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基于Tikhonov正则化的逆向基本解算子步进方法

2021-04-09 来源:步旅网
第32卷第2期 2011年4月 华北水利水电学院学报 VoL 32 No.2 Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power 文章编号:1002—5634(2011)02—0147—05 基于Tikhonov正则化的逆向基本解算子步进方法 刘克英 ,李 鹏 (1.华北水利水电学院,河南郑州450011;2.西安交通大学,陕西西安710061) 摘要:对于具有多层介质的缓变波导中的反边界值问题,根据波导中波在各个传播模式上能量(2范数的平 方)分量选择参数的IFOMM方法给出了一种基于Tikhonov正则化策略.该算法在具有多界面的波导中的反 问题计算中,快速、高效、准确,且具有很强的稳定性,特别适合计算长距离、多界面缓变波导中波的传播. 关键词:反边界值问题;局部正交变换;传播模;DtN重建;步进方法 在具有单层介质的波导环境中,使用 曲线准 则¨ 结合TSVD正则化策略的IFOMM,精确的重建 值.记传播方向的步长 r= 川一 .正问题从未=0 的入射波到未=L方向计算{s,}处波的传播.相反, 反边界值问题从曼=L处的接收波到 =0方向在需 了入射波的传播部分 .但是对于多层介质缓变波 导中反边界值问题的计算,IFOMM在算子步进计算 计算位置计算波的传播. 1.1 使用Tikhonov正则化的IFOMM 过程中不能够完全消除问题的病态 .针对多层 介质的缓变波导,笔者提出了一种新的正则化策略, 能够稳定、准确地将从远场接收到的波重建入射波. 当波导的变化与传播方向弱相依时,整个波导中存 在的反射波将保持在很小的范围内,这时波中的各 个模式的传播能量在传播方向上只在很小的范围内 变化.基于同方向的传播模式在局部区间上传播能 基于文献[3]中CODE 1(对单一模式的迭代的 Tiknonov能量正则化)及CODE 2(对波中含有多模 式的迭代的Tiknonov能量正则化),在区间(曼一, )上,使用 OperatorMarching(Q ,Y,;Q , 一1) (1) 代替算子步进过程,得到步进计算算法: 算法1 (逆向基本解算子步进方法) Step 1 OperatorMarching(Q , ;Q ,y|一1)计 量不改变这一特点,设计出一种迭代的Tikhonov正 则化策略.数值计算表明:在IFOMM中使用这一新 的正则化策略,可以在由多种介质构成的波导中恰 算得到反射算子P,R; 当消除步进计算过程中产生的病态,稳定的重建波 源中的传播部分. Step 2 由上一步得到 =(,+P) 。; Step 3使用多模式能量正则化方法CODE 2 计算eirB(iq/2' V'o = ; Step 4 Vo=(j+R) ; 1 数值计算 Helmhohz方程在一个具有2层弯曲内部界面 的波导中的反边界值的步进计算模型见文献[4]. 令 }是区间[0,L]上的一个划分,即0=s。< Step 5如果[ , 令[互 , 一 ]=[ ]=[ , 。],结束;否则, , 一:],V : ,重复Step 1. 1.2正向基本解算子步进方法(FFOMM)简介 为了和IFOMM比较,这里简要介绍FFOMM方 S <s <…<s =L,是待求解的位置.考查如下加密 的划分 :0= 1< <… ,<主 < …<…<未 = 法 .FFOMM中,算子Q和y满足 =这里{s,} { ,};p<<, ; =0,1,2,…;p,s=0,1, Q( )V,V( ,・)=Y( ;互 ) (互,・).(2) 2,…,m.令Q 和 分别表示算子Q和y在曼 的 收稿日期:2010—10—08 使用FFOMM满足的算子步进算法从 = 到 基金项目:新世纪优秀人才支持计划项目(08—0450);西安交通大学项目(98511). 作者简介:刘克英(1978一),女,河南方城人,讲师,博士,主要从事偏微分方程理论方面的研究 148 华北水利水 电学院学报 2011年4月 =0计算出在求解位置的基本解算子l,(sj; +-). FFOMM算法如下: DO.『=m,0 OperatorMarching(Q川, +l;Q , ) IF霉= (.『=1,2,…p)THEN ’ output END IF END D0 DO j=0,P一1 load ( +。