瞬变电磁法三维模拟计算研究进展

瞬变电磁法应用于矿产资源、环境工程等领域。目前主流的瞬变电磁三维正演模拟方法包括积分方程法、有限差分法、有限体积法和有限元法。随着观测环境的复杂化以及探测精度要求的提高,有必要研究瞬变电磁法高精度三维模拟计算,以便推动数据处理解释方法的进步。本文系统介绍了瞬变电磁三维正演计算研究进展,分析了准静态差分方程的构建和发射源的加载及边界的处理等有限差分法的关键技术,厘定出空间和时间离散以及大型线性方程组的求解等有限元法的难题。瞬变电磁数值模拟今后的发展方向是深入开展近源情况下受场源效应、复杂地形、极化效应等影响的三维模拟,以及特殊场情况下的多源多分量响应计算,为瞬变电磁法精细探测提供理论支撑。     

VTI介质交错网格FCT有限差分数值模拟

波动方程有限差分数值模拟是研究地震波在地下介质中的波场特征和传播机理的重要手段.对于常规有限差分技术,当采用大网格对计算空间进行差分离散时会出现严重的数值频散问题,降低了计算精度.通量校正(Flux- corrected transport method,FCT)技术能够有效压制粗网格情况下有限差分的数值频散.本文研究了具有垂直对称轴横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质的交错网格FCT有限差分技术.首先从一阶速度一应力弹性波方程出发,在交错网格空间中给出了该方程的高阶有限差分法格式及稳定性条件,在此基础上研究了波动方程正演过程中的数值频散FCT压制技术,二者结合实现了该方程的高精度有限差分数值模拟.同常规算法相比,本文算法不额外增加内存需求,少量增加计算量,但可有效压制VTI介质中弹性波动方程正演的数值频散现象.当采用大网格进行数值模拟时,本文方法明显提高了波场模拟精度.     

大定源瞬变电磁法三维正演程序开发

大定源瞬变电磁法是应用比较广泛的电磁激发方法之一,本文介绍了其三维正演程序的开发。首先从麦克斯韦方程组出发,通过讨论边界条件、初始条件和场源计算等问题,建立起地下半空间介质中电磁场与电阻率分布之间的关系方程。再论述求解地下半空间介质中电磁场的三维交错网格有限差分法。然后利用有限差分法完成大定源瞬变电磁法三维正演模拟程序的开发,并详细介绍了程序的流程。最后以均匀半空间模型为例来进行数值模拟,得出结论与实际相符合。利用该程序还可以设置各种三维地电模型来进行数值模拟,从而为野外勘察提供指导,为室内资料处理提供依据。     

频率—空间域有限差分正演迭代法实现

频率域正演是频率域全波形反演的基础,此外它更适用于在处理介质参数与频率有关的问题。为了更高效地实现频率域正演,本文利用有限差分算子离散频率域—空间域波动方程,频率域正演转化为大型稀疏矩阵线性方程组的求解问题,以广义最小残差法实现频率—空间域有限差分正演迭代。与频率—空间域有限差分正演直接法相比,频率—空间域有限差分正演迭代法所需的储存空间小的特点,而两者的模拟精度和耗费时间相当。随着频率域正演的发展,数据维数越来越大,计算所需的储存空间面临极大的挑战,而迭代法能很好地解决这一问题。     

基于gprMax的衬砌脱空三维正演分析

衬砌脱空是一种常见的施工缺陷，会导致结构的劣化，降低隧道的安全性，需要在施工及运营阶段对隧道衬砌进行检测．利用基于时域有限差分法的gprMax软件，建立含脱空的隧道衬砌模型，对三维探地雷达的衬砌检测过程进行正演模拟，获取脱空的三维数据体．对脱空的响应特征进行分析，讨论了脱空对电磁波波形及波场分布的影响，结合工程实例验证了正演结果的可靠性．结果表明，脱空区电场强度随测线靠近中心而增强，依据这种变化可实现对脱空三维尺寸的探测；电磁波在脱空内部产生多次反射，引起围岩层中电磁波信号的多次震荡；金属部件会对脱空区信号产生较强的干扰，电场极值从大到小依次为无金属部件、单层钢筋网和双层钢筋网．研究结果对于推动三维探地雷达在隧道衬砌脱空检测中的应用，提高脱空检测的准确性具有参考价值．     

