正则化预处理迭代算法在频率域声波模拟中的应用

高精度及高效频率域声波数值模拟的关键在于高效求解声波方程经离散化后得到的大型稀疏线性方程组.该方程组系数矩阵具有很强的稀疏性,非对称性和非正定性等特征,常用的迭代算法难以准确、高效地求解.为了改善数值模拟迭代算法的收敛性与稳定性,在算法基础上添加预条件算子是求解该类方程的常用方案.本文基于以上思路,引入正则化技术来构造合适的预条件算子,提出正则化预条件迭代算法,以加速求解方程组.通过包含有均匀介质和高非均匀度介质(Marmousi)模型的数值模拟实验结果表明:与单独使用迭代算法相比,本文提出的正则化预条件迭代算法在计算量方面仅多了一次矩阵-矢量相乘,内存消耗未增加;同时,基于该算法的数值模拟结果能够满足精度要求,较单独使用迭代法能够有效改善收敛性质,加快收敛速度;而且,在二维模型算例下,与LU分解算法相比,基于该算法的内存消耗大幅下降.     

基于多网格的频率域全波形反演(英文)

频率域全波形反演虽然克服了时间方向上的局部极小值问题,但是地下介质的复杂性使其在空间域仍然存在局部极小值缺陷。在优化梯度法基础上,本文采用预条件双共轭梯度稳定算法和多重网格方法计算反演中的波场传播和目标函数的梯度,在保证计算速度的同时,减小计算机内存的消耗。频率域波形反演和多重网格的多尺度性质有效改善问题极小值缺陷,加快反演的收敛速度。以局部非均匀的三孔模型和Marmousi模型的数值模拟结果验证了该算法的有效性。     

广义散射层析成像反演

本文详细地给出了基于非均匀介质的体散射广义散射层析成像反演的基本理论.广义散射层析成像反演可以描述为波场的反向传播和对成像场进行局部波数域滤波的过程.在数值算例中,利用背景速度沿深度方向均匀变化的v（z）介质中的简单的方块作为速度异常体的模型,通过对该模型产生的低频的Born数据和声波的正演数据的测试,在对采集系统进行有限频率带宽和空间孔径的校正来进行局部成像矩阵谱的恢复中,可以看出模型中各点的谱在恢复后的质量无论从覆盖的面积范围还是幅值的均一性上都有着明显的提高;在对速度模型的重建中,广义散射层析成像反演能够很好地恢复速度模型的低频分量,即便是方块速度异常体相对于背景速度的平均速度扰动是23%也能很好地重建模型中的速度,且对于不同的背景速度模型基本上都能很好地恢复Marmousi速度模型的低频分量.所以该方法将基于Born模型的层析成像反演适应范围进行了一定程度的扩展.     

广义散射层析成像反演

本文详细地给出了基于非均匀介质的体散射广义散射层析成像反演的基本理论.广义散射层析成像反演可以描述为波场的反向传播和对成像场进行局部波数域滤波的过程.在数值算例中,利用背景速度沿深度方向均匀变化的v(z)介质中的简单的方块作为速度异常体的模型,通过对该模型产生的低频的Born数据和声波的正演数据的测试,在对采集系统进行有限频率带宽和空间孔径的校正来进行局部成像矩阵谱的恢复中,可以看出模型中各点的谱在恢复后的质量无论从覆盖的面积范围还是幅值的均一性上都有着明显的提高;在对速度模型的重建中,广义散射层析成像反演能够很好地恢复速度模型的低频分量,即便是方块速度异常体相对于背景速度的平均速度扰动是23%也能很好地重建模型中的速度,且对于不同的背景速度模型基本上都能很好地恢复Marmousi速度模型的低频分量.所以该方法将基于Born模型的层析成像反演适应范围进行了一定程度的扩展.     

声波方程频率域有限元参数反演

推导出频率域有限元声波正演方程,为了消除边界反射,将Clayton-Engquist旁轴波动方程吸收边界条件引入频率域,并对有限元刚度矩阵和质量矩阵进行压缩存储,利用广义共轭梯度法求解有限元方程获得正演解.在此基础上,推导出在某一频率下波场数据残差δU与单元物性参数修改量δλ之间关系的Jacobi矩阵,反演方法允许利用地面二维炮集全波场资料与给出初始模型参数的正演值的差值δU,迭代求得δλ.由于计算机内存的限制,方法计算不允许有过多数目的未知数个数,因此还提出了对同一介质物性单元的Jacobi矩阵元素进行压缩组装的措施,从而使反演的未知量个数减少,结合采用共轭梯度迭代法,使得只需利用有效波频段的少数一些频率即可进行迭代反演.正演和反演理论模型的数值模拟结果表明方法是有效的.     

