预条件共轭梯度法在地震数据重建方法中的应用

基于最小平方的Fourier地震数据重建方法最终转化为求解一个线性方程组, 其系数矩阵是Toeplitz矩阵,可以用共轭梯度法求解该线性方程组.共轭梯度法的迭代次数受系数矩阵病态程度的影响,地震数据的非规则采样程度越高,所形成的系数矩阵病态程度越高,就越难收敛和得到合理的计算结果.本文研究了基于Toeplitz矩阵的不同预条件的构造方法,以及对共轭梯度法收敛性的影响.通过预条件的使用,加快了共轭梯度法的迭代速度, 改进了共轭梯度算法的收敛性,提高了计算的效率.数值算例和实际地震数据重建试验证明了预条件共轭梯度法对计算效率有很大的提高.     

利用不完全Cholesky共轭梯度法求解点源三维地电场

点源三维地电场的求解是一大型数值计算问题．本文用有限差分方法求解,最后形成一个线性方程组Ax＝b,这里A是大型稀疏的带状对称矩阵．解大型稀疏方程组的完全Cholesky分解直接算法,一般要求巨大的机器内存来存储系数矩阵A,而且计算速度极慢．因此引入不完全Cholesky共轭梯度（ICCG）算法及按行索引的稀疏存储模式,充分利用A的稀疏性,使得计算速度大大提高,而内存要求则大大减少,因此ICCG算法是地电三维正演的强有力工具．     

利用共轭梯度法的电阻率三维反演研究

利用共轭梯度（ＣＧ）迭代技术,实现了直流电阻率测量数据的三维最小构造反演。 首先,运用共轭梯度迭代算法解反问题的线性方程组,只需求Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵Ｇ与任一向量ｘ的 乘积Ｇｘ及ＧＴ与任何一向量ｙ的乘积ＧＴｙ,再引入Ｇ的Ｒｏｄｉ算法,则Ｇｘ及ＧＴｙ均可在每次反 演迭代中的一次正演计算后一并求得．因此,每次反演迭代仅需一次正演计算,大大加快了 计算速度;而且避免了直接求 Ｇ以及 ＧＴＧ的逆矩阵,也避免了存储 Ｇ和 ＧＴＧ所需庞大的存储 量。另外,由于反演参数太多,求模型光滑约束的最小构造反演能够有效地消除多余构造信 息,得到可靠的反演结果。将这３种方法和技术融合于三维反演中,取得了好的反演效果．为 改进传统最小构造反演收敛慢的问题,还提出了一种新的反演迭代技术,仅需１０次左右甚至 更少迭代即可收敛。     

利用不完全Cholesky共轭梯度法求解点源三维地电场

点源三维地电场的求解是一大型数值计算问题．本文用有限差分方法求解,最后形成一个线性方程组Ax＝b,这里A是大型稀疏的带状对称矩阵．解大型稀疏方程组的完全Cholesky分解直接算法,一般要求巨大的机器内存来存储系数矩阵A,而且计算速度极慢．因此引入不完全Cholesky共轭梯度（ICCG）算法及按行索引的稀疏存储模式,充分利用A的稀疏性,使得计算速度大大提高,而内存要求则大大减少,因此ICCG算法是地电三维正演的强有力工具．     

利用共轭梯度法的电阻率三维反演研究

利用共轭梯度（ＣＧ）迭代技术,实现了直流电阻率测量数据的三维最小构造反演。 首先,运用共轭梯度迭代算法解反问题的线性方程组,只需求Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵Ｇ与任一向量ｘ的 乘积Ｇｘ及Ｇ^Ｔ与任何一向量ｙ的乘积Ｇ^Ｔｙ,再引入Ｇ的Ｒｏｄｉ算法,则Ｇｘ及Ｇ^Ｔｙ均可在每次反 演迭代中的一次正演计算后一并求得．因此,每次反演迭代仅需一次正演计算,大大加快了 计算速度;而且避免了直接求 Ｇ以及 Ｇ^ＴＧ的逆矩阵,也避免了存储 Ｇ和 Ｇ^ＴＧ所需庞大的存储 量。另外,由于反演参数太多,求模型光滑约束的最小构造反演能够有效地消除多余构造信 息,得到可靠的反演结果。将这３种方法和技术融合于三维反演中,取得了好的反演效果．为 改进传统最小构造反演收敛慢的问题,还提出了一种新的反演迭代技术,仅需１０次左右甚至 更少迭代即可收敛。     

