各向异性海底地层海洋可控源电磁响应三维积分方程法数值模拟

采用积分方程法对各向异性海底地层海洋可控源电磁（MCSEM）响应进行三维数值模拟.首先利用算子理论给出各向异性海底地层中的压缩积分方程，由于满足压缩映射条件，该积分方程在任意参数下总是迭代收敛的.然后为了提高计算效率，引入分区域多重网格准线性近似技术.通过具体算例验证了所述算法在计算精度与效率方面的有效性.最后利用该算法考察并分析了海底地层的各向异性对MCSEM三维响应特征的影响. 关键词： 海洋可控源电磁法 各向异性 三维模拟 积分方程法     

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     

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     

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.     

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.     

水平层状横向同性地层中频率测深资料全参数快速迭代反演

提出水平层状横向同性地层中频率测深资料的全参数快速迭代反演算法,以便从测量资料中同时确定各个地层的横向、 纵向电导率及层界面深度.首先,利用水平层状介质中电磁场并矢Green函数在频率波数域中的解析解和Sommerfeld积分的 快速计算技术确定正演响应.然后,利用摄动理论和Fourier逆变换公式,研究建立一套快速求解全参数Fréchet导数的 有效算法,并利用规范化处理和奇异值分解技术给出迭代反演过程.最后,给出数值试验证明反演理论的有效性以及反演算法 的抗噪声能力.     

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.     

方位电阻率成像仪（ARI）的三维有限元模拟

为了研究方位电阻率成像仪的定量解释方法，开发了一套能模拟方位电阻率成像仪在三维非均匀地层模拟中响应的三维有限元程序，在简化的地层模型中，将该程序与解析方法和二维有限差分方法进行了对比，结果表明此程序的误差不超过3％，在此程序得到验证后，用该程序考查了方位电阻率成在一些典型三维非均匀地层模型中的响应，结果表明此程序能为方位电阻率成像仪的定量解释提供支持。     

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.     

基于混合场积分方程的半空间上方金属目标电磁散射特性高效分析

研究一种可以高效求解半空间金属目标电磁散射积分方程方法,电场积分方程适用于任意结构电磁问题分析,但是生成的矩阵条件数大,迭代求解收敛性差;而磁场积分方程生成的矩阵条件数小,迭代收敛性好,但是仅能分析闭合结构问题,本文采用了混合场积分方程方法,同时具备电场积分方程的普适性与磁场积分方程的收敛性.由于混合场积分方程中涉及格林函数的梯度项,为了进一步加快计算效率,本文引入了一种针对半空间格林函数的高效四维空间插值方法,对组成半空间格林函数的索末菲积分进行列表和Lagrange插值,以实现高效的迭代求解,效率在传统混合场积分方程的基础上提高12.6倍.数值结果表明,该方法在保证精度的同时,可以显著降低求解问题的时间.     

Numerical simulation methods for rough surface scattering

Numerical methods are of great importance in the study of electromagnetic scattering from random rough surfaces. This review provides an overview of rough surface scattering and application areas of current interest, and surveys research in numerical simulation methods for both one- and two-dimensional surfaces. Approaches considered include numerical methods based on analytical scattering approximations, differential equation methods and surface integral equation methods. Emphasis is placed on recent advances such as rapidly converging iterative solvers for rough surface problems and fast methods for increasing the computational efficiency of integral equation solvers.     

Numerical simulation methods for rough surface scattering

Abstract

Numerical methods are of great importance in the study of electromagnetic scattering from random rough surfaces. This review provides an overview of rough surface scattering and application areas of current interest, and surveys research in numerical simulation methods for both one- and two-dimensional surfaces. Approaches considered include numerical methods based on analytical scattering approximations, differential equation methods and surface integral equation methods. Emphasis is placed on recent advances such as rapidly converging iterative solvers for rough surface problems and fast methods for increasing the computational efficiency of integral equation solvers.     

