牛顿拉夫逊算法在ERT反演问题中的应用研究

本文研究了电阻率反演成像(ERT)中的牛顿拉夫逊基础算法及改进问题.利用最小二乘法和Tikhonov正则化等方法将反演算法予以优化,获得了与实验样本结构吻合的碳纤维复合层的电阻率分布图像,推广了牛顿拉夫逊算法的数理反演模型.     

基于超松弛预处理的精细积迭代反演算法

电磁波、声波层析成像技术在地质探测等很多领域有了广泛应用,其中反演算法在层析成像过程中处于核心地位,反演算法的优劣将直接关系层析成像的成败.给出了一种基于超松弛预处理的精细积分迭代反演算法,算法将方程组求解归结为一个常微分方程组初值问题的极限形式,对以此为基础建立的递推算法中指数矩阵利用精细积分法计算,但在此之前利用超松弛法将正演所得病态矩阵预处理,降低条件数以减少测量扰动对反演计算的影响.通过检测板模型恢复测试以及实际资料反演结果比较,预处理精细积分方法在准确性和稳定性上都具有一定的优势,在迭代次数较少时即能得到分辨率较高的反演速度剖面;另外,过程中参数的选择具有一定任意性,同时规则网格尺度可以根据折射初至时数目灵活选取,具有更强的实用性.     

稀疏观测数据下热传导方程逆时反问题的数值反演

探讨一类带第二类边界条件的一维热传导方程逆时问题,首先利用分离变量法推导了反问题的积分表达形式,然后基于解析延拓技术,证明了基于稀疏附加数据下反问题的唯一性,并对反问题的不适定性进行说明,接着利用线性叠加原理及有限元插值技术,给出了该逆时反演问题对应的离散反演方程组形式,借助于Tikhonov正则化方法和正则化参数选取的广义交叉验证准则,设计出了该逆时反演问题的直接反演算法,最后通过数值算例说明所设计的直接反演算法是有效的.     

用于寻源导热反问题的自适应蚁群算法研究

建立以蚁群算法(ant colony optimization,ACO)为基础的二维稳态导热反问题的求解模型.模型根据边界测点的测量信息与计算所得到的测点温度进行比较,将导热反问题转化为一个优化问题.对蚁群算法进行改进,利用不同路径构造方法的自适应蚁群算法对热源强度、热源位置进行反演,得到较为精确的反演结果.结果表明,所采用的蚁群算法和针对不同反演参数的路径构造方法具有较强的稳定性,能够较好反演热源强度及热源位置.     

核磁共振弛豫信号的多指数反演

从第一类积分方程的反演求解入手,推导出适合于岩石核磁共振弛豫时间多指数反演的两种算法：奇异值分解（singular value decomposition）方法和变换反演算法.对算法的具体实现过程进行了详细的论述,从理论和实例处理两方面分析讨论了两种算法的优缺点.从解的自由度的角度,讨论解的分辨率及最优反演模型的选取原则：SVD算法适合于信噪比较高的数据反演,变换反演算法适应于较低信噪比的数据反演.在进行岩石核磁共振信号的多指数反演处理时,应优先选用变换反演算法,只有当原始数据的信噪比SNR≥80时,可选用SVD反演算法.为保证T₂反演结果的真实性,T₂布点数应在30～50个之间.[KG*2]研究内容对核磁共振岩心分析和核磁共振测井工作具有重要参考价值.     

基于MINRES-QLP截断牛顿法的全波形反演

在全波形反演过程中,二阶梯度信息扮演着重要的作用.然而,由于其巨大的计算量和内存需求,限制了其在全波形反演问题中的应用.本文基于MINRES-QLP方法提出了一种高效的截断牛顿全波形反演方法.该全波形反演方法能够充分利用目标泛函的二阶梯度信息,提高反演精度.MINRES-QLP反演方法还能够利用Hessian阵负特征值信息,从而提高算法的重构分辨率和计算效率.针对Hessian阵计算难题,本文给出了一种矩阵向量相乘的快速算法.基于二维2004 BP模型,Sigsbee模型,验证了MINRES-QLP截断牛顿反演方法的有效性.数值结果表明MINRES-QLP截断牛顿法能充分利用二阶梯度信息和Hessian阵负特征值信息,从而加速算法收敛速度和提高成像精度.     

