利用积分方程法的各向异性地层频率测深三维模拟

应用一种新的积分方程算法对各向异性地层频率域电磁测深三维问题进行正演模拟.利用范数小于或等于1的修正Green算子得到各向异性地层中的新积分方程,由于满足压缩映射条件,该积分方程在任意参数条件下总是迭代收敛的.提出一种应用迭代法求解新积分方程的迭代初值优化选择方法,并通过具体算例对比说明该方法可使频率域电磁测深三维模拟的计算效率得到有效提高.最后应用所述算法对层状各向异性大地轴向频率测深视电阻率响应进行三维数值模拟,考察分析地层的各向异性对视电阻率响应特征的影响,得到一些重要结论.     

用改进的传输线算法计算水平层状横向同性地层中海洋可控源电磁响应

利用二维Fourier变换与电磁场分解技术将层状横向同性地层中Maxwell方程转化成两个独立的关于横磁(TM)波和横电(TE)波的传输线方程; 借助传输线理论与叠加原理, 仅利用电流源传输线Green函数得到TM波和TE波的解, 改进传输线算法, 建立横向同性地层中频率-波数域电流源电场和磁场并矢Green函数的新算法与新的解析表达式, 提高海洋可控源电磁响应数值模拟效率. 在此基础上, 利用传输线Green函数的基本解以及边界条件, 推导出广义反射系数与振幅递推公式, 得到各个地层中传输线Green函数的解析解; 然后利用Fourier逆变换与Bessel公式将海洋可控源电磁响应表示为Sommerfeld形式的积分, 借助三次样条插值与Lommel积分公式快速计算其数值解. 通过数值模拟结果考察工作频率以及地层各向异性电阻率变化等对海洋电磁响应的影响. 关键词： 传输线法 横向同性地层 海洋可控源电磁 Sommerfeld积分     

各向异性介质三维电磁响应模拟的Ho-GEBA算法

本文基于积分方程法研究并建立了一种模拟横向同性介质中任意各向异性异常 体三维电磁响应的高阶广义扩展Born近似(Ho-GEBA)算法. 首先利用逐次迭代技术给出积分方程的广义级数展开解, 为保证其收敛性, 引入一种各向异性条件下满足压缩映射的迭代算子. 然后利用异常体区域分解技术, 并结合扩展Born近似原理, 得到各向异性介质三维电磁响应的Ho-GEBA解. 为提高效率, 计算过程中采用并矢Green函数的解析表达式. 最后通过数值计算实例对比验证了本文算法的有效性. 关键词： 高阶广义扩展Born近似 积分方程 电磁模拟 解析Green函数     

耦合势有限体积法高效模拟各向异性地层中海洋可控源的三维电磁响应

本文基于电场矢势与标势分解的耦合势有限体积法研究建立一套各向异性地层中海洋可控源电磁法的三维响应的高效数值模拟技术.首先引入电场的矢势和标势,将电场分解为无散场和无旋场之和,Maxwell方程转换为关于矢势与标势的混合Helmholtz方程,克服低感应数问题.在此基础上,借助Yee氏交错网格和有限体积法以及非均质单元中等效电导率公式,建立混合Helmholtz方程的离散方程.并采用直接法求解器PARDISO求解离散方程,有效保证在大的求解空间中仍然能够获得电磁场稳定可靠的数值解.此外,在数值模拟中利用差异场技术,克服源的奇异性问题,尽可能提高近场的计算精度.与解析解的对比证明了该算法的有效性.数值模拟结果表明,海洋可控源电磁法沿测线方向的电场,对油气藏的纵向电阻率敏感,对横向电阻率不敏感;对油气藏上方的覆盖层的纵向电阻率和横向电阻率都敏感.     

