地震正演数值模拟完全匹配层吸收边界条件研究综述

由于对边界反射具有优秀的吸收效果,完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)吸收边界条件自被提出就受到了广泛的关注和研究,并发展成为地震正演数值模拟中应用最广泛的边界条件.随着地震正演数值模拟技术的发展,对PML边界条件的研究取得了显著的进展,发展形成了多种PML边界条件,并在声波、弹性波等多种方程的地震正演数值模拟中得到了广泛的应用,取得了良好的效果.但是,对于该领域涌现出的大量的研究成果,缺少系统总结的综述性文献.为此,本文归纳梳理了近年来PML边界条件在地震正演数值模拟领域的研究和应用成果,分阶段地概述了PML边界条件的发展进程.最后讨论总结了各种方法的异同之处,并对地震正演数值模拟领域中PML边界条件的研究方向进行了展望.     

不分裂卷积完全匹配层与旋转交错网格有限差分在孔隙弹性介质模拟中的应用

完全匹配层吸收边界在地震波模拟中已广泛使用,但常用的场分裂格式完全匹配层吸收边界(SPML)和传统的不分裂完全匹配层吸收边界(NPML)对极低频入射波或大角度入射波的边界吸收效果不好.一种无需分裂和显式卷积计算的完全匹配层吸收边界(CPML)不仅能够解决常规PML吸收边界的不足,而且具有存储量小、计算效率高、易于编程实现的特点.本文将这种完全匹配层(CPML)吸收边界引入到孔隙弹性介质速度-应力格式的旋转交错网格有限差分算法中,对完全匹配层吸收边界参数进行数值分析,得到一组优化的参数.孔隙弹性介质数值模拟结果表明这种不分裂卷积完全匹配层的吸收效果优于常规完全匹配层.     

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.     

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法. 在此基础上,将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度应力混合有限元格式中,探讨了PML应用的可行性,并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率,比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异,对两种边界的透射效果进行了分析. 结果表明, 尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性,但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果,在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显;PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中,未见失稳等不良反应,比MTF人工边界有更好的稳定性;在合理选择参数的情况下,PML人工边界的运算量可接受.      

基于递归积分的复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法

常规完全匹配吸收边界(PML)对以近掠射角入射到界面上的波以及低频波、损耗波都会产生虚假边界反射.基于递归积分的不分裂复频移PML算法,利用复频移拉伸函数,极大地改善了PML边界条件的性能,我们进一步推导出基于递归积分的不分裂复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法,对长条形介质模型进行数值模拟,与常规PML算法进行比较说明该算法对以掠射角入射到PML界面的波以及PML层内损耗波的吸收效果.     

基于平均导数方法的声波方程频率域高阶正演

本文首先阐明了基于旋转坐标系的频率域正演算法只能适用于相同横纵向空间采样间隔的局限性,并发展了一种新的基于平均导数方法（average-derivative method,简称ADM）的25点有限差分格式来实现声波方程频率域高精度正演.这种基于平均导数方法的算法将声波频率域方程中空间导数项的差分近似表示为正交方向上5个网格点的加权平均形式,能适用于不同的横纵向空间采样间隔,因此能作为四阶声波频率域正演的一种统一格式,具有很好的适用性.通过优化方法求取空间导数项和加速度项的加权优化系数,从而使数值频散达到极小化,每个波长所需要的网格点数在1%的误差范围内仅为2.78个网格点数.本文通过引入完全匹配层（perfectly matched layer,简称PML）吸收边界条件,有效地消除了人工边界反射.数值模拟结果验证了本文25点ADM算法的有效性和准确性.     

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.     

高阶交错网格非稳态相移叠后深度偏移

为更好地研究复杂构造和速度分布条件下地震资料的精确偏移.在波场模拟方面,本文采用了高阶交错网格有限差分[1]推导了二维各向同性介质声波方程的数值模拟公式.并给出了声波方程完全匹配层吸收边界[2-5](PML).在偏移方面,本文介绍了一种能适应介质速度横向变化的非稳态相移算子(NSPS)[6]及其叠后深度偏移方法.并对简单的四层模型和Marmousi模型进行试算.偏移结果表明,该方法可以有效地处理复杂条件下的各向同性介质声波偏移问题.     

