瞬变电磁法正演计算进展

详细介绍了瞬变电磁法正演计算的方法、现状和发展趋势.瞬变电磁法一维正演计算需要将电磁场从频率域转换至时间域,转换方法有三种,分别是Gaver-Stehfest算法、余弦变换和Guptasarma算法.在这三种方法中,使用较多的是Gaver-Stehfest算法和余弦变换,Gaver-Stehfest算法速度较快,但精度不及余弦变换.瞬变电磁法的数值模拟主要集中于2.5维和三维,使用的数值计算方法有积分方程法、有限差分法、有限单元法和SLDM法.积分方程法主要在三维数值模拟中使用,现已很少使用;有限差分法和有限单元法是目前瞬变电磁法2.5维和三维数值模拟的主要方法;SLDM法主要应用于三维数值模拟.我国瞬变电磁法正演计算成果主要集中在回线源激发的瞬变电磁场一维数值计算和利用有限单元法进行2.5维和三维数值模拟.瞬变电磁法正演计算的发展趋势有:数值算法的改进、提高计算效率和研究地形对瞬变电磁场的影响规律.     

瞬变电磁频-时转换混合优化算法研究

瞬变电磁正演的常规算法是把频率域响应转化到时间域,通常有三种方法:Guptasma算法、余弦变换折线逼近算法和Gaver-Stehfest逆拉普拉斯变换算法.在计算精度上,余弦变换折线逼近算法难以求出符合精度的感应电动势,误差集中在晚期,但是当频率范围取值合理时,可以得到精度较高的磁感应强度.Guptasma算法和Gaver-Stehfest逆拉普拉斯变换算法在晚期通常有较大误差,而早期的感应电动势和磁感应强度精度都较高.在计算速度上,Guptasma算法最快,折线逼近算法由于需要计算大量频点导致速度很慢.因此,为了能够既快速又有效的完成频率域到时间域的转换,为反演奠定基础,本文以电性源为例,设计出一种新的混合算法,该算法在早期采用Guptasma算法,在误差较大的晚期采用余弦变换多项式近似算法,首先求出磁感应强度,然后采用数值差分的方法求得感应电动势.通过对Guptasma算法、余弦变换折线逼近算法以及混合优化算法的最终结果的误差和运算时间进行比较,说明混合优化算法充分发挥了Guptasma算法和余弦变换折线逼近算法的各自的优势,计算速度较快且精度较高,能够取得较好的效果.     

余弦变换和Fourier变换在位场数据处理与转换中的对比研究

余弦变换是一种实数域变换方法,Fourier变换是一种复数域变换方法.而位场数据是实数,因此对于余弦变换来讲可以直接使用;但对Fourier变换需要将实数转化为复数才可以使用,这样就降低了效率.本文通过整理余弦变换和Fourier变换的定义、性质、快速算法的计算量以及在位场数据处理和转换上的频率响应,对余弦变换和Fourier变换进行对比研究.通过对比表明,余弦变换的性质、频率响应均比Fourier变换复杂;余弦变换快速算法的计算量比复数域Fourier变换的计算量少一倍,但与实数域Fourier变换的计算量相当.理论模型测试和实际资料处理结果表明,余弦变换和Fourier变换在位场数据处理和转换方面的计算精度相当,且计算量也基本相同.因此,Fourier变换用于位场数据处理和转换时比余弦变换更具有优势.     

局部指数标架小波束在复杂介质方向照明分析中的应用

提出了用局部指数标架小波束进行角度域分解的方法,解决了局部余弦基和局部正弦基缺乏单一方向性的问题.局部指数标架由局部余弦基和局部正弦基线性组合而成,是冗余度为2的紧标架.利用局部余弦变换和局部正弦变换的快速算法,能使基于局部指数标架进行方向照明分析的计算效率较常用的局部倾斜叠加和Gabor-Daubechies标架等方法具有更为明显的优势.通过计算二维SEG/EAGE模型和SIGSBEE模型的方向照明图以及采集系统倾角响应图证实了本文方法的有效性.该方法的高效性使其在三维模型的方向照明分析和大规模的工业应用中具有广阔前景.     

