网格剖分及其精度和计算量分析

网格剖分程度直接影响着地震波正演数值模拟的计算精度及其计算量.以均匀介质模型为例,分析不同网格大小对波场模拟精度和计算量的影响,得出精细化网格剖分是实现高精度地震波正演模拟的有效方法,然而其计算量较大.以均匀倾斜介质模型为例,探讨倾斜地层网格剖分问题,数值实例分析不同震源频率对不同网格剖分方案引起的波场传播精度的影响,...     

瞬变电磁三维FDTD正演多分辨网格方法

瞬变电磁三维时域有限差分（FDTD）正演的网格剖分受最小网格尺寸、时间步长、边界条件、目标尺寸、模型尺寸等的影响,结构化网格一直存在最小网格尺寸受限于异常目标尺寸的矛盾;尽管非均匀网格能够在保证模型尺寸的前提下尽可能的降低网格数量,但由于Yee网格结构的限制,非均匀网格不能无限制的扩大单一方向的尺寸,这是为了避免边界网格区域出现长宽比过大的畸形网格,影响计算精度甚至导致结果发散.在非均匀网格剖分的基础上,本文提出了瞬变电磁三维FDTD正演的多尺度网格方法,即首先使用较大尺寸的粗网格进行第一次剖分,然后在希望加密的区域进行二次剖分,使计算域中包含粗、细两套网格.尽管细网格包含在粗网格内部,但其具有Yee网格的全部属性,因而可以在网格中设置不同的电性参数模拟不同形状的目标.基于Maxwell方程组推导了细网格内电场和磁场的迭代公式,基于泰勒展开给出了设置粗、细网格后产生的内部边界条件,使电磁场的传播在粗、细网格和时间步进上得到统一.采用均匀半空间中包含三维低阻异常的经典模型和三维接触带复杂模型进行精度验证,发现多分辨网格方法计算结果满足精度要求.使用"L"型异常模型计算采用多分辨网格方法和不采用多分辨网格的传统FDTD方法对比计算效率,发现多分辨网格算法能够显著提高计算效率,并能够保证计算精度.     

网格剖分对反演的影响

从观测数据中提取更多的有用的地电信息的反演解释才是地球物理工作的终极目的,而反演的精度是勘探地层物性的关键.对于不论是线性反演还是非线性反演算法,研究的重点始终是围绕着如何构建初始模型和提高计算速度.而众多学者大多只是在算法的精度等方面做了相应改进,而研究区域剖分的差异所带来的误差影响.远大于算法等方面的精度的高低.网格剖分的合适与否,为反演结果的精度提供了先决条件.文中用不同的模型不同的反演方法对比验证粗细两种不同的网格对反演精度的影响.经研究表明,两种不同网格剖分方式,从整体上看.在深部粗网格比细网格模拟精度高,但是近地表开始阶段,粗网格与细网格波动幅度都较大,都脱离正常值.粗网格模拟精度不如细网格;整体变化幅度粗网格比细网格缓和,其中对低阻异常体反演精度较好,但对高阻异常体反演精度较差,与真实值相去甚远,奥克姆反演对异常体效果比较差.结果表明,网格剖分对不同反演的精度影响差异很大,进一步说明非线性反演适应性较强且非线性反演能够获取更合理的真实地电模型.精度较高已被广泛的应用于地球物理的各个领域.     

针对复杂地形的三种地震波走时算法及对比

复杂地形条件下地震波走时算法对于研究复杂地形地区的成像问题有着重要的意义.为了得到精度高且适应于复杂地形的走时算法,首先提出阶梯网格迎风差分法.然后将该方法与不等距网格有限差分法和混合网格线性插值法进行对比研究,得出如下结论:混合网格线性插值法的计算精度最高,但其计算效率最低;阶梯网格迎风差分法的计算精度最低,但其计算效率最高;不等距网格有限差分法的计算精度和计算效率均居中;而究竟选取哪种算法作为给定复杂地形模型的地震波走时算法,应该综合考虑地形的特点、所研究问题对计算精度及计算效率的要求等因素.最后通过一个计算实例验证了三种算法在面对复杂地形、近地表及地下复杂介质等复杂地质条件时均有很好的适应性和稳定性.     