,・)=yI I,( ,。) u(sj+ ,・)=W(sj+ ,。) (童+,,‘) 1.3矩阵逼近 算子形式(I)在计算中需要离散化并且用矩阵 去逼近 ¨.边界和界面条件对于算子的矩阵逼近非 常重要.相应于方程的边界和界面条件,考察改进的 Helmholtz方程…的边界和界面条件. 顶部和底部边界条件分别为 f;:o=0,V f;;D1:0. 第1和第2层间的界面;=I的界面条件变为 (wv)f;-l一=( )f^-l+, 去 2 茅】 一 } = {÷【 c +2 兰 丢 】 一 [1+{hi㈤ ) -+. 第2和第3层间的界面三=D。的界面条件变为 l 。 :WV l; 附, l;一。 = j;一 . 第3和第4层间的界面;=H的界面条件变为 {{【 譬一鬈 ÷ ) 2 】) 一 ) I {{[ ,鬟一譬 2 一 ) [1十I h2㈤ ) ; 这里 d互h ( )[h2( )一D。] dx—h’ ( )[h:( )一D。]’ d : z_[h:( )一D。] Z--D0],D0<;<目,…“’ d [h:( )一D。]h ( )[D—h ( )] dx一[h ( )一D。]^:( )[D—h:( ‘)]’ d [h:( )一D。]h ( )[D—h:( )] dz一 [h:(互)一D。][D—h:( ‘)] ’ H<三<D. P;={h ( ) 一h 。( )hI( )4- h 。( ) h。( ) [D。一h。( )j[D。一h。( )] h。( 。) 。 h”。(互) h。( ) [D。一h。( )] [D。一h。( )]h。( ) ’ D0h l( ) h1(未) 1 [1+h (戈 ) ][D。一h ( 。)]h ( )J {2h。( ) [h’ ( )h 。( )]吉・ 【 】芎【 1T 当h ( )一0或者h ( )一0时,这些式子的极限形 式见文献[5]. 第4和第5层间的界面;=D的界面条件变为 l;_+.D一= I D+, I“。 = I,;I^H。+. 如果0≤三≤4,使用N点来离散,其中, Ⅳ。个点在第1层: = -;_『=1,2,…,Ⅳ,;6I ; Ⅳ:个点在第2层: =1+趣;_『= l+1,J7、rl+2,…, ; =_. ■ N,个点在第3层: 三,=D。+ ,;J=Ⅳ:+l,Ⅳ:+2,…,.『v,;6,=—H -DO; 个点在第4层: =日埔 Ⅳ3+1,Ⅳ3+2,… ; 个点在第5层: =。+藏;.『=Ⅳ4+1,Ⅳ4+2,…, ; = . 第32卷第2期 刘克英,等: 基于Tikhonov正则化的逆向基本解算子步进方法 149 考察特征值问题 [0c( ,三)a +口( ,;)a;+y( ,三)]咖=A咖. 将 ( ,;)在 点记为币 ,a;和a 分别用二阶精 度的一阶差分和二阶差分逼近: +-一2 数值模拟 例 设,c=10,L=10,n=20,N=200,rn=80, ( ):1一 e— (÷一÷)2, :0.2, :20,0≤ ≤ 2 + 一a;6j- 得到: 。 h( ),0≤ ≤10. 在曼=0处入射波u。为 (曼=L处第3个传 播模式),由 =L处的接收波重构曼=0处的入 ①当 一t,Zj, + 在I司一层内时, ( + +。+(7一 ) +( + ) 一 =A ; 3 ②当; 和三 +。是一个界面两侧的2个相邻 点时, ( + )咖 +(7- )币 +( +县) :A , 4 ( + ) +( 一 ) …+ ( + ) 。= … (5) 式中:咖 ,咖 +,分别为咖 ,咖 + 关于内部界面的镜面 对称延拓.例如,考察在界面三=D。处的界面条件离 散.根据其相府的界面条件.有 ~ , -W ̄1 蒜岛 ,(一 6 ) 根据式(6)计算出(b:,(b:+。,然后分别代入式(4)和 式(5)得到 一,,咖 , ,(b + 之间的关系.为简单 起见,在其他界面和边界上(如;:0,三:1,;=H,;= D,;=D。)的离散不再列出. Deo血? 圈1接收波lI(L。 ) 图3—5给出了不同解的实部和虚部的比较,从 图3(a)可以看出,使用新的正则化策略的IFOMM 解u(0,三)的实部很好地吻合了入射波‰的实部, 而虚部从图3(b)看,虽然波形的形状有所不同,但 这一差别是在1O 量级上的,IFOMM解的虚部已经 射波. 取 =0处的精确入射波作为IFOMM解的参考 解.用FFOMM计算出的 ( ,・)取做 =L处的接 收波.在本例的计算中采取根据波导变化规律调整 的变步长方法更为合理,但为简单起见,采取等步长 计算.这些所求解都使用大步长 =1/8(m=80)计 算得到,并且计算结果显示精确解在此步长下已经 可以得到. 