海洋可控源三维电磁响应显式灵敏度矩阵的快速算法

借助电场耦合势三维有限体积法与直接求解技术,研究建立了一套海洋可控源三维电磁响应显式灵敏度矩阵(或称为Fréchet导数)高效算法.首先,利用Yee氏交错网格和有限体积法对电场混合势Helmholtz方程进行离散处理,建立与移动源电磁场正演模拟相对应的大型代数方程组,再应用直接法得到的逆矩阵和三维线性插值技术事先确定插值算子和投影算子,并利用投影算子与各个发射源离散向量的乘积计算多发射源电磁响应,极大地提高了多发射源电磁场正演模拟效率.在此基础上,根据块状模型和像素模型中异常体电导率分片常数分布特征,将电导率摄动产生的一次散射电流场表示成Yee氏剖分网格上散射电流元的叠加,由投影算子与散射电流元的离散向量的乘积快速计算出电场强度与磁场强度的显式灵敏度矩阵.最后,通过数值计算检验算法的有效性,并通过块状模型与像素模型分别研究海洋可控源电磁响应特征.     

非均质各向异性地层中方位随钻电磁测井响应三维有限体积法数值模拟算法

方位随钻电磁测井是一种能够实时探测地层边界、实现地质导向与井眼成像的新型测井技术. 本文根据方位随钻电磁测井仪器的典型线圈系结构, 首先引入柱坐标系下非均质完全各向异性地层中电流源并矢Green函数, 并利用电磁场叠加原理给出倾斜发射线圈激发的电场以及倾斜接收线圈上感应电动势的计算公式; 然后应用电流源电场并矢Green函数的混合势克服非均质地层中电磁数值模拟的低感应数问题, 通过ρ 和z方向上Lebedev网格设法降低网格节点个数, 并且利用标准化算法确定柱坐标系下非均质单元上的等效电导率. 在此基础上, 用三维有限体积法建立柱坐标系电场混合势的离散方法, 得到一个交错网格上电场矢势和标势大型代数方程, 并用不完全LU分解以及稳定双共轭梯度法确定数值解. 最后, 通过数据模拟结果对算法的有效性进行检验, 并考察钻铤、线圈倾斜角度以及地层各向异性等参数对仪器响应的影响. 数值结果表明: 在柱坐标系下用三维有限体积法的数值模拟算法处理非均质各向异性层中方位随钻电磁测井响应可以得到很好的结果. 钻铤、电导率各向异性、层边界均对方位随钻电磁波测井响应产生较大的影响; 在电阻率较大的地层, 幅度比和相位差响应越小; 发射线圈和接收线圈同时倾斜时, 幅度比和相位差响应受地层的影响更灵敏.     

用数值模式匹配算法高效仿真轴对称型散射体海洋可控源电磁响应

圆盘、球体以及球冠状体是地球物理研究中非常重要的一类散射类型.在海洋环境中,圆盘可以用于描述玄武岩基岩以及油气圈闭构造等电阻率异常体,而球冠可以近似描述某些基岩隆起或起伏地形等.这类散射体的一个重要特征是其电阻率空间分布具有轴对称性.如果能够针对这类形状的散射体研究建立一套有效的海洋可控源电磁数值模拟方法,对于认识复杂地层条件下海洋电磁响应的变化特征、研究建立相关的资料处理和解释方法具有非常重要的意义.本文根据电导率轴对称分布特征,设法用一个或多个不同半径、不同厚度的水平同心圆盘逼近这类轴对称电导率散射体,并将这些同心圆盘与海洋环境中的空气、海水、沉积层和基岩等背景介质结合,形成一个在水平方向电导率具有轴对称分布、在垂直方向又具有分层特征的水平层状非均质模型.在此基础上,应用数值模式匹配法研究水平电偶极子天线电磁场的数值模拟方法,给出位于对称轴上的水平发射天线电磁场在层状非均质地层中的半解析解,建立海洋可控源电磁响应高效算法.最后通过数值模拟结果对该算法进行检验并考察海洋可控源三维电磁响应特征.     

