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《应用地球物理》2017,(2)
地震波场数值模拟中不可避免地会出现边界反射,一般采用吸收边界条件以压制人工边界反射。目前常用的分裂式完全匹配层(PML)边界条件需要在边界处进行特殊处理,尤其是在三维情况下需要将变量分裂为三个分量,增加了数值模拟的计算时间和内存占用量。与分裂式PML吸收边界条件相比,混合吸收边界条件(HABC)具有易于实现、计算量小和吸收效果好等优点,可以提高三维波动方程数值模拟的计算效率。本文将基于一阶Higdon单程波方程的混合吸收边界条件从二维计算域发展到三维,提出了适用于三维弹性波数值模拟的混合吸收边界条件。均匀模型以及复杂模型的三维数值模拟结果表明,混合吸收边界条件与传统的完全匹配层边界条件相比,具有效率高、吸收效果好的优势。 相似文献
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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. 相似文献
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在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件从而达到衰减人为边界 反射的目的. 本文基于傍轴近似法提出了计算三维弹性波方程的吸收边界条件公式,表示了 各边界面、边棱和角点处波场所满足的单程波方程,并在三维弹性波数值模拟中进行了应用 . 理论模型及三维盐丘地质模型波场切片快照试算结果表明,该吸收边界条件可以有效地吸 收人为边界反射,适用于较大入射角情况,从而消除了边界有效波信息的干扰. 由于采用四 阶近似方程,在保证计算精度的前提下,该方法具有节省计算工作量和易于实现的特点. 相似文献
4.
VTI介质准P波旋转交错有限差分数值模拟 总被引：1，自引：0，他引：1
本文采用旋转交错网格差分格式对VTI（垂直对称轴的横向各向同性）介质准P波一阶应力-速度方程进行数值模拟。并在PML边界条件和稳定性条件下得出Marmousi等复杂模型的高精度波场快照和地震记录,分析了各向异性对地震波的影响。数值结果表明：旋转交错网格有限差分能获得高精度的地震模拟数据,PML边界有较好的吸收效果。 相似文献
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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. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2021,(8)
完全匹配层(PML)是处理波动方程数值模拟中模型边界反射问题的常用方法,在时间域有限差分(FD)波场数值模拟中得到了广泛的应用.早期的PML技术存在对于近切入射和低频反射吸收效果较差的问题,由此产生了复频移PML(CFS-PML)模型边界反射压制法,其中基于递归卷积技术的复频移PML(CPML),由于其算法在时间域的高效性,被广泛应用于时间域一阶方程的数值模拟.一阶波动方程CPML边界条件是非常成熟的方法,但是二阶方程, CPML方法还需要进一步发展研究.目前,二阶方程的CPML处理方法需要引入辅助方程或者辅助变量,导致计算量增加,从而对数值模拟效率产生一定的影响.本文提出了一种分区域两步法CPML实施策略,简称为TS-CPML. TS-CPML通过对二阶CPML控制方程进行两步有限差分进行数值模拟,从而避免计算引入辅助变量的新二阶偏微分方程或其他辅助方程,具有计算效率高、编程易于实现等特点.我们将该方法应用于二阶声波方程和TTI介质二阶拟声波方程组,数值模拟显示,在相同参数下,由模型边界产生的反射波振幅约为传统二阶方程CPML方法的50%以上,验证了TSCMPL技术的优越性. 相似文献
7.
本文给出了一种等价的弹性波动方程,以解决完全弹性波场中不能完全分离耦合的纵横波波场问题.对该弹性波动方程进行公式换算,推导出新型等价一阶双曲型方程,应用高阶交错网格有限差分法求解该方程,并给出了相应的最佳匹配层(PML)吸收边界条件,对均匀介质模型、复杂Marmousi模型和实际地质模型进行波场分离数值试验,准确得到了混合波场、完全分离的纯纵横波波场.数值结果表明,本文方法具有比传统方法更好的数值模拟精度和边界吸收效果,同时分析分离后的纵横波纯波场,可观察到较为丰富的能量转换信息,并发现纯纵波场中的非均匀平面波现象,该波为S波以临界角入射情况下的反射SP波,这对认识复杂弹性波的传播规律及弹性波理论具有重要意义. 相似文献
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弹性波正演模拟中改进的非分裂式PML实现方法(英文) 总被引：6，自引：3，他引：3
在弹性波有限差分正演模拟中,吸收边界条件常用来吸收截断边界处引入的不期望边界反射,其中完全匹配层(PML)吸收边界条件被认为是目前最理想的吸收边界条件。但是PML吸收边界条件的传统实现却存在着很大不足:全局分裂式PML吸收边界条件实现简单但是需要占用太多内存;局部分裂式PML吸收边界条件需要考虑多个边界和角点区域,编程实现非常复杂;非分裂式PML吸收边界条件由于涉及卷积运算,计算量很大。本文基于非分裂式PML吸收边界条件,结合复频移伸展函数,提出了一种新的数值实现方法,其计算方程简单、占用内存小、编程实现容易,是对PML介质理论数值实现的改进和完善。 相似文献
10.