利用余弦变换计算重力异常的向上延拓

利用余弦变换计算重力异常的向上延拓是一种新方法.根据余弦变换的基本性质,推导了二度、三度体异常向上延拓余弦变换谱理论公式,采用离散余弦变换实现了该法的数值计算;研究了无限长水平圆柱体的补偿因子中主频段的特性,给出了二度体的线性补偿方式;补偿后的理论模型异常向上延拓具有较高的计算精度,除边部几个数据因数据的离散和有限截断使误差较大外（最大误差为6.23%）,其余数据的误差均在1%以内,理论值和计算值曲线基本重合.这说明,与Fourier变换相比,离散余弦变换在数值计算中,受非周期性深度因子的影响小,补偿方式易于选择,其计算方法优于Fourier变换.     

局域波分解及其在地震信号时频分析中的应用

讨论非平稳、非线性局域波信号分解方法的物理意义和自适应性,数值实现三种局域波分解算法,研究局域波分解在地震信号时频分析中的应用方法和实践.通过Hilbert变换得到地震信号时频分布特征,与Fourier变换谱物理意义不同.采用一定的计算策略,改善瞬时频率计算精度,突出瞬时频率属性的物理意义;将局域波分解同Wigner分布结合,计算地震信号基于局域波分解的Wigner分布,抑制交叉项.模型和实际地震数据试算结果表明实现算法的正确性和有效性.研究表明：在地震信号时频分析中采用局域波分解求Hilbert谱具有自适应性,时域和频域的分辨率也较高;而基于局域波分解的地震信号Wigner分布,保留Wigner分布优良特性,抑制交叉项方法简单易实现;局域波分解方法适合处理地震信号,值得进一步研究和推广.     

瞬变电磁法2.5维有限元数值模拟研究

本文对瞬变电磁法2.5维有限元正演进行了研究.从频率域麦克斯韦方程组出发,经过傅里叶变换推导出了走向y方向频率域电磁场响应的变分问题,然后运用频率域和时间域的转换公式求解出时间域瞬变电磁场的解.在求解频率域电磁场响应时为提高精度采用了基于二次插值的高阶有限元的算法,即单元网格插值为二次函数,同时推导出了经有限元离散后的泛函问题;在求解时间域电磁响应采用了正余弦变换的数字滤波算法.通过基本模型的正演,验证了算法的可行性.同时,也对比了基于G-S变换的线性有限元算法的数值结果,结果表明,本文采用的算法精度更高,层状模型最大延迟采样时间提高到了100 ms以上.     

稳定高效的时域反Q滤波方法

本文提出了一种全新的基于等效Q值的时域反Q滤波算法,其允许等效Q值在垂向上随时间连续变化,在空间上存在弱变化;将加权最小平方方法优化设计思想引入到时域反Q补偿短算子设计当中,给出最优时域短算子设计,将大量的频率域乘法工作转化为少量的时域褶积运算;采取表驱动方案,将短算子的构建与反Q补偿运算相剥离,极大地提升了计算效率;提出了一种新的稳定性控制方法,其既保证算法具有良好的稳定性,又满足短算子设计精度的要求.数值计算表明：时域反Q滤波算法可以取得与频域算法相同的补偿效果,并保证算法具备良好的稳定性和较高的计算效率.     

利用多道信号测定短周期面波频散

使用适配滤波频时分析技术处理面波信号,获取滤波后的时域包络,并对具有相同群速度的各道信号包络的振幅进行叠加,取叠加所得极大值对应的走时为该频率的群延时,以此来提高群速度的测量精度对P-τ,（相慢度-时间）域的波场进行傅氏变换,然后在P-ω（相慢度-频率）平面叠加多道信号来测定相速度．利用这两种方法处理合成的短周期瑞利波地震图,结果表明：经过振型分离以后,利用基阶振型信号所求出的相速度、群速度曲线更加接近理论频散值．对地震勘探资料进行处理,取得了5-40Hz内的相速度、群速度频散,且曲线较为平滑     

错格实数傅里叶变换微分算子及其在非均匀介质波动传播研究中的应用

提出一种新的数值微分运算方法，即错格实数傅里叶变换微 分法. 该方法的运算速度 比错格复数傅里叶变换数值微分解法快0.33倍；因为该微分算法在整个微分运算过程中保留 了奈奎斯特分量，使得它比普通分格的实数傅里叶变换数值微分算法的精度高，稳定性好. 将该方法和Cagniard De Hoop解析法在求解半无限空间地震波动的问题中进行比较，结果 表明，新微分法的精度和解析方法的精度相同. 在非均匀介质中的地震波传播数值模拟的结 果表明，该方法是一种研究非均匀介质中地震波传播问题的有效的数值微分方法.     

