High frequency wave propagation is well described even at caustics by Gaussian beams and the complex eikonal equation. In contrast to the real eikonal equation, the complex eikonal equation is elliptic and not well posed as an initial value problem. We develop a new model that approximates the 2D complex eikonal equation but is well posed as an initial value problem. This model consists of a coupled system of partial and ordinary differential equations. We prove that there exists a local solution to this new system by a Picard iteration method and show uniqueness under certain constraints. Different numerical approximations are then developed based on direct finite difference approximations or the method of characteristics. Numerical simulations with a variety of velocity profiles are presented and compared with solutions to the corresponding Helmholtz equation. / text

by Yuen Wai Ching. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1998. / Includes bibliographical references (leaves 54-55). / Abstract also in Chinese. / Chapter 1 --- Introduction --- p.5 / Chapter 2 --- Group Analysis --- p.9 / Chapter 2.1 --- Groups and Differential Equations --- p.9 / Chapter 2.2 --- Prolongation --- p.11 / Chapter 2.3 --- The Prolongation Formula --- p.14 / Chapter 3 --- Symmetry Group For the Eikonal Equation --- p.17 / Chapter 4 --- An Optimal System For the Eikonal Equation --- p.25 / Chapter 5 --- Group Invariant Solutions --- p.33 / Chapter 5.1 --- Straight Lines --- p.33 / Chapter 5.2 --- Stationary Solutions --- p.33 / Chapter 5.3 --- Traveling Waves --- p.34 / Chapter 5.4 --- Circles --- p.37 / Chapter 5.5 --- Spirals --- p.38 / Chapter 6 --- Appendix --- p.50 / A Group Analysis for some Geometric Evolution Equations --- p.4 / Bibliography

Thesis (M.S.)--Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: ray chaos, eikonal equations, turbulence. Includes bibliographical references. (p.98-102).

The computation of traveltimes plays a critical role in the conventional implementations of Kirchhoff migration. Finite-difference-based methods are considered one of the most effective approaches for traveltime calculations and are therefore widely used. However, these eikonal solvers are mainly used to obtain early-arrival traveltime. Ray tracing can be used to pick later traveltime branches, besides the early arrivals, which may lead to an improvement in velocity estimation or in seismic imaging. In this thesis, I improved the accuracy of the solution of the linearized eikonal equation by constructing a linear system of equations (LSE) based on finite-difference approximation, which is of second-order accuracy. The ill-conditioned LSE is initially regularized and subsequently solved to calculate the traveltime update. Numerical tests proved that this method is as accurate as the second-order eikonal solver. Later arrivals are picked using ray tracing. These traveltimes are binned to the nearest node on a regular grid and empty nodes are estimated by interpolating the known values. The resulting traveltime field is used as an input to the linearized eikonal algorithm, which improves the accuracy of the interpolated nodes and yields a local ray-based traveltime. This is a preliminary study and further investigation is required to test the efficiency and the convergence of the solutions.

Wavefield extrapolation in orthorhombic anisotropic media incorporates complicated but realistic models, to reproduce wave propagation phenomena in the Earth's subsurface. Compared with the representations used for simpler symmetries, such as transversely isotropic or isotropic, orthorhombic models require an extended and more elaborated formulation that also involves more expensive computational processes. The acoustic assumption yields more efficient description of the orthorhombic wave equation that also provides a simplified representation for the orthorhombic dispersion relation. However, such representation is hampered by the sixth-order nature of the acoustic wave equation, as it also encompasses the contribution of shear waves. To reduce the computational cost of wavefield extrapolation in such media, I generate effective isotropic inhomogeneous models that are capable of reproducing the first-arrival kinematic aspects of the orthorhombic wavefield. First, in order to compute traveltimes in vertical orthorhombic media, I develop a stable, efficient and accurate algorithm based on the fast marching method. The derived orthorhombic acoustic dispersion relation, unlike the isotropic or transversely isotropic one, is represented by a sixth order polynomial equation that includes the fastest solution corresponding to outgoing P-waves in acoustic media. The effective velocity models are then computed by evaluating the traveltime gradients of the orthorhombic traveltime solution, which is done by explicitly solving the isotropic eikonal equation for the corresponding inhomogeneous isotropic velocity field. The inverted effective velocity fields are source dependent and produce equivalent first-arrival kinematic descriptions of wave propagation in orthorhombic media. I extrapolate wavefields in these isotropic effective velocity models using the more efficient isotropic operator, and the results compare well, especially kinematically, with those obtained from the more expensive anisotropic extrapolator.