《应用地球物理》2019,(4)
无网格有限差分法能有效提高数值模拟的几何灵活性,且无需网格映射或复杂的网格生成过程。RBF-FD (基于径向基函数的有限差分)是最常用的无网格有限差分法之一,可以准确模拟地震波在非矩形计算域中的传播。本文提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的PML (完全匹配层)吸收边界条件,可以应用于非矩形速度模型的边界。但是PML吸收边界对近掠射波、低频波的吸收效果不好。为此,我们继续提出适于弹性波方程无网格有限差分数值解的CFS-PML(复频移完全匹配层)吸收边界条件。本文所提两种边界条件均是通过构造辅助微分方程,得到不分裂时域表达式,具有存储量小、便于编程实现的特点。模拟结果表明,两种PML吸收边界条件都能有效地消除无网格有限差分数值模拟的人工边界反射。此外,本文所提CFS-PML相较PML对近掠射波和损耗波的吸收效果更好。 相似文献
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A good artificial boundary treatment in a seismic wave grid-based numerical simulation can reduce the size of the computational region and increase the computational efficiency, which is becoming increasingly important for seismic migration and waveform inversion tasks requiring hundreds or thousands of simulations. Two artificial boundary techniques are commonly used: perfectly matched layers (PMLs), which exhibit the excellent absorption performance but impose a greater computational burden by using finite layers to gradually reduce wave amplitudes; and absorbing boundary conditions (ABCs), which have the high computational efficiency but are less effective in absorption because they employ the one-way wave equation at the exterior boundary. Naturally, PMLs have been combined with ABCs to reduce the number of PMLs, thus improving the computational efficiency; many studies have proposed such hybrid PMLs. Depending on the equations from which the ABCs are derived, there are two hybrid PML variants: the PML+unstretched ABC (UABC), in which the ABC is derived from a physical equation; or the PML+stretched ABC (SABC), in which the ABC is derived from the PML equation. Even though all the previous studies concluded that hybrid PMLs can improve the absorption performance, none of them quantified how many PMLs can be removed by combining the PML with the ABC compared with the pure PML. In this paper, we systematically study the absorption performance of the two hybrid PML variants. We develop a method to distinguish the artificial reflections from the PML-interior interface and those caused by the PML exterior boundary to accurately approximate the additional absorption achieved by using the UABC and the SABC. The reflection coefficients based on a theoretical derivation and numerical tests both show that the UABC amplifies most reflections and is not recommended in any situation; conversely, the SABC can always diminish reflections, but the additional absorption achieved by the SABC is relatively poor and cannot effectively reduce the number of PMLs. In contrast, we find that simply increasing the damping parameter improves absorption better than the PML+SABC. Our results show that the improvement in absorption achieved by combining the PML with either the SABC or the UABC is not better than that obtained by simply adjusting the damping profile of the PML; thus, combining the PML with the ABC is not recommended in practice. 相似文献
12.