三维地形频率域井筒电磁场区域积分方程法模拟

井筒电磁法作为一种高效的地球物理勘探技术特别适合我国地形复杂地区(沙漠、高山等)的油气资源勘探.地形起伏区域对井筒电磁响应的观测具有严重影响,但到目前为止人们对三维井筒电磁地形效应特征的研究十分有限.本文提出基于区域划分的积分方程法模拟带地形频率域井筒电磁系统响应,与基于偏微分方程的有限差分、有限单元法相比,该方法能更高效地模拟地形响应.首先根据地形起伏情况定义感应数,将地形条件下目标体的井筒电磁场模拟区域划分为参考模型、背景介质及目标体介质分布子区域,针对各子区域的模拟计算特点,配置Anderson算法、稳定型双共轭梯度-快速傅里叶积分方程算法,从而获得三维地形频率域井筒电磁场响应.通过将计算结果与半空间模型的Anderson算法解析解、带山谷地形模型的其他已发表的三维边界积分方程结果进行对比,检验了本文算法的精度及高效性.最后,系统分析了山谷地形对井筒电磁地井观测系统电磁场响应的影响特征.本文研究结果对三维井筒电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.     

基于压缩感知的一维海面与二维舰船复合后向电磁散射快速算法研究

矩量法作为数值方法中积分方程方法的代表, 具有计算精度高、所用格林函数自动满足辐射条件、无须额外设置边界条件等优点. 但是在舰船目标与海面复合后向电磁散射仿真中, 传统矩量法需针对每个入射角反复求解矩阵方程组, 导致其在处理后向散射问题时计算量大, 耗时长, 仿真效率低下. 为解决上述问题, 本文提出了一种基于压缩感知技术的矩量法的改进算法. 该算法在求解复合后向散射问题时, 首先利用观测矩阵与传统矩量法中的电压矩阵相乘, 得到一组新的低维度的电压矩阵; 其次通过求解新电压矩阵下的矩阵方程组, 获得电流矩阵的观测值; 最后利用恢复算法(本文采用正交匹配追踪算法)重构出所需的原始入射源照射下的电流系数. 通过与传统矩量法的计算结果对比, 表明本文所提算法能够在保证计算精度的前提下, 明显减少计算时间, 提高计算效率.     

用边有限元方法计算磁偶极子的三维电磁响应

用边有限元基函数导出了麦克斯韦(Maxwell)方程的有限元关系式,计算了地下三维介质中磁偶极子的电磁场响应.将场分量定义在有限单元的边上,解决了结点有限元方法中场切向分量不连续的矛盾,保证了源除外的所有单元内有旋无散的特性.将总场分离成背景场和二次场,使该方法适用于任何方向的磁偶极子源.通过模拟算例分析了7种Krylov子空间迭代算法以及不完全乔累斯基分解预处理手段在解大型线性代数方程组中的计算效率和收敛特性.对比结果表明,施加不完全乔累斯基分解作预处理的广义乘积型双共轭梯度算法GPBiCG (Pbicg)收敛最快,是三维复杂介质电磁响应数值模拟的首选算法.     

雪层覆盖地面电磁散射的矩量法

为实现分层介质粗糙面电磁散射的矩量法研究,给出一种分层介质粗糙面电磁积分方程的区域分解方法.将格林定理应用于粗糙面所分的各子空间,结合波动方程和格林函数推导分层粗糙面的电磁积分方程,利用矩量法对其进行离散,数值计算得到雪层覆盖地面散射系数的角分布曲线,其中,粗糙表面由一维带限Weierstrass分形谱和Monte Carlo方法模拟.通过与时域有限差分法数值结果的比对,验证该方法的准确性,并分析散射系数随雪和地面参数、介质参数以及入射波参数的变化,获得了较完整的散射特征.     

