最短路径射线追踪方法及其改进

综述了用网络最短路径算法求解地震射线追踪问题的原理、方法技术以及存在问题和改进措施。特别介绍了作者在最短路径算法基础上，提出的动态网络最短路径地震射线追踪方法。该方法先采集从炮点到整个模型所有节点上的初至旅行时，其中，在一个单元内，对相邻每对已计算出最小旅行时的节点进行线性插值，并利用Fermat原理计算未知节点的最小旅行时；然后，利用同样的方法，从接收点开始，反向追踪炮点到接收点的射线路径、该方法能适于各种复杂的非均匀介质，极大地提高了射线追踪的精度。     

三角网最小走时射线追踪层析成像

针对层析成像模型矩形网格剖分存在的一些问题,提出了复杂结构三角网最小走时射线追踪层析成像方法。以Delaunay三角剖分的优化准则,根据模型点、线、面的几何结构关系,进行三角网格剖分;采用三角网波行面扩展法计算声波初至走时,追踪出任意接收点至激发点处的射线路径,射线路径包含了从接收点至源点的坐标、所在三角单元等信息,形成矩阵方程。应用稳定性较好的联合迭代重构技术求解矩阵方程,得到模型的速度分布。数值模拟结果表明,三角网射线层析成像方法分辨率高,成像结果更接近实际结构形态,有效地解决了矩形网剖分对复杂区域网格参数化灵活性差,速度界面描述精度低等问题。     

水平层状VTI介质高效射线追踪计算方法

准确、快速计算水平层状VTI(vertical transverse isotropic)介质的走时和射线路径是实现VTI介质地震叠前时间偏移和微地震监测速度建模的基础.水平层状VTI介质射线追踪的常用算法包括打靶法和最短路径法.打靶法原理简单、实现容易,但在长偏移距时存在微小初射角度变化导致射线路径巨大扰动的问题;最短路径法原理直观,但需要沿射线群速度方向(群角)计算走时,计算特定群角对应的群速度值需要先搜索对应的相速度角度(相角),显著降低了计算效率.本文综合打靶法和最短路径法的优点,从震源同时出射一系列射线,以这些射线到达界面的交点构成稀疏的网格节点,自适应加密实现检波点周围网格节点间距高于精度要求,采用插值算法获得检波点的走时和动态网格方法获得不位于网格节点上的检波点的射线路径.本文方法严格计算已知相角对应的群角和群速度,未使用弱各向异性群速度近似公式,适用于任意强度各向异性VTI介质qP、qSV和qSH直达波和反射波射线追踪;以相角确定震源出射射线,不用遍历群角和群速度对应关系.同传统最短路径方法的数值实验对比表明本文方法具有高精度和高效性,非常适合于需要多次正演计算的地震叠...     

界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术

以Moser方法为代表的最短路径射线追踪算法可以快速稳定地获得整个追踪区域的全局最小走时和路径,但它存在两个缺陷：一是射线大多由折线呈锯齿状相连,长度和位置偏离真实射线路径;二是在低变速区容易出现射线路径多值现象．本文提出的界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术（以下简称界面源法）旨在解决上述两个问题．不同于Moser方法,界面源法只在物性分界面上设置子波源点,子波出射射线可以到达任何不穿越物性界面而直接到达的空间点和界面离散点,在均匀块体内或层内地震波以精确的射线路径传播．显然,界面源法的子波出射方向数远远大于传统方法,算法的追踪误差主要由界面离散引起的,因此,界面源法很好地解决了Moser法存在的问题,大大提高了追踪的精度．同时,由于界面源法的子波源点数远远小于Moser法,因而效率也很高．模型实算证实了该算法的高效性．     

论地震波初至走时的计算方法

本文主要论述了近来出现的计算地震波初至走时的一些新方法。这些方法可以分为两大类,一类是利用基于解决最短路径问题的方法来求解地震学中任意两点间的射线路径及走时;另一类是直接求解程函方程。这些方法不仅适用于任意几何位置的源点-检波点排列,而且适用于介质速度的任意变化,其计算精度和效率也比通常使用的射线追踪方法如试射法和弯曲法要高。     

复杂地质层面的网格化模型及两点射线追踪方法

本文针对三维复杂介质的两点射线追踪的适用性和有效性,提出了网格模型和层状模型相结合的建模方式,文中利用规则网格化的层状模型对复杂地质单元进行数值描述,一方面避免了用纯粹复杂地质网格体描述时需要的大量内存,另一方面结合运用规则化的层状模型,必有利于提高计算效率,在计算单元自动生成的射线追踪方法基础上,本文结合波前法提出一种快速、有效的两点射线追踪方法,利用反射波波前在地表形成的射线方位角和倾角坐标体系,能快速、准确地收敛到所有从源点到接收点的射线路径,亦可有效地解决射线路径的多值解难题,从而可适用于复杂地质模型的特点.     