基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟,开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.     

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.     

Perfectly matched layer-absorbing boundary condition for finite-element time-domain modeling of elastic wave equations

The perfectly matched layer (PML) is a highly efficient absorbing boundary condition used for the numerical modeling of seismic wave equation. The article focuses on the application of this technique to finite-element time-domain numerical modeling of elastic wave equation. However, the finite-element time-domain scheme is based on the second-order wave equation in displacement formulation. Thus, the first-order PML in velocity-stress formulation cannot be directly applied to this scheme. In this article, we derive the finite-element matrix equations of second-order PML in displacement formulation, and accomplish the implementation of PML in finite-element time-domain modeling of elastic wave equation. The PML has an approximate zero reflection coefficients for bulk and surface waves in the finite-element modeling of P-SV and SH wave propagation in the 2D homogeneous elastic media. The numerical experiments using a two-layer model with irregular topography validate the efficiency of PML in the modeling of seismic wave propagation in geological models with complex structures and heterogeneous media.     

完全匹配层吸收边界在孔隙介质弹性波模拟中的应用

模拟弹性波在孔隙介质中传播,需要稳定有效的吸收边界来消除或尽可能的减小由人工边界引起的虚假反射. 本文在前人工作基础上,首次建立了弹性孔隙介质情况下完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法,并详细讨论了完全匹配层的构建及其有限差分算法实现. 首先,本文通过均匀孔隙模型的数值解与解析解的对比,验证所提出的数值方法的正确性;然后,本文考察了完全匹配层对不同入射角度入射波和自由表面上的瑞利波的吸收性能,将完全匹配层与廖氏和阻尼吸收边界进行了对比,研究了这三种吸收边界在不同吸收厚度情况下对弹性波吸收能力. 数值结果表明,在孔隙介质中,完全匹配层作为吸收边界能十分有效地吸收衰减外行波,无论对体波还是面波,是一种高效边界吸收算法.     

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.     

弱形式时域完美匹配层

应用高精度人工边界条件可有效提升近场波动数值模拟计算效率.完美匹配层是吸收层形式高精度人工边界条件,匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到,亦曾将无限域界面条件当作匹配层界面条件.场方程和界面条件构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发数值失稳、计算精度低下等问题.本文提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法.弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件,进而规避了变换后所得场方程与界面条件之间的匹配不合理问题.新方法可直接建立弱形式匹配层,在此基础上亦可给出强形式匹配层.弱形式便于有限元离散,强形式便于有限差分离散.基于弱形式完美匹配层,结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案.利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性.本文工作可直接推广至多相耦合介质近场波动数值模拟.     

SH波场中完全匹配层吸收边界研究(英文)

无限域中的波动方程数值模拟往往需要稳定有效的吸收边界来消除人为边界截断所引起的虚假反射.本文首先写出了全匹配层(PML)内SH波的波动方程推导结果,并给出了方程的Crank-Nicolson计算格式与其中窄间导数2阶,6阶,10阶精度的有限差分算法以及伪谱法算法.然后设计了均匀各向同性介质模型和分层溶洞模型并引入图像处理中的信噪比(SNR)概念来定量研究边界吸收效果同PML宽度、不同精度算法的关系.数值结果表明当匹配层宽度比较薄时可以用低精度的有限差格式来获得比较好的吸收效果,当匹配层比较宽时,采用高精度的算法可以获得很好的吸收效果.最后对"反射系数"进行了讨论,指出"反射系数"的不足和文中用SNR来定量衡量吸收边界     

An unsplit complex frequency-shifted perfectly matched layer for second-order acoustic wave equations

