吉林大学学报(地球科学版)

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实现复频移完全匹配层吸收边界条件的递推卷积方法

田坤1,黄建平1,李振春1,李娜1,孔雪2,李庆洋1   

  1. 1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东 青岛266580;
    2.中石油东方地球物理公司研究院,河北 涿州072750
  • 收稿日期:2012-06-08 出版日期:2013-05-26 发布日期:2013-05-26
  • 通讯作者: 黄建平(1981-),男,副教授,主要从事地震波正演及偏移成像工作 E-mail:jphuang@mail.ustc.edu.cn
  • 作者简介:田坤(1986-),男,博士研究生,主要从事地震波正演及偏移成像工作,E-mail:tiankunwudi@163.com
  • 基金资助:

    国家“973”计划项目(2011CB202402);国家自然科学基金项目(41274124);中国石油大学自主创新科研计划项目(10CX04001A);中国石油大学(华东)研究生创新工程资助项目(CX2013002)

Recursive Convolution Method for Implementing Complex Frequency-Shifted PML Absorbing Boundary Condition

Tian Kun1, Huang Jianping1, Li Zhenchun1, Li Na1, Kong Xue2, Li Qingyang1   

  1. 1.School of Geoscience, China University of Petroleum, Qingdao266580, Shandong, China;
    2.Geophysical Research Institute, BGP Inc., CNPC, Zhuozhou072750, Hebei, China
  • Received:2012-06-08 Online:2013-05-26 Published:2013-05-26

摘要:

完全匹配层吸收边界(PML)已经被证明是非常有效的边界吸收技术,对体波和面波的吸收都具有非常好的效果,已经被广泛应用于弹性波的数值模拟中。但是在某些情况下传统的PML技术还是存在一定的问题,比如对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波的吸收等等。在坐标变换中采用复频移拉伸函数的复频移PML可以有效地改善PML边界条件的吸收性能。基于弹性波一阶速度-应力方程,推导了复频移PML的递推卷积实现方法,并采用交错网格高阶有限差分法对其进行了数值模拟,与传统的PML进行了对比。结果表明:传统的PML对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波吸收不足,会产生虚假反射,影响真实波场;而基于递推卷积的复频移PML算法能够有效地改善困难情况下的吸收效果,并且在实现过程中不用分裂变量,应用更加方便简单。计算卷积时采用递推的形式,推导过程直观易懂,易于编程,而且不会增加计算量,存储量也没有太大的变化。

关键词: 复频移PML, 吸收边界条件, 弹性波, 数值模拟, 递推卷积方法

Abstract:

The perfectly matched layer (PML) absorbing boundary condition has proven to be a very efficient method for the numerical forward modeling of elastic wave equation to absorb both body waves and surface waves. But in some cases such as grazing incidence and the free surface in narrow domain the classical discrete PML method suffers from some serious problems. The complex frequency-shifted PML which uses the complex frequency-shifted stretch function in the coordinate transformation can efficiently improve the PML absorbing performance. We derived a recursive convolution method for implementing complex frequency-shifted PML and carried out the numerical simulation employing the staggered-grid higher-order finite-difference method based on the first-order partial differential wave equation. The results show that the complex frequency-shifted PML based on recursive convolution method can largely improve the absorbing effects in difficult cases. And its implementation is convenient because of the un-split variable. The cost of the calculation is not increase because of the recursion when convolution is computed. The memory storage is also similar to that of the classical PML.

Key words: complex frequency-shifted PML, absorbing boundary condition, elastic wave, numerical forward modeling, recursive convolution method

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