Traveltimes are conventionally evaluated by solving the zero-order approximation of the Wentzel, Kramers and Brillouin (WKB) expansion of the wave equation. This high frequency approximation is good enough for most imaging applications and provides us with a traveltime equation called the eikonal equation. The eikonal equation is a non-linear partial differential equation which can be solved by any of the familiar numerical methods. Among the most popular of these methods is the method of characteristics which yields the ray tracing equations and the finite difference approaches. In the first part of the Master Thesis, we use the ray tracing method to solve the eikonal equation to get P-waves traveltimes for orthorhombic models with arbitrary orientation of symmetry planes. We start with a ray tracing procedure specified in curvilinear coordinate system valid for anisotropy of arbitrary symmetry. The coordinate system is constructed so that the coordinate lines are perpendicular to the symmetry planes of an orthorohombic medium. Advantages of this approach are the conservation of orthorhombic symmetry throughout the model and reduction of the number of parameters specifying the model. We combine this procedure with first-order ray tracing and dynamic ray tracing equations for P waves propagating in smooth, inhomogeneous, weakly anisotropic media. The first-order ray tracing and dynamic ray tracing equations are derived from the exact ones by replacing the exact P-wave eigenvalue of the Christoffel matrix by its first-order approximation. In the second part of the Master Thesis, we compute traveltimes using the fast marching method and we develop an approach to estimate the anisotropy parameters. The idea is to relate them analytically to traveltimes which is challenging in inhomogeneous media. Using perturbation theory, we develop traveltime approximations for transversely isotropic media with horizontal symmetry axis (HTI) as explicit functions of the anellipticity parameter and the symmetry axis azimuth in inhomogeneous background media. Specifically, our expansion assumes an inhomogeneous elliptically anisotropic background medium, which may be obtained from well information and stacking velocity analysis in HTI media. This formulation has advantages on two fronts: on one hand, it alleviates the computational complexity associated with solving the HTI eikonal equation, and on the other hand, it provides a mechanism to scan for the best fitting parameters without the need for repetitive modeling of traveltimes, because the traveltime coefficients of the expansion are independent of the perturbed parameters.

A predictive methodology for received signal variation as a function of ocean perturbations is developed using a ray-based analysis of the effects of internal waves and ocean turbulence on long and short range underwater acoustic propagation. In the present formulation the eikonal equations are considered in the form of a second-order, nonlinear ordinary differential equation with harmonic excitation due to an internal wave. The harmonic excitation is taken imperfect, i.e., with a random phase modulation due to Gaussian white noise, accounting for both chaotic and stochastic behavior. Simulated turbulence is represented using the potential theory line vortex approach. Simulations are conducted for long range propagation, 1000km, containing internal wave fields with added deterministic effects and are compared to those fields with non-deterministic properties. These results show that long range acoustic propagation has a very strong dependence on the intensity of deterministic fluctuations. Numerical analysis for short range propagation, 10km, was constructed for sound passage through the following perturbation scenarios: simulated turbulence, an internal wave field, and a field of internal waves and simulated turbulence combined. Investigation over varied initial conditions and perturbation strengths suggests internal wave environments supply the majority of spatial variation and turbulent eddy fields are primarily responsible for delay fluctuation. Spectra of the variations in mean travel velocity reveal internal wave dominance to be dependent on the intensity of the wave.