单自由度系统地震动力反应的实时计算方法

本文对计算单自由度系统地震动力反应的频域方法和时域方法进行了分析比较。说明了目前时域方法所存在的问题,指出寻找一种在计算精度上与频域方法等价的时域算法是一个值得研究的重要课题。据此,本文提出了一套能较精确模拟单自由度系统传递函数的时域方法。其计算格式采用具有较高计算效率的递归格式。理论分析与数值试验表明,该方法具有精度优于其他时域算法、速度快的特点,可应用于强震观测台网中强地震动参数的实时计算。     

地震层析成象的-变换

由Radon变换出发给出了地震走时问题的——变换.定义模型坐标(x,z)与震源位置()和射线斜率()间的线性关系为x=+z.文中给出了-正反变换的理论公式,并分析了-变换与富氏变换的关系。理论表明,连续函数的-变换可得到走时反演问题的唯一解。 在地震学非完全层析成象中,欲提高图象质量必须压制假频和提高分辨.作者对重建图象的分辨进行了详细讨论,最后通过数值模拟讨论了观测系统和滤波处理的影响。      

地面瞬变电磁法一维烟圈反演技术研究

本文首先进行了瞬变电磁一维正演理论研究,推导出了回线源在均匀水平层状介质中的电磁响应计算公式,采用快速汉克尔变换和正、余弦变换的数值滤波算法以及G-S逆拉普拉斯算法计算了垂向感应电压.区别于传统一维反演一般基于晚期视电阻率,利用二分查找法和平移算法计算得到了全区视电阻率,在全区视电阻率的基础上,根据蒋邦远提出的烟圈反演方法进行了地面瞬变电磁法一维烟圈反演技术研究,最后对理论数据及实测数据进行了一维反演解释,证明了这种烟圈反演技术有助于提高实际反演解释工作的准确性.     

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.     

四阶龙格-库塔方法的一种改进算法及地震波场模拟

提出了求解波动方程的四阶龙格-库塔方法的一种改进算法.首先将原四阶龙格-库塔方法合并为两级格式, 然后在第一级中引入加权参数以获得加权算法. 针对这种改进方法,研究了它的稳定性条件; 对一维问题导出了频散关系, 给出了数值频散结果,并与四阶的 Lax-Wendroff (LWC) 方法和位移-应力交错网格方法进行了对比; 对二维问题, 使用我们的改进方法、四阶LWC和交错网格三种方法进行了声波波场模拟, 并进行了计算效率分析和不同方法计算结果的比较; 最后选取两个层状介质模型进行了声波和弹性波波场模拟. 数值结果表明,本文的改进方法具有非常弱的数值频散和高的计算效率, 是一种在地震勘探领域具有巨大应用潜力的数值方法.     

基于EGM2008重力场模型的GPS高程转换方法及精度分析

研究利用重力场模型直接进行GPS高程转换的方法,即模型高程异常法和模型重力位法.根据误差传播定律,导出了由重力场模型位系数方差计算模型高程异常以及模型正常高的误差公式,并对影响两种GPS高程转换方法精度的因素进行分析.利用具有代表性的EGM96、EIGEN-51C和EGM2008重力场模型及某线路GPS/水准数据对两种方法进行实验研究与精度分析,结果表明:理论公式及实验结果都显示两种高程转换方法是等价的,转换精度相当;两种方法使用过程中,均可能需要系统偏差校正;EGM2008重力场模型具有非常好的分辨率及精度,在局部区域,基于EGM2008模型的GPS高程转换精度有望达到cm级.     

