散射波积分方程的Adomian分解解法

在背景模型基础上,求解模型扰动后的地震波散射场,这是目前地震反演中的一个关键步骤.本文将计算数学中求解非线性积分方程的Adomian分解方法,应用到求解标量波散射场的Lippmann-Schwinger积分方程和Ricatti积分方程中,分别得到了散射场的Born序列解和Rytov序列解.通过一维和二维数值算例说明：在满足一定的条件下,散射场的这两种序列解稳定收敛,与传统的Born和Rytov近似解相比,引入散射序列中的高阶项可以更精确地描述地震波散射场.

     

三维非均匀介质不稳定态渗流方程的交替方向隐式超松弛迭代解

将二维差分方程交替方向隐式迭代解法改进成为三维差分方程交替方向隐式超松弛迭代解法,从而提高了计算的速度,并用这一方法实现了三维非均匀介质不稳定态渗流方程的数值解.用二维各向同性均匀介质的理论解进行了计算验证,结果表明这一解法与理论解吻合得很好.文中还给了三层不均匀层状介质及三维非均匀油藏的压强分布实例.     

位场曲化平积分方程的迭代解

提出了位场曲化平的新方法. 给定观测曲面S上的位场、S对下方水平面P的相对高程,确定P上的位场. 利用由P向上延拓到S的积分式,建立这两个面上位场及相对高程三者所满足的方程,它是第一类Fredholm积分方程. 用Fourier逆变换式把这一空间域积分式化为波数域积分式,再由指数函数的Taylor展开进一步化为级数式. 积分方程的解采用逐次逼近法迭代计算,即用S上的位场观测值作为P上位场的初始迭代值,用导出的级数式求得S上的位场计算值、由S上的位场观测值与计算值之差校正P上的位场,多次迭代,直到满足迭代终止准则. 我们还给出该积分方程的波数域迭代计算方法. 模型算例表明,重力异常曲化平的均方差和磁异常曲化平的均方差分别为0.0008 mGal和0.0019 nT,在主频为2.26 GHz的笔记本电脑运行,2048×2048数据量,计算时间是975 s. 野外磁场实际资料处理也证实这种方法的有效性.     

结构动力学方程的显式积分格式

本文从空间解耦有限元常微分方程组出发，探讨了结构动力学方程的高精度显式积分格式。通过被积函数的拉格朗日多项式内插和分部积分导出了波动数值模拟的一组显式时步积分公式。这组公式是时间和空间解耦的，即波场内任一离散节点在任一时刻的波动数据可以用这组公式依据该节点及其邻近节点在该时刻之前的n＋1个时刻的波动数据显式地算出（n为非负整数），阐明了这组公式的如下特点：第一，其截断误差的量级不超过0（Δt^n＋3），Δt为时间步距。第二，它不仅可用于线性波动的数值模拟，而且可用于本构方程具有强非线性情形。第三，这组公式也可推广应用于一系列数学物理暂态问题的数值求解。针对一个简单的时不变系统初步分析了此组积分格式的稳定性。但是，对其稳定性尚需作进一步研究。     

二维均匀介质中积分方程的快速精确算法

采用稳定型双共轭梯度快速Fourier变换(BCGS-FFT)算法精确计算二维均匀介质中的积分方程.采用一种新的插值函数作为基函数和试探函数对积分方程进行弱化离散,离散后的积分方程采用稳定型双共轭梯度迭代方法进行求解,从而得到异常体内电场的分布.计算时采用快速Fourier变换技术将积分方程内Green函数与电场的乘积表示成褶积形式以加快计算速度.数值计算举例说明了算法的精确性和有效性.     