图像重建的射线交切反投影法

本文详述了一种快速图像重建方法——射线交切反投影法。它吸取了代数重建算法的某些长处,但无迭代计算,简单实用,对于野外作业使用更显得方便,利用此方法,重建了实测的电磁波吸收系数图像,它比传统的阴影交汇法有更好的分辨率。     

地面可控源频率测深三维非线性共轭梯度反演

讨论了地面可控源电磁勘探三维非线性共轭梯度反演的可行性以及反演过程中考虑场源的必要性.反演采用非线性共轭梯度反演方法.反演过程中,模型响应利用交错网格有限差分技术计算.反演数据采用与发射源平行的电场x分量Ex.利用层状导电模型作为背景,设计了两个理论模型进行数值试验:第一个模型中包含两个电阻率异常,以检验反演的有效性;第二个模型中,在测区外设置了一个低阻异常,以考察源的信息在反演中的作用.两个模型的反演分别从层状背景模型开始,迭代120次后终止.数值试验结果表明,(1)非线性共轭梯度反演所获得的电阻率分布和理论模型吻合较好;(2)非线性共轭梯度算法收敛速度较慢,需要较多的迭代次数完成反演;(3)对于可控源频率电磁勘探,必须考虑源位置信息.因此,本文采用考虑场源信息的地面可控源非线性共轭梯度反演方法能完成真正意义上的可控源频率电磁测深数据的反演.     

预条件共轭梯度反褶积的改进及其应用

预条件共轭梯度反褶积方法是结合盲反褶积的实现,运用基于Krylov子空间上优化的预条件共轭梯度法,完成反射系数的反演.用该方法处理地震资料时可提高资料频率,展宽有效频率宽度.但由于地震数据对不同频带的信噪比有差异,若直接运用该反褶积处理常伴随分辨率提高的同时出现信噪比显著降低的现象.对于此,本文采取如下方法的改进措施：①在时间域上,当地震数据的振幅较大时,对应的反褶积数据的振幅取值与原地震数据的振幅相等;②在频率域上,当地震数据的频谱幅值大于一定阀值时,对应的反褶积数据的频谱取做原地震数据的频谱.由本文所给的数值算例可以看出,此两项改进方法可取得较好的实用效果.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识：（1）由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;（2）采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;（3）在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;（4）确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.

     

基于模型融合的有限角度CT迭代重建方法

针对有限角度扫描的CT重建,提出一种基于模型融合的CT迭代重建方法。模型来源于患者的早期Dicom图像。对扫描角度有限的投影数据,用统计迭代算法进行初步重建,得到预重建图像;将预重建图像与模型进行融合,得到融合图像;然后再次投影,补全原始投影缺失的部分,根据补全的投影数据重建出中间结果,之后重复投影、融合、重建过程直到满足终止条件。仿真实验表明,该算法能完整重建整个目标,在有效保留原目标特征的同时提高了小角度投影数据重建的质量。     

一种改进投影系数计算的快速ART算法

代数重建(ART)是图像重建领域中的重要方法。为了提高ART算法的重建速度,本文提出了一个新的通过判别射线与网格的相交状况快速计算投影系数的算法。该算法主要使用简单的诸如加减法以及比较运算来计算投影系数。避免了传统算法中的求交排序计算,因而重建速度大大提升。仿真实验使用Shepp-Logan模型,实验结果显示该算法重建效率优于传统算法。     