探地雷达数值模拟的吸收边界条件研究

运用时域有限差分法实现探地雷达数值模拟时,边界条件的吸收特性对计算结果起着关键性作用。目前应用于探地雷达数值模拟的吸收边界有：Mur二阶吸收边界、超吸收边界和完全匹配层,本文引入一种新的吸收边界：单轴各向异性理想匹配层（UPML）,实现对有损耗介质中雷达波传播的数值模拟;并在激励源子波中心频率分别为100MHz、500MHz和1000MHz的情况下,以二维空间中的电偶极子辐射作为算例对Mur二阶、广义完全匹配层（GPML）和UPML吸收边界的全局误差进行比较,结果显示在不同频率下,UPML的计算精度都较Mur二阶吸收边界和GPML高;最后,应用该方法对两种常见的探地雷达模型进行正演剖面合成,取得了较好的结果。     

地下目标体散射特性的MPSTD算法模拟

为有效提高时域有限差分法的计算精度和效率，将CPML边界条件在MPSTD算法中实现，并将采用CPML边界条件的MPSTD算法用于模拟探地雷达，分析了大范围有耗媒质中目标体的散射特性．仿真结果表明，MPSTD算法只需平均每波长分成5个网格就可以达到较好的计算精度，可高效准确地模拟电大尺寸空间曲面形状目标体的散射特性．     

有限差分法正演在IBM—PC机上的实现

本文阐述了有限差分法波动方程正演模型的基本原理,并在IBM-PC机上编写了应用程序,计算结果表明,在微机上实现有限差分法波动方程正演是可行的。     

TI介质弹性波场伪谱法数值模拟

地震波场模拟中的有限差分法和有限元法是使用广泛也较为成功的方法,但是它们还是或多或少地存在一些缺陷,如为了提高计算精度而使运算效率降低、在泊松比变化大的界面存在稳定性问题等。伪谱法是一种模拟精度和计算效率都比较高的地震波场数值模拟方法,首先给出TI介质中的波动方程,然后推导了T1介质的伪谱法计算公式,最后对一些介质模型进行了模拟试算。验证了方法的有效性和TI介质本身的一些特性。     

基于Hammer积分的三维地面磁共振高精度正演方法

为满足三维地面磁共振正演计算的精度要求,本文提出了基于非结构不均匀四面体网格的Hammer积分算法。首先利用有限元方法实现了对地下空间的三维磁场计算,完成了地面磁共振灵敏度核函数表达式的推导。针对现有地面磁共振正演方法中常规网格尺寸大、计算精度差、细化网格尺寸小、但是数量大的问题,应用Hammer积分在常规网格中完成核函数的高精度计算。三维核函数和3个含水模型的正演仿真实验表明:基于Hammer积分的地面磁共振正演方法具有网格少、计算节点少、积分精度高的特点,能够高效解决核函数的正演计算问题。     

卫星轨道递推的GPU集成式并行加速方法

为克服传统卫星轨道模型预报方法的速度瓶颈,为实现卫星在轨自主规划变轨奠定基础,利用图形处理器(GPU)并行计算方法对多卫星轨道解算进行加速,构建了轨道预报并行计算模块,成功实现了卫星轨道预报的大幅加速.为提高低计算量时解算速度,提出了集成式GPU加速方法,将简化常规摄动模型(SGP4)解算模型整体代入核函数,计算机内存仅需与GPU进行一次调用及数据交互,大大缩短调用核函数时间,较模块化GPU加速方法在中低规模计算量时速度有明显提高.本研究于两种设备上基于统一计算设备架构(CUDA)实现了集成式加速方法并进行了加速试验,在小型嵌入式开发板NIVIDA TX2设备上可实现在5 s内进行500颗星一天时间86 400步的轨道预报,笔记本设备上GPU加速比也可达到中央处理器(CPU)的4.6倍,且加速后精度损失极低.实验结果表明:集成式加速方法适用于中低规模星数(总步数小于400万步)的并行解算任务,模块化加速方法适用于大规模星数(总步数大于400万步)的并行解算任务.     

基于ShuffleNetv2-YOLOv3模型的静态手势实时识别方法

针对移动端平台下计算资源有限、存储空间小的特点,提出高效的ShuffleNetv2及YOLOv3集成网络静态手势实时识别方法,以减小模型对硬件的计算能力需求. 通过将轻量化网络ShuffleNetv2代替Darknet-53作为主干网络,减小模型的计算复杂度. 引入CBAM注意力机制模块,加强网络对空间和通道的关注度. 采用K-means聚类算法,重新生成Anchors的长宽比和数量,使重新生成的Anchors尺寸对目标进行精确定位来提高模型的检测精度. 实验结果表明,提出算法在手势识别上的平均识别准确率为99.2%,识别速度为44帧/s,单张416×416图片在GPU上的推理时间为15 ms,CPU上的推理时间为58 ms,模型所占内存为15.1 MB. 该方法具有识别精度高、识别速度快、内存占用率低等优点,有利于模型在移动终端上部署.     

