3D raytracing through homogeneous anisotropic media with smooth interfaces

O raio conectando dois pontos em um meio anisotrópico, homogêneo por partes e com variação lateral, é calculado utilizando-se técnicas de continuação em 3D. Se combinado com algoritmos para solução do problema de valor inicial, o método pode ser estendido para o cálculo de eventos qS₁ e qS₂. O algoritmo apresenta a mesma eficiência e robustez que implementações de técnicas de continuação em meios isotrópicos. Rotinas baseadas neste algoritmo têm várias aplicações de interesse. Primeiramente, na modelagem e inversão de parâmetros elásticos na presença de anisotropia. Em segundo lugar, as iterações de Newton-Raphson produzem atributos da frente de onda como vetor vagarosidade e a matrix hessiana do tempo de trânsito, quantidades que permitem determinar o espalhamento geométrico e aproximações de segunda ordem para o tempo de trânsito. Estes atributos permitem calcular as amplitudes ao longo do raio e investigar os efeitos da anisotropia no empilhamento CRS em modelos de velocidade simples.

Numerical Simulation Of Ultrasonic Wave Propagation In Elastically Anisotropic Media

The ultrasonic non-destructive testing of components may encounter considerable difficulties to interpret some inspections results mainly in anisotropic crystalline structures. A numerical method for the simulation of elastic wave propagation in homogeneous elastically anisotropic media, based on the general finite element approach, is used to help this interpretation. The successful modeling of elastic field associated with NDE is based on the generation of a realistic pulsed ultrasonic wave, which is launched from a piezoelectric transducer into the material under inspection. The values of elastic constants are great interest information that provide the application of equations analytical models, until small and medium complexity problems through programs of numerical analysis as finite elements and/or boundary elements. The aim of this work is the comparison between the results of numerical solution of an ultrasonic wave, which is obtained from transient excitation pulse that can be specified by either force or displacement variation across the aperture of the transducer, and the results obtained from a experiment that was realized in an aluminum block in the IEN Ultrasonic Laboratory. The wave propagation can be simulated using all the characteristics of the material used in the experiment evaluation associated to boundary conditions and from these results, the comparison can be made.

Modelagem sísmica e inversão na presença de anisotropia

A necessidade da adoção de modelos elásticos anisotrópicos, no contexto da sísmica de exploração, vem crescendo com o advento de novas técnicas de aquisição de dados como VSP, walkway VSP, tomografia poço a poço e levantamentos sísmicos com grande afastamento. Meios anisotrópicos, no contexto da sísmica de exploração, são modelos efetivos para explicar a propagação de ondas através de meios que apresentam padrões de heterogeneidade em escala muito menor que o comprimento de onda das ondas sísmicas. Particularmente, estes modelos são muito úteis para explicar o dado sísmico mais robusto que são as medidas de tempo de trânsito. Neste trabalho, são investigados aspectos da propagação de ondas, traçado de raios e inversão de tempos de trânsito em meios anisotrópicos. É estudada a propagação de ondas SH em meios anisotrópicos estratificados na situação mais geral onde estas ondas podem ocorrer, ou seja, em meios monoclínicos com um plano vertical de simetria especular. É mostrado que o campo de ondas SH refletido a partir de um semi-espaço estratificado, não apresenta qualquer informação sobre a possível presença de anisotropia em subsuperfície. São apresentados métodos simples e eficientes para o traçado de raios em 3D através de meios anisotrópicos estratificados, baseados no princípio de Fermat. Estes métodos constituem o primeiro passo para o desenvolvimento de algoritmos de inversão de tempos de trânsito para meios anisotrópicos em 3D, a partir de dados de VSP e walkaway VSP. Esta abordagem é promissora para determinação de modelos de velocidade, que são necessários para migração de dados sísmicos 3D na presença de anisotropia. É efetuada a análise da inversão tomográfica não linear, para meios estratificados transversalmente isotrópicos com um eixo de simetria vertical(TIV). As limitações dos dados de tempo de trânsito de eventos qP para determinação das constantes elásticas, são estabelecidas e caracterizados os efeitos da falta de cobertura angular completa na inversão tomográfica. Um algoritmo de inversão foi desenvolvido e avaliado em dados sintéticos. A aplicação do algoritmo a dados reais demonstra a consistência de meios TIV. Esta abordagem é útil para casos onde há informação a priori sobre a estratificação quase plana das formações e onde os próprios dados do levantamento poço a poço apresentam um alto grau de simetria especular em relação a um plano vertical. Também pode ser útil em interpretações preliminares, onde a estimativa de um meio estratificado, serve como modelo de fundo para se efetuar análises mais detalhadas, por exemplo, como um modelo de velocidades anisotrópico para migração, ou como um modelo de calibração para análises de AVO.