大地电磁测深二维正演中辅助场的新算法

文中提出一种计算大地电磁二维正演辅助场的新方法。在主场满足线性插值基函数的前提下,通过构建二次插值基函数来提高辅助场计算中数值求导的精度。通过与线性插值函数法的计算结果进行对比,证明该算法在基本不增加计算量的同时可以大幅度提高大地电磁二维正演精度。文中还研究了网格对辅助场计算的影响,结果表明二次插值法较线性插值法对网格的要求更为宽松。此外还以均匀半空间模型为例讨论了地表网格纵向间距与模型之间的关系,这对正演计算中的网格设计有参考意义     

基于层位约束的不规则网格层析速度建模方法

网格层析成像采用离散网格点代替空间连续介质模型,通过更新网格点速度值对模型进行迭代优化,从而达到速度误差收敛的目的.常规网格层析是基于规则矩形网格进行网格剖分,横向及纵向网格采用等间距步长,该方法在网格剖分过程中没有考虑地层构造特点.本文提出一种基于层位约束的不规则网格层析成像方法.该方法通过截取时窗的策略对特殊构造部分采取加密网格的策略,从而实现根据地质构造指导网格剖分.对于简单的地质构造,本文提出方法与常规方法效果相当.对于复杂构造地层,尤其对于小尺度特殊地质构造体,本文提出方法更具针对性,对于特殊构造体速度建模精度更高.由实际数据应用证明,对于复杂地质构造,本文方法能够大幅提高速度场建模精度,为叠前深度偏移能够准确成像保驾护航.     

基于自适应网格的仿真型有限差分地震波数值模拟

在复杂山地和复杂海底条件下,地表和海底的剧烈起伏对地震波数值模拟提出了更高的要求.常规有限差分法采用矩形网格对模型进行网格剖分,由于矩形网格自身的限制,起伏地表或起伏海底只能由一系列阶梯状折线代替,从而引起人为虚假绕射波.此外,在模拟液-固界面的反射波时,如果界面与网格线不一致,则需要更密的网格才能得到精确的结果.为了解决上述问题,本文将自适应网格生成技术引入到起伏海底速度模型的网格剖分中,采用高阶仿真型有限差分法(MFD)对曲线坐标下的声波方程波进行了数值模拟.利用自适应网格生成技术对速度模型进行网格剖分不仅可以准确地描述模型边界,而且可以有效消除虚假绕射波.高阶仿真型有限差分法可以有效压制频散提高计算精度.模型试算结果表明,本文方法对复杂海底模型具有很好的适应性.     

旋转时空双变网格有限差分地震波场正演模拟

在交错网格有限差分算法中,模型网格剖分原则与正演计算效率密切相关.当模型存在小型非均质体或者低降速层等情况,为保证精度,满足稳定性条件,需缩小网格步长,导致局部过采样,计算效率低下.为保证模拟精度的同时保持高计算效率,通常采用变化的空间网格与时间步长相结合的高阶有限差分模拟方法对波场进行模拟.然而,时空双变算法存在着交错网格固有缺点,在模拟非均匀性较强的复杂介质波场传播时,需对介质参数进行平均或内插.同时,该算法在空间与时间上的变网格实现极为复杂.为压制变网格引起的虚假反射,提升模拟精度和计算效率,本文在时空双变网格算法的基础上,采用旋转差分角度的方式,提出了旋转时空双变交错网格算法.该方法既保留了旋转网格和双变网格的优势,又简化了时空双变算法流程,更利于推广和应用.     

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.     

