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.     

探地雷达GPR正演模拟的时域有限差分实现

近年来,随着数字处理技术和电子技术的飞速发展,探地雷达（GPR）的实际应用范围迅速扩大,现已覆盖考古、矿产资源勘探、水文地质调查、岩土勘查、无损检测、工程建筑物结构调查、军事等众多领域,解决了很多工程实际问题,成为浅层勘探的有力工具.而探地雷达的理论研究与实际的应用相比,具有明显的滞后性.但是解释人员要达到精确地对探地雷达实际资料的进行解析,必须事先了解地质体的雷达反射剖面的特征,所以作为反演与解释基础的复杂地电模型的探地雷达正演模拟技术,就成了探地雷达理论研究的主要内容之一.本文以麦克斯韦两个旋度方程为基本出发点,运用K.S.Yee的空间网格模型理论和时域有限差分法的基本原理,推导出二维空间的探地雷达正演方程组,并详细地分析了差分格式中半空间步长与半时间步长的实现方法,及其雷达波电场与磁场分量在计算机上相互关系的C程序实现.然后讨论了数值频散关系及其产生原因,通过同时考虑时域有限差分法及Yee氏网格的特点,推导出了符合探地雷达实际传播规律的理想频散关系,作者自制了探地雷达正演程序,并分别计算了Mur超吸收边界条件及无边界条件下的雷达地电模型,通过对比可知,超吸收边界条件可利用,大大地减少截断边界处的干扰波,达到用有限区域达到在无限空间传播的效果.最后作者利用自制程序,对“V”字形和同一斜面上的五个圆的两个典型的探地雷达地电模型进行了正演模拟,得到了正演剖面图,消除了边界反射后的雷达剖面能很好地指导工作人员对雷达实测剖面的地质解释,同时使正演研究更符合实际的地质情况.     

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.

     

基于混合边界条件的有限单元法GPR正演模拟

从Maxwell方程组出发,推导了探地雷达(GPR)有限元波动方程.阐述了透射边界条件和Sarma边界条件的原理,推导了这两种边界条件的理论公式;通过在衰减层内加入过渡带优化了Sarma边界条件的加载方法,压制了介质区和衰减层交界面处的人为反射.考虑到透射边界条件与Sarma边界条件不同的理论机制,提出了一种结合透射边界条件和Sarma边界条件的混合边界条件,它利用Sarma边界条件对到达边界区域的GPR波能量衰减功能和透射边界对GPR波能量的透射功能,使GPR波经过Sarma边界条件的衰减吸收后,再通过透射边界条件将剩余能量透射出去,集成了二者的优势.并以二维均匀模型中的中心脉冲激励源方式为例,通过Matlab程序实现,以GPR的全波场快照的直观方式,对比了有、无边界条件及不同边界条件对人工截断边界的处理效果,说明了该混合边界条件对到达截断边界处的GPR波的处理优于单一边界条件.最后,以基于混合边界条件的有限单元法对两个典型的GPR地电模型进行了正演模拟,指导了GPR数据处理与工程实践.     

基于PML边界条件的二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟

完全匹配层(PML)作为一种稳定高效的吸收边界条件,广泛应用于基于一阶电磁波动方程的探地雷达(GPR)数值模拟中.为解决基于二阶电磁波动方程的GPR数值模拟的吸收边界问题,本文借鉴二阶弹性波动方程的PML边界条件构建思想,提出了一种适合二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟的PML边界条件.从二阶电磁波动方程出发,基于复拉伸坐标变换,推导了PML算法的频域表达式;通过合理构造辅助微分方程,得到了PML算法的时域表达式,并以变分形式(弱形式)加载到GPR时域有限元方程中,实现了PML边界条件在二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟中的应用.在此基础上,对比了无边界条件、Sarma边界条件和PML边界条件下均匀模型的波场快照、单道波形、时域反射误差和能量衰减曲线,结果表明:PML边界条件的吸收效果要远优于Sarma边界条件,具有近似零反射系数.一个复杂介质模型的正演模拟验证了PML边界条件在非均匀地电结构中电磁波传播模拟的良好吸收效果.     

基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟

通过数值模拟研究探地雷达（GPR）高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件（CFS-PML）以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明：本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度.