Modal analysis of anisotropic diffused-channel waveguide by a scalar finite element method

A procedure to model optical diffused-channel waveguides is presented in this work. The dielectric waveguides present anisotropic refractive indexes which are calculated from the proton concentration. The proton concentration inside the channel is calculated by the anisotropic 2D-linear diffusion equation and converted to the refractive indexes using mathematical relations obtained from experimental data, the arbitrary refractive index profile is modeled by a. nodal expansion in the base functions. The TE and TM-like propagation properties (effective index) and the electromagnetic fields for well-annealed proton-exchanged (APE) LiNbO3 waveguides are computed by the finite element method.

Finite element analysis of anisotropic optical waveguide with arbitrary index profile

This work presents the application of a scalar finite element formulation for Ex (TE-like) modes in anisotropic planar and channel waveguides with diagonal permittivity tensor, diffused in both transversal directions. This extended formulation considers explicitly both the variations of the refractive index and their spatial derivates inside of each finite element. Dispersion curves for Ex modes in planar and channel waveguides are shown, and the results compared with solutions obtained by other formulations.

An anisotropic linear elastic boundary element formulation for masonry wall analysis

This work presents an application of a Boundary Element Method (BEM) formulation for anisotropic body analysis using isotropic fundamental solution. The anisotropy is considered by expressing a residual elastic tensor as the difference of the anisotropic and isotropic elastic tensors. Internal variables and cell discretization of the domain are considered. Masonry is a composite material consisting of bricks (masonry units), mortar and the bond between them and it is necessary to take account of anisotropy in this type of structure. The paper presents the formulation, the elastic tensor of the anisotropic medium properties and the algebraic procedure. Two examples are shown to validate the formulation and good agreement was obtained when comparing analytical and numerical results. Two further examples in which masonry walls were simulated, are used to demonstrate that the presented formulation shows close agreement between BE numerical results and different Finite Element (FE) models. © 2012 Elsevier Ltd.

Efficient Computation of Electromagnetic Waves in Hydrocarbon Exploration Using the Improved Numerical Mode Matching (NMM) Method

In this study, we developed and improved the numerical mode matching (NMM) method which has previously been shown to be a fast and robust semi-analytical solver to investigate the propagation of electromagnetic (EM) waves in an isotropic layered medium. The applicable models, such as cylindrical waveguide, optical fiber, and borehole with earth geological formation, are generally modeled as an axisymmetric structure which is an orthogonal-plano-cylindrically layered (OPCL) medium consisting of materials stratified planarly and layered concentrically in the orthogonal directions.

In this report, several important improvements have been made to extend applications of this efficient solver to the anisotropic OCPL medium. The formulas for anisotropic media with three different diagonal elements in the cylindrical coordinate system are deduced to expand its application to more general materials. The perfectly matched layer (PML) is incorporated along the radial direction as an absorbing boundary condition (ABC) to make the NMM method more accurate and efficient for wave diffusion problems in unbounded media and applicable to scattering problems with lossless media. We manipulate the weak form of Maxwell's equations and impose the correct boundary conditions at the cylindrical axis to solve the singularity problem which is ignored by all previous researchers. The spectral element method (SEM) is introduced to more efficiently compute the eigenmodes of higher accuracy with less unknowns, achieving a faster mode matching procedure between different horizontal layers. We also prove the relationship of the field between opposite mode indices for different types of excitations, which can reduce the computational time by half. The formulas for computing EM fields excited by an electric or magnetic dipole located at any position with an arbitrary orientation are deduced. And the excitation are generalized to line and surface current sources which can extend the application of NMM to the simulations of controlled source electromagnetic techniques. Numerical simulations have demonstrated the efficiency and accuracy of this method.

