基于褶积完全匹配吸收边界的声波方程数值模拟

完全匹配层(PML)吸收边界条件已广泛应用于地震波场模拟中,但PML吸收边界条件存在一些问题,如对低频和地震波为掠射波时会产生虚假反射等。褶积完全匹配层(CPML)吸收边界条件能够有效地解决PML吸收边界条件存在的问题。推导了带有CPML条件的一阶速度-应力波动方程,并且在方程中引入记忆变量代替复杂褶积项的运算,将CPML与交错网格有限差分算法相结合,发挥了该边界条件节省计算存储空间、易于编程实现等优点。数值模拟结果表明,在不增加计算量的情况下,CPML吸收边界条件有效地提高了波场模拟精度。     

组合吸收边界条件下VTI介质地震波场模拟

 针对横向各向同性（VTI）介质P-SV波和SH波一阶速度—应力波动方程,本文应用交错网格法进行了地震波场数值模拟。其模拟效果在很大程度上取决于边界条件的处理。针对特征分析法吸收边界条件存在的边界处差分精度低、吸收效果差等问题,本文采用特征分析法和扩边衰减法形成组合边界条件对人工边界进行吸收处理,较显著地削弱数值频散,提高了差分精度;同时还提出了改进的衰减函数及其应用原则,可以更好地模拟复杂介质波场传播机理。     

声波完全匹配层吸收边界条件的改进算法

传统位移形式的声波完全匹配层(PML)吸收边界条件以三分裂位移参量来构建,需要求解时间3阶导数,计算量大,计算时间长.为此,提出了一种改进的声波分裂PML吸收边界条件.阐述了传统和改进的PML吸收边界条件的构建原理,通过数值模拟讨论了改进和传统的PML吸收边界以及低阶Higdon吸收边界对边界反射的吸收效果.结果表明,低阶Higdon吸收边界条件吸收效果较差,在波场快照和模拟记录中存在较强的边界反射;改进的PML吸收边界条件与传统的PML吸收边界条件效果相当,均能有效地吸收衰减任意角度的边界反射波.改进算法用褶积近似运算代替时间3阶导数的求解,因此简化了计算过程,减少了计算量,是一种高效稳健的算法.     

声波数值模拟中改进的非分裂式PML边界条件

如今完全匹配层(PML)吸收边界条件被认为是最好的吸收边界条件,但常规PML吸收边界条件存在变量个数多、计算存储量大、编程复杂以及场源靠近截断边界时吸收性能有所下降等缺点。本文推导出一种适用于声波方程改进的非分裂式(NPML)吸收边界条件。该方法基于非分裂式PML吸收边界条件,采用复频移伸展函数,将PML介质中的波动方程分解为正常项和衰减项并单独进行迭代更新。分析和试验结果表明该方法应用于声波数值模拟时不但具有优良的吸收衰减性能,而且有计算方程简单、编程实现容易、PML辅助变量占内存小等优点。     

优化的三维地震波旁轴近似吸收边界条件

三维地震波数值模拟中的吸收边界如果采用镶边处理（如最佳匹配层吸收边界条件（PML）或阻尼吸收边界条件）,会大幅度增加计算量和计算时间,若增加旁轴近似阶数,则会增加数值实现的复杂度,甚至会导致计算过程的不稳定。为解决上述问题,提出优化的三维声波旁轴近似吸收边界条件,并做了相应的理论推导和数值分析,只需合理地调节加权因子,就可拓宽边界处的完全吸收角度,且其反射系数误差很小。数值实例表明,该方法不增加计算空间,算法简单且易于实现,能够获得比常规旁轴近似吸收边界条件更好的边界吸收效果,是一种有效的三维地震波数值模拟吸收边界条件。     

完全匹配层中衰减函数的参数优化分析

完全匹配层(perfectly matched layer,PML)是一种高效的吸收边界条件,对体波和面波都有非常好的吸收效果,被广泛应用于弹性波数值模拟。针对二维弹性动力学问题,基于PML最大反射系数的理论推导,对PML衰减函数中的参数取值进行了优化分析。首先基于复伸展坐标变换,给出了一种适用于二阶弹性波动方程的非分裂吸收边界条件;然后通过求解平面P-SV波的波数,得到了非分裂完全匹配层反射系数的解析表达式;最后采用COLLINO给出的衰减函数形式,令PML最大反射系数为最小,得到了衰减函数中PML的厚度、理论反射系数以及最大反射系数之间的相互关系。通过数值算例分析了PML最大反射系数的变化规律,为PML参数的选择和优化提供了理论依据。     

一种新的弹性波数值模拟吸收边界条件

 在弹性波方程有限差分波场数值模拟中,由于计算模型的限制,不可避免地导致很强的人为边界反射的出现。为了使计算得到的边界波场值更接近真实的边界波场值,在波场数值模拟中人们利用边界条件来减少来自计算区域边界的人为反射能量。与声波吸收边界条件相比,弹性波边界条件要复杂得多,到目前为止弹性波边界条件算法研究仍然是该领域的一个重要课题。本文借鉴Clayton等处理吸收边界反射的思想,从弹性波波动方程出发,提出了一种新的在各向同性介质中进行有限差分弹性波场数值模拟的吸收边界条件。波场计算表明：该方法计算量小、应用简单、能有效地减少来自模型边界的反射波场,其计算效率与Clayton等处理吸收边界条件所花费的时间相当。     

