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复频率参数完全匹配层吸收边界在瞬变电磁法正演中的应用 被引量:20
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作者 李展辉 黄清华 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第4期1292-1299,共8页
本文将复频率参数完全匹配层(Complex Frequency Shifted Perfectly Matched Layer,CFS-PML)吸收边界应用到瞬变电磁法(Transient Electromagnetic,TEM)三维正演中,以替代传统的狄利克雷边界条件,使用时域有限差分法(Finite-difference ... 本文将复频率参数完全匹配层(Complex Frequency Shifted Perfectly Matched Layer,CFS-PML)吸收边界应用到瞬变电磁法(Transient Electromagnetic,TEM)三维正演中,以替代传统的狄利克雷边界条件,使用时域有限差分法(Finite-difference time-domain,FDTD)进行空间离散和时间步进.本文给出了扩散场在CFS-PML内部的平面波解,分析了常规PML在TEM正演中失效的原因,并给出了CFS-PML在TEM正演中参数设置准则.最后分别使用全空间和半空间模型进行有效性检验.全空间检验结果表明,使用CFS-PML的解在我们正演的所有延迟时间内均与理论解吻合得非常好,而使用狄利克雷边界的解可与理论解偏离一个量级以上.半空间检验结果表明,CFS-PML亦明显优于狄利克雷边界,然而CFS-PML对空气中的场吸收甚微,相对误差依然会随着延迟时间缓慢增加,正演时需要根据误差容忍度设计适当的模型. 展开更多
关键词 瞬变电磁 三维正演 时域有限差分 吸收边界 cfs-pml
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瞬变电磁Crank-Nicolson FDTD三维正演 被引量:13
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作者 孙怀凤 柳尚斌 杨洋 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期343-354,共12页
时域有限差分(FDTD)方法使用Yee网格剖分电磁场的空间采样,通过时间步迭代实现电磁场数值模拟,具有内存消耗低、计算简单等特点,常用于瞬变电磁三维正演.然而,常规FDTD方法的时间迭代步长Δt受Courant-Friedrich-Lewy(CFL)条件严格限制... 时域有限差分(FDTD)方法使用Yee网格剖分电磁场的空间采样,通过时间步迭代实现电磁场数值模拟,具有内存消耗低、计算简单等特点,常用于瞬变电磁三维正演.然而,常规FDTD方法的时间迭代步长Δt受Courant-Friedrich-Lewy(CFL)条件严格限制,过多的迭代次数以及过密的采样往往导致计算速度慢、累积误差不断增大.本文提出一种不受CFL条件约束的无条件稳定隐式差分算法Crank-Nicolson FDTD(CN-FDTD)用于瞬变电磁三维正演.基于Crank-Nicolson差分方法对Maxwell方程组重新离散,空间网格仍然采用Yee元胞,时间步进采用在整时间步电场、磁场同时采样的策略,建立无条件稳定FDTD格式,突破CFL条件限制.与常规FDTD交替采样相比,CN-FDTD电场、磁场同时采样的策略构成的隐式差分格式,需要求解大型稀疏矩阵方程组.通常,瞬变电磁三维正演模型中产生的矩阵阶数往往较大,需要占用大量内存和求解时间.为解决上述问题,采用Crank-Nicolson-cycle-sweep-uniform(CNCSU-FDTD)方法近似求解CN-FDTD方程,在保证求解精度的同时,计算效率大幅提高.在边界条件处理上,采用双线性变换推导了复频率参数完全匹配层(CFS-PML)吸收边界.采用均匀半空间模型、四类三层模型进行精度验证,发现CN-FDTD三维正演结果与解析解、线性数字滤波解吻合较好.之后,与接触带上的低阻复杂模型进行对比,结果显示CN-FDTD正演结果与矢量有限元、有限体积法以及FDTD计算结果吻合较好.在此基础上,研究了时间步放大对CN-FDTD计算精度的影响,发现最大时间步放大到常规FDTD的3200倍时才会在晚期出现较明显的误差.在一台CPU为Intel Core i5-7300HQ的笔记本电脑单线程计算条件下,模拟到关断后30 ms仅需要50 min.在进行并行化后,将有望实现复杂模型分钟级的三维正演,从而为三维反演提供可靠、快速的正演方法. 展开更多
关键词 瞬变电磁 三维正演 CN-FDTD 双线性变换 cfs-pml
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瞬变电磁BEDS-FDTD三维正演新算法及稳定性验证 被引量:1
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作者 柳尚斌 孙怀凤 +2 位作者 李文翰 王震 杨洋 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期841-853,共13页