高频电磁干扰对传输线耦合全波建模方法

对于场线耦合问题,经典传输线理论不适用于求解高频电磁干扰辐照下传输线负载上的电压和电流响应。针对这一问题,首先介绍了一种基于天线理论和模拟行为建模（ABM）的时域全波建模方法。该方法利用Harrington矩量法将电流积分方程离散并推导得到宏模型时域表达式,然后利用ABM频域功能实现频变参数的傅里叶逆变换和时域卷积计算。利用电路求解器,该建模方法可直接求解任意结构传输线耦合的负载处瞬态响应;与传统全波算法相比,模型一旦建立便可应用于任意入射场和线性/非线性负载的情况,无需重复耗时地求解电流积分方程。该方法可简化全波算法求解过程,提高仿真计算效率,尤其便于在入射场和负载存在不确定参数时进行高效重复抽样计算以获得统计特性。然后以高频电磁干扰耦合有损大地上的双导体传输线为例,通过与数值电磁代码和传统传输线理论方法的求解结果对比,验证了所提宏模型的有效性以及传输线理论在解决场线耦合问题时的局限性。结果表明,基于全波方法构建的宏模型可在时域内高效准确地求解高频电磁干扰辐照下任意形状传输线负载上的瞬态响应。     

Canonical Quantization of Electromagnetic Field in the Presence of Nonlinear Anisotropic Magnetodielectric Medium with Spatial-Temporal Dispersion

Modeling a nonlinear anisotropic magnetodielectric medium with spatial-temporal dispersion by two continuum collections of three dimensional harmonic oscillators, a fully canonical quantization of the electromagnetic field is demonstrated in the presence of such a medium. Some coupling tensors of various ranks are introduced that couple the magnetodielectric medium with the electromagnetic field. The polarization and magnetization fields of the medium are defined in terms of the coupling tensors and the oscillators modeling the medium. The electric and magnetic susceptibility tensors of the medium are obtained in terms of the coupling tensors. It is shown that the electric field satisfy an integral equation in frequency domain. The integral equation is solved by an iteration method and the electric field is found up to an arbitrary accuracy.     

Millimeter Wave Scattering of 2-D Frequency Selective Surface by Efficient Method of Lines with Preconditioned CG Technique

In this paper, both banded and symmetric successive overrelaxation (SSOR) preconditioned conjugate gradient (PCG) techniques are combined with method of lines (MOL) to further enhance the computational efficiency of this semi-analytic method. The electromagnetic wave scattering of 2-D frequency-selective surface is used as the examples to describe its implementation, whose analysis usually needs fast algorithms because of electrically large dimension. For arbitrary incident wave, helmholtz equation and boundary condition are used to calculate the impedance matrix and then to obtain reduced current-voltage linear matrix equation in spatial domain. Both banded and effective symmetric successive overrelaxation preconditioned conjugate gradient iterative method are chosen to solve this matrix equation. Our numerical results show that PCG methods can converge to accurate solution in much fewer iteration steps for analysis of the electromagnetic wave scattering from 2-D frequency-selective surface.     

Transient heating effects in electromagnetic launchers with complex geometries: A 3D hybrid FE/BE analysis

A time-stepping finite-element (FE) and boundary-element (BE) coupling method was implemented to include 3D transient eddy current under electromagnetic heating effects in electromagnetic launchers. Lagrangian formulations were used to model electromagnetic and thermal diffusive processes with moving conductors. The finite-element formulation was employed for the general diffusion equation in a bounded conductor region including rail and armature; while, in the exterior region, the boundary element method was developed for Laplace's equation. The coupled boundary was employed directly on the surface of conductors and no special treatment on boundary was required. The electromagnetic and temperature fields were coupled through iterative calculations. This method results in considerable time saving in modeling as it eliminates the surrounding air region.     

Particle-in-cell charged-particle simulations, plus Monte Carlocollisions with neutral atoms, PIC-MCC

Many-particle charged-particle plasma simulations using spatial meshes for the electromagnetic field solutions, particle-in-cell (PIC) merged with Monte Carlo collision (MCC) calculations, are coming into wide use for application to partially ionized gases. The author emphasizes the development of PIC computer experiments since the 1950s starting with one-dimensional (1-D) charged-sheet models, the addition of the mesh, and fast direct Poisson equation solvers for 2-D and 3-D. Details are provided for adding the collisions between the charged particles and neutral atoms. The result is many-particle simulations with many of the features met in low-temperature collision plasmas; for example, with applications to plasma-assisted materials processing, but also related to warmer plasmas at the edges of magnetized fusion plasmas     

三维粗糙面电磁双站散射的直接型区域分解计算

提出三维粗糙面双站电磁散射的直接型有限元-区域分解方法.首先建立含有迭代Robin边界条件(IRBC)的区域分解法耦合模型,再用内视法导出高度稀疏分块的分区耦合矩阵,之后给出缩减耦合矩阵带宽的子区域排序方法和IRBC的FFT加速算法.用有限元-完全匹配层和未分区的有限元-IRBC方法验证数值结果.