一种基于质点网格思想的动态海洋波场信息采集方法

1.本发明涉及地震波波场模拟技术领域，具体为一种基于质点网格思想的动态海洋波场信息采集方法。


背景技术：

2.gerstner模型在1986年被fournier等人首次引入到计算机图像处理领域，这个模型主要从动力学角度描述了海面上各个质点的运动状态，一般使用参数方程来表示：
[0003][0004]
式中，(x，y)表示计算质点当前的位置，(x0，y0)表示计算质点的初始位置，r表示运动半径(也可理解为能量大小)，w为运动频率(角速度)。在解析几何中，该参数方程描述的是圆的运动轨迹。
[0005]
结合海浪谱，以pm谱为例：
[0006][0007]
式中，α，β为常数，一般取α＝0.0081，β＝0.74，
[0008]
代表重力加速度，w为波的频率，u表示海面上空19.5米处的风速。
[0009][0010]
将r代入上式便可以求出海面上每个质点的位置，也就是本发明所描述的检波器的位置。
[0011]
质点网格(particle in cell，pic)方法是上世纪70年代为了解决流体仿真等问题而提出的一种方法，经过几十年的发展，pic已经在很多领域得到了应用。pic方法的核心是质点转网格(p2g)和网格转质点(g2p)的算法。
[0012]
如附图6所示，pic方法将目标求解分为两部分，一部分是粒子部分，一部分为网格部分。具体操作方法为，首先将粒子部分上的初始条件通过权重的方式分配到网格节点上，在网格节点上进行计算，然后将计算结果返回到粒子上，再对粒子进行更新操作，如此循环进行，即可得到所需要的结果。
[0013]
在通常的地震数值模拟计算中，往往将检波器置于网格格点上以便接收格点上的波场信息(如压力，速度分量等)。但是这种方法局限性很大，在模拟海洋环境下，检波器在网格内小范围震动时，数值计算时往往只能把检波器固定在网格点上，不能做到随海面起伏，于是便采集不到更为具体的波场信息。


技术实现要素：

[0014]
有鉴于此，本发明提供了一种基于质点网格思想的动态海洋波场信息采集方法，这种方法可以模拟出检波器随海面波动的状态，并且再这种状态下通过插值方式获得相应位置的波场信息。
[0015]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0016]
一种基于质点网格思想的动态海洋波场信息收集方法，包括以下步骤：
[0017]
获取每个时刻的波场网格；
[0018]
根据gerstner波与海浪谱结合生成检波器位置；
[0019]
根据检波器位置寻找对应的波场网格，根据所述波场网格的波场信息计算检波器所在网格处的波场信息；
[0020]
根据pic思想，根据计算出的网格内收集检波器附近的波场值；
[0021]
将波场信息值整合，即将每一时刻对应的检波器值记录为结果矩阵的行，所有时刻都记录在结果矩阵中，最终得到地震记录。
[0022]
可选的，所述波场信息，包括每个差分网格点的压力，速度分量，网格间距，网格大小。
[0023]
可选的，所述波场网格获取过程为：通过利用有限差分法解波动方程，得到每一个时刻的波场网格
[0024]
可选的，所述波场网格为的权重网格。
[0025]
可选的，还包括使用pic思想时，根据实际情况对核函数进行选择。
[0026]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于质点网格思想的动态海洋波场信息采集方法，使用gerstner法生成初始的检波器分布符合常识，然后利用pic方法进行插值计算，考虑“作用范围”的影响，使插值后得到的波场信息误差更小，能够展示动态检波器情况下的地震记录，为地球物理场模拟等方面的研究提供与实际基本相符的数据支持。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明的实现流程图；
[0029]
图2为实施例距离海面19.5m处，6m/s情况下的地震记录(均匀介质)；
[0030]
图3为实施例距离海面19.5m处，8m/s情况下的地震记录(均匀介质)；
[0031]
图4为实施例距离海面19.5m处，12m/s情况下的地震记录(均匀介质)；
[0032]
图5为实施例距离海面19.5m处，8m/s情况下的地震记录(双层介质)；
[0033]
图6为实施例质点网格法实现思路图；
[0034]
图7为实施例网格点与检波器位置示意图；
[0035]
图8为实施例双层模型示意图；
[0036]
图9为实施例均匀模型示意图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
本发明的实施例主要利用了网格转粒子这部分思想。首先将检波器假设为可以随意移动的粒子，将波场记录假设为网格。如附图7所示，其中黑色节点为网格节点，灰色节点为检波器位置。随后利用核函数(权重函数)将网格上的波场信息分配到检波器上。核函数的形式(以三次样条核函数为例)为：
[0039][0040]
其中，w(r，h)为权重，r为网格节点与检波器之间的距离，h为核函数半径。
[0041]
根据权重，就可以得到检波器上的波场值：
[0042]
rec＝∑wp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0043]
其中rec为检波器收集的数值，w为权重，p为网格点上的波场值。
[0044]
具体的，本实施例提供一种基于质点网格思想的动态海洋波场信息收集方法，能够展示动态检波器情况下的地震记录，为地球物理场模拟等方面的研究提供与实际基本相符的数据支持，请参阅图1-图8，包括：
[0045]
步骤一：利用有限差分法解波动方程，得到每一个时刻的波场信息。提取每个时刻的波场信息，包括每个差分格点的压力，速度分量等，同时也记录网格间距，网格大小等信息；
[0046]
步骤二：根据需求设定检波器位置，假设检波器随着海面在不断运动，那么就说明检波器的位置是时刻与海面重合的，所以利用gerstner波与海浪谱结合进行检波器位置的设定；
[0047]
步骤三：对于每一个检波器进行计算，首先判断检波器所处网格位置，并以此为依据寻找一个的权重网格，根据网格上的波场信息计算检波器位置处的波场信息；
[0048]
步骤四：将波场值整合，最终得到相应的地震记录。
[0049]
为了更好的说明上述具体实施方式的效果，下面给出一个具体实例：
[0050]
实例：假设某海域离海面19.5m处的风速为6m/s或8m/s或12m/s，按照上述方法进行计算，第一个模型为均匀介质模型(附图9)，首先设定有限差分网格大小为：，设定震源位置为：，边界条件采用pml吸收边界。检波器设置为1000个均匀分布在400方向网格节点位置处。模拟流程如附图1所示。最终结果为：6m/s风速条件下，地震记录如附图3所示；8m/s风速条件下，地震记录如附图4所示；12m/s风速条件下，地震记录如附图4所示。第二个模型为两层模型(附图8)，与上述的条件相同，在200方向节点处有速度变化界面，并假设此时的风速为8m/s，则可以得到结果为附图5所示。
[0051]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。