常规FDTD的时间步长需满足Courant-Friedrich-Lewy(CFL)稳定性条件,导致时间迭代步过多,正演非常耗时.针对上述问题,本文采用Backward Euler(BE)差分方法近似Maxwell方程组中场对时间的一阶导数,使时间步长突破CFL限制;引入Direct Split... 常规FDTD的时间步长需满足Courant-Friedrich-Lewy(CFL)稳定性条件,导致时间迭代步过多,正演非常耗时.针对上述问题,本文采用Backward Euler(BE)差分方法近似Maxwell方程组中场对时间的一阶导数,使时间步长突破CFL限制;引入Direct Splitting(DS)策略将电磁场分量解耦,并将大型稀疏矩阵降阶和重构为一系列低阶且主对角占优的三对角矩阵,加快方程求解效率;而且,为了减少模型尺寸,针对上述改进的全新方程,本文采用双线性变换方法(bilinear transform, BT)推导了复频率偏移完全匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer, CFS-PML)吸收边界,形成瞬变电磁三维正演全新算法:BEDS-FDTD.首先采用von Neumann方法测试了新算法在有耗介质中、非均匀时间步长下的稳定性.之后,将BEDS-FDTD算法用于模型实验,并将模拟结果与层状模型的半解析解进行了对比,实验结果证明了新算法的计算精度能够满足需要;同时对新算法的计算效率进行了分析,当采用Tesla A100 GPU计算时,50×50×50网格数目的模型仅用10 s,即使网格数目增加到200×200×200,也仅需224 s.最后,将BEDS-FDTD算法用于复杂三维模型计算. 展开更多
关键词 瞬变电磁 三维正演 BEDS cfs-pml 无条件稳定性
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3D forward modeling and response characteristics of low-resistivity overburden of the CFS-PML absorbing boundary for ground-well transient electromagnetic method
4
作者 Lijuan Zhao Mingzhong Gao +3 位作者 Nengzhong Lei Hongfei Duan Weizhong Qiu Zhaoying Chen 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第12期1541-1550,共10页
This study used the stable and convergent Dufort-Frankel method to differentially discretize the diffusion equation of the ground-well transient electromagnetic secondary field.The absorption boundary condition of com... This study used the stable and convergent Dufort-Frankel method to differentially discretize the diffusion equation of the ground-well transient electromagnetic secondary field.The absorption boundary condition of complex frequency-shifted perfectly matched layer(CFS-PML)was used for truncation so that the low-frequency electromagnetic wave can be better absorbed at the model boundary.A typical three-dimensional(3D)homogeneous half-space model was established and a low-resistivity cube model was analyzed under the half-space condition.The response patterns and drivers of the low-resistivity cube model were discussed under the influence of a low-resistivity overburden.The absorption boundary conditions of CFS-PML significantly affected the low-frequency electromagnetic waves.For a low-resistivity cube around the borehole,its response curve exhibited a single-peak,and the extreme point of the curve corresponded to the center of the low-resistivity body.When the low-resistivity cube was directly below the borehole,the response curve showed three extreme values(two high and one low),with the low corresponding to the center of the low-resistivity body.The total field response of the low-resistivity overburden was stronger than that of the uniform half-space model due to the low-resistivity shielding effect of electromagnetic waves.When the receiving-transmitting distance gradually increased,the effect of the low-resistivity overburden was gradually weakened,and the response of the low-resistivity cube was strengthened.It was affected by the ratio of the overburden resistivity to the resistivity of the low-resistivity body. 展开更多
