超高阶次Legendre函数的跨阶数递推算法

本文引入了Legendre函数的跨阶数递推算法,并利用该算法在双精度数范围内计算了按间隔为1°余纬从1°变化至89°对应的直到完整的20000阶次的归一化连带Legendre函数的值.为验证计算精度,通过多种途径对该算法的计算结果进行检验,结果表明:该算法算得的每个阶次连带Legendre函数的值至少具有10-10这样的绝对精度.此外还对该算法的计算用时进行了统计,结果为该算法的计算用时大约是Legendre函数计算中常用的按阶数递推算法用时的1.6倍.     

计算台站接收函数的最大熵谱反褶积方法

提出一种在时间域采用最大熵谱反褶积提取台站接收函数的方法,以最大熵作为自相关函数和互相关函数的递推准则,利用Toeplitz方程及Levinson递推算法,得到预测误差滤波系数的递推公式,从而计算台站接收函数．外推运算过程中,反射系数总是小于1,保证了最大熵谱反褶积的稳定性．时窗外数据熵极大提高了接收函数的分辨率．合成地震图与实测地震图的检验表明, 最大熵谱反褶积是一种在时间域测定台站接收函数的有效方法．     

连续傍轴近似公式及其多种离散形式

基于单向波动法向透射的一般运动学模型和局部多项式插值函数,推导建立了连续形和2阶离散形法向透射傍轴近似公式。指出连续形傍轴近似公式具有多种离散形式,本文给出的标准形式、已有的多次透射公式和平面波多项式外推公式都是连续形傍轴近似公式的不同离散形式,因此具有基本相当的精度、稳定性和计算效率以及相同的普适性和局限性。     

GEM10B地球模型全球自由空气重力异常场及勒让德函数计算的研究

本文给出了GEM 10 B地球重力模型2-36阶、2-12阶以及13-36阶等三幅全球自由空气重力异常图.在2-12阶和2-36阶重力图中,全球重力异常呈现出双层环状结构特征.内环是环绕太平洋地区的正异常带,外环是紧密包围着环太平洋正异常带的巨大负异常带.在13-36阶重力图中,全球大洋海岭地区几乎全部呈低幅值（0-10mGal）正异常. 本文分析了利用递推公式计算勒让德函数的稳定性问题,给出一组适合计算机运用的完全正规化缔合勒让德函数计算公式.采用该组公式计算（双精度运算）的完全正规化缔合勒让德函数值在θ≥1°,L≤300阶时,其ε_L误差小于10^-13. 为了解决对高阶勒让德函数值计算精度的估计问题,本文提出以完全正规化缔合勒让德函数的σ_l=1性质为基础的σ_L函数精度判定法.该方法简便易行.     

球谐旋转变换结合非全次Legendre方法的局部六边形网格重力场球谐综合

本文首次提出基于六边形网格剖分的全球重力场结构,并解决了局部六边形网格点模型重力异常快速计算问题.首先,采用全新的方法给出缔合Legendre函数值从稳定振荡区到快速衰减区分界线的理论表达式,并基于该公式提出一种基于跨阶次递推的非全次Legendre方法,实现了高纬度地区点的快速球谐综合.其次,引入球谐旋转（Spherical Harmonic Rotation）理论,实现了2160阶次的球谐系数在坐标系旋转下的变换,结合非全次Legendre方法,解决了中低纬度地区点的快速球谐综合.通过计算南极洲（高纬）低分辨率和加里曼丹岛（低纬）高分辨率六边形网格重力异常表明,非全次Legendre方法以10^-19m·s^-2精度水平与传统全阶次方法计算结果吻合,且计算效率提升1倍多,旋转变换结合非全次Legendre方法的计算精度在10^-16m·s^-2,效率提升近5倍.本文提出的方法不仅提升了球谐综合的计算效率,凡是有高纬度的缔合Legendre函数计算的问题,都可利用该方法提升效率,同时,超高阶次球谐旋转变量变换的实现将在地磁场模型构建、计算机视觉、量子物理等领域发挥重要作用.

