黏声波方程常被用于描述地下介质的黏弹性及波的传播现象,频域有限差分(finite difference frequency domain,FDFD)方法是黏声波和黏弹性波波场模拟的常用工具.目前FDFD黏声波模拟常用的二阶五点方法和优化九点方法在一个波长内的网格点数小于4时误差较大.通过令FDFD系数随一个波长内的网格点数自适应从而提高FDFD方法的精度,本文针对黏声波波场模拟发展了一种适用于不同空间采样间隔之比的通用格式自适应系数FDFD方法.同时,为了验证自适应系数FDFD方法对一般黏声波模型的有效性,本文针对三个典型的黏声波模型,分别采用解析解和基于高阶FDFD的参考解验证了所提出方法的有效性.本方法的FDFD格式通过在传统的二阶FDFD格式的基础上引入相关校正项得到,其中校正项按网格点与中心点的距离进行分类选取,同时校正项对应的自适应FDFD系数不仅和空间采样间隔之比相关,还和一个波长内的采样点数相关.所需的自适应FDFD系数可通过声波方程的数值频散关系和查找表高效给出.数值频散分析表明,在空间采样间隔相等或不等的情况下,以相速度误差不超过1%为标准,通用格式自适应系数FDFD方法所需的一个波长内的采样点数均小于2.5.数值模拟实验表明,对于不同的空间采样间隔之比,相对于常用的二阶五点FDFD方法和优化九点FDFD方法,通用格式自适应系数FDFD方法均可在相似的计算量和内存需求下,有效提高黏声波模拟的精度.
频域有限差分(finite difference frequency domain,FDFD)方法是地震波场模拟的常用方法,FDFD地震波场模拟的关键之一是构造能有效压制数值频散的FDFD系数。在已有的构造地震波场模拟FDFD系数的方法中,随一个网格内的波长个数变化的自适应FDFD系数可以最大程度地压制数值频散。目前计算自适应FDFD系数的方法涉及角度积分、共轭梯度优化、顺序初值选取、光滑正则化等问题,不仅较难实现而且计算效率较低。为了简化自适应FDFD系数的计算并提高相应计算效率,本文提出一种新的计算自适应FDFD系数的方法。所提方法首先将不同离散传播角度的平面波解代入FDFD格式,构造相应的最小二乘问题。由于该最小二乘问题较为病态,常规的基于正规方程组的求解方法难以得到光滑的自适应FDFD系数,本文提出通过QR矩阵分解求解相应超定线性方程组来求解该最小二乘问题。相比已有的基于角度积分、共轭梯度优化、顺序初值选取的计算自适应FDFD系数的方法,所提方法在可以得到光滑自适应FDFD系数的基础上,不仅计算过程更简洁,且计算效率明显提高。数值波场模拟结果表明,基于QR矩阵分解的自适应系数FDFD方法可以达到与基于角度积分、共轭梯度优化、顺序初值选取的自适应系数FDFD方法相同的精度,同时所需的计算时间更少。