     

任意倾斜各向异性介质中弹性波波场交错网格高阶有限差分法模拟

给出了任意倾斜各向异性介质中二维三分量一阶应力速度弹性波方程交错网格任意偶数阶精度有限差分格式及其稳定性条件,并推导出了二维任意倾斜各向异性介质完全匹配吸收层法边界条件公式和相应的交错网格任意偶数阶精度差分格式. 数值模拟结果表明,该方法模拟精度高,计算效率高,边界吸收效果好. 各向异性介质中弹性波波前面形态复杂, 且qP波波速不总是比qS波波速快. qS波波前面和同相轴的三分叉现象普遍, 且其同相轴一般不是双曲线型. 当TI介质倾斜时,3个分量上均能够观测到横波分裂现象, 而且各波形的同相轴变得不对称.     

方位各向异性粘弹性介质波场数值模拟

当地震信号通过复杂地球介质时,地层除了表现为各向异性,还表现为内在的粘弹性特征.因此,为准确描述地震波在地球介质中的传播特征,理想的地球介质模型应该能够模拟岩石的各向异性特征和衰减特征.本文给出了各向异性粘弹性介质模型的波动方程及其差分格式,并利用有限差分法实现了地震波波场数值模拟.结果表明了该介质模型中地震波场特征与各向异性主轴方位和介质的粘滞性参数之间的关系.     

各向异性问题数值模拟中的交替算法

利用有限差分数值模拟对各向异性在内界面存在的问题进行了研究．首先给出了含有15个弹性参数二维各向异性介质波动方程组的有限差分格式；然后主要分析了在二维横向各向同性情况下，这一差分格式在内界面处切应力的连续性问题．从而提出了各向异性问题数值摸拟中的交换模拟技术，并对理论模型进行了数值模拟．数值计算表明，结果与理论模型的分析是一致的．      

弹性波场数值模拟的隐式差分多重网格算法

为了得到稳定的弹 性波数值模拟,而不得不选择隐式差分方程;为了提高解的精度,又不得不增加节点数目, 但同时也降低了隐式迭代求解的收敛速度. 为此,本文使用隐式差分的多重网格算法进行弹 性波数值模拟,多重网格算法通过粗网格收敛较快的迭代过程求出近似解,以近似解为初值 使用细网格进行精确的迭代求解,从而加速了隐式迭代求解的过程,能够以较高计算速度、 精度、稳定性完成弹性波传播过程的数值模拟.     

探地雷达三维高阶时域有限差分法模拟研究

探地雷达数值模拟中,时域有限差分法在时间和空间上一般采用二阶精度的中心差分近似(FDTD(2,2)),其形式简单,但数值色散误差较大,在复杂模型模拟时不能很好地反映模型的精细变化.高阶时域有限差分法能很好地改善数值色散带来的误差,提高模拟精度.本文基于三维高阶时域有限差分法的基本原理实现了探地雷达正演模拟,采用单轴各向异性完全匹配层(UPML)作为吸收边界条件,可以有效地吸收外向传播的电磁波,在大大地提高计算效率的同时,也能很好地改善边界的吸收效果.分析对比正演模拟结果,通过三维高阶时域有限差分正演能获得目标体准确电磁响应信息,并能很好的提高模拟精度.     

混合ADI-FDTD亚网格技术在探地雷达频散媒质中的高效正演

提出混合ADI-FDTD亚网格技术开展频散介质GPR正演,即在物性参数变化剧烈局部区域采用细网格剖分ADI-FDTD计算,其他的区域采用粗网格剖分常规FDTD计算,ADI-FDTD突破了CFL条件的限制,可选取与粗网格一致的大时间步长,有效地提高了计算效率.本文首先基于Debye方程,推导了粗网格FDTD及细网格ADI-FDTD频散介质差分格式,着重对粗细两种网格结合的场值交换方式进行了深入探讨,给出了该算法的计算流程.然后以一个薄层模型为例,分别应用粗网格、细网格、混合ADI-FDTD亚网格算法对该模型进行正演,计算资源的占用及模拟精度说明了混合ADI-FDTD亚网格算法的优势.最后,建立频散介质与非频散介质的组合模型,应用3种方法对该模型进行正演,对比3种方法优劣,分析雷达剖面中非频散介质及频散介质中波形特征,有效地指导雷达资料的精确解释.     