Finally, the improved numerical mode matching (NMM) method is introduced to efficiently compute the electromagnetic response of the induction tool from orthogonal transverse hydraulic fractures in open or cased boreholes in hydrocarbon exploration. The hydraulic fracture is modeled as a slim circular disk which is symmetric with respect to the borehole axis and filled with electrically conductive or magnetic proppant. The NMM solver is first validated by comparing the normalized secondary field with experimental measurements and a commercial software. Then we analyze quantitatively the induction response sensitivity of the fracture with different parameters, such as length, conductivity and permeability of the filled proppant, to evaluate the effectiveness of the induction logging tool for fracture detection and mapping. Casings with different thicknesses, conductivities and permeabilities are modeled together with the fractures in boreholes to investigate their effects for fracture detection. It reveals that the normalized secondary field will not be weakened at low frequencies, ensuring the induction tool is still applicable for fracture detection, though the attenuation of electromagnetic field through the casing is significant. A hybrid approach combining the NMM method and BCGS-FFT solver based integral equation has been proposed to efficiently simulate the open or cased borehole with tilted fractures which is a non-axisymmetric model.

ATRIBUIÇÃO DA ESTEREOQUÍMICA DA α-SANTONINA ATRAVÉS DAS MEDIDAS DO ACOPLAMENTO DIPOLAR RESIDUAL

The measurement of nuclear magnetic resonance parameters in an anisotropic media, such as residual dipolar coupling (RDC), has proven to be an excellent methodology for the refinement of chemical structures, being used as a complementary tool in the determination of the relative configuration, conformation, and constitution of organic compounds. In this study, we applied this methodology to determine the relative configuration of α-santonin, a natural product with four stereocenters, while assigning its prochiral methylene protons using only the RDCs obtained in a polyacrylonitrile polymer gel swollen in DMSO-d6.

MATHEMATICA notebook for computing tetrahedral finite element shape functions and matrices for the Helmholtz equation

A MATHEMATICA notebook to compute the elements of the matrices which arise in the solution of the Helmholtz equation by the finite element method (nodal approximation) for tetrahedral elements of any approximation order is presented. The results of the notebook enable a fast computational implementation of finite element codes for high order simplex 3D elements reducing the overheads due to implementation and test of the complex mathematical expressions obtained from the analytical integrations. These matrices can be used in a large number of applications related to physical phenomena described by the Poisson, Laplace and Schrodinger equations with anisotropic physical properties.

Thermal tunability of photonic bandgaps in photonic crystal fibers selectively filled with nematic liquid crystal

We address the bandgap effect and the thermo-optical response of high-index liquid crystal (LC) infiltrated in photonic crystal fibers (PCF) and in hybrid photonic crystal fibers (HPCF). The PCF and HPCF consist of solid-core microstructured optical fibers with hexagonal lattice of air-holes or holes filled with LC. The HPCF is built from the PCF design by changing its cladding microstructure only in a horizontal central line by including large holes filled with high-index material. The HPCF supports propagating optical modes by two physical effects: the modified total internal reflection (mTIR) and the photonic bandgap (PBG). Nevertheless conventional PCF propagates light by the mTIR effect if holes are filled with low refractive index material or by the bandgap effect if the microstructure of holes is filled with high refractive-index material. The presence of a line of holes with high-index LC determines that low-loss optical propagation only occurs on the bandgap condition. The considered nematic liquid crystal E7 is an anisotropic uniaxial media with large thermo-optic coefficient; consequently temperature changes cause remarkable shifts in the transmission spectrums allowing thermal tunability of the bandgaps. Photonic bandgap guidance and thermally induced changes in the transmission spectrum were numerically investigated by using a computational program based on the beam propagation method. © 2010 SPIE.

