偏移成像, 消除转换分量成像噪声, 解决S波分量成像极性反转, 为声反射成像测井弹性波逆时偏移算法奠定了有力的理论基础.

     

用于地震波场模拟的PML边界衰减因子研究(英文)

在地震波场数值模拟中,为了消除由人为边界产生的边界反射,需要引进边界吸收条件。本文从声波方程完全匹配层吸收边界的经典方法出发,基于高斯函数任意阶光滑的特点,提出了一种高斯型衰减因子,分析比较该因子与一般衰减因子的性质,并基于均匀与层状速度模型分别进行了数值模拟计算。数值结果显示,当选择相同的PML边界吸收层层数时,高斯型衰减因子的吸收效果明显优于一般的衰减因子,边界反射更少,信噪比更高;对比最近提出的正弦型衰减因子,在信噪比接近的情况下,高斯型衰减因子所需的PML吸收层层数更少。     

完全匹配层在数值模拟孔隙介质声波传播中的应用

The nonsplitting perfectly matched layer （NPML） absorbing boundary condition （ABC） was first provided by Wang and Tang （2003） for the finite-difference simulation of elastic wave propagation in solids. In this paper, the method is developed to extend the NPML to simulating elastic wave propagation in poroelastic media. Biot＇s equations are discretized and approximated to a staggered-grid by applying a fourth-order accurate central difference in space and a second-order accurate central difference in time. A cylindrical twolayer seismic model and a borehole model are chosen to validate the effectiveness of the NPML. The results show that the numerical solutions agree well with the solutions of the discrete wavenumber （DW） method.     

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.

     

Prestack reverse-time depth migration of arbitrarily wide-angle wave equations

Based on arbitrarily wide-angle wave equations,a reverse-time propagation scheme is developed by substituting the partial derivatives of depth and time with central differences. The partial derivative of horizontal direction is replaced with high order difference. The imaging condition is computed by solving the eikonal equations. On the basis of above techniques,a prestack reverse-time depth migration algorithm is developed. The processing exam-ples of synthetic data show that the method can remove unwanted internal reflections and decrease the migration noise. The method also has the advantage of fidelity and is applicable of dip angle reflector imaging.     

Complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer for frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic media

Seismic anisotropy has an important influence on seismic data processing and interpretation. Although the frequency-domain seismic wavefield simulation has a problem of solving the large scale linear sparse matrix due to the computational limitations, it has some advantages over the time-domain seismic wavefield simulation including efficient inversion using only a limited number of frequency components and easy implementation of multiple sources. To accurately simulate seismic wave propagation in the frequency domain, we also need to choose the absorbing boundary conditions to absorb artificial reflections from edges of the model as we do in the time domain. Compared with the classical boundary conditions including the perfectly matched layer and complex frequency-shifted perfectly matched layer, the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer has been proven to effectively suppress the unwanted reflections at grazing incidence and solve the instability problem in the time-domain seismic numerical modelling in anisotropic elastic media. In this paper, we propose to extend the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer absorbing boundary condition to the frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic elastic media. To test the validity of our proposed algorithm, we compare the results (snapshots and seismograms) of the frequency-domain seismic wavefield simulation with those of the time-domain modelling. The model studies indicate that the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer absorbing boundary condition is stable in the frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic media, and provides better absorbing performance than the complex frequency-shifted perfectly matched layer boundary condition.     

Perfectly matched layer-absorbing boundary condition for finite-element time-domain modeling of elastic wave equations

The perfectly matched layer (PML) is a highly efficient absorbing boundary condition used for the numerical modeling of seismic wave equation. The article focuses on the application of this technique to finite-element time-domain numerical modeling of elastic wave equation. However, the finite-element time-domain scheme is based on the second-order wave equation in displacement formulation. Thus, the first-order PML in velocity-stress formulation cannot be directly applied to this scheme. In this article, we derive the finite-element matrix equations of second-order PML in displacement formulation, and accomplish the implementation of PML in finite-element time-domain modeling of elastic wave equation. The PML has an approximate zero reflection coefficients for bulk and surface waves in the finite-element modeling of P-SV and SH wave propagation in the 2D homogeneous elastic media. The numerical experiments using a two-layer model with irregular topography validate the efficiency of PML in the modeling of seismic wave propagation in geological models with complex structures and heterogeneous media.     

基于散射理论的逆时偏移随机边界构建策略优化分析

叠前逆时偏移将是应用前景最为广泛的地震偏移技术,但存在计算量大和存储单元要求多的瓶颈问题.随机边界条件思想的提出较好地解决了其中的存储问题,但同时也大大增加了计算成本.为了减小边界宽度,降低宽边界带来的计算负担,同时又不影响随机边界的随机效果,本文首先提出了一种多形式随机边界函数,并从随机介质散射理论出发,研究了随机边界的散射特性,并将随机边界归纳为增强模式和衰减模式两类,深入分析推导了不同模式边界的随机函数形式选择的最优判据,最后形成了一套能够使得在边界宽度有限情况下获得最佳散射效果的随机边界构建算法.理论分析和数值模拟实验结果表明:在边界宽度较窄的情况下,利用本文提出的随机边界构建策略,能够最大程度地发挥有限宽随机边界散射性能,压制相干能量的产生.这为提高随机边界的随机性能,减小随机边界的宽度,提高逆时偏移的计算效率提供了一种有效的方法.     

探地雷达FDTD数值模拟中不分裂卷积完全匹配层对倏逝波的吸收效果研究

介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏逝波产生的机理,分析了决定逝波性吸收性能的影响因素.均匀介质的波场快照、检测点的反射误差及全局反射误差对比,说明了3种边界条件对传输波都具有较好的吸收能力,而对低频倏逝波的吸收表现迥异,其中CPML因为引入了参数α,对倏逝波的吸收效果最佳,但离散化造成的全域误差也最大.最后,应用加载UPML和CPML边界条件的FDTD程序,开展了GPR二维剖面法、宽角法矩状地电模型及三维复杂模型的正演,展示了倏逝波反射对雷达正演剖面及波场快照的影响.进一步对比了UPML与CPML对倏逝波的吸收表现优劣,结果显示,CPML可有效减少边界反射误差,并能取得满意的精度,综合考虑对倏逝波的吸收、全域误差、编程难易程度等因素,在GPR正演中推荐使用CPML.     

Comparison of perfectly matched layer and multi-transmitting formula artificial boundary condition based on hybrid finite element formulation

The theory of perfectly matched layer (PML) artificial boundary condition (ABC), which is characterized by absorption any wave motions with arbitrary frequency and arbitrarily incident angle, is introduced. The construc- tion process of PML boundary based on elastodynamic partial differential equation (PDE) system is developed. Combining with velocity-stress hybrid finite element formulation, the applicability of PML boundary is investi- gated and the numerical reflection of PML boundary is estimated. The reflectivity of PML and multi-transmitting formula (MTF) boundary is then compared based on body wave and surface wave simulations. The results show that although PML boundary yields some reflection, its absorption performance is superior to MTF boundary in the numerical simulations of near-fault wave propagation, especially in corner and large angle grazing incidence situations. The PML boundary does not arise any unstable phenomenon and the stability of PML boundary is better than MTF boundary in hybrid finite element method. For a specified problem and analysis tolerance, the computa- tional efficiency of PML boundary is only a little lower than MTF boundary.