基于双二次插值的探地雷达有限元数值模拟

从探地雷达(GPR)满足的波动方程出发,详细介绍了二维GPR模型单元剖分、二次插值、数值积分和有限元刚度矩阵总体合成的GPR有限元求解过程.为解决数值模拟时截断边界处的超强反射,采用Clay Bout透射边界条件对雷达波进行衰减,进而压制了来自截断边界处的反射波.在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,采用中心差分法对GPR有限元方程进行离散,并用不完全LU分解预处理的BICGSTAB算法求解系数方程组,然后编制了基于双二次插值的GPR有限元正演模拟matlab程序.运用该程序分别对矩形和"V"字形两个典型地电模型进行正演计算,得到了正演剖面图,将该正演剖面图与基于线性插值的FEM算法的正演剖面图做了对比分析.结果表明基于双二次插值FEM算法相比基于双线性插值FEM算法异常响应更明显,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译.     

最优系数有限单元法色散介质GPR频率域正演模拟

工程实际勘探对象如土壤、岩石等多为色散介质,雷达波在其中传播时易发生衰减与畸变,应用常规有限单元法（Finite Element Method,FEM）方法进行数值模拟时,存在数值频散现象.为此,作者以色散介质为研究对象,开展最优系数有限单元法探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）频率域正演.首先,分析了有限元质量、刚度矩阵的约束条件对有限元求解精度的影响,基于归一化相速度与1的误差最小策略,利用最小二乘法,仅需三个优化参数求取最优的有限元刚度矩阵与质量矩阵.四种不同方法的频散曲线分析及精度对比实验结果表明,优化矩阵在单位波长仅需4.8个网格点下便可达到误差小于0.2%的精度;而一致、集中和折衷矩阵不仅需要更多的网格点,且误差较大.然后,将精确完全匹配层（Exact Perfectly Matched Layer,EPML）吸收边界条件引入最优系数频域有限单元（Finite Element Frequency Domain,FEFD）算法中,简化了吸收参数优化过程,取5层即可达到常规完全匹配层（Perfectly Matched Layer,PML）的10层的吸收效果,能够有效提升正演效率.并将基于EPML的最优系数有限单元法算法引入到城市道路病害模型正演中,实验表明：本文算法能有效压制频散并实现实际色散介质高精度模拟,模拟结果更接近波在地下介质中的实际传播特性.

     

Theoretical and quantitative evaluation of hybrid PML-ABCs for seismic wave simulation

A good artificial boundary treatment in a seismic wave grid-based numerical simulation can reduce the size of the computational region and increase the computational efficiency, which is becoming increasingly important for seismic migration and waveform inversion tasks requiring hundreds or thousands of simulations. Two artificial boundary techniques are commonly used: perfectly matched layers (PMLs), which exhibit the excellent absorption performance but impose a greater computational burden by using finite layers to gradually reduce wave amplitudes; and absorbing boundary conditions (ABCs), which have the high computational efficiency but are less effective in absorption because they employ the one-way wave equation at the exterior boundary. Naturally, PMLs have been combined with ABCs to reduce the number of PMLs, thus improving the computational efficiency; many studies have proposed such hybrid PMLs. Depending on the equations from which the ABCs are derived, there are two hybrid PML variants: the PML+unstretched ABC (UABC), in which the ABC is derived from a physical equation; or the PML+stretched ABC (SABC), in which the ABC is derived from the PML equation. Even though all the previous studies concluded that hybrid PMLs can improve the absorption performance, none of them quantified how many PMLs can be removed by combining the PML with the ABC compared with the pure PML. In this paper, we systematically study the absorption performance of the two hybrid PML variants. We develop a method to distinguish the artificial reflections from the PML-interior interface and those caused by the PML exterior boundary to accurately approximate the additional absorption achieved by using the UABC and the SABC. The reflection coefficients based on a theoretical derivation and numerical tests both show that the UABC amplifies most reflections and is not recommended in any situation; conversely, the SABC can always diminish reflections, but the additional absorption achieved by the SABC is relatively poor and cannot effectively reduce the number of PMLs. In contrast, we find that simply increasing the damping parameter improves absorption better than the PML+SABC. Our results show that the improvement in absorption achieved by combining the PML with either the SABC or the UABC is not better than that obtained by simply adjusting the damping profile of the PML; thus, combining the PML with the ABC is not recommended in practice.