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应用地球物理  2021, Vol. 18 Issue (3): 299-316    DOI: 10.1007/s11770-020-0844-4
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三维频率域声波方程大型系数矩阵的高效求解
黎昌成1,陈晓非2,1,3,
1. 南方科技大学地球与空间科学系广东深圳 518055; 2. 深圳市深远海油气勘探技术重点实验室(南方科技大学)广东深圳 518055; 3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)广东广州 511458
Efficient solution of large-scale matrix of acoustic wave equations in 3D frequency domain
Changcheng Li1 and Xiaofei Chen?2,1,3
1. Department of Earth and Space Sciences, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China. 2. Shenzhen Key Labotory of Deep Offshore Oil and Gas Exploration Technology, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China. 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China.
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摘要 在三维频率域正反演运算中庞大的计算量与存储量是制约地震数据处理速度与计算效率的主要因素之一。为此基于声波方程的频率域有限差分正演模拟算法,首先根据离散化的声波方程建立一个大型稀疏复矩阵,然后通过求解矩阵方程得到频率域波场值。本文首先将前人优化五点法扩展到三维七点有限差分格式,然后添加PML吸收边界条件,建立相应的矩阵方程。为求解该复矩阵,首先将其变换到等价的实数域扩大矩阵可解范围,然后建立了两种目标函数,将矩阵求解问题转化为可以使用梯度类方法求解的优化问题,接着使用共轭梯度算法来求解该问题。前人研究表明在共轭梯度算法中,带宽矩阵与向量的乘积是影响计算效率的主要因素,因此本文提出了一种将带宽矩阵与向量乘积问题,转化等价的向量与向量乘积算法,从而减小计算量和存储量。
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作者相关文章
黎昌成1
陈晓非2,1,3
1
3
关键词频率域三维声波模拟   大型带宽矩阵   共轭梯度法   三维七点有限差分     
Abstract: In 3D frequency domain seismic forward and inversion calculation, the huge amount of calculation and storage is one of the main factors that restrict the processing speed and calculation effi ciency. The frequency domain fi nite-diff erence forward simulation algorithm based on the acoustic wave equation establishes a large bandwidth complex matrix according to the discretized acoustic wave equation, and then the frequency domain wave fi eld value is obtained by solving the matrix equation. In this study, the predecessor’s optimized five-point method is extended to a 3D seven-point finite-difference scheme, and then a perfectly matched layer absorbing boundary condition (PML) is added to establish the corresponding matrix equation. In order to solve the complex matrix, we transform it to the equivalent real number domain to expand the solvable range of the matrix, and establish two objective functions to transform the matrix solving problem into an optimization problem that can be solved using gradient methods, and then use conjugate gradient algorithm to solve the problem. Previous studies have shown that in the conjugate gradient algorithm, the product of the matrix and the vector is the main factor that aff ects the calculation effi ciency. Therefore, this study proposes a method that transform bandwidth matrix and vector product problem into some equivalent vector and vector product algorithm, thereby reducing the amount of calculation and storage.
Key words:   
收稿日期: 2020-01-09;
基金资助:本研究项目由国家自然科学基金资助项目U601602&41790465,南方海洋科学与工程广东省实验室(广 州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0203), 深圳市深远海油气勘探技术重点实验室项目资助(项目编号: ZDSYS20190902093007855),深圳市科技计划资助(项目编号:KQTD20170810111725321),广东省引进领军人 才项目资助(编号:2016LJ06N652)。
通讯作者: Chen Xiao-Fei (Email: chenxf@sustech.edu.cn).     E-mail: chenxf@sustech.edu.cn
作者简介: 黎昌成目前是南方科技大学地球与空间科学系博士研究生。其主要工作集中于全球自然灾害风险评估和行星与资源探测有关的软件和硬件设备研究。
引用本文:   
黎昌成1,陈晓非2,1,3,1等. 三维频率域声波方程大型系数矩阵的高效求解[J]. 应用地球物理, 2021, 18(3): 299-316.
LI Chang-Cheng-1,CHEN Xiao-Fei-2,1 et al. Efficient solution of large-scale matrix of acoustic wave equations in 3D frequency domain[J]. APPLIED GEOPHYSICS, 2021, 18(3): 299-316.
 
没有本文参考文献
[1] 王泰涵,黄大年,马国庆,孟兆海,李野. 改进的预处理共轭梯度快速算法在三维重力梯度数据反演中的应用[J]. 应用地球物理, 2017, 14(2): 301-313.
[2] 王静, 刘洋, 孙哲, 田洪, 苏华, 赵前华, 刘颖宇. 零偏VSP资料波阻抗反演方法研究[J]. 应用地球物理, 2009, 6(2): 150-158.
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