基于逆散射成像条件的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移（LSRTM）相对于常规逆时偏移（RTM）具有分辨率更高、振幅更准确、噪音更少等优势,可以对复杂的地质构造进行有效的成像.这种迭代更新反演成像方法十分依赖目标函数的梯度质量和计算效率.当地质模型中存在强反射界面或者记录中存在折射波时,基于常规互相关成像条件（CCC）的最小二乘逆时偏移梯度会包含很强的低频噪音,从而使反演的收敛速度和成像质量降低.为此,本文在最小二乘逆时偏移的梯度中引进了逆散射成像条件来压制这种低频噪音,并以此提出基于逆散射成像条件（ISC）的最小二乘逆时偏移方法.数值模拟结果表明,两者计算耗时基本一致,但逆散射成像条件能高效压制梯度中的低频噪音,从而使反演过程中收敛加速,成像质量得到显著提高.     

角度域全波形反演研究

本文基于二维声波方程在时间域研究了角度域全波形速度反演,由于不同地下反射角对应的梯度具有频率的多尺度性,在每个主频反演过程中,可以将全波形反演的梯度也进行角度域分解,分解为不同角度范围的角度域梯度.对比不同频率不同角度范围的梯度,表明梯度的垂向波数在不同频率不同角度具有一致性,即高频大角度梯度与低频小角度梯度可在垂向上波数范围一致.先后利用大角度到小角度梯度进行反演,在数据主频不变的情况下,实现角度域多尺度反演.同时,反演过程中去掉浅层超大角度(80°)的梯度,有利于浅层速度细节准确刻画,而深层梯度局部反射角相对较小,因此不会对深层速度反演产生影响.     

多种物理机制耦合作用下的储层介质参数反演研究

孔隙介质的黏弹性、孔隙流体的Biot流动和喷射流动是影响波传播的重要物理机制.本文分别基于弹性和黏弹性BISQ模型,利用自适应杂交遗传算法研究了多种物理机制耦合作用条件下储层介质参数反演.为了测试自适应杂交遗传算法的有效性,本文分别利用自适应杂交遗传算法和传统实数编码遗传算法对含有不同噪声的理论合成数据进行了反演试算.对比理论合成数据反演结果可知,自适应杂交遗传算法具有抗干扰能力强且收敛速度快的特点,是一种有效的储层介质参数反演方法.同时本文也利用不同频率尺度和不同温度条件下的P波和S波实测数据进行了联合反演.对比研究表明,黏弹性BISQ模型能够很好地解释不同频率尺度的波频散特征,不仅能够很好地预测P波速度,而且也能够很好地预测S波速度,从而证明了黏弹性BISQ模型能够准确地描述低频条件下的波频散.     

地层衰减对地震波速度逆散射反演的影响研究

在利用地震波数据进行地球物理反演时,地层对地震波的吸收衰减效应会对地层物性参数的准确反演产生较大的影响,因此利用黏弹性声波方程进行反演更符合实际情形.本文在考虑地层衰减效应进行频率空间域正演模拟的基础上,提出基于黏弹性声波方程的频率域逆散射反演算法并对地震波传播速度进行反演重建,在反演过程中分别用地震波传播复速度和实速度来表征是否考虑地层吸收衰减效应.基于反演参数总变差的正则化处理使反演更加稳定,在反演中将低频反演速度模型作为高频反演的背景模型进行逐频反演,由于单频反演过程中背景模型保持不变,故该方法不需要在每次迭代中重新构造正演算子,具有较高的反演效率;此外本文在反演过程中采用了基于MPI的并行计算策略,进一步提高了反演计算的效率.在二维算例中分别对是否考虑地层吸收衰减效应进行了地震波速度反演,反演结果表明考虑衰减效应可以得到与真实模型更加接近的速度分布结果,相反则无法得到正确的地震波速度重建结果.本文算法对复杂地质模型中浅层可以反演得到分辨率较高的速度模型,为其他地震数据处理提供比较准确的速度信息,在地层深部由于地震波能量衰减导致反演分辨率不太理想.     

二维时间-空间域声波全波形速度反演方法研究

我们采用区域分解(物理上分割模型,使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群,从而节约单个CPU内核的内存使用量,加快正演数值模拟的计算速度)和炮并行(能够加快计算速度)的双并行算法,进行L-BFGS算法的二维时间-空间域声波全波形速度反演.我们采用多尺度的策略,只需要使用三个离散频率(5 Hz,8 Hz,12 Hz),从数据的低频成分开始反演,将低频的反演结果作为高频反演时的初始速度模型,依次反演数据的高频成分,进行Marmousi理论模型的全波形反演数值试验.数值试验反演所恢复得到的速度证实了:二维时间-空间域声波全波形速度反演方法计算灵活,可以适用于任何的采集观测系统,对地震数据可以方便地加时窗;使用多个计算节点同时计算多炮时,能够多倍提高数值计算效率.二维时间-空间域声波全波形速度反演所恢复得到的速度模型的分辨率较高.     