     

单程波算子积分解的象征表示

单程波波场延拓算子在地震偏移成像中有重要应用.单程波波场延拓算子按其实现方式可分为Kirchhoff积分、空间隐式有限差分和Fourier变换方法,他们代表了算子的不同表示方法,当截断使用这些方法时会得到不同的精度.象征表示对这些方法的导出和精度分析有重要作用.算子作用于正弦波函数所得函数称为算子的象征.算子的象征是褶积算子Fourier变换的推广.Fourier变换方法则直接用象征函数的可分表示求出.空间隐式有限差分则可以用象征函数的Padè近似或部分分式导出.单程波算子在深度域的积分称为单程波算子积分解.本文推导了单程波算子积分解的象征表达式,给出了算子象征的代数运算的头几阶表达式,这些表达式还未在前人文献中发现.Kirchhoff积分所需格林函数可以通过象征函数和鞍点法导出.基于积分解的象征表达式给出了非对称走时公式,对改善Kirchhoff积分的聚焦性能有重要意义.     

空间波数混合域磁异常场积分解三维数值模拟

本文提出一种空间波数混合域磁异常场三维数值模拟方法.该方法利用磁位三维空间域积分为卷积的特点,沿水平方向进行二维傅里叶变换,把空间域磁位满足的三维积分问题转化为不同波数之间相互独立的垂向一维积分问题.保留垂向为空间域,优势之一在于便于浅层单元剖分可适当加密,随着深度增加,单元剖分适当稀疏,可以准确模拟任意复杂地形和磁性体的磁异常,兼顾了计算精度与计算效率;优势之二在于一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征磁化强度,可得出单元积分的解析表达式,计算精度高、效率高.该方法充分利用一维形函数积分的高效和高精度、快速傅里叶变换的高效性及算法高度并行性,实现了磁异常场高效、高精度的数值模拟.设计棱柱体模型,将模型解析解与空间波数混合域法的数值解对比,结果表明该方法计算精度高、效率高.设计了组合棱柱体复杂模型,对比分析了标准FFT扩边法与Gauss-FFT法的计算精度与计算效率,总结了标准FFT的扩边系数选取策略.针对任意复杂地形条件下的磁异常模拟问题,本文提出一种适用于起伏地形条件下的磁异常场快速计算方法,并对其有效性进行了验证.

     

有限单元分析中的移动边界方法

本文就波动问题提出一种移动边界的有限单元解法。此时模型边界的位置不是固定的,它将随着波前向前推进和退回,以保证在计算时间长度内边界反射波不到达观测点。文中给出了计算边界有效载荷的递推公式,可以简便有效地避免虚假反射波的干扰。为降低运算量和虚模型中的存贮,应适当选取移动间隔,截断误差和移动起点。对于层状模型,若采用直接积分的中心差分方法,计算过程十分简单,也可用于有限差分等方法的计算中。该方法在应用上的限制是对计算机内存量的要求较通常方法为大。     

海域流动点外部扰动引力无奇异计算模型

针对海域重力场变化特征和远程飞行器机动发射保障应用需求,本文分析研究了地球外部空间扰动引力三类传统计算模型的技术特点及其适用性,指出了采用表层法作为海域流动点扰动引力计算模型的合理性及需要解决的关键问题,分析论证了空中扰动引力计算对地面观测数据的分辨率和精度要求,提出通过引入局部积分域恒等式变换、局域泰勒级数展开和非网格点内插方法,消除表层法计算模型积分奇异性固有缺陷的研究思路,进而推出了适合于海域流动点应用的扰动引力无奇异计算模型,较好地满足了全海域和全高度段对局部扰动重力场快速赋值的实际需求.以超高阶全球位模型EGM2008作为标准场,通过数值计算验证了无奇异计算模型的可行性和有效性,在重力场变化比较剧烈的海沟区,该模型的计算精度优于2×10^-5m·s^-2.