Amplitudes e padrões de polarização de pulsos em meios anisotrópicos

Extrair informações litológicas da subsuperfície através de dados sísmicos constitui-se num grande desafio à prospecção sísmica, pois a hipótese de estratificações formadas por camadas isotrópicas se mostra insuficiente para representar o comportamento do campo elástico em levantamentos com grandes afastamentos entre fonte e receptor, geofones multicomponentes, medidas de VSP tridimensional, entre outros. Sob este panorama, a prospecção sísmica passa a considerar modelos anisotrópicos de subsuperfície para, por exemplo, caracterizar reservatórios. O objetivo deste texto é apresentar um formalismo para modelar o espalhamento de pulsos a partir de ondas planas incidentes em interfaces planas horizontais que separam meios anisotrópicos. Este espalhamento é obtido primeiramente, através da formulação explícita dos campos de deformação e tração como função das matrizes propagadoras, de polarização e de impedância do meio. Em seguidaeste formalismo é usado para a obtenção das matrizes dos coeficientes de reflexão e transmissão através de uma interface plana horizontal para posteriormente, ser generalizado para o espalhamento através de múltiplas camadas. Finalmente, inserem-se ao campo da onda incidente as amplitudes de um pulso analítico para calcular o espalhamento do pulso através de estratificações.

Linearização dos coeficientes de reflexão de ondas qP em meios anisotrópicos

Os coeficientes de reflexão de onda qP em uma interface plana que separa dois meios anisotrópicos dependem dos parâmetros elásticos dos meios envolvidos de maneira não linear. Aproximações lineares para a refletividade de ondas qP pressupondo fraco contraste de impedância e fraca anisotropia levam a uma forma simples para se fazer à análise de AVO/AVD. Neste trabalho a solução das equações de Zoeppritz é rescrita explicitamente em função de matrizes de impedância e polarização. Além disso, utilizando-se esta abordagem, é apresentada uma metodologia geral mais simples para se obter as formas linearizadas. Estas formas linearizadas para os coeficientes de reflexão da onda qP e das ondas convertidas para uma onda qP incidente apresentam resultados muito próximos da formulação exata para ângulos de incidência menores que 30° considerando-se um contraste de impedância moderado e anisotropia em limites geologicamente aceitáveis.

Espalhamento elástico em meios anisotrópicos estratificados

A análise de AVO constitui-se, atualmente, numa importante ferramenta para a extração de informações litológicas a partir de dados sísmicos, através do uso dos contrastes de impedância acústica nas interfaces que separam diferentes litologias. A hipótese usual de isotropia deixa de valer, em muitos casos, após o advento de arranjos de grande afastamento e geofones com multi-superfície. Para a interpretação destes dados, a análise de AVO deve incluir anisotropia. Este trabalho apresenta uma teoria de AVO e resultados numéricos para um meio anisotrópico estratificado. Esta tese contém três contribuições. Inicialmente, é apresentada uma nova abordagem para o estudo da reflexão-transmissão através de interface plana que separam dois meios anisotrópicos com pelo menos um plano horizontal de simetria especular. As equações de Zoeppritz são generalizadas para incluir anisotropia, através da introdução das chamadas matrizes de impedância, o que simplifica bastante o formalismo anterior. Posteriormente, é descrito o estudo da reflexão de ondas P através de interface entre um meio isotrópico e outro transversalmente isotrópico (TI). É mostrado que a reflexão de ondas P, neste tipo de experimento, não fornece informações sobre a presença de anisotropia do semi-espaço TI, pelo menos em incidência pré-crítica. Finalmente, é discutido o comportamento da reflexão e transmissão de pulsos, em incidência pós-crítica, através de meios anisotrópicos estratificados. Observa-se que o comportamento pós-crítico dos pulsos espalhados carregam valiosa informações sobre a anisotropia dos meios atravessados por eles.