二维ADI多域伪谱时域算法

针对时域有限差分算法和传统的伪谱时域算法稳定性不足的问题,提出了一种将ADI技术与多区域伪谱时域算法相结合的ADI-MPSTD算法,并采用紧凑矩阵形式对其进行清晰的描述．此算法不仅具有多区域伪谱时域算法分析任意曲边形体问题的精确性和灵活性,而且稳定性和效率也相应地提高．ADI-MPSTD的数值结果与传统的算法的结果相比,证明了该算法的高精度和良好的稳定性．     

基于GPU的水面模拟方法的研究与实现

介绍一种基于GPU的实时渲染方法,通过对水面的造型模拟实现高真实度的动态水面效果.主要通过网格制作以及顶点渲染方法,利用GPU的运算特性实现水面的动态渲染,并加入光照模型的设计使得渲染效果更加逼真.实验证明本文的水面渲染方法在小范围的水面模拟中具有较好的光影效果,在视觉上能产生较为真实的三维感觉,并且能够进行一定的干扰,产生水花视觉效果.     

RKDG有限元GPU算法及其重排加速技术

为提升并行化求解Navier Stokes方程的效率,构建了高阶有限元单元及单元边界映射线程结构和对应的各类GPU核函数,成功地把RKDG方法移植到GPU架构,发展出RKDG有限元GPU并行算法。算法数据访存能兼容GPU快慢不一的存储器,尤其在结构网格上,算法涉及的数据依赖区结构有序,能较好满足GPU对齐合并访问的要求。但在非结构网格上,非结构化的数据依赖区,影响到访存效率。基于此提出一种适合高阶有限元算法框架的单元分层重排加速技术,致力于网格的层化结构,提升GPU访存效率。具体基于初始网格拓扑,创建单元或单元边界对应的分层结构,逐层重排,汇总形成适合GPU对齐合并访问的数据存储结构。文中结合排序实例,给出了这一重排加速技术的具体实施过程。算例表明,发展的算法逼近的阶数符合预期,计算结果能与现有文献或实验结果接近,且最大GPU加速比可达67.47。此外,非结构网格算例证实,算法可处理较为复杂的几何边界,且所提重排技术可进一步赢得重排加速。     

Decoding of regular LDPC codes accelerated by the GPU

To take advantage of the high speed parallel feature of the GPU and the parallel section in the regular LDPC codes decoding process, a method is proposed by which the GPU is used to accelerate decoding of regular LDPC codes. In this method, edges of nodes are used in parallel decoding instead of nodes themselves to improve the utilization of threads. At the same time, the use of the high-speed on-chip GPU memory-shared memory and registers to store data makes data reduce dependence on global memory and shorten access time. Simulation results show that, by using parallel computing on edges and the on-chip memory, the decoding speed can be 5.32 ～ 10.41 times relative to the LDPC codes decoding program that does not use the optimization method of this paper based on the GPU.     

超吸收边界条件在地质雷达剖面正演中的应用

运用时域有限差分法正演地质雷达剖面时,边界条件的吸收特性对计算结果起着关键性作用．为了使截断边界的影响尽可能小,对边界条件的吸收特性进行了研究,提出了超吸收技术,让电场与磁场分量同时参与边界条件的计算,采用误差抵消的原理,首先减小截断边界对磁场分量的畸变,进而以此比较精确的磁场值重新计算边界上的电场,从而得到更加精确的电磁场值．数值试验表明,它能有效地减小截断边界的伪反射,提高计算精度．把这一技术用于地质雷达剖面的正演合成,得到了满意结果．     

自适应交叉近似算法的核外计算方法

为解决矩量法在计算电大目标电磁特性时受计算机物理内存限制的问题,设计了一种核外自适应交叉近似算法．使用自适应交叉近似算法有效地压缩了阻抗矩阵,降低了所需存储空间和计算量;并结合核外技术,进一步节省了内存空间,提升了单台计算机的计算能力．通过算例检验了文中方法的准确性和有效性,结果表明：该方法有效地降低了求解电大目标雷达散射截面所需的内存和计算量,并且自适应交叉近似算法及核外计算不损失矩量法的计算精度．     

基于Brook在GPU的应用

依据现代GPU在通用计算方面的功能,提出了基于Brook在GPU上执行通用计算的实现方法,运用图像分割、快速傅立叶算法和光线跟踪3个应用对该方法进行了评估。评估结果表明GPU在Brook环境下通用计算能力优于CPU。