     

重力异常场空间-波数混合域三维数值模拟

重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题转换为多个不同波数之间相互独立的空间垂向一维积分问题,一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征密度变化,可得出单元积分的解析表达式.该方法计算量和存储需求少,算法高度并行;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和密度异常体的重力异常,兼顾计算精度与计算效率;优势之二在于用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;充分利用一维形函数积分的高效和高精度,不同波数之间一维积分高度并行性及快速傅里叶变换的高效性,实现重力异常场三维数值模拟.设计棱柱体模型,通过数值解和解析解对比验证了该方法的正确性、适用性和高效性.针对任意复杂地形条件下的重力场及其张量的模拟问题,提出一种快速算法,对其有效性进行了验证.探究标准FFT法的截断效应对计算精度的影响,对比分析Gauss-FFT法和标准FFT扩边法两种方法的计算精度和效率,总结了二者的选取策略,结果表明选用标准FFT扩边法计算效率更高.实际地形的数值模拟表明本文算法适用于任意复杂地形的高效计算.

     

常Q滞弹性介质地震波动数值模拟——时域本构优化逼近

在地震波动模拟中计入常Q滞弹性阻尼,可有效降低模拟波形的误差.就时域有限差分和有限元模拟而言,常基于广义标准线性体建立阻尼介质的时域本构逼近.广义标准线性体由若干标准线性体并联得到,增加标准线性体个数能有效提高模拟精度,但计算量及计算存储将成倍增长.目前尚未有普适的标准线性体个数优化取值方案.本文基于广义标准线性体参数的非线性优化拟合方法,详细分析了时域本构逼近误差的影响因素,清楚揭示了逼近误差仅取决于频带宽度,与频带上下限取值无关这一特性,阐明了构建具有普适性标准线性体个数优化取值方案的可行性.论证了波形模拟精度主要取决于波传播距离与模拟波长的比值以及标准线性体的个数取值.综合考虑上述两个控制因素,结合在波动正反演问题中广为采纳的波形时频误差衡量准则,对不同Q值介质给出了标准线性体个数优化取值表.进一步,本文提出采用不同个数标准线性体以近似不同Q值的阻尼介质时域本构,解决了以往波动数值模拟中统一采用相同个数标准线性体而导致的计算量及计算存储浪费或模拟精度低下等问题,并基于数值实验验证了这一方法的精度.本文工作对推进滞弹性介质波动数值模拟及其在全波形反演问题中的应用具有理论价值和实践意义.

     

三维陆地可控源电磁法有限元模型降阶快速正演

三维陆地可控源电磁法有限元快速正演的主要瓶颈在于多频率大型稀疏方程组求解问题.本文引入一种基于模型降阶的Krylov子空间投影算法,推导了有限元刚度矩阵的模型降阶形式,构建了频率域传递函数;采用标准正交向量序列,构建一个远远小于有限元刚度矩阵维度的矩阵,该矩阵与频率无关,通过一次模型降阶即可实现多频点有限元方程快速求解.采用基于电场的变分方程,加入散度校正条件,以消除伪解;引入伪δ函数,消除了源点的奇异性,可适用于复杂背景模型三维有限元数值模拟,并为多源的求解奠定了基础;以层状介质模型解析解为标准,通过和基于Pardiso直接求解器的有限元算法（3DFEM）进行比较,模型降阶法计算时间小于前者的1/10,平均相对误差在1.72%,在满足精度要求下,实现了高效率三维有限元数值求解;分别设计了横向高低阻模型和纵向高低阻模型,分析了从近区到远区电场和卡尼亚视电阻率的变化规律,假极值的表现特征,阴影效应的影响等,从而也验证了该算法的正确性.最后,建立了一个地层陷落柱模型,通过模型降阶有限元正演模拟,发现视电阻率断面图在陷落柱上方出现"凹陷",与模型设计吻合,表明该算法对复杂地层模拟具有同样的适用性.     