Electromagnetic modeling of inhomogeneous and anisotropic structures by volume integral equation methods

Given the application of inhomogeneous and anisotropic structures in different application areas, it is of critical importance to develop accurate and efficient modeling methods. Among various methods, volume integral equations (VIEs) using moment method are efficient solutions for electromagnetic modeling of inhomogeneous and anisotropic structures. In this paper, we investigate the solutions of the VIE method and augmented volume integral equation (A-VIE) method for solving inhomogeneous and anisotropic structures with arbitrary shapes. The moment method solutions are presented and curl-conforming bases are used to discretize the electric and magnetic field distributions inside the structures. When the structures contain inhomogeneous magnetic materials, A-VIE method is applied. Various numerical examples are shown to demonstrate the accuracy and efficiency of the algorithms.     

Analysis of stress field in a single anisotropic diamond/square shaped inclusion using the volume integral equation method and the numerical equivalent inclusion method

A volume integral equation method (VIEM) is used to study elastostatic problems in an unbounded elastic solid containing a single diamond/square shaped inclusion subject to uniform tensile stress at infinity. The inclusion is assumed to be a long parallel diamond/square cylinder composed of isotropic or anisotropic elastic materials and perfectly bonded to the isotropic matrix. The solid is assumed to be under plane strain on the plane normal to the cylinder. A detailed analysis of the stress field at the interface between the isotropic matrix and the single isotropic/orthotropic diamond/square shaped inclusion is carried out. The effects of a single isotropic/orthotropic diamond/square shaped inclusion on the stress field at the interface between the matrix and the inclusion are investigated in detail. The accuracy of the volume integral equation method for the interfacial stress field is validated and compared by the numerical equivalent inclusion method (NEIM) and the finite element method (FEM) using ADINA. Through detailed analysis of plane elastostatic problems using the parallel volume integral equation method (PVIEM) in an unbounded isotropic matrix with multiple isotropic diamond shaped inclusions under uniform remote tensile loading, it is demonstrated that the volume integral equation method can also be applied to solve general two- and three-dimensional elastostatic problems involving multiple isotropic/anisotropic inclusions whose shape and number are arbitrary.     

Radiation transfer in vegetative canopies and other layered media: Rapidly solvable exact integral equation not requiring fourier resolution

We develop an exact integral equation for the angle-integrated flux interception by a leaf or a volume element in a layered medium. Iterative numerical solutions converge well. Any converged solution can be simply integrated to give the exact, angle-dependent flux at any depth. The method is presented for an axially symmetric input and an isotropic canopy, with results indicating quantitative significance in photosynthetic modeling and remote sensing. The generalization to arbitrary canopy anisotropy is developed without numerical results.     

势问题的径向基函数——局部边界积分方程方法

将基于径向基函数构造的具有插值特性的近似函数和局部边界积分方程方法相结合，建立了求解势问题的径向基函数——局部边界积分方程方法，推导了相应离散方程.与其他边界积分方程的无网格方法相比，本文方法具有数值实现过程简单、计算量小、精度高的优点，并可直接施加边界条件.最后通过算例说明了该方法的有效性. 关键词： 径向基函数 无网格方法 局部边界积分方程 势问题     

Dispersion of circumferential waves in cylindrically anisotropic layered pipes in plane strain

Dispersion spectra of circumferential waves along the periphery of circular pipes made of layered anisotropic materials do not seem to be available in literature. This note attempts to partially fill this gap by providing the dispersion spectra in two and three layered cylindrically anisotropic pipes in plane strain motion. The spectra for pipes executing time harmonic vibrations in plane strain condition are obtained as roots of a numerical characteristic equation derived extending a weighted residual method of solution of the governing equations for a single layer pipe [Towfighi et al., J. Appl. Mech. 69, 283-291 (2002)] to a general N layered pipe. The anisotropic elastic coefficients are considered to be independent of position coordinates and the bond condition at interfaces of the layers is assumed to be perfect. Numerical illustrations are presented for two and three layered pipes with anisotropy directions differing in adjacent layers. Increase in curvature of the pipe and inclination of the fiber orientation in the outermost layers to propagation direction are factors that seem to influence the mode number and pattern within the limited examples worked out.