Le but principal de ma thèse de doctorat est d’étudier la dissociation de noyaux exotiques. Ces noyaux sont peu liés et présentent une structure en halo dominante. Ceci conduit à des propriétés très particulières, telles que des rayons beaucoup plus grands que ceux des noyaux voisins. Les noyaux 6He et 11Li sont des exemples typiques, et sont décrits par des structures alpha+n+n et 9Li+n+n, respectivement. La principale technique expérimentale pour étudier ces noyaux consiste à développer des faisceaux d’ions radioactifs, et à mesurer la section efficace de dissociation sur des cibles lourdes. Les données expérimentales nécessitent donc le développement de modèles théoriques précis pour leur interprétation.<p><p>Mon travail a consisté en le développement de la méthode eikonale pour décrire les processus de diffusion élastique et de dissociation. Cette méthode nécessite les fonctions d’onde du projectile qui, dans le cas présent, est décrit par une structure à trois corps. Cette situation rend les calculs particulièrement difficiles, en particulier pour la réaction de dissociation où les fonctions d’onde du continu à trois corps sont nécessaires. Les fonctions d’onde à trois corps sont décrites dans le cadre des coordonnées hypersphériques, à la fois pour les états liés et pour les états de diffusion.<p><p>J'ai d'abord calculé les sections efficaces de dissociation de 6He en utilisant des fonctions d'onde & / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La construction du macro-modèle de vitesse est une étape cruciale de la chaîne d’imagerie sismique afin de produire un modèle adéquat pour la migration ou l'inversion de la formes d’onde complètes (Full Waveform Inversion). Parmi les approches possibles pour construire ce macro-modèle, la tomographie des pentes est fondée sur le pointé d’évènements localement cohérents caractérisés par leur temps de trajet et leurs pentes dans les collections de sismogrammes à source et réflecteur communs. Chaque évènement dans les observables est associé à un petit segment de réflecteur dans le sous-sol caractérisé par sa position et son pendage. Cette thèse propose une reformulation de la tomographie des pentes pour palier aux deux limitations sus-mentionnées. Les temps de trajet sont calculés à l’aide d’un solveur eikonal et la méthode de l’état adjoint est utilisée pour calculer efficacement le gradient de la fonction coût dans le contexte de méthodes d’optimisation locale. Le solveur eikonal est fondé sur une méthode aux différences finies pour la discrétisation des opérateurs différentiels. La méthode est implémentée pour des milieux 2D transverses isotropes avec un axe de symétrie dont l’orientation varie spatialement (milieux TTI). La méthode est évaluée avec différents examples synthétiques comme les cas du modèle isotrope complexe Marmousi et du modèle 2D TTI BP-salt. Dans le cas de milieux TTI, les couplages pouvant exister entre les paramètres de différente nature sont analysés avec un cas synthétique canonique. Cette thèse se conclut par une application à des données de sismique réflexion multitrace large bande (fournie par CGG) afin de reconstruire le modèle de vitesse vertical. / Velocity macro-model building is a crucial step in seismic imaging workflows as it provides the necessary background model for migration or full waveform inversion. Slope tomography, as a reliable alternative for conventional tomography, provides a tool to achieve this purpose where one picks the local coherent events rather than continuous events. These approaches are based on the slopes and traveltimes of the local coherent events which are tied to a reflecting/diffracting point (scatterer) in the subsurface. In this thesis, I introduce an anisotropic slope tomographic approach which aim at macro-model building for subsurface properties in 2D tilted transversely isotropic (TTI) media. In this method, I reformulate the stereotomography, as an slope tomographic tool, such that I replace the ray-based forward engine with a TTI eikonal solver and take advantage of the adjoint state method to calculate the gradients. In result, I can efficiently calculate the traveltimes for complex media and long offset acquisition on a regular grid of the subsurface and formulate a matrix-free framework for the inversion. Different synthetic examples including the isotropic Marmousi and 2D TTI BP-salt model are considered to assess the potential of the method in subsurface parameter estimations. Also, through a simple example, the footprint of parameter cross-talk is investigated for the Thomsen parametrization. As a real data application, the proposed method is applied on a 2D marine BroadSeis data set (provided by CGG) to retrieve the vertical velocity of the subsurface.