三维陆地可控源电磁法有限元模型降阶快速正演

三维陆地可控源电磁法有限元快速正演的主要瓶颈在于多频率大型稀疏方程组求解问题.本文引入一种基于模型降阶的Krylov子空间投影算法,推导了有限元刚度矩阵的模型降阶形式,构建了频率域传递函数;采用标准正交向量序列,构建一个远远小于有限元刚度矩阵维度的矩阵,该矩阵与频率无关,通过一次模型降阶即可实现多频点有限元方程快速求解.采用基于电场的变分方程,加入散度校正条件,以消除伪解;引入伪δ函数,消除了源点的奇异性,可适用于复杂背景模型三维有限元数值模拟,并为多源的求解奠定了基础;以层状介质模型解析解为标准,通过和基于Pardiso直接求解器的有限元算法（3DFEM）进行比较,模型降阶法计算时间小于前者的1/10,平均相对误差在1.72%,在满足精度要求下,实现了高效率三维有限元数值求解;分别设计了横向高低阻模型和纵向高低阻模型,分析了从近区到远区电场和卡尼亚视电阻率的变化规律,假极值的表现特征,阴影效应的影响等,从而也验证了该算法的正确性.最后,建立了一个地层陷落柱模型,通过模型降阶有限元正演模拟,发现视电阻率断面图在陷落柱上方出现"凹陷",与模型设计吻合,表明该算法对复杂地层模拟具有同样的适用性.     

基于本征正交分解的显式四维变分同化方法：理论与验证

将本征正交分解（POD）方法用于四维空间预报集合提取标准正交基,该标准正交基在最小二乘意义下是最优的,与奇异值分解（SVD）技术相比,它能捕捉到预报集合空间更多的能量,能够更好地表征四维变量的空间结构以及时间演变特征．将分析向量依截断的POD基展开后,控制变量会显式地出现在代价函数中,避免了传统的四维变分方法所必需的伴随模式的运用,使得同化过程简单．用土壤湿度预报方程和人造资料进行一系列的数值试验对该基于本征正交分解的显式变分方法与基于SVD基的方法以及集合Kalman滤波进行比较,结果表明：POD／SVD方法从同化精度和同化时效上都要远远优于一般的集合Kalman滤波方法;由于POD基在最小二乘意义下的最优性,基于POD分解的同化方法要优于基于SVD分解的方法,尤其在模式存在误差的情况下表现得更为明显．     

基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明：基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.

     

基于检波器间距约束的微地震初至拾取方法研究及应用

微地震事件初至拾取是微震监测数据处理的重要步骤之一,其精度是微地震震源定位结果的决定性因素,影响后续的解释结果.前人利用互相关函数与微地震记录相似波形特征原理,对具有相似震源位置或破裂机理的微地震事件采用波形互相关的方法进行初至拾取,但微地震事件的信号,在经过不同的传播路径,被不同检波器接收到的波形是存在差异的,若这种差异大到无法通过互相关来求取微地震信号的到时差,就会出现明显误差.本文提出基于检波器间距约束的互相关初至拾取方法,该方法在互相关函数中引入检波器间距约束条件.首先对全局有效道进行互相关运算及时差校正,其次对时差校正后的记录进行基于检波器间距约束的局部互相关运算并进行时差校正,再利用叠加道计算对经过二次时差校正后的多道记录进行叠加,并运用STA/LTA方法对新生成的叠加道进行初至拾取,最后结合叠加道初至信息以及时差相对校正量,既可得到微地震事件的初至到时.实际资料处理结果表明,相比于常规多道互相关方法,该方法合理地避免了震检距对初至到时的影响,有效地提升了微地震事件初至拾取的精度.     

