Алгоритм реконструкции рассеивающих объектов с использованием метода зеркального обращения времени

Программа предназначена для восстановления положения рассевающих объектов во вмещающих упругих средах. Первый модуль предназначен для моделирования распространения волн в средах с рассеивающими объектами. Второй – для восстановления положения рассеивателей по сейсмограммам.

Область применения – вычислительная геофизика.

Используемый алгоритм. Для решения задачи восстановления рассеивающих объектов используется алгоритм на основе метода зеркального обращения времени (Time Reverse Mirror, TRM). Распространение волн в среде описывается системой уравнений динамической теории упругости в скоростях – напряжениях. Для решения  системы используется конечно-разностный метод на сдвинутых сетках, при этом вычислительная область окружается идеально-согласованным поглощающим граничным слоем (CPML), чтобы избежать нежелательных отражений от границ расчётной области. В каждый момент времени в определённых точках области (приёмниках) фиксируется значение компонент напряжения волнового поля. Результатом моделирования являются синтетические сейсмограммы.

На втором этапе согласно принципу обратимости времени эти сейсмограммы используются в качестве сигнала в точках, где ранее были расположены приёмники. Для этого записанные сейсмограммы нужно подвергнуть специальной обработке. Во-первых, может потребоваться отделить расссеянные волны от прямых, отражённых и преломлённых с помощью зануления соответствующей части сейсмограмм. Во-вторых, требуется обратить сейсмограммы во времени и поместить в качестве функций источника в точки, ранее соответствующие приёмникам (рис.1).

Этап обращения встроен в программу. За этим отличием решается та же самая система уравнений, что и на первом этапе. Однако теперь в каждый момент времени вычисляется значение суммарной полной энергии волнового поля, чтобы не зависеть от времени включения вторичных источников. Выходные данные - суммарное распределение полной энергии волнового поля.

Численные эксперименты показывают устойчивую корреляцию между концентрациями неоднородностей в случайной среде и разрастанием амплитуды энергии (рис. 2).

Распараллеливание выполнено с использованием декомпозиции расчётной области. Область разделяется на части в каждом из направлений в соответствии с заданным количеством вычислительных узлов. Для облегчения передачи данных между узлами применяется технология itable.

Разделение вычислений выполнено средствами библиотеки MPI.

Алгоритм детально описан в публикациях:

[1]  Галактионова А.А., Решетова Г.В. Реконструкция рассеивающих объектов путём зеркального обращения времени // Геофизика. – 2022. – №9. – С. 76-81. 

[2] Reshetova G., Galaktionova A. Reconstruction of subsurface scattering objects by the time reversal mirror // Siberian Electronic Mathematical Reports. – 2022. – 19(2). – P. 517–527.

Функциональные возможности – программа предназначена для работы на многопроцессорных вычислительных системах. Объём используемой оперативной памяти при работе программы зависит от размера рассчитываемой области по пространственным координатам и шага дискретизации в разностной сетке. При выборе достаточного количества вычислительных узлов объём данных неограничен. Рекомендуемое количество узлов расчётной сетки на один вычислительный процесс – 20000-30000.

Инструментальные средства создания – программа написана на языке C с использованием библиотеки MPI.