关键词 Ground-well transient electromagnetic method cfs-pml boundary condition 3D forward modeling Low-resistivity overburden
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有耗媒质中3D目标体散射特性的TSNU-PSTD模拟 被引量:2
5
作者 姜永金 毛钧杰 柴舜连 《微波学报》 CSCD 北大核心 2006年第1期9-13,共5页
结合PML边界条件的傅立叶时域伪谱(PSTD)算法已广泛用于模拟电磁波传播和目标散射,但传统的PSTD方法在每个坐标方向上需要均匀分布的空间坐标网格点,从而不能够很好地模拟曲面目标和与网格空间尺寸不一致的目标,基于变空间的PSTD方法可... 结合PML边界条件的傅立叶时域伪谱(PSTD)算法已广泛用于模拟电磁波传播和目标散射,但传统的PSTD方法在每个坐标方向上需要均匀分布的空间坐标网格点,从而不能够很好地模拟曲面目标和与网格空间尺寸不一致的目标,基于变空间的PSTD方法可以很好地克服这些不足。文中将CFS-PML边界条件在PSTD算法中实现并将它与TSNU-PSTD方法结合模拟了大范围有耗媒质中2D\3D曲面介质体目标的电磁散射,部分结果与FDTD计算结果进行了比较。仿真结果表明,基于变空间的PSTD只需平均每波长分成3个网格就可以达到较好的精度,可高效模拟电大尺寸空间曲面形状目标体的电磁散射。 展开更多
关键词 探地雷达 变空间非均匀网格时域伪谱法 复频率参数pml(cfs-pml)
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基于CFS-PML的高阶有限元在地质雷达数值模拟中的应用研究 被引量:2
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作者 韩晓冰 郭涛 +2 位作者 李航 梁冰洋 周远国 《电波科学学报》 CSCD 北大核心 2022年第5期837-843,共7页
为衰减地质雷达数值模拟时因截断区域厚度或者参数影响产生的倏逝波,提出了一种利用复频移完美匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML)作为吸收边界,并结合频域高阶有限元算法(higher order finite element... 为衰减地质雷达数值模拟时因截断区域厚度或者参数影响产生的倏逝波,提出了一种利用复频移完美匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML)作为吸收边界,并结合频域高阶有限元算法(higher order finite element method,HO-FEM)求解电磁总场分量分布情况的新方法.该方法改善了截断域介质本构张量矩阵的特性,利用矩阵频移参量α吸收倏逝波,提高掠射角处吸收性能.数值实验结果表明,与传统PML相比,结合CFS-PML的HO-FEM方法精度得到明显提高,反射误差额外降低10~30 dB,节省了17%~30%的计算时间.此外,该方法能应用于复杂地质结构模型的电磁总场计算,为地质雷达数值模拟提供了一种新的方法. 展开更多
关键词 地质雷达 高阶有限元法(HO-FEM) 频率域 复频移完美匹配层(cfs-pml) 数值模拟
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复频移完全匹配层在复杂速度模型中的应用 被引量:4
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作者 杨茜娜 张伟 《石油地球物理勘探》 EI CSCD 北大核心 2020年第6期1271-1281,1163,共12页
地震波数值模拟中因离散网格空间大小有限,导致计算模型最外层时易产生虚假反射。完全匹配层(PML)方法可有效吸收虚假反射,其中复频移完全匹配层(CFS-PML)的吸收效果尤为突出。但前人针对CFS-PML参数优化取值问题的研讨大多是基于均匀... 地震波数值模拟中因离散网格空间大小有限,导致计算模型最外层时易产生虚假反射。完全匹配层(PML)方法可有效吸收虚假反射,其中复频移完全匹配层(CFS-PML)的吸收效果尤为突出。但前人针对CFS-PML参数优化取值问题的研讨大多是基于均匀速度模型,而实际模拟中面临的更多是具有强非均匀性的复杂模型。为此,基于均匀速度模型参数选取方法,对复杂速度模型的CFS-PML参数设置进行了探究。认为参数的设置除了与震源和网格性质有关外还同吸收层内的速度值和波长相关,即高度依赖于速度模型;对于复杂速度模型,参数设置的关键在于参考速度的选取,并给出了参考速度的三种实用选取方法。通过对双层、多层及Marmousi模型进行测试和吸收效果对比,明确了"统一设置为边界介质速度中间值"为最佳的参考速度选取方法,进而总结出完整的复杂速度模型CFS-PML优化参数设置方法。 展开更多
关键词 数值模拟 复频移完全匹配层 参数设置 复杂速度模型
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有耗媒质中目标体散射特性的TSNU-PSTD模拟
8
作者 姜永金 刘立业 +1 位作者 杨虎 毛钧杰 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第6期88-92,共5页
结合PML边界条件的傅立叶时域伪谱(PSTD)算法已被广泛用于模拟电磁波传播和目标散射,但传统的PSTD方法在每个坐标方向上需要均匀分布的空间坐标网格点,因而不能够很好地模拟曲面目标和与网格空间尺寸不一致的目标,基于变空间非均匀网格... 结合PML边界条件的傅立叶时域伪谱(PSTD)算法已被广泛用于模拟电磁波传播和目标散射,但传统的PSTD方法在每个坐标方向上需要均匀分布的空间坐标网格点,因而不能够很好地模拟曲面目标和与网格空间尺寸不一致的目标,基于变空间非均匀网格的PSTD(TSNU-PSTD)方法可以很好地克服这些不足。将CFS-PML边界条件应用在PSTD算法中,并将其与TSNU-PSTD方法相结合模拟了大范围有耗媒质中介质体目标的电磁散射,部分计算结果与FDTD计算结果进行了比较。仿真结果表明,TSNU-PSTD算法只需平均每波长分成3个网格就可以得到令人满意的计算结果,可高效地分析大范围有耗媒质中曲面形状目标体的散射特性。 展开更多