Depuis leur découverte au milieu des années quatre-vingt, les noyaux à halo n'ont cessé d'intriguer et de fasciner. Cette découverte a été rendue possible par le développement de faisceaux d'ions radioactifs au cours des années septante. Cette performance a ouvert le champ de l'exploration des propriétés des noyaux atomiques aux frontières de la stabilité. Les noyaux à halo présentent une taille beaucoup plus grande que prévue par l'hypothèse communément adoptée du noyau sphérique et seraient constitués d'un coeur, qui a les propriétés d'un noyau normal, auquel un ou deux neutrons qui forment le halo seraient faiblement liés. Cette propriété bouleverse complètement l'image traditionnelle du noyau atomique, celle d'un mélange quasiment homogène de protons et de neutrons. Les noyaux à halo ont tendance à facilement se dissocier lorsqu'ils entrent en collision avec un noyau cible. Leurs réactions de dissociation constituent donc un formidable outil expérimental pour étudier leurs propriétés. Cependant l'analyse de telles réactions nécessite une description précise du processus de collision. A cette fin, nous avons développé un nouveau modèle de réaction: l'approximation eikonale dynamique. Il s'agit d'une méthode purement quantique qui combine les avantages des approximations eikonale traditionnelle et semi-classique. Elle prend en compte aussi bien les effets dynamiques du mouvement interne du projectile que les interférences quantiques entre les trajectoires. Elle conduit à la résolution d'une équation de Schrödinger approchée similaire à celle de l'approximation semi-classique avec trajectoires rectilignes. Nous appliquons l'approximation eikonale dynamique à l'étude de réactions impliquant trois noyaux à halo différents : le $^{11}$Be, le $^{19}$C et le $^{8}$B. Pour les trois systèmes étudiés, nous confrontons nos résultats théoriques avec les données expérimentales disponibles. Nous constatons un très bon accord tant sur l'allure que sur l'ordre de grandeur des différentes sections efficaces. Ceci est valable aussi bien pour les collisions sur cible lourde que sur cible légère. Les motifs d'interférence présents dans les distributions angulaires sont également bien reproduits par notre modèle, y compris pour la diffusion élastique. Nous analysons la section efficace de dissociation expérimentale du $^{19}$C dans le but de déterminer la présence d'une résonance dans le spectre continu de ce noyau. Nous constatons que plusieurs options restent plausibles et que d'autres mesures sont nécessaires (sur cible légère, par exemple) pour confirmer nos hypothèses. La dissociation coulombienne du $^{8}$B fait l'objet de nombreuses études expérimentales dans le but d'obtenir des informations sur la réaction inverse qu'est la capture radiative $^{7}$Be(p,$gamma$)$^{8}$B. En analysant cinq expériences pour lesquelles différentes observables ont été mesurées, nous examinons la validité des hypothèses qui permettent de faire un lien direct entre dissociation et capture radiative. Nous observons que l'extraction d'informations sur la capture radiative à partir de données de dissociation semble plus compliqué qu'initiallement prévu. Cependant les différentes mesures permettent de valider un modèle de structure du $^{8}$B qui peut servir au calcul de la section efficace de capture radiative. L'approximation eikonale dynamique constitue donc un outil performant qui permet d'analyser toutes les observables liées à la dissociation élastique d'un noyau à halo sur une cible lourde ou légère à des énergies incidentes de quelques dizaines de MeV par nucléon.