结构混凝土三角网声波层析成像检测技术

针对矩形网格模型的声波层析成像检测结构混凝土存在的主要问题:1)矩形网格无法充分模拟结构混凝土的速度间断面、2)射线追踪面临穿到凹多边形检测区域之外或穿越内部预留空洞的风险,本文研究了三角网声波层析成像检测技术.依据Delaunay三角剖分的优化准则,结合波前法对模型进行三角剖分;采用"基于波前最小走时单元的三角网射线追踪全局算法"计算声波初至时、追踪射线路径;应用代数重构技术求解层析成像反演控制方程,得到模型的速度分布.数值模拟及应用实例表明,三角网声波层析成像,模型参数化灵活、速度间断面描述准确,射线追踪可靠性强、精度高,反演成像分辨率高、更接近实际结构形态,适应具有复杂几何边界和内部结构的结构混凝土的质量检测.     

具有间断面的球形地球三维地震射线追踪的伪弯曲法

提出了具有间断面的球形地球三维射线追踪的伪弯曲方法。该方法的基础是一阶近似3点扰动,同时曲线坐标中的斯奈尔定律应用到间断面上。我们通过与解析解和弯曲法结果的比较,证实了不同速度模型中伪弯曲方法射线追踪的计算精度和有效性。尽管有效性的改善是明显的,但它将随着间断面数量的增加而减小。尽管弯曲法精确,但在某些情况下亦可能是计算不稳定的。因此,伪弯曲法在射线自动计算方面还是可取的。     

二维速度随机分布逐步迭代射线追踪方法

基于Ｓｎｅｌｌ定理，研究一种新的射线追踪方法──逐步迭代射线追踪法。首先，从一端出发，根据射线路径上任意连续三点均满足Ｓｎｅｌｌ定律，利用一个近似公式逐段迭代，求取中间折射点，从而实现逐步迭代计算。该方法的追踪路径结果符合射线追踪要求，计算速度快，方法精度高，可以克服射线追踪的路径非唯一性；并且在追踪过程中可以给出透射走时，为层析成像方法提供了一种有效的射线追踪过程。     

三维场地波动传播的快速射线追踪法

本文基于Snell定律和Fermat原理对三维任意界面情况下的两点间射线追踪问题进行了研究，从同一条射线满足相同的射线参数出发，推得一个适用于任意界面情况下计算反（折）射点的一阶近似公式。结合迭代技术，给出了三维场地条件下射线追踪迭代算法的计算格式，并进行了三维场地射线追踪模拟计算。计算表明：计算速度相当快，且其计算精度可以根据需要满足要求。     

一种改进的线性走时插值射线追踪算法

线性走时插值法（LTI）在走时的计算中,由于射线方向考虑不全,计算得到的节点走时不一定最小,导致追踪的射线路径无法满足最小走时.针对这一问题,本文提出了一种改进的射线追踪算法,通过采用多方向的循环计算,得到所有计算节点的最小走时,使追踪到的射线路径能真正满足最小走时,以确保射线追踪的精度.模拟实验结果表明,在介质速度变化剧烈的结构中,该算法与传统的LTI算法相比,有效地提高了射线追踪的精度.     

动态网络最短路径射线追踪

最短路径射线追踪算法,用预先设置的网络节点的连线表示地震波传播路径,当网络节点稀疏时,获得的射线路径呈之字形,计算的走时比实际走时系统偏大. 本文在波前扩展和反向确定射线路径的过程中,在每个矩形单元内,通过对某边界上的已知走时节点的走时进行线性插值,并利用Fermat原理即时求出从该边界到达其他边界节点的最小走时及其子震源位置和射线路径,发展了相应的动态网络算法. 从而克服了最短路径射线追踪算法的缺陷,大大提高了最小走时和射线路径的计算精度.     