瞬态弹性波散射的变换域积分方程法

针对瞬态弹性波散射的问题,从弹性动力学问题的积分表示定理出发,采用Laplace变换的方法,得到了变换域内均质体位移场的积分方程表示;在此基础上推导了适合瞬态弹性波对异质体散射求解的变换域位移场积分方程。     

地球物理学中的电磁场积分方程正演

本文对地球物理学中的电磁场积分方程正演进行了综述,重点分析和讨论了积分方程正演中的散射场近似求解方法.散射场近似解法可以在保证计算精度的前提下有效的提高计算效率,使积分方程正演突破了传统简单孤立异常体研究的限制,适用于大规模复杂三维电磁场快速正演.本文着重对近年来国内外学者提出的散射场近似求解方法,如扩展Born近似、高阶广义Born近似、准线性(QL)近似和准解析近似(QA)等进行了分析和讨论,指出了各种近似解法的优缺点和适用范围.并在前人工作的基础上总结了地球物理学中的电磁场积分方程正演的基本原理和关键问题及解决方法,包括并矢格林函数、散射场的近似求解方法以及全积分求解方法等.最后,本文提出了积分方程法发展趋势和实际工程应用的前景以及面临的困难和待解决的问题.     

超松弛迭代法反演震源破裂过程解的稳定性分析

主要讨论超松弛迭代法反演震源破裂过程解的稳定性。在精确反演的基础上,分别对数据扰动和模型扰动进行分析,用MATLAB作图进行对比并得出最后的结论：超松弛迭代法反演震源破裂过程的结果是可靠的。     

电阻率测井响应的积分方程解法

从电流守恒条件出发,得到了两个积分方程.其中第一个和在1964年提出的相同,它的未知函数是边界面上的隐电流源分布密度;第二个积分方程的未知函数则是电位函数本身. 在的文章以及本文作者的另一篇文章中,供电电极和测量电极都被当成点电极处理.用这种方法来处理电位电极系和梯度电极系已不够准确,用来处理三侧向或双侧向等具有大电极的电极系则完全无能为力. 测井中所用的电极系是包着金属外皮的绝缘心棒,金属外皮就是电极.本文提出了处理这种电极系的方法.结果表明,第二个积分方程在处理这种电极系时有明显优点.     

电阻率测井响应的积分方程解法

从电流守恒条件出发,得到了两个积分方程.其中第一个和在1964年提出的相同,它的未知函数是边界面上的隐电流源分布密度;第二个积分方程的未知函数则是电位函数本身. 在的文章以及本文作者的另一篇文章中,供电电极和测量电极都被当成点电极处理.用这种方法来处理电位电极系和梯度电极系已不够准确,用来处理三侧向或双侧向等具有大电极的电极系则完全无能为力. 测井中所用的电极系是包着金属外皮的绝缘心棒,金属外皮就是电极.本文提出了处理这种电极系的方法.结果表明,第二个积分方程在处理这种电极系时有明显优点.     

位场向下延拓的波数域迭代法及其收敛性

提出了位场向下延拓的波数域迭代法. 对水平面上的位场观测值进行Fourier变换,得到其波谱. 根据第一类Fredholm积分方程的空间域迭代解法,推导出计算向下延拓水平面上位场波谱的波数域迭代公式. 在波数域中进行迭代,一直进行到相继两次迭代近似解的差值最大绝对值小于给定的精度,或迭代达到给定的最大迭代次数. 对这种迭代近似解进行Fourier逆变换,得到向下延拓的位场. 数值计算结果表明：与空间域迭代法比较,这种波数域迭代法简单、快速,并有同样好的向下延拓效果. 本文还证明了这种迭代法是收敛的,并给出了它的收敛特性和滤波特性.     