在实际计算中,所获取的数据往往受到测量误 差的影响,因而数值方法的稳定性对于获取有物理 意义的解是至关重要.为了对此做出检验,使用如下 的模拟噪音数据 s,=Re(S )(1+ 1)+iIm(s )(1+ 2), J=1,2,…,Ⅳ, 式中: 。和 :为具有零均值和单位方差的正态分布 随机变量; 为噪音数据占用2范数平方衡量测量 波能量的比率.随机变量 。和 :使用Fortran的 IMSL函数库函数DRNNOF()实现. 图1给出接收波U(£,;),图2给出使用£曲线 准则和TSVD的IFOMM方法计算得到的正则解 u(0,三).比较图1和图2,发现重建解的能量相对于 互=L处的接收波扩大了许多倍. 图2 IFOMM结合TSVD的重建解 非常接近精确在 =L的零虚部.噪音水平为 = 20%的重建解从图4(a)和(b)可以看出,实部吻合 很好,虚部的区别同样是在10。量级上的.尽管这 一噪音水平很高,重建解却依然非常稳定.值得注意 的是,这种相对于一般的反问题的异乎寻常的高度 华O 0 O 北水利水电学院学报 O o o 2011年4月 可以看出,重建解在用n:10和n=20去截断线性 的稳定性源于绝大部分的噪音数据能量分解于泄漏 :2 m:g O:g m:2加 ∞ :2 m O∞m 幻 ∞ :2 m=宝O m:2加 O O O 模中,而这些泄漏模在求解方程时被Tikhonov正则 系统时非常接近,从而,可以通过恰当截断计算中的 化过滤掉了,详细解释见文献[2].从图5(a)和(b) 线性系统以提高计算的效率. ・ iIna Hary part ̄exa LJ 八 一 删“ ry pan( Ⅲ) 厂、/^\//  \ \ _vV j  ●L I I _ ● - Depth{ (b)虚部 图3口(0,;)精确解与IFOMM解比较 Depth 2 Depth; r a)实部 f b)虚部 图4 lI(0,i J IFOMM解与带有噪声的IFOMM解比较 图s H(0, )n=10 IFOMM解与n=20的IFOMM解比较 3结语 使用较大步长去精确、稳定地重建分层缓变波导中 的波. 对于多层介质缓变波导中反边界值问题的计 算,使用TSVD正则化策略的IFOMM在算子步进 计算过程中不能够完全地消除问题的病态.而由于 参 考 文 献 波的传播能量是波的信号的一个重要度量,使用基 [1]Hansen P C.Analysis of discrete in-posed problems by 于同方向的传播模式在局部区间上传播能量不改变 means 0f the L—curve[J].SIAM Rev,1992,34:561—580. 的性质的迭代的Tikhonov正则化策略处理IFOMM [2]Li P,Chen Z H,Zhu J X.An operator marching method for 步进过程中出现的病态.该正则化策略根据缓变波 inverse problems in range dependent waveguides[J].Com・ 导中改进的Helmholtz方程的解在波形能量上的缓 put Methods Appl Mech Engrg,2008,197:4077—4091. 变性质,从而根据传播波中的各传播模式确定最优 [3]李鹏,李宝玉.步进方法求解缓变波导中反问题的最新进 的Tikhonov正则化参数.结合这一新的正则化策 展[J].华北水利水电学院学报,2010,31(4):104—143. 略,提出了新的IFOMM方法.数值计算表明,能够 [4]李鹏,蔡洪涛.波在多层介质缓变波导中的传播[J].华 第32卷第2期 刘克英,等: 基于Tikhonov正则化的逆向基本解算子步进方法 15l 北水利水电学院学报,2010,31(5):153—156. [5]Zhu J X,Li P.Local orthogonal transform for a c1a8s of a— coustic waveguide[J1.Progr Nat Sci2007,17:18—28 ,Inverse Fundamental Operator Marching Method Based on Tikhonov Regularization LIU Ke.ying 。LI Peng , (1.Noah China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou 4500 1 1,China; 2.Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710061,China) Abstract:For the inverse boundary value problem in the dispersion・decreasing waveguide with multi—layered mediuma strategy based ,on Tikhonov regularization is put forward according to IFOMM method which waves select parameters from the energy(2 norln’s square)component in every propagation mode in waveguides.The algorithm is rapid.efficient and accurate in the computation of in. verse problems in the multi-interface waveguide and is SO stable that it is especially suitable for calculating the wave propagation in the long・distance,multi—interface dispersion—decreasing waveguide. Key words:inverse boundary value problem;local orthogonal transform;propagating mode;DtN reformulation:marching method (责任编辑:蔡洪涛) (>・。<>・<>・<>・<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●o●o・(>●o・o●o●<>●<>.().<)●<>●0●<>●0.o.0●0●0●<>●<>●<>●0●<>0 o●o●o●0●o●0●o●o●o●o●o● (上接第128页) PHC管桩完全可以做抗拔桩,起到抗拔和抗浮的 作用. 参 考 文 献 [1]中国建筑科学研究院.JGJ 94—2o08建筑桩基技术规范 通过试验研究,对PHC管桩的抗拔作用机理有 了一定的认识,桩身轴力随着荷载作用力的增加而 [s].北京:中国建筑工业出版社,2008. [2]陈凡,徐天平,陈久照,等.基桩质量检测技术[M].北 京:中国建筑工业出版社,2003. 增大.每级荷载作用下,桩身轴力上大下小.从分段 摩阻力图可知,每级荷载作用下,桩侧摩阻力上小下 大,随着荷载作用的增加而增大,增幅因土层而异. [3]中国建筑科学研究院.JGJ 106--2003建筑基桩检测技 术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003. Research on Anti-pulling Test of PHC Pipe Pile YAN Huai・xian,ZHAO Wen—yong (Zhengzhou Ground Foundation Examination Center of Chemical Geology,Zhengzhou 450002,China) Abstract:Based on an anti—pulling test of the prestressed concrete pipe pile in which the reinforcement stressometers were pre.buriedthe load bearing mechanism and the axial force calculation method of PHC pipe pile under the anti—pulling action were analyzed., Some suggestions for design and construction were proposed. Key words:PHC pile;anti—pulling test;reinforcement stressometer;axial force (责任编辑:乔翠平) 

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