偏微分方程反问题:模型、算法和应用

偏微分方程反问题是一个重要的数学研究领域,覆盖了偏微分方程、泛函分析、非线性分析、优化算法和数值分析等不同的数学分支,在介质成像、遥感遥测和图像处理等当代重要的工程领域有广泛的应用.基于问题的不适定性,求解这类问题需要引进正则化思想.但是由于模型的复杂性和广泛性,很难建立统一的正则化框架.本文旨在对几类重要的偏微分方程反问题的研究给出一个系统的总结.在阐明偏微分方程反问题起源和特点的基础上,对以电阻抗成像、波场逆散射和介质热成像为应用背景的三类重要的偏微分方程反问题,系统阐述了核心研究问题、已有结果和方法、未来重要的研究方向.最后从反演方法有效实现的角度,对影响偏微分方程反问题数值求解精度和误差估计的主要因素给出了分析.     

生物斑图中Gray-Scott模型的数值求解及参数反演

生物斑图中反应扩散模型数值解及其参数反演的研究是非常有趣和重要的.主要以生物斑图中Gray-Scott模型为研究对象,对其正、反问题进行研究,提出了一种新的算法-DE-ME算法,并通过数值算例模拟验证了其在求解Gray-Scott模型参数反演问题中的可行性及有效性.结果表明此混合算法能快速有效地解决此类反应扩散模型参数反演问题.     

一个分数阶生长-抑制系统的参数反问题

本文研究一个分数阶生长-抑制线性系统模型及其参数反问题.首先利用Laplace逆变换得到正问题解的唯一存在性.其次,考虑一个利用内点观测数据确定微分阶数与衰减率的反问题,应用极值原理在Laplace像空间中证明反演的唯一性.最后,基于正问题的有限差分解,应用同伦正则化算法进行数值反演.计算结果表明算法的收敛性及反问题的数值稳定性.     

基于二维随机震源的地震波全波形反演研究

全波形反演利用全部的波场信息做反演求解,兼顾了地震波的运动学特征和动力学特征,是一种直接基于波动方程描述地震波在地下介质中的传播过程,能够获得地质结构和岩性资料的方法.但是作为一种非线性反演算法,如何提高全波形反演的计算速度和成像精度是目前优化反演的难点和重点.针对全波形反演的效率问题,采用分层和模块化的matlab工...     

基于Linear Sampling方法的二维可穿透区域反演

提出用时间调和声散射远场信息来反演二维可穿透目标的一种Linear Sampling方法,通过提取包含可穿透目标的一个样本区域的支集的点列来实现反演的,因为其在区域内与区域外有显著的不同取值,由此而获得区域的逼近.这个算法特别吸引人之处是不需关于障碍物的任何先验信息.并且只需散射场在某个有限孔径中的部分远场信息,即可获得穿透区域的一个逼近.一些数值算例保证了这个反演算法是有效的和实用的.     

基于最小二乘QR算法的质心频率下移法应用研究

时间域振幅比法层析成像利用直达波的振幅变化来反演介质的衰减系数,具有简易快速等优点,在单一地质构造勘察中极具优势,但该方法易受几何扩散、仪器响应、天线耦合以及辐射模式等因素的干扰,导致成像结果失真,难以适应复杂地质构造的高精度成像.为解决该问题,提出质心频率下移法,从频率域分析振幅谱与衰减系数的关系,在此基础上实现衰减层析成像,此外,采用正则化least-squares QR (LSQR)分解算法求解层析成像方程组,提高计算速度和数值稳定性.数值模型算例和实测算例的结果表明,电磁波通过衰减介质时质心频率向主频方向减小,质心频率下移法具有较高成像精度.     

基于Delaunay三角剖分的地表平均温度模拟

利用Delaunay三角网对目标区域进行剖分,在对地表温度进行高度插值后,运用二重积分的思想建立了基于Delaunayr三角剖分的地表平均温度测量模型.同时以南极地表平均温度的测量为例,将67个自动气象地表台站、46个气象地表台站以及56个高空气象观测站的加权平均温度与地表平均温度的数据进行分析,得到南极2015全年地表平均温度均在-8℃以下,最低温约为-20℃,符合南极大陆地表温度的实际情况.     