Estimativa de parâmetros elásticos em meios anisotrópicos

As medidas de amplitude, polarização e vagarosidade contem informações sobre o meio onde a propagação de onda ocorre. Esta tese investiga esses dados com objetivo de estimar as propriedades elásticas deste meio. Coeficientes de reflexão podem ser estimados das amplitudes dos dados e dependem de forma não linear dos contrastes dos parâmetros elásticos e do contraste de densidade entre os meios separados por uma interface. Quando o contraste de impedância é fraco, as aproximações lineares para a refletividade qP são mais convenientes para inversão da densidade e dos parâmetros elásticos usando as análises de amplitude versus ângulo de incidência (AVO) e amplitude versus a direção do plano de incidência (AVD). Escrevendo as equações de Zoepprittz de forma separada nos permite escrever uma solução destas equações em termos das matrizes de impedância e polarização. Usando esta solução são determinadas aproximações lineares para a refletividade da onda qP considerando fraco contraste de impedância, fraca anisotropia mas com classe de simetria de arbitrária. As linearizações são avaliadas para diferentes geometrias de aquisição e várias escolhas do meio de referência. Estas aproximações apresentam bom desempenho comparado com o valor exato do coeficiente de reflexão da onda qP e de suas ondas convertidas para incidências de até 30° e meios que obedecem à hipótese de fraca anisotropia. Um conjunto de fraturas orientado é representado efetivamente por um meio transversalmente isotrópico (TI), as aproximações lineares da refletividade da onda qP podem ser usadas para estimar a orientação de fratura. Partindo deste pressuposto este problema consiste em estimar a orientação do eixo de simetria a partir de dados de refletividade de onda qP. Este trabalho mostra que são necessários múltiplos azimutes e múltiplas incidências para se obter uma estimativa estável. Também é mostrado que apenas os coeficientes das ondas qS e qT são sensíveis ao mergulho da fratura. Foi investigada a estimativa da anisotropia local através de dados de VSP multiazimutal dos vetores de polarização e vagarosidade. Foram usadas medidas da componente vertical do vetor de vagarosidade e o vetor de polarização de ondas qP diretas e refletidas. O esquema de inversão é validado através de exemplos sintéticos considerando diferentes escolhas do vetor normal à frente de onda no meio de referência, meios de referências e geometria de aquisição. Esta análise mostra que somente um subgrupo dos parâmetros elástico pode ser estimado. Uma importante aplicação desta metodologia é o seu potencial para a determinação de classes de anisotropia. A aplicação desta metodologia aos dados do mar de Java mostra que os modelos isotrópicos e TIV são inadequados para o ajuste desses dados.

Rotational diffusion membrane and fluorescence anisotropy.

Structural properties of model membranes, such as lipid vesicles, may be investigated through the addition of fluorescent probes. After incorporation, the fluorescent molecules are excited with linearly polarized light and the fluorescence emission is depolarized due to translational as well as rotational diffusion during the lifetime of the excited state. The monitoring of emitted light is undertaken through the technique of time-resolved fluorescence: the intensity of the emitted light informs on fluorescence decay times, and the decay of the components of the emitted light yield rotational correlation times which inform on the fluidity of the medium. The fluorescent molecule DPH, of uniaxial symmetry, is rather hydrophobic and has collinear transition and emission moments. It has been used frequently as a probe for the monitoring of the fluidity of the lipid bilayer along the phase transition of the chains. The interpretation of experimental data requires models for localization of fluorescent molecules as well as for possible restrictions on their movement. In this study, we develop calculations for two models for uniaxial diffusion of fluorescent molecules, such as DPH, suggested in several articles in the literature. A zeroth order test model consists of a free randomly rotating dipole in a homogeneous solution, and serves as the basis for the study of the diffusion of models in anisotropic media. In the second model, we consider random rotations of emitting dipoles distributed within cones with their axes perpendicular to the vesicle spherical geometry. In the third model, the dipole rotates in the plane of the of bilayer spherical geometry, within a movement that might occur between the monolayers forming the bilayer. For each of the models analysed, two methods are used by us in order to analyse the rotational diffusion: (I) solution of the corresponding rotational diffusion equation for a single molecule, taking into account the boundary conditions imposed by the models, for the probability of the fluorescent molecule to be found with a given configuration at time t. Considering the distribution of molecules in the geometry proposed, we obtain the analytical expression for the fluorescence anisotropy, except for the cone geometry, for which the solution is obtained numerically; (II) numerical simulations of a restricted rotational random walk in the two geometries corresponding to the two models. The latter method may be very useful in the cases of low-symmetry geometries or of composed geometries.