瞬变电磁BEDS-FDTD三维正演新算法及稳定性验证

常规FDTD的时间步长需满足Courant-Friedrich-Lewy（CFL）稳定性条件,导致时间迭代步过多,正演非常耗时.针对上述问题,本文采用Backward Euler（BE）差分方法近似Maxwell方程组中场对时间的一阶导数,使时间步长突破CFL限制;引入Direct Splitting（DS）策略将电磁场分量解耦,并将大型稀疏矩阵降阶和重构为一系列低阶且主对角占优的三对角矩阵,加快方程求解效率;而且,为了减少模型尺寸,针对上述改进的全新方程,本文采用双线性变换方法（bilinear transform,BT）推导了复频率偏移完全匹配层（complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML）吸收边界,形成瞬变电磁三维正演全新算法：BEDS-FDTD.首先采用von Neumann方法测试了新算法在有耗介质中、非均匀时间步长下的稳定性.之后,将BEDS-FDTD算法用于模型实验,并将模拟结果与层状模型的半解析解进行了对比,实验结果证明了新算法的计算精度能够满足需要;同时对新算法的计算效率进行了分析,当采用Tesla A100 GPU计算时,50×50×50网格数目的模型仅用10 s,即使网格数目增加到200×200×200,也仅需224 s.最后,将BEDS-FDTD算法用于复杂三维模型计算.

     

瞬变电磁低频近似Maxwell方程的CPML吸收边界及施加方法

为保证瞬变电磁场晚期信号计算正确, 在时域有限差分正演中通常采用低频近似, 即将磁场散度方程显式的包含在电磁场迭代方程中, 因而H_z的求解方式与H_x、H_y不同, 导致常规CPML吸收边界无法施加.本文重新推导了CPML介质中的迭代方程, 并将其与常规介质中的迭代方程在形式上进行了统一, 提出了一种适用于瞬变电磁低频近似下三维FDTD的CPML边界条件及施加方法.首先采用均匀半空间模型来验证本方法的有效性, 发现模拟结果与解析解吻合较好, 且模拟用时为采用Dirichlet边界FDTD用时的一半; 而且, 反射误差实验验证了本文的CPML边界吸收效率较高.之后, 模拟了典型的三层模型, 发现本方法的模拟结果与线性数字滤波解吻合程度较好.最后采用本方法计算了航空瞬变电磁带地形的复杂模型, 实验证明了本文提出的CPML具有广泛的适用性.

     

瞬变电磁Crank-Nicolson FDTD三维正演

时域有限差分（FDTD）方法使用Yee网格剖分电磁场的空间采样, 通过时间步迭代实现电磁场数值模拟, 具有内存消耗低、计算简单等特点, 常用于瞬变电磁三维正演.然而, 常规FDTD方法的时间迭代步长Δt受Courant-Friedrich-Lewy（CFL）条件严格限制, 过多的迭代次数以及过密的采样往往导致计算速度慢、累积误差不断增大.本文提出一种不受CFL条件约束的无条件稳定隐式差分算法Crank-Nicolson FDTD（CN-FDTD）用于瞬变电磁三维正演.基于Crank-Nicolson差分方法对Maxwell方程组重新离散, 空间网格仍然采用Yee元胞, 时间步进采用在整时间步电场、磁场同时采样的策略, 建立无条件稳定FDTD格式, 突破CFL条件限制.与常规FDTD交替采样相比, CN-FDTD电场、磁场同时采样的策略构成的隐式差分格式, 需要求解大型稀疏矩阵方程组.通常, 瞬变电磁三维正演模型中产生的矩阵阶数往往较大, 需要占用大量内存和求解时间.为解决上述问题, 采用Crank-Nicolson-cycle-sweep-uniform（CNCSU-FDTD）方法近似求解CN-FDTD方程, 在保证求解精度的同时, 计算效率大幅提高.在边界条件处理上, 采用双线性变换推导了复频率参数完全匹配层（CFS-PML）吸收边界.采用均匀半空间模型、四类三层模型进行精度验证, 发现CN-FDTD三维正演结果与解析解、线性数字滤波解吻合较好.之后, 与接触带上的低阻复杂模型进行对比, 结果显示CN-FDTD正演结果与矢量有限元、有限体积法以及FDTD计算结果吻合较好.在此基础上, 研究了时间步放大对CN-FDTD计算精度的影响, 发现最大时间步放大到常规FDTD的3200倍时才会在晚期出现较明显的误差.在一台CPU为Intel Core i5-7300HQ的笔记本电脑单线程计算条件下, 模拟到关断后30 ms仅需要50 min.在进行并行化后, 将有望实现复杂模型分钟级的三维正演, 从而为三维反演提供可靠、快速的正演方法.

     

基于L1范数的瞬变电磁非线性反演

瞬变电磁反演存在高度的非线性特征,常用的最小二乘等线性反演方法往往对初始模型高度依赖,并且极易陷入局部最优解.本文基于观测数据与模拟数据的L1范数建立目标函数,采用模拟退火非线性全局最优化方法实现瞬变电磁一维反演.初始模型完全随机产生,通过指数函数退温机制模拟系统能量最小实现迭代,通过接收概率函数评价当前模型,实现局部最优解的跳出,最终实现全局最优化求解.通过数值算例发现,无论给定的反演层数等于还是大于设计模型,都可以获得较好的反演效果,因而可以在反演初始就设计较多的层数,实现反演模型的自动拟合;同时,利用含噪声数据反演进一步验证算法的稳定性.最后,对实测数据进行了反演测试,结果与钻孔编录基本一致,表明提出的基于L1范数的模拟退火反演可用于实测数据处理.