基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演计算研究

为提高大地电磁正演计算速度,开展了基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演模拟计算研究.将稳定双共轭梯度算法作为多重网格法的细网格松弛迭代算法,插值算子采用完全加权算子,限制算子设计基于网格单元面积率,使多重网格法更适于求解大型复系数方程组.二维均匀半空间模型、低阻体模型和高阻体模型的大地电磁正演模拟结果表明:当计算量较小时(网格剖分数量少),多重网格法在计算效率方面并未有优势,网格剖分数量较大时,多重网格有限元算法在收敛速度方面的优势明显,多重网格有限元法的大地电磁正演精度优于一般数值算法.这为三维多重网格有限元的大地电磁正演研究奠定了基础.     

基于变换光学有限差分探地雷达数值模拟研究

在采用有限差分方法开展探地雷达复杂目标体精细结构模拟时,为了提高计算精度,常采用非均匀网格对目标区域划分小尺寸的网格,以压制离散网格频散现象和保证有限差分方法的稳定性.常规非均匀网格和自适应亚网格技术在网格剖分数量和粗细网格边界处理上难以达到计算效率和计算精度的均衡.本文根据隐形斗篷(invisible cloak)理论,将基于变换光学(Transformation optics)理论应用于有限差分探地雷达数值计算中.该理论的主要思想是基于目标参数变化而保持电磁场的传播不变性,在坐标变换后,Maxwell方程的形式可以维持不变,而使得相对介电常数与磁导率的表达式变得复杂.通过这种方式可以虚拟地扩大目标体所占的网格节点数,减少背景介质区域的网格数,不增加模型空间的网格总数.另外,这种网格划分方式不但提高了计算效率,同时也可以克服亚网格技术边界反射误差的影响.本文推导实现了基于变换光学的二维有限差分方法,通过典型探地雷达模型测试,对比分析了该方法与常规有限差分、变网格有限差分和自适应亚网格有限差分的优缺点.计算结果验证了基于变换光学的有限差分可用于探地雷达目标精细结构模拟,具有较高的计算精度和计算效率.     

大地电磁三维矢量有限元正演误差分析及其优化

利用基于六面体的矢量有限元法进行大地电磁正演模拟时,在电性变化剧烈的区域有可能因为网格剖分的不够细致,导致六面体单元中的场值无法通过十二条棱边的插值准确表达,从而形成误差.另外,由于有限元剖分网格不可能无限延伸,而大地电磁场的边界条件在无穷远处才能得到满足;所以不恰当的网格剖分策略可能造成数值模拟计算结果误差过大.本文研究了不同频率下误差产生的规律及原因,并提出了减小误差的方法.最后根据误差分析对正演过程进行了优化,即保证了计算精度又大大提高了正演速度.     

慢度平方三角网格立体层析反演方法

三角剖分模型是一种稀疏的模型描述方式.在慢度平方三角剖分模型中,界面可以得到自然的描述,射线追踪在一个三角块内存在解析解.基于慢度平方三角剖分模型下的射线扰动理论,实现了立体层析数据空间对慢度平方三角剖分模型要求的所有模型分量的偏导数求取.相比常规的B样条或者大网格模型描述方式,慢度平方三角剖分模型下的立体层析FRECHET导数矩阵规模被大幅压缩,求解精度得到良好保证的同时计算成本得到大幅降低.理论数据算例证实了上述观点.     

网格剖分方式对大地电磁数据反演的影响

随着计算机技术的飞速发展,大地电磁测深数据的各种反演方法得到空前发展。对于反演过程中的网格剖分问题,前人研究有限。本文就此进行研究,确定影响网格剖分方式的因素,找到一种合适的网格剖分方法。为此,设计一个复杂模型,对正演模拟得到的数据加入随机噪声作为反演的输入数据,选择不同的网格剖分方式,使用DASOCC与NLCG反演方法,以相同参数分别进行反演,对所得结果进行对比分析。结果显示,在设定的模型及参数条件下,针对DASOCC反演方法,纵向及横向网格均不加密,反演效果比较理想,即横向采用一个测点对应一个网格的剖分方式,纵向采用表层加密,100 m以下后一网格为前一网格厚度1.1倍的剖分方式;针对NLCG反演方法,纵向与DASOCC反演方法相同,采用不加密网格的剖分方式得到的结果较好,而横向则建议采用一个测点对应一个网格,并在2个测点之间插入一个网格的剖分方式。     