Visco-acoustic transmission waveform inversion of velocity structure in space-frequency domain

According to the least square criterion of minimizing the misfit between modeled and observed data,this paper provides a preconditioned gradient method to invert the visco-acoustic velocity structure on the basis of using sparse matrix LU factorization technique to directly solve the visco-acoustic wave forward problem in space-frequency domain.Numerical results obtained in an inclusion model inversion and a layered homogeneous model inversion demonstrate that different scale media have their own frequency ...     

黏声方程Q值反射波反演

地震波在非弹性介质中的衰减效应常用品质因子Q度量.相对准确的Q模型对提高强衰减介质中地震波成像的质量至关重要.本文提出了黏声介质反射波形反演(QRWI)方法来重建地下宏观Q模型.在缺乏大偏移距和低频地震数据时,该方法以黏声波方程为波场传播引擎,利用反射波核函数对模型中深部的敏感性去提取背景Q值.当速度高、低波数成分均已知时,基于波形拟合的QRWI可以获得较高分辨率的反演结果.由于地下介质速度的高波数扰动很难准确估计,本文通过引入峰值频移目标函数,极大地降低了QRWI对速度高波数成分的依赖.理论合成数据实验结果表明,本文方法反演得到的宏观Q模型可以满足衰减补偿逆时偏移成像的要求.     

基于Born散射理论的二维黏声介质高斯波束正演

Born散射理论可以通过省略高阶项实现针对一次散射波场的模拟.在这一理论的基础上,本文提出了一种针对二维黏声介质的一次散射波场高斯束Born正演方法.在该方法中,格林函数通过一系列不同初射方向的高斯波束累加获得,可以计算多至走时波场,保证了正演算法的计算精度.同时为了提高计算效率,正演方法使用了wavelet-bank方式合成局部平面波.区别于针对声波介质正演的wavelet-bank使用方法,文中将介质黏滞性信息融入了局部平面波的wavelet-bank合成方法中,以此实现针对黏声介质的快速一次散射波场模拟.两个模型的计算结果表明:本文提出的黏声介质高斯波束正演方法具有良好的计算精度以及较高的计算效率.     

一种高效的基于交叉梯度结构约束的三维地震走时与直流电阻率联合反演策略

基于交叉梯度结构约束的不同数据的联合反演可以提高地球物理成像的可靠度,但是由于不同观测数据对地下介质的灵敏度不同以及不同反演系统灵敏度矩阵元素的数值可能存在较大的差异,导致构建和求解联合反演系统存在很大的挑战.针对以上问题,本文提出一种新的基于单独反演模型更新量与交叉梯度结构约束相结合的联合反演策略.该策略利用单独反演系统分别确定出各个模型的更新量,然后利用它们约束交叉梯度系统的反演,得出新的模型更新量.通过这样的方式,有效实现了数据拟合与结构约束的平衡,实现了基于交叉梯度联合反演的目标.新的联合反演策略不需要对原来单独反演程序修改即可实现联合反演,减小了联合反演实现的难度,极大地提高了联合反演的易实现性,而且避免了联合反演矩阵存储及结构过于复杂难以求解的问题.基于新的策略,本文首次实现了基于交叉梯度结构约束的三维地震走时与直流电阻率联合反演.合成模型测试表明,与单一成像相比,联合成像减少了地震走时反演中出现的干扰异常并提高了电阻率反演的分辨率.     

黏声介质平面波有限差分叠前深度偏移及在莺歌海盆地的应用

莺琼盆地诸探区中存在底劈现象,深层气源产生的气体沿底劈产生的裂隙通道向上漫溢.漫溢过程中,一是充填在遇到的砂体中形成气藏;二是弥漫在上溢通道中,使得通道中的纵波速度发生变化,进而纵波波阻抗差异变小,反射变弱.另外,通道中气体的存在,会加强地层的吸收衰减,使得地震波振幅变弱、高频成分损失导致同相轴分辨率降低.利用OBC数据进行多波地震勘探和利用黏声介质的叠前深度偏移都是改善模糊区成像质量的重要方法技术.为此,本文提出用黏声介质平面波有限差分法叠前深度偏移成像方法改善气体充填区域的成像质量.黏声介质成像目的是补偿地震波的吸收衰减;平面波偏移成像目的是适应海上单炮数量巨大,提高波动方程叠前深度偏移成像的效率;有限差分法叠前偏移的目的是适应该区浅层气分布局域性极强、Q值的空间变化大的情况.在莺歌海某探区的实际数据上的黏声介质平面波有限差分叠前深度偏移试验证明,本方法是改善模糊区成像质量的较为有效的途径.     