基于广义旋转法双九点格式标量波方程数值模拟

前人虽然基于传统旋转法提出了四阶精度最优17点差分格式,用于提高频率域地震波场数值模拟精度,但其仅适用于等网格间距的情形.这大大限制了该格式的使用范围.为了进一步提高17点有限差分格式的数值精度并将其推广到矩形网格,本文基于二阶精度有限差分算子利用广义旋转法提出了双九点格式,由于其差分格点与前人17点格式在分布上一样,所以也可称为二阶精度最优17点格式,但由差分格式构造原理上来讲,称其为双九点格式更妥.前人四阶精度17点格式仅为本文等网格间距情形时的特殊情况,本文方法单位波长网格点数仅需要2.2个即可.本文格式在继承传统旋转法良好几何旋转性质的同时,拥有平均导数方法适用于矩形网格的特点,和平均导数法所得的广义17点格式相比,本文格式数值精度更高,数值频散抑制性能和差分算子对称性更好.同时,本文双九点格式方法和思想对于后人借助传统九点格式的构造方法将其扩展到17点格式求解各类波动方程具有十分重要的意义.

     

沙漠地区地震勘探随机噪声建模及其在噪声压制中的应用

随机噪声是影响地震勘探有效信号的主要因素,其存在大大降低了地震记录的信噪比.在噪声压制方法不断被改进的同时,对随机噪声特性进行研究,了解噪声的产生机制是对其进行压制的先决条件,目前对噪声的研究主要是特性研究以寻找规律性,对其进行定性定量的分析还比较少.本文根据塔里木沙漠地区实际采集环境,考虑到噪声的连续性给计算带来的不便,假设各类噪声源以点源的形式分布在检波器周围,依据相应理论确定各类噪声源的源函数,其激发的噪声经由波动方程传播,将随机噪声作为各类噪声源共同作用的综合波场,建立随机噪声的理论模型.通过分析不同种噪声对地震记录的影响,选取合适的滤波方法对其进行压制,实验结果表明,通过建立沙漠地区随机噪声的理论模型,为选择有效的滤波方法,提高地震记录信噪比起到理论指导作用.     

金属矿山地地区地震勘探随机噪声的波动方程模拟

消减随机噪声是目前陆地地震勘探数据处理的关键问题之一,分析随机噪声的产生机制及特征是对其进行有效压制的先决条件.本文针对中国南方山地金属矿区的勘探环境,根据随机噪声中包含的自然噪声和人文噪声的发声机理分别确定其噪声源函数,以波动方程作为噪声传播模型对山地地区随机噪声进行建模,将随机噪声作为一个综合波场,并且与实际噪声记录进行比较.随机噪声记录作为时空域的二维随机过程,分别对模拟噪声和实际噪声记录的时间域波形(振动图)特征包括频谱、功率谱密度,相空间轨迹图,统计量特征(能量分布,累积分布,均值,方差,峰度,偏度),和空间域波形(波剖面)特征包括波数谱和统计量特征进行比较,对比结果显示在时空域模拟噪声和实际噪声都有基本相同的性质,证明了本文对随机噪声模拟方法的可行性,为进一步研究随机噪声时空域传播特性以及噪声消除奠定理论基础.     

Iterative convergence of boundary-volume integral equation method

The boundary-volume integral equation numerical technique can be a powerful tool for piecewise heterogeneous media, but it is limited to small problems or low frequencies because of great computational cost. Therefore, a restarted GMRES method is applied to solve large-scale boundary-volume scattering problems in this paper to overcome the computational barrier. The iterative method is firstly applied to responses of dimensionless frequency to a semicircular alluvial valley filled with sediments, compared with the standard Gaussian elimination method. Then the method is tested by a heterogeneous multilayered model to show its applicability. Numerical experiments indicate that the preconditioned GMRES method can significantly improve computational efficiency especially for large Earth models and high frequencies, but with a faster convergence for the left diagonal preconditioning.     