考虑海底地形的三维频率域可控源电磁响应有限体积法模拟

为了提高海洋可控源电磁的地形响应模拟精度,探讨了三维交错网格剖分有限体积法求解频率域电磁场解的数值方法.在似稳场近似条件下,推导了有限差分法和有限体积法低频电磁场控制方程的离散表达式.通过对离散表达式的分析比较表明,有限体积法较之有限差分具有更高的计算精度,同时也具有与有限差分相当的计算效率.对含地形界面网格单元电导率采用加权平均处理,通过与二维有限元程序的计算结果对比,验证了该方法可以有效提高有限体积法对地形变化的模拟精度.应用有限体积法计算了一个三维带地形储层模型的可控源电磁响应,分析表明地形变化对电场分量影响明显,磁场分量对地形变化不敏感.     

谱元法波场模拟中的属性建模技术

二维波动方程谱元法通常采用四边形网格,网格质量和属性建模方式对波场模拟精度和效率有较大影响.常规属性建模需要先建立几何模型再对其进行贴体网格剖分.但存在已知稠密属性控制点却难以建立复杂几何模型的问题.针对此问题,提出对模型进行矩形网格剖分并计算GLL点,利用属性控制点对所有GLL点进行插值以提高属性建模的效率.将属性建模方式归纳为单元属性建模方式和节点属性建模方式.在节点属性建模方式中分析了双线性插值、快速Gauss径向基函数插值法的计算效率,将两种插值算法集成于SPECFEM2D的属性建模程序中.实例表明两种属性建模方式对谱元法波场模拟都是有效的.     

复杂地形条件下四面体剖分电阻率三维有限元数值模拟

地形起伏对电阻率影响非常大,复杂地形条件下的电阻率异常解释一直受到很多的关注.本文提出了一种四面体网格交叉剖分方法,剖分的网格相互交错,使剖分的网格具有多样性,能较好地模拟复杂地形情况下的地电模型.同时,从点电源场满足的方程出发,本文推导了三维复杂地形条件下有限元数值模拟算法,并编制了计算程序.算例表明,本方法行之有效,计算精度高.     

基于局部加密非结构化网格的三维电阻率法有限元数值模拟

总结了目前常用的结构化网格及其局限性,分析了非结构化网格对复杂地质体边界的适应性和Delaunay三角化算法及其网格加密策略,提出了一种新的局部节点加密方法,实现了对复杂模型的完全非结构化四面体全自动剖分,给出了三维直流电阻率模拟中四面体网格的质量评价标准和最优指标.计算和分析表明,数值解在点电流源及附近的奇异区精度最低,网格加密策略可以有效地减少其影响,极大地提高数值解的精度.本文提出的局部节点加密策略计算量最小,对精度的改善也优于经典方法.在精度要求苛刻或模型十分复杂时,局部体积加密策略和二次单元是高精度模拟的可靠保证.     

任意地球物理模型的三角形和四面体有限单元剖分

系统介绍了适用于复杂地球物理模型的三角形和四面体单元剖分算法,讨论了单元优良性,优良的网格剖分判定规则,建立了C++执行类库与地球物理模型单元剖分库.利用C++剖分类库与模型单元库,可以进行任意地形条件下的地球物理场的正演与反演计算,剖分类的高效性为实际模型的并行有限元法计算提供了基础.     

起伏地形下线源频率域电磁场二维正演模拟

为了研究地形对线源频率域电磁测深测量结果的影响,本文介绍了起伏地形下的线源频率域电磁场的二维正演模拟方法.在正演模拟过程中采用有限单元法,首先为了模拟起伏地形,用三角形单元对研究区域进行网格剖分;然后再对每个单元进行线性插值、积分、总体合成;最后通过求解线性方程组得出地表的电磁响应.文章最后给出了山谷与山脊模型的数值模...