多模态生物医学成像联合重建的数学问题

生物医学成像技术可得到可视化的结构或功能信息,以供生物研究或临床诊断使用,数学理论在生物医学成像技术中一直起着重要的作用.生物医学成像技术中的一类数学问题是从测量数据重建感兴趣的结构或功能信息,这是一类典型的反问题.最近,生物医学成像技术的一个新进展是多模态成像技术,通过融合多种成像技术实现,目标是提供更加丰富的可视化信息.相对于已有的单模态成像技术,多模态成像技术的图像重建的策略具有多种选择.一个新兴的方向是利用各种模态图像的相似性,或者更严格地讲,是利用不同模态图像在某一特征表示上的部分相似性,进行各种模态图像重建的联合重建.联合重建的优势是可以利用不同模态的数据,通过相似的特征互补性在重建中互相约束,有希望得到更好质量的图像.本文对多模态成像技术中的联合重建问题进行综述,论述有关的关键数学问题,介绍相关的研究进展,其中涉及的一个理论基础Mumford-Shah泛函,张恭庆曾有专著论述.     

电离层层析成像及数值模拟

利用正则化反演法,对电离层层析成像技术进行了数值模拟.模拟结果表明,正则化反演法能够准确反演出电离层赤道异常的电子密度分布.对正则化反演误差的原因进行了分析,定义了代表重建结果精度的参数并研究其随信号数量的变化,结果显示造成反演误差的主要原因是信息量不足,在提供充足的数据条件下,正则化反演法能够得到很高精度的重建结果.数值模拟实验进一步证明了电离层层析技术在反演电离层电子密度分布中有很大的应用价值.     

Abel变换数值反演的积分算子方法

本文研究了Abel变换的数值反演问题.利用Abel变换的理论反演公式与数值求导的积分算子法相结合的方法,对反演公式中奇异积分合理处理,获得Abel变换数值反演的一种算法,并进行了理论分析与数值实验. 结果表明该算法具有计算简单、数值稳定等优点.     

对流弥散方程的时间依赖反应系数反演及应用

探讨了一维对流弥散方程的时间依赖反应系数函数的反演问题及其在一个土柱渗流试验中的应用.借助一个积分恒等式,讨论了正问题单调解的存在条件及反问题的数据相容性.进一步考虑一个扰动土柱试验模型模拟问题,应用一种最佳摄动量正则化算法,对反应系数函数进行了数值反演模拟,并应用于实际试验数据的反分析,反演重建结果不仅与相容性分析一致,而且与实际观测数据基本吻合.     

利用远场模式的不完全数据反演声波阻尼系数

1.引言 对声波反散射理论的研究,已经有大量的研究[1.5].[7]利用散射波的远场模式反演边界条件中的阻尼系数.但是在实际问题中,要在物体的一周测量到远场模式的值是不现实的.因此,利用远场模式的不完全数据来进行反演有明显的物理和实际意义.一些文献将此类问题称为声波反散射理论的“limited aperture problem”.本文利用远场模式的不完全数据,反演边界条件中的声波阻尼系数.     

复杂构造地震数据叠前逆时偏移方法

叠前逆时偏移方法可以精确成像复杂地下构造,利用高阶有限差分方法求解声波方程,并给出了满足稳定性条件的采样间隔的选取方式.利用GPU/CPU加速技术实现地震资料的叠前逆时偏移算法,极大地提高了计算效率,算法也采用随机边界条件,节约了大量存储空间.分析了速度模型变化对成像结果的影响.复杂地震数据成像的测试结果表明,所述的叠前逆时偏移算法可清晰成像陡倾角成像清晰,对盐丘边界和内部构造成像效果也较好.     

消光-小角散射综合遥感气溶胶分布的原理与数值试验

本文根据核函数的特性,论述了消光-小角散射综合遥感气溶谱分布的原理以及分段反演和联立反演两种数学处理方法。数值试验表明:综合遥感能够发扬消光法和小角散射法的长处,克服各自的局限,既能提高大粒子的反演精度,又能改善小粒子的反演结果。