一种全局优化的隐式交错网格有限差分算法及其在弹性波数值模拟中的应用

在数值模拟中,隐式有限差分具有较高的精度和稳定性.然而,传统隐式有限差分算法大多由于需要求解大型矩阵方程而存在计算效率偏低的局限性.本文针对一阶速度-应力弹性波方程,构建了一种优化隐式交错网格有限差分格式,然后将改进格式由时间-空间域转换为时间-波数域,利用二范数原理建立目标函数,再利用模拟退火法求取优化系数.通过对均匀模型以及复杂介质模型进行一阶速度-应力弹性波方程数值模拟所得单炮记录、波场快照分析表明:这种优化隐式交错网格差分算法与传统的几种显式和隐式交错网格有限差分算法相比不但降低了计算量,而且能有效的压制网格频散,使弹性波数值模拟的精度得到有效的提高.     

BFO-PSO算法下的弹性波数值模拟

地震波正演模拟是地震反演与成像的基础和关键,有限差分算法广泛应用于地震波数值模拟,差分算子的精度直接影响数值模拟的质量和效率.本文提出一种BFO-PSO算法下的有限差分算子优化方法,并应用其进行弹性波数值模拟.首先,将BFO算法中的趋化、复制、驱散三个步骤引入PSO算法,形成具有更好全局搜索能力和更快收敛速度的BFO-PSO混合优化算法;之后构造包含有限差分系数的目标函数,并应用BFO-PSO混合优化算法求取最优解,获得优化的有限差分算子;最后应用此优化的有限差分算子在不同模型上进行弹性波数值模拟.根据频散曲线及数值模拟结果,可以分析得出,BFO-PSO算法优化后的有限差分算子在保证计算效率的同时,具有更高的精度,可以有效压制数值频散,提高数值模拟的精度和效率.     

TTI介质弹性波FCT有限差分数值模拟

TTI(Tilted Transversely Isotropic)各向异性是对地下岩石中广泛存在的规则发育的裂缝和层理的一种有效的弹性近似,基于TTI介质的地震波数值模拟技术是分析地震波在复杂各向异性介质中的传播机理的有效工具.同时,高精度的数值模拟算法也能为后续的逆时偏移技术提供重要的技术支撑.由于TTI介质中地震波方程的弹性参数众多且变化复杂,常规有限差分技术在解决TTI介质正演模拟问题时往往会产生严重的数值频散现象,降低了数值模拟精度.通量校正传输(FluxCorrected Transport,FCT)技术能够有效地压制由空间离散产生的数值频散.本文将FCT技术用于TTI介质中弹性波方程的交错网格高阶精度差分正演,在数值模拟过程中通过对波场进行漫射和反漫射校正实现了空间网格频散的压制.模型模拟结果表明,与常规有限差分算法相比,本文算法能够有效的压制大网格条件下的数值频散,提高模拟精度.     

用折线逼近法计算余弦变换的频率范围讨论

要想提高余弦变换的精度,可以减小折线区间,增加折线的数量,最大限度地达到折线代替函数曲线的目的,然而在实际应用过程中我们发现,合理正确的选择变换的频率范围对余弦变换的计算精度会产生决定性的影响,本文目的就是为了减小因频率区间选取的不同而造成余弦变换结果的误差,使瞬变响应的计算精度达到最高.本文以大回线和磁偶极子为例,在电阻率、线圈半径、收发距不同因素的影响下,求其频率域响应,利用余弦变换计算其瞬变响应,通过与解析解的对比,来讨论使余弦变换结果达到最高精度所需要的最佳fH、fL.结果发现,随着电阻率的增加,余弦变换精度对频带的依赖性增强;线圈半径、收发距增加,余弦变换精度对频带依赖性减弱.无论哪种情况,最佳的频率范围基本上都是在10-6~107 Hz,而且当频宽不变时(logfH-logfL≥12),固定频带fH,大回线源的计算精度可以得到保证,固定fL,磁偶极子的计算精度可以得到保证.从而我们总结出一个在不同因素影响下的余弦变换的频率选取规律,大大降低了余弦变换结果因频段的选取而造成的误差.