刚度弱化边界条件在TI拟声波方程模拟中的应用

由于地震波数值模拟在有限区域内进行,因此减少边界反射波的影响十分重要。完美匹配层(PML)方法被广泛应用于边界反射的吸收。但在各向异性介质模拟中,PML存在稳定性问题。为此,尝试将一种刚度弱化方法(SRM)应用到拟声波各向异性方程的模拟中。首先,给出了TI介质拟声波方程模拟中SRM和PML边界条件的加载方法和差分格式。模拟结果显示,SRM在内存要求和运算速度上优于PML方法。之后,通过对均匀VTI和TTI介质、层状介质以及BP模型进行数值模拟,对比分析两种方法的吸收衰减效果。对VTI介质的模拟结果显示,在本研究的实验条件下,使用同样的吸收层厚度SRM内存需求仅为使用PML方法的50%,运算耗时减少约25%。虽然在VTI条件下SRM吸收效果略逊于PML方法,但在TTI介质、层状介质以及BP模型模拟中显示出了更高的稳定性。模拟结果表明,SRM在TI介质拟声波方程模拟中具有较好的实用性和可靠性。     

PML边界条件下二维粘弹性介质波场模拟

在波场模拟中较多使用的有限差分法和有限元法都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。伪谱法是一种计算精度高且计算效率也较高的方法，它是对空间坐标通过快速傅里叶变换在时间域作差分运算，避免了求偏导数；不存在有限差分法和有限元法对高频成分限制的问题，可以实现全频带地震波模拟；对内存容量的需求也远远低于有限差分法和有限元法。为此，采用了伪谱法进行粘弹性介质波场模拟。首先给出了开尔芬粘弹性介质中的波动方程，推导出二维粘弹性介质最佳匹配层（PML）吸收边界条件及其相应的伪谱法计算公式；然后对均匀介质模型进行了模拟，结果表明，该方法的边界吸收效果很好；最后通过数值模拟分析了具有不同粘滞系数介质对地震波的吸收和衰减，结果表明，随着粘滞系数的增大，粘弹性反射波的主频向低频方向移动，高频吸收明显，有效频带变窄，振幅降低。此外，在伪谱法中引入匹配层边界条件后，只需对空间做一维傅里叶变换，大大提高了伪谱法的计算效率。     

三维精细积分法地震正演及边界条件

 将任意差分精细积分法用于三维波动方程地震正演，关键在于如何消除数值计算中有限波场区域边界引起的边界反射。文中采用Berenger给出的电磁波完全匹配层吸收边界条件，推导出三维波动方程任意差分精细积分法地震正演的完全匹配层吸收边界条件计算公式，并给出了完全匹配层吸收边界条件算例。计算结果表明，此方法压制边界反射效果明显。三维波动方程地震正演模拟实例表明，完全匹配层吸收边界条件的任意差分精细积分法为复杂区地震波传播规律研究提供了一种实用的正演模拟工具     

基于完全匹配层构建新方法的2.5维声波近似方程数值模拟

传统的吸收边界条件只对有限入射角和有限频率范围内的波具有很好的吸收效果,而在有效吸收范围外的边界反射将对数值模拟结果造成污染。为此,在2.5维声波数值模拟中引入完全匹配层吸收边界条件,并提出了一种完全匹配层构建新方法。该方法将完全匹配层构建在研究区域的右边界和下边界的外部,同时改变相应的衰减因子,使之关于完全匹配层的中心呈对称分布。在采用有限差分法计算波场时,将完全匹配层外边界的网格点与相应的研究区域边界的网格点连接起来,使波在传入完全匹配层之后又传入到研究区域中。由于完全匹配层良好的吸收效果,波在完全匹配层中被完全吸收,基本不会再传入到研究区域。在构建相同数量的完全匹配层的情况下,完全匹配层构建新方法使波在传播过程中比以往的构建方法多通过一倍的完全匹配层介质,从而提高了对边界反射的吸收效果。通过均匀速度模型和Marmousi速度模型证实,完全匹配层构建新方法对边界反射的吸收效果较好。     