一种扇束扫描模式下的图像重建迭代算法

CT图像重建的扫描模式有平行束、扇束、锥束等,在扇束扫描模式下的图像重建算法大多基于图像的正方形网格剖分。本文建立了扇束扫描模式下新的图像重建离散化模型,并给出了基于新模型的代数迭代校正格式和重建算法。对新的模型下迭代算法几何意义进行了讨论,基于新模型的代数迭代重建算法有助于提高成像质量,启发新的图像重建算法。     

图像重建模型中基函数的引入

基于理想小区域的图像重建离散化模型以理想小区域代替原来传统意义上的像素格,用理想小区域到射线的距离的函数,来衡量射线穿过理想小区域时投影系数的大小。在此图像重建离散化模型中引入基函数。并将离散图像与基函数卷积得到连续的图像,图像中任一点的值可通过选取合适的基函数得到。本文探讨图像重建中基函数需要满足的条件,并分析讨论几种基函数的实例及其频域特性。     

序列子集联合代数重建技术

图像重建迭代算法的主要缺点是计算量大,重建速度慢。为减少计算时间,Hudson等提出了有序子集算法,由于该算法在每次迭代时使用固定的子集个数,重建图像的质量主要依赖于迭代步中的子集数。本文提出序列子集联合代数重建技术,在每次迭代后减少使用的子集个数,这样在加速图像收敛的同时恢复重建图像的各种频率元素。实验结果表明序列子集联合代数重建技术可在少数次迭代后提供较高质量的重建图像,且对噪声数据不敏感。     

有限角度CT图像重建算法综述

本文主要介绍了处理有限角度CT图像重建的思路和方法。有限角度CT图像重建属于不完全数据重建范畴,由于不满足数据完备性条件,因此不能精确重建。其处理方法大致可以分为两类:基于变换的迭代-解析重建算法和基于级数展开的迭代-代数/统计重建算法。同时,有限角度重建等价于病态矩阵求逆问题,适当的约束条件、先验知识以及正则化因子对提高重建图像质量非常重要。     

稀疏信号恢复理论在CT图像重建中的应用

新的图像重建算法一直是CT成像前沿研究中的热点问题之一,而实际中常常遇到的有限角度重建问题则是其中的难点.Terence Tao和他的同事提出了一种稀疏信号恢复理论,为解决这个问题提出了可能的应用策略.我们在本文中介绍了这个理论并给出了在锥束CT重建中应用的初步结果.这种理论和策略的实现对很多应用情况都有重要的意义,为该领域的发展开辟了新的方向,也必将对该领域的发展产生重大影响.     

代数重建法物理模型超声波图像重建

用“DC4型超声波检测仪”检测未知纵波速度分布的嵌有石膏的铝板,沿每条射线采集透射直达波“到时”数据。用特殊的布置方法布置射线,使每条射线积分步长均为已知常数,并沿其做Radon变换（线积分）,从而建立此“铝板模型”纵波速度分布线性代数方程组。编制ART加法修正方法R语言程序处理“到时”数据,重建“铝板模型”纵波速度分布,并提出识别石膏洞的充分必要条件、检验条件和“视察法”,通过重建结果识别出“铝板模型”上“石膏洞”的位置。此外,按照对“铝板模型”的相同的处理方式对“三板平面模型”进行实验及分析。本文重建图像的结果对于了解CT成像方法具有参考价值,有助于CT成像技术的推广应用。     

基于约束Landweber迭代的重建算法

针对较少投影数据图像重建问题,在最小二乘优化的基础上,提出将未知误差引入不等式约束中,并针对其不适定性提出运用Landweber迭代正则化技术进行迭代求解。数值实验表明相对以往各算法,此迭代算法更加稳定,并且在重建质量以及重建时间上都具有一定的优势。     

基于多目标优化的有限角度图像重建算法及实现

本文综合考虑了图像局部和整体的平滑性,以及最大熵准则,重新建立新的多目标优化模型,并在求解过程中引入同伦参数加快收敛速度。通过仿真实验,验证了所提算法能较好地改善有限角度下图像重建的质量及提高重建速度。