三维复杂层状介质中多震相走时联合反演成像

采用新近提出的改进型不规则最短路径多次波射线追踪正演技术,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘最优化反演问题,讨论了三维复杂层状模型中利用多震相走时资料进行联合反演成像的技术方法.考虑到不同震相种类走时的拾取误差不同,反演算法中引入了不同震相种类数据的权系数;另外,考虑到同时反演速度模型和反射界面起伏中不同参数变化对...     

基于广义模型约束的时间域航空电磁反演研究

由于航空电磁具有海量数据,因此快速有效的成像和反演手段至关重要.本文针对层状介质模型推导与实现了广义模型约束条件下时间域航空电磁一维反演.从正则化反演的目标函数出发,通过改变模型约束项构造Lp范数反演和聚焦反演,进而通过改变模型求解域构造出基于小波变换的稀疏约束反演.针对不同反演方法目标函数的构建方式,本文进一步从数学原理上分析不同反演方法的预期效果,并通过理论模型和实测数据进行验证.结果表明L0.8范数反演、聚焦反演和基于小波变换的稀疏约束反演可以得到更符合地下层状介质陡变界面的反演结果.     

基于交叉梯度约束的时间域激发极化法二维同步反演

时间域激发极化法(Time-domain induced polarization method,简称为TDIP)已有的反演算法采用的是分步反演的思路,即先由视电阻率资料反演电阻率,固定电阻率再由视极化率资料反演极化率,这样就存在极化率结果严重依赖于电阻率反演结果的问题.为了有效解决这一问题,本文实现了TDIP二维数据空间分步反演算法,提出了基于交叉梯度约束的TDIP二维同步反演策略,实现了交叉梯度约束的电阻率和极化率二维同步反演算法.分别用电阻率和极化率结构一致和不一致的二维模型合成数据进行了分步和同步反演试算,对不同模型试算结果进行了对比分析.结果表明:对于电阻率和极化率结构一致和不一致模型,同步反演结果比分步反演结果能更好地确定异常体的空间分布范围,反演得到的电阻率和极化率值更接近真值.理论模型算例表明本文提出的同步反演算法有效解决了分步反演的问题,优于分步反演算法,具有更好的实用性.     

频率域全波形反演中关于复频率的研究

Laplace-Fourier域全波形反演可以利用简单的初始模型,从缺失低频信息的地震数据中得到长波长速度模型.Laplace-Fourier域全波形反演等价于本文的复频率全波形反演,但二者的实现方式不同,因此研究复频率全波形反演,可以为二者的对比研究并发展更有效的方法奠定重要基础.本文首先比较用线性增加模型作为初始模型时几个包含不同高低频成分的频率组的反演效果,再比较结合复频率之后各个频率组的反演效果,从简单模型和复杂模型的测试中都可以看出这种复频率+频率反演的方式对反演效果有明显改善.     

大地电磁、重力、磁法和地震初至波走时的交叉梯度二维联合反演研究

为了准确的探测和描绘地下复杂的地质结构,同时克服地球物理单一方法反演的多解性和单一参数反演模型的不一致性等问题,近年来基于交叉梯度联合反演的综合地球物理解释已经得到了广泛的关注和应用.本文首先研究了两种地球物理方法的交叉梯度联合反演算法,在此基础上,推导并实现了多种地球物理方法(大地电磁,重力,磁法,地震初至波走时)的多交叉梯度约束的二维联合反演算法;其次,我们设计了结构不一致模型和复杂模型,针对多物性联合反演算法的准确性和有效性进行了模拟试算,并对复杂模型的单独反演结果和联合反演结果进行了交叉梯度值和物性交会图的对比;最后,本文将成熟的卫星资料多光谱综合分析技术应用到联合反演中,将多物性参数反演模型结果图通过RGB(红-绿-蓝)模式进行合成,得到融合的RGB合成图.结果表明:通过对结构不一致模型和复杂模型的联合反演结果和单独反演结果的对比分析,可以得出联合反演得到的结果更接近真实模型,并从得到的交叉梯度值进一步证明了联合反演模型相似度高,也从物性交会图中得到联合反演的物性相关性更好的结论,反向证明了算法的正确性.最终从得到的RGB合成图像,我们可以更直观的分析反演结果,更有利于准确划分地下模型结构.