近似完全匹配层边界条件吸收效果分析及衰减函数的改进

完全匹配层边界条件存在两个问题,一是如何减少实际应用带来的额外存储量以及提升计算速度,另一个是如何提升匹配层的吸收效果。对于第一个问题发展了多种非分裂形式,本文采用一种直接对波场进行变换的新型非分裂方法,相比卷积完全匹配层具有不改变方程的形式以及易于实现等优势。对于如何进一步提升完全匹配层吸收效果,没有太大的进展。这是因为离散差异使匹配层的吸收问题更为复杂,一般采取增加匹配层层数的措施缩小离散差,但是又会导致计算量和存储量的增加。本文以在不增加匹配层层数以及不减小理论误差的情况下减小离散差异所带来的虚假反射为目的,分析传统的衰减因子,研究匹配层的吸收机理,设计新的衰减因子,以提高完全匹配层的吸收性能。新衰减因子能够进一步削弱虚假反射振幅,在匹配层层数为5~20层时,对应的边界反射振幅只有改进前的40%~80%。     

虚谱法交错网格地震波场数值模拟

提高空间差分精度、有效压制人为边界反射是波动方程波场模拟的关键。虚谱法利用模型空间的全部信息对波场函数进行傅里叶变换,可以得到精确的波场空间导数,使数值频散效应减弱,进而实现宽频带地震波场模拟。阐述了求解弹性波波动方程的方法原理,讨论了数值模拟中Gibbs效应和边界反射问题的解决方法,即在半网格点处计算空间导数并采用最佳匹配层边界条件。设计了5层水平层状介质模型,讨论了虚谱法的模拟精度和计算效率,试算表明,适当增大差分网格和时间延拓步长不会影响计算精度,但计算效率可以得到大幅度提高。分别采用不同的差分方法对Marmousi2模型和SEG/EAGE模型进行数值模拟,结果表明,虚谱法交错网格模拟结果信噪比高,在同等模拟精度条件下较其它方法具有更高的计算效率。     

VTI介质准P波频率空间域组合边界条件研究

讨论了VTI介质中准P波频率空间域的边界条件。首先给出了VTI介质准P波波动方程，阐述了特征分析方法的基本原理，讨论了边界上的反射系数与入射角和度量准纵、横波各向异性强度因子的关系；然后利用特征分析法结合Kelvin-Christoffel方程，构造了准P波波动方程在不同边界和角点的频率域吸收边界条件，利用最佳匹配层法构造了衰减边界条件；最后利用数值模拟对构造的边界条件进行了验证。为了得到好的吸收效果，将吸收边界条件和衰减边界条件有机地结合起来，即先用最佳匹配层法衰减传播到边界的入射波能量，然后再用吸收边界条件吸收边界反射，最终使边界反射降低到可以忽略不计。数值模拟的共炮点记录说明了组合边界条件的良好效果。     

交错网格有限差分正演模拟的联合吸收边界

三维声波方程交错网格有限差分正演模拟中的边界问题一直是热点问题。完全匹配层吸收边界（PML）具有较强且稳定的吸收效果,但必须具有一定的边界厚度才能吸收干净,这就增大了三维正演模拟的模型空间,即增加了运算量; Higdon边界能消除任意角度入射波的边界反射,也具有较强稳定性,但该高阶吸收边界离散化后过于复杂,而低阶时吸收效果不如PML边界。因此,基于对PML吸收层中的平面波传播规律的研究,重新推导PML最外层的Higdon吸收边界条件,得到含PML吸收系数的新的Higdon吸收边界条件。联合吸收边界不仅可使用较小厚度（相对于单纯PML边界）的PML层对分量进行衰减,而且在PML边界外层,能应用新推导的Higdon吸收边界条件对反射波进行匹配吸收。在相同吸收效果下,联合吸收边界大幅度降低了PML厚度,减小了运算量,得到精确的模拟结果。     

加权吸收边界条件的优化设计

基于声波波动方程的旁轴近似吸收边界条件可以通过提高泰勒级数展开的旁轴近似阶数获得更好的吸收效果,但这样不仅增加了差分计算的复杂性,同时还导致计算过程不稳定。针对这一问题,提出了优化加权吸收边界条件。首先从理论上讨论了优化加权吸收边界条件,提出了加权因子概念,通过调节加权因子来拓展边界反射完全吸收角度;然后利用脉冲响应和数值模拟对优化加权吸收边界条件的吸收效果进行了分析。结果表明,选择合适的加权因子可以将边界处的完全吸收角度拓宽到60°以上,反射系数误差不超过2.5%。该方法简单易行,计算量小,而吸收效果比常规旁轴近似吸收边界条件更好。     

非分裂完全匹配层边界存储时间域全波形反演

正演波场的储存或重建是制约时间域全波形反演的关键问题,以计算代替存储的常规分裂完全匹配层（PML）边界存储策略可有效减少存储量。但常规分裂PML边界条件所需变量个数多、计算存储量大以及编程复杂。为此,采用非分裂复频移完全匹配层（CFS-NPML）有效边界存储策略重建正演波场实现时间域全波形反演。研究表明：CFS-NPML所需变量个数少,在边界吸收层网格点较少时吸收效果优于常规PML边界条件,波场重建过程中所需存储量少于常规PML边界条件。数值试验表明,该存储策略得到的重建波场与正向传播波场几乎无差别,其全波形反演结果与常规保存波场反演法一致;正演过程中引入并行计算技术未显著增加波场重建导致的额外正演时间。