基于MPI的频率域航空电磁法有限元二维正演并行计算研究

论文摘要

航空电磁法(Airborne Electromagnetic Method)是航空物探中常用的观测方法之一,广泛的应用于地质普查、资源勘探和环境监测等领域。本文针对吊舱式直升机频率域航空电磁系统IMPULSE的各方面特点进行深入分析,提出了二维正反演研究的重要性。频率域航空电磁法二维正演问题实际上是,求解三维场源在二维地电断面中引起的电磁响应,也被称为2.5维问题。利用电磁场沿走向以场源中心呈对称分布的特点,可通过沿走向的傅立叶变换将空间域2.5维问题简化为波数域二维问题进行求解。本文首先按照场分离的思路,对一次场和二次场进行分离,通过将背景电导率分布设为全空气介质,使用解析解计算一次场,而二次场则使用有限元法求解。二次场求解过程中,使用伽辽金加权余量法和抛物线等参单元法进行处理。在求解大型线性方程组时,没有对整体刚度矩阵进行集成,而是选择波前法求解,从而避免的对整体刚度矩阵的存储,提高了计算效率。在完成公式推导后,根据得到的算法设计流程图,使用Fortran语言编写了串行代码。精度检验的结果显示,该频率域航空电磁二维正演算法具有相当的可靠性。随后,对8组不同的地下异常体模型和观测装置组合进行正演计算,并对得到的电磁响应结果进行分析。鉴于频率域航空电磁法多维正反演问题的复杂性,并为将来的反演计算打下基础,本文尝试对提出的正演算法进行并行化。Message Passing Interface(MPI)是用于并行编程的一种主要标准和规范,通过对其深入研究和对提出的频率域航空电磁法有限元正演模拟算法的分析,选择了域分解算法设计和SPMD并行编程思路。通过在小型网络机群的测试,正演计算的效率得到了大幅提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要完成的工作
• 1.4 文章结构
• 第2章 频率域航空电磁法概述
• 2.1 航空电磁技术及其发展
• 2.2 吊舱式直升机频率域电磁系统
• 2.2.1 系统装置与性能特点
• 2.2.2 系统工作原理
• 2.2.3 野外工作方式
• 2.2.4 数据质量的监控与处理
• 2.2.5 数据资料的处理与解释软件
• 2.3 小结
• 第3章 频率域航空电磁法二维有限元数值模拟
• 3.1 绪言
• 3.2 边值问题
• 3.2.1 基本微分方程推导
• 3.2.2 边界条件
• 3.3 频率域航空电磁法二维电磁场有限单元法求解
• 3.3.1 有限元公式
• 3.3.2 一次场的计算
• 3.3.3 场源项的处理
• 3.3.4 等参单元
• 3.3.5 方程组求解
• 3.3.6 二次场x 和z 分量的计算
• 3.3.7 傅立叶反变换离散波数的选取
• 3.3.8 生成有限单元网格的原则
• 3.3.9 有限单元算法流程图
• 3.4 小结
• 第4章 计算结果精度检验与典型模型试算
• 4.1 输入和输出文件说明
• 4.1.1 输入文件
• 4.1.2 输出文件
• 4.2 计算精度检验
• 4.3 若干地电模型理论响应计算与特征分析
• 4.3.1 倾斜板状体模型
• 4.3.2 带覆盖层的倾斜板状体模型
• 4.3.3 单个棱柱体模型（一）
• 4.3.4 单个棱柱体模型（二）
• 4.3.5 组合棱柱体模型
• 4.3.6 带覆盖层的单个棱柱体模型（一）
• 4.3.7 带覆盖层的单个棱柱体模型（二）
• 4.3.8 带覆盖层的组合棱柱体模型
• 4.4 小结
• 第5章 基于 MPI 的并行计算
• 5.1 并行计算概述
• 5.1.1 并行计算机
• 5.1.2 并行算法
• 5.1.3 并行计算性能评价
• 5.1.4 并行程序设计
• 5.2 网络并行计算
• 5.2.1 网络机群
• 5.2.2 网络并行计算模型
• 5.2.3 并行算法设计
• 5.2.4 基于消息传递的并行编程
• 5.3 建立小型网络机群
• 5.3.1 硬件环境
• 5.3.2 软件环境
• 5.4 MPI 并行编程
• 5.4.1 MPI 简介
• 5.4.2 最基本的MPI
• 5.4.3 组通信
• 5.4.4 部分重要的功能
• 5.4.5 通信体
• 5.5 基于MPI 的并行编程设计
• 5.5.1 编程示例
• 5.5.2 二维正演并行程序的实现
• 5.7 并行算例与分析
• 5.7.1 并行算例1
• 5.7.2 并行算例2
• 5.8 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 个人简历