基于LTI和网格界面剖分的三维地震射线追踪算法

将二维线性走时插值射线追踪算法(LTI)推广应用至三维模型,并结合网格界面剖分方式,提出了一种三维射线追踪算法．该算法既可获得高精度的全局最小走时和射线路径,又具有快速稳定的特点．三维模型计算结果表明,在模型参数包括网格密度完全相同情况下,本文算法较传统的三维最短路径算法在计算效率、走时和射线的计算精度上均有明显改进．     

地震波走时和射线的有限差分计算

以往都是采用射线追踪的方法计算地震波的走时和射线，但是当速度模型复杂时这种方法存在一些问题。本文提出另一种计算地震波走时和射线的方法。该方法从程函方程出发，利用互换原理和Ｆｅｒｍａｔ原理计算出各种波的到时和射线。解决了射线追踪方法存在的问题。为地震波走时和射线的计算以及地震波走时反演开辟了一条新途径。     

射线法模拟分析井间地震观测的波场特征

按照井间地震的观测系统,用改进的突变点加插值射线追踪方法,追踪每炮每道的射线路径,计算几种主要类型的波沿射线路径的波至时间和射线振幅,制作井间地震多炮多道水平分量和垂直分量的合成记录.并将合成记录选排为井间共炮点道集、共接收点道集、共偏移距道集和共中心深度点道集,系统地分析了不同道集内几种主要类型的地震波的传播特征.对野外观测的实际井间地震记录进行了模拟,从复杂的井间地震记录中,识别出井间地震实际观测到的不同类型的波场,为随后的井间地震资料处理和应用提供了依据.     

PS转换波界面二次源法射线追踪

界面二次源法是最近提出的一种最小走时射线追踪方法,尤其适合层状介质中走时和射线路径的计算.该方法相对于传统的最小走时树方法（如Moser法）,仅在物性界面上设置二次源,射线路径的方向只在层界面处发生改变,该方法最大程度地消除了射线路径的锯齿状现象,同时也避免了低变速区的射线路径多值现象,因此,它具有更高的追踪精度和效率.本文采用界面二次源法在各向同性介质中实现了PS转换波射线追踪,理论模型的计算证实了界面二次源法追踪PS转换波的准确性和高效性,同时该方法在各向异性介质中也很好地追踪出分离的PSV波和PSH波,因此该方法有利于横波分裂在地震勘探中的研究和应用     

SEISMIC RAY TRACING USING LINEAR TRAVELTIME INTERPOLATION1

A new ray-tracing method called linear traveltime interpolation (LTI) is proposed. This method computes traveltimes and raypaths in a 2D velocity structure more rapidly and accurately than other conventional methods. The LTI method is formulated for a 2D cell model, and calculations of traveltimes and raypaths are carried out only on cell boundaries. Therefore a raypath is considered to be always straight in a cell with uniform velocity. This approach is suitable to tomography analysis. The algorithm of LTI consists of two separate steps: step 1 calculates traveltimes on all cell boundaries; step 2 traces raypaths for all pairs of receivers and the shot. A traveltime at an arbitrary point on a cell boundary is assumed to be linearly interpolated between traveltimes at the adjacent discrete points at which we calculate traveltimes. Fermat's principle is used as the criterion for choosing the correct traveltimes and raypaths from several candidates routinely. The LTI method has been compared numerically with the shooting method and the finite-difference method (FDM) of the eikonal equation. The results show that the LTI method has great advantages of high speed and high accuracy in the calculation of both traveltimes and raypaths. The LTI method can be regarded as an advanced version of the conventional FDM of the eikonal equation because the formulae of FDM are independently derived from LTI. In the process of derivation, it is shown theoretically that LTI is more accurate than FDM. Moreover in the LTI method, we can avoid the numerical instability that occurs in Vidale's method where the velocity changes abruptly.     

CDP mapping in tilted transversely isotropic (TTI) media. Part I: Method and effectiveness

Transverse isotropy with a tilted axis of symmetry (TTI) causes image distortion if isotropic models are assumed during data processing. A simple anisotropic migration approach needs long computational times and is sensitive to the signal-to-noise ratio. This paper presents an efficient, general approach to common-depth-point (CDP) mapping to image the subsurface in TTI media from qP-wave seismic data by adding anisotropic and dip parameters to the velocity model. The method consists of three steps: (i) calculating traveltimes and positions of the CDP points; (ii) determining CDP trajectories; (iii) CDP imaging. A crucial step is the rapid computation of traveltimes and raypaths in the TTI media, which is achieved by the Fermat method, specially adapted for anisotropic layered media. The algorithm can image the subsurface of a given model quickly and accurately, and is suitable for application to a bending reflector. The effectiveness of the method is demonstrated by comparing the raypaths, the traveltimes and the results of CDP mapping, when assuming isotropic media, transversely isotropic media with a vertical axis of symmetry (TIV), and TTI media.