A central difference method with low numerical dispersion for solving the scalar wave equation

In this paper, we propose a nearly‐analytic central difference method, which is an improved version of the central difference method. The new method is fourth‐order accurate with respect to both space and time but uses only three grid points in spatial directions. The stability criteria and numerical dispersion for the new scheme are analysed in detail. We also apply the nearly‐analytic central difference method to 1D and 2D cases to compute synthetic seismograms. For comparison, the fourth‐order Lax‐Wendroff correction scheme and the fourth‐order staggered‐grid finite‐difference method are used to model acoustic wavefields. Numerical results indicate that the nearly‐analytic central difference method can be used to solve large‐scale problems because it effectively suppresses numerical dispersion caused by discretizing the scalar wave equation when too coarse grids are used. Meanwhile, numerical results show that the minimum sampling rate of the nearly‐analytic central difference method is about 2.5 points per minimal wavelength for eliminating numerical dispersion, resulting that the nearly‐analytic central difference method can save greatly both computational costs and storage space as contrasted to other high‐order finite‐difference methods such as the fourth‐order Lax‐Wendroff correction scheme and the fourth‐order staggered‐grid finite‐difference method.     

位场向下延拓迭代法收敛性分析及稳健向下延拓方法研究

地磁导航作为一种新的无源导航方式,具有重要的国防意义.构建空间地磁数据库是实现地磁导航的基础,位场延拓是解决地磁数据库构建的有效方法.积分-迭代法是一种解决位场大深度向下延拓的实用方法.本文着重对积分-迭代法的收敛性进行了分析,从数学角度证明积分-迭代法能够收敛到直接下延法理论解.同时对积分-迭代法的抗干扰性进行了初步分析,当观测数据含有噪声时,积分-迭代过程中使得噪声得到累加,影响延拓数据的精度.本文利用正则化方法和递增型维纳滤波方法,提出了波数域位场向下延拓新算法.模型检验表明,新算法稳定、抗干扰能力强、计算速度快.     

波动方程的高阶广义屏叠前深度偏移

不同于常规广义屏传播算子的推导中使用散射理论,本文利用单平方根算子的渐近展开,推导出了单程波方程广义屏传播算子的高阶表达式.高阶广义屏传播算子不仅可提高常规广义屏传播算子的计算精度,而且还能改善广义屏传播算子对速度强横向变化介质的适应性.把高阶广义屏传播算子应用于波动方程叠前深度偏移,可得到比常规广义屏传播算子更好的效果.高阶广义屏传播算子的阶数越高,计算精度越高,但计算量也越多.以SEG-EAGE二维盐丘模型数据的波动方程叠前深度偏移为例,二阶广义屏传播算子相对于常规（一阶）广义屏传播算子增加了30%的计算量.高阶广义屏传播算子是常规广义屏传播算子理论的发展和完善.     

双复杂条件下非倾斜叠加精确束偏移方法及应用I——声波方程

近年来,油气勘探的重心正转向具有复杂地表和复杂地质体的双复杂区域.本文发展了一种精确的双复杂条件下基于地表倾角信息的非倾斜叠加束偏移方法,相对于传统束成像方法无需进行三方面处理:(1)高程静校正;(2)相位校正;(3)束中心与接收点之间关于速度和束出射角的近似替换,因而具有更高的成像精度.通过加拿大逆掩断层模型、中原油田断层模型及实际资料的偏移试算,并与传统束偏移及波动方程偏移成像结果对比可知:本文非近似束偏移方法在近地表、高陡倾等构造处的成像精度、反射界面成像振幅等方面优于传统的偏移方法,以此验证了本文非倾斜叠加精确束偏移方法的正确性、优越性及适应性.     

复杂地表边界元-体积元波动方程数值模拟

复杂近地表引起来自深部构造的地震反射信号振幅和相位的异常变化,是影响复杂近地表地区地震资料品质的主要原因.本文采用边界元-体积元方法,通过求解含复杂地表的波动积分方程,来模拟地震波在复杂近地表构造中的传播.其中,边界元法模拟地形起伏和表层地质结构对地震波传播的影响;体积元法模拟起伏地表下非均质低降速层的影响.与其他数值模拟方法比较,其主要优点为几何上精确描述不规则地表界面,实现精确模拟自由表面对地震波的边界散射;显式应用近地表地层界面的连续边界条件,实现半解析的数值模拟;分区处理近地表复杂结构,有效模拟复杂地表下非均匀介质对地震波场的体散射.数值试验结果表明了该方法的实用性和有效性.