The theory of perfectly matched layer (PML) artificial boundary condition (ABC), which is characterized by absorption any wave motions with arbitrary frequency and arbitrarily incident angle, is introduced. The construc- tion process of PML boundary based on elastodynamic partial differential equation (PDE) system is developed. Combining with velocity-stress hybrid finite element formulation, the applicability of PML boundary is investi- gated and the numerical reflection of PML boundary is estimated. The reflectivity of PML and multi-transmitting formula (MTF) boundary is then compared based on body wave and surface wave simulations. The results show that although PML boundary yields some reflection, its absorption performance is superior to MTF boundary in the numerical simulations of near-fault wave propagation, especially in corner and large angle grazing incidence situations. The PML boundary does not arise any unstable phenomenon and the stability of PML boundary is better than MTF boundary in hybrid finite element method. For a specified problem and analysis tolerance, the computa- tional efficiency of PML boundary is only a little lower than MTF boundary. 相似文献
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各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性. 相似文献
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We recently proposed an efficient hybrid scheme to absorb boundary reflections for acoustic wave modelling that could attain nearly perfect absorptions. This scheme uses weighted averaging of wavefields in a transition area, between the inner area and the model boundaries. In this paper we report on the extension of this scheme to 2D elastic wave modelling with displacement‐stress formulations on staggered grids using explicit finite‐difference, pseudo‐implicit finite‐difference and pseudo‐spectral methods. Numerical modelling results of elastic wave equations with hybrid absorbing boundary conditions show great improvement for modelling stability and significant absorption for boundary reflections, compared with the conventional Higdon absorbing boundary conditions, demonstrating the effectiveness of this scheme for elastic wave modelling. The modelling results also show that the hybrid scheme works well in 2D rotated staggered‐grid modelling for isotropic medium, 2D staggered‐grid modelling for vertically transversely isotropic medium and 2D rotated staggered‐grid modelling for tilted transversely isotropic medium. 相似文献
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本文基于Kjartansson常Q模型理论,推导了常Q衰减介质中黏声波和黏弹性波的速度-应力方程,并采用基于二项式窗函数的优化交错网格有限差分方法进行了数值模拟,同时引入不分裂的复频移卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件,以消除边界反射.使用基于自适应时间步长记忆方法的中心差分近似时间分数阶导数,与常用的短时记忆方法相比,提高了波动方程的离散化精度和计算效率.通过对比均匀模型下声波的数值解与解析解,验证了算法的精确性,并进一步分析了不同品质因子下地震波的频散及衰减特征.对BP盐丘模型的数值模拟结果可以较好地反映本文数值方法对复杂介质的适应性及频散压制效果. 相似文献
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Xin Liu Yang Liu Zhi-Ming Ren Xiao-Hui Cai Bei Li Shi-Gang Xu Le-Kai Zhou 《应用地球物理》2017,14(2):270-278
Edge reflections are inevitable in numerical modeling of seismic wavefields, and they are usually attenuated by absorbing boundary conditions. However, the commonly used perfectly matched layer (PML) boundary condition requires special treatment for the absorbing zone, and in three-dimensional (3D) modeling, it has to split each variable into three corresponding variables, which increases the computing time and memory storage. In contrast, the hybrid absorbing boundary condition (HABC) has the advantages such as ease of implementation, less computation time, and near-perfect absorption; it is thus able to enhance the computational efficiency of 3D elastic wave modeling. In this study, a HABC is developed from two-dimensional (2D) modeling into 3D modeling based on the 1st Higdon one way wave equations, and a HABC is proposed that is suitable for a 3D elastic wave numerical simulation. Numerical simulation results for a homogenous model and a complex model indicate that the proposed HABC method is more effective and has better absorption than the traditional PML method. 相似文献
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有限差分方法广泛应用于求解许多科技领域所涉及的偏微分方程,高阶显式有限差分方法通常用来提高求解精度,已经提出的高阶隐式有限差分方法和截断高阶显式有限差分方法可用来进一步提高模拟精度而不增加计算量。本文首先计算了针对常规网格上的一阶导数和二阶导数、交错网格上的一阶导数的有限差分系数,发现高阶隐式有限差分系数中存在一些小的系数。频散分析结果表明:忽略这些小的差分系数能够近似维持有限差分的精度,但是显著减小了计算量。然后,引入镜像对称边界条件来提高隐式有限差分方法的精度和稳定性,采用混合吸收边界条件来减小来自模型边界所不需要的反射。最后,给出了针对均匀和非均匀介质模型的弹性波模拟例子,表明了本文方法的优点。 相似文献
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以Carcione黏弹各向异性理论为基础,给出了适用于黏弹性具有任意倾斜对称轴横向各向同性介质(黏弹TTI介质)的二维三分量一阶速度-应力方程,采用旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式求解该方程,并推导出了二维黏弹TTI介质完全匹配层(PML)吸收边界条件公式和相应的旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式,实现了该类介质的地震波场数值模拟.数值模拟结果表明:该方法模拟精度高,边界吸收效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;并且波场快照和合成记录能较好地反映地下介质的各向异性特征和黏弹性特征. 相似文献
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在进行地震波模拟计算的过程中用有限的计算区域模拟地下无限空间,需要进行边界截断.为了在边界处不产生虚假反射影响模拟结果,需要引入吸收边界条件.本文采用的近似完全匹配层是一种新型非分裂完全匹配层,计算效率较高.同时相比于其他非分裂完全匹配层,其还具有不改变方程的形式、易于实现等优势.但是当入射波角度较大,边界吸收效果变弱,且残留在边界中的能量使近似完全匹配层变得极其不稳定.多轴复频移近似完全匹配层的提出就是为了改善对大角度入射波的吸收并且提高边界的稳定性.通过实验模拟和矩阵特征值灵敏度来研究多轴复频移近似完全匹配层的吸收效果及稳定性.结果表明该方法不仅能够吸收掠入波,而且对常规入射波的吸收也得到提升,同时拥有更好的稳定性. 相似文献