弱形式时域完美匹配层——滞弹性近场波动数值模拟

本文旨在构建适用于滞弹性近场时域波动有限元模拟的高精度人工边界条件：完美匹配层（Perfectly Matched Layer：PML）,其中阻尼介质时域本构基于广义标准线性体建立.与以往研究不同,本文采用复坐标延拓技术变换弱形式波动方程构建了可直接用有限元离散的弱形式时域PML,规避以往独立对无限域内波动方程及界面条件进行延拓可导致的PML场方程和界面条件匹配不合理引发数值失稳、计算精度低下等问题.其次,针对PML中多极点有理分式与频域函数乘积的傅里叶反变换难以计算的问题,利用PML精度对复坐标延拓函数中延拓参数微调不敏感这一特点,明确给出了参数微调准则以规避多重极点,进而利用有理分式分解给出了一种普适、简便的计算方法,极大地简化了PML计算.基于该方法可实现任意高阶PML.最后,将本文构建滞弹性PML与高阶勒让德谱元（高精度集中质量有限元）结合得到滞弹性近场波动谱元离散方案.基于算例验证了滞弹性PML的计算效率、精度及新离散方案的长持时稳定特性.新离散方案可应用于计入实际介质阻尼的地震波动正、反问题数值模拟,提高波形模拟的精度以及地下波速结构反演的精度和可靠性.

     

皮纳微小卫星激光反射器设计及激光测距分析

皮纳卫星是指质量为千克级、以微机电系统技术为基础的小卫星。皮纳卫星能够通过组成星座、编队或卫星群完成单颗大卫星难以实现的任务,被广泛地应用于科研、技术试验、商业遥感等领域。皮纳卫星设计寿命短,在完成在轨服务后就会成为空间碎片,这时要想对皮纳卫星进行精准定位,就必须采用非合作目标的方式进行激光测距。按照目前空间非合作目标的激光探测能力,由于皮纳卫星尺寸小,导致返回的激光信号弱,探测难度大,且随着皮纳卫星发射次数的增多,将严重影响人类的空间科技活动。因此设计出适合于皮纳卫星的激光测距合作目标,使得激光测距技术的高精度特性应用于皮纳卫星的目标监测,这对空间目标高精度测量和提升碎片目标精密监测与预警有着重要的实用价值。本论文紧紧围绕研制出适合于皮纳卫星的微小激光反射器这一目标,立足于低轨皮纳卫星高难度的激光测距实用需求,设计质量轻、分布灵活、满足在轨和成为空间碎片后仍能采用常规的人卫激光测距技术进行观测、且便于标准化配置的微小卫星激光反射器。论文的主要工作内容如下:(1)理论计算并分析了星载激光测距合作目标的速差效应及其补偿方法、有效视场角、有效反射器面积、可观测时间、远场衍射分布、质心误差改正分布等核心技术参数,并以低轨卫星中常用的金字塔结构和八棱台结构激光反射器为例进行分析,为皮纳卫星激光反射器设计提供理论依据。(2)针对轨道高度在250—1 000 km的皮纳卫星,以标准立方体结构皮纳卫星为例,设计了质量不超过150 g、视场角满足360°、测距精度达厘米级、具有足够回波强度、且便于标准化配置的微小激光反射器,并设计了长方体和多面体结构皮纳卫星激光反射器。(3)为我国第一颗大气密度探测实验卫星PN1B设计了星载卫星激光反射器,这是国内首次采用通光口径为1 cm的微小激光反射器阵列,通过TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行的激光测距试验,观测期间其回波数最大值达314个/秒,验证了微小激光合作目标能够提供足够的的回波光子数。(4)设计了一种适用于角锥棱镜加工的靠体,在铣磨成型、粗磨及精磨和粗抛工序中直接通过该靠体的翻转实现角锥棱镜的成盘化加工,最后以配重分离器工艺进行精抛。使得角锥棱镜整体工艺方案加工工序减少、生产节奏快、效率高、质量可保证。(5)为确保卫星激光反射器发射成功后在太空环境中能正常工作,以皮纳低轨卫星激光反射器为例,介绍了激光反射器在地面进行的光学性能、力学性能、热学性能及空间辐照性能测试。