关键词 探地雷达 变空间非均匀网格时域伪谱法(TSNU-PSTD) 复频率参数pml(cfs-pml)
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基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟
9
作者 王洪华 吴祺铭 龚俊波 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期5187-5201,共15页
通过数值模拟研究探地雷达(GPR)高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件(CFS-PML)以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大... 通过数值模拟研究探地雷达(GPR)高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件(CFS-PML)以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明:本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度. 展开更多
关键词 探地雷达 非分裂复频移完全匹配层 时域有限元法 Newmark差分
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基于RKADE-SS-FDTD方法的无条件稳定高阶CFS-PML算法
10
作者 李建雄 魏之栋 《天津工业大学学报》 CAS 北大核心 2023年第2期55-60,共6页
为了提升完全匹配层(PML)算法的吸收效果,提出了一种用于截断非磁化等离子体的高阶复频率偏移PML(HO-CFS-PML)算法。该算法将龙格-库塔辅助微分方程(RKADE)算法和分裂步时域有限差分(SS-FDTD)算法相结合,来对非磁化等离子体进行仿真。... 为了提升完全匹配层(PML)算法的吸收效果,提出了一种用于截断非磁化等离子体的高阶复频率偏移PML(HO-CFS-PML)算法。该算法将龙格-库塔辅助微分方程(RKADE)算法和分裂步时域有限差分(SS-FDTD)算法相结合,来对非磁化等离子体进行仿真。在计算域边界处,引入了由辅助微分方程(ADE)算法实现的HO-CFS-PML用于截断开放区域中的等离子体,并通过一个数值算例进行模拟。结果表明:所提出的HO-RKADE-SS-CFS-PML算法在柯朗-弗里德里希斯-列维(CFL)数(CFLN)为8时,相比于传统CFS-PML算法,时间减少率可以达到79.2%,证明了该算法能够有效地消除柯朗-弗里德里希斯-列维(CFL)稳定性条件的约束,大大节省了计算时间;此外,HO-RKADE-SS-CFS-PML算法的最大相对反射误差可以达到-115 dB,明显小于其他算法的相对反射误差,并且随着CFLN的增大,该算法不会像RKADE-ADI-CFS-PML算法那样产生明显的误差增大现象,证明本文算法在大时间步长下拥有比其他算法更好的吸收电磁波的能力。 展开更多
关键词 高阶复频率偏移完全匹配层 分裂步时域有限差分法 龙格-库塔辅助微分方程 非磁化等离子体
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基于移位算子方法的通用介质CFS-PML实现
11
作者 张玉强 葛德彪 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2010年第11期2332-2335,共4页
针对通用色散介质时域有限差分方法计算时完全匹配层吸收边界截断的问题,提出了一种新颖的复频率完全匹配层实现方法。该方法从拉伸坐标系的麦克斯韦旋度方程出发,首先利用移位算子方法得到拉伸坐标张量系数的移位算子表示式,进而得到... 针对通用色散介质时域有限差分方法计算时完全匹配层吸收边界截断的问题,提出了一种新颖的复频率完全匹配层实现方法。该方法从拉伸坐标系的麦克斯韦旋度方程出发,首先利用移位算子方法得到拉伸坐标张量系数的移位算子表示式,进而得到完全匹配层的时域有限差分更新公式。该公式与计算区域内的介质无关,可用于通用介质情况。数值计算结果表明,所得吸收边界在内存占用、计算时间、应用场合等方面均表现出色,且推导简单,概念明确。 展开更多
关键词 色散介质 时域有限差分方法 移位算子 复频率参数完全匹配层
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CFS-PML边界条件在PSTD算法中的实现与性能分析 被引量:13
12
作者 姜永金 毛钧杰 柴舜连 《微波学报》 CSCD 北大核心 2004年第4期36-39,共4页
文中将具有复频率参数的PML(CFS PML)边界条件引入到时域伪谱 (PSTD)算法中 ,并利用卷积PML(CPML)方法予以实现 ,CPML的吸收性能作为时间的函数被给出。与传统PML相比 ,该边界条件不仅可以吸收传播模 ,而且还可以吸收低频凋落模。仿真... 文中将具有复频率参数的PML(CFS PML)边界条件引入到时域伪谱 (PSTD)算法中 ,并利用卷积PML(CPML)方法予以实现 ,CPML的吸收性能作为时间的函数被给出。与传统PML相比 ,该边界条件不仅可以吸收传播模 ,而且还可以吸收低频凋落模。仿真结果也表明 ,CPML中参数α ,Kmax在一定范围内取值可使该边界的反射误差得到最小。 展开更多
关键词 pml 低频 频率参数 性能分析 算法 仿真结果 时域 边界条件 卷积 反射
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