The perfectly matched layer(PML) boundary condition has been proven to be effective for attenuating reflections from model boundaries during wavefield simulation. As such, it has been widely used in time-domain finite-difference wavefield simulations. The conventional PML has poor performance for near grazing incident waves and low-frequency reflections. To overcome these limitations, a more complex frequency-shifted stretch(CSF) function is introduced, which is known as the CFSPML boundary condition and can be implemented in the time domain by a recursive convolution technique(CPML). When implementing the PML technique to second-order wave equations, all the existing methods involve adding auxiliary terms and rewriting the wave equations into new second-order partial differential equations that can be simulated by the finite-difference scheme, which may affect the efficiency of numerical simulation. In this paper, we propose a relatively simple and efficient approach to implement CPML for the second-order equation system, which solves the original wave equations numerically in the stretched coordinate. The spatial derivatives in the stretched coordinate are computed by adding a correction term to the regular derivatives. Once the first-order spatial derivatives are computed, we computed the second-order spatial derivatives in a similar way; therefore, we refer to the method as two-step CPML(TS-CPML). We apply the method to the second-order acoustic wave equation and a coupled second-order pseudo-acoustic TTI wave equation. Our simulations indicate that amplitudes of reflected waves are only about half of those computed with the traditional CPML method, suggesting that the proposed approach has computational advantages and therefore can be widely used for forwarding modeling and seismic imaging.     

几种自由边界实施方法在完全 匹配层条件下的对比研究

传统的完全匹配层技术是一种能够较为有效地消除边界反射的边界条件,但是当表层为泊松比较高的自由表面时,该技术可能会产生不稳定的现象.针对传统的完全匹配层技术固有的不稳定和掠射情况下吸收效果不佳等缺陷,发展了多轴完全匹配层、卷积完全匹配层以及将两者结合的多轴卷积完全匹配层等3种边界条件.本文介绍了水平自由表面的不同处理方法以及传统、多轴、卷积和多轴卷积等4种完全匹配层条件的原理,通过二维半无限空间模型的交错网格有限差分正演模拟对比,分析了几种自由边界实施方法在这几种完全匹配层条件下的稳定性,并通过提取单道波形与解析解进行对比,定性分析了水平自由表面几种不同处理方法的准确性以及各自的适用条件. 结果表明,泊松比和水平自由表面实施方法对波场模拟效果及其稳定性有重要影响.      

Stability of finite difference numerical simulations of acoustic logging-while-drilling with different perfectly matched layer schemes

In acoustic logging-while-drilling （ALWD） finite difference in time domain （FDTD） simulations, large drill collar occupies, most of the fluid-filled borehole and divides the borehole fluid into two thin fluid columns （radius -27 mm）. Fine grids and large computational models are required to model the thin fluid region between the tool and the formation. As a result, small time step and more iterations are needed, which increases the cumulative numerical error. Furthermore, due to high impedance contrast between the drill collar and fluid in the borehole （the difference is 〉30 times）, the stability and efficiency of the perfectly matched layer （PML） scheme is critical to simulate complicated wave modes accurately. In this paper, we compared four different PML implementations in a staggered grid finite difference in time domain （FDTD） in the ALWD simulation, including field-splitting PML （SPML）, multiaxial PML（M- PML）, non-splitting PML （NPML）, and complex frequency-shifted PML （CFS-PML）. The comparison indicated that NPML and CFS-PML can absorb the guided wave reflection from the computational boundaries more efficiently than SPML and M-PML. For large simulation time, SPML, M-PML, and NPML are numerically unstable. However, the stability of M-PML can be improved further to some extent. Based on the analysis, we proposed that the CFS-PML method is used in FDTD to eliminate the numerical instability and to improve the efficiency of absorption in the PML layers for LWD modeling. The optimal values of CFS-PML parameters in the LWD simulation were investigated based on thousands of 3D simulations. For typical LWD cases, the best maximum value of the quadratic damping profile was obtained using one do. The optimal parameter space for the maximum value of the linear frequency-shifted factor （a0） and the scaling factor （β0） depended on the thickness of the PML layer. For typical formations, if the PML thickness is 10 grid points, the global error can be reduced to 〈1% using the optimal PML parameters, and the error will decrease as the PML thickness increases.