基于特征能量梯度算子的时间域全波形反演

全波形反演中构建常规梯度算子过程中需要三步骤:震源子波的正向传波场传播,波场残差的反传波场和波场互相关构建梯度算子,其过程存在数据量大、效率低等缺点,为提高反演的效率,本文针对常规时间域梯度算子进行优化,提出了基于特征能量的梯度算法.在正传过程中计算每一个网格点上的正传波场的最大激发能量及其对应的时间步,保存一个子波时间长度的利用特征能量以构建梯度算子.在构建梯度算法中利用保存的子波长度的特征能量进行构建梯度算子.该算法无需保存震源的正传波场,可以减少运算过程中的磁盘读写,提高全波形反演的计算效率.在Mamousi模型梯度测试和实际资料的反演测试中表明:该算法在可以保证梯度算子的精度,具有数据读写量小的优点,效率高的优点.     

高斯波包反射走时速度反演方法

扰动高斯波包理论指出,在Gabor域描述模型的扰动成分,且入射波场为短时宽带信号时,扰动波场可在时间域通过高斯波包算子描述.在此基础上通过拟合反射波的走时,提出一种速度反演方法.反射波走时残差利用地震道局部波形的互相关函数表示,以走时残差的二范数作为目标函数,优化目标函数实现对速度场的反演.基于一阶Born近似,利用扰动高斯波包理论推导出目标函数对速度场的梯度是本文理论部分的核心内容.梯度包括两部分:正传的背景波场与反传的扰动高斯波包之间的互相关,反传的背景波场和正传的扰动高斯波包之间的互相关.梯度表达式中背景波场和扰动波场均利用高斯波包算子模拟.计算梯度的具体算法中,如何模拟扰动波场,以及如何计算反射波的走时残差是两个要点,文中对此做了详细的讨论.数值实验进一步阐述了反演的实现策略,实验结果表明高斯波包反射走时速度反演方法和实现策略有效可行,并得到了理想的反演结果.     

基于优化步长的混叠数据编码全波形反演方法

近年来,针对混叠数据的全波形反演(FWI)方法,逐渐成为研究的热点.本文通过引入抛物拟合策略对反演步长进行优化,实现了基于变步长的混叠数据编码全波形反演理论方法.在编程实现算法的基础上,通过简单洼陷和复杂Marmousi模型试算得到如下几点认识:1)不编码混叠数据存在串扰噪声,反演迭代到15次后残差增大,反演不收敛;常规编码FWI串扰噪声减少,误差函数收敛,但出现"锯齿"的反演不稳定现象.2)优化步长编码FWI方法较好解决了反演收敛性和稳定性问题,反演结果误差函数曲线平滑且残差逐渐减小,验证了新方法的正确性和更好的适应性.     

基于K-SVD字典学习的稀疏约束编码多震源方向:全波形反演（英文）

全波形反演(FWI)是一种较为重要的速度建模方法,但计算量巨大是阻碍其实用化。业已证明通过多震源策略减少模拟单炮次数,可以大大提高全波形反演计算效率,但引入了交叉串扰噪音。为解决上述问题,本文提出一种基于K-SVD字典学习的稀疏约束编码多震源全波形反演方法。首先,增加不同单炮的差异性引入极性编码策略减少串扰噪音;其次基于FWI不同迭代次数反演结果特征引入K-SVD字典学习方法计算变换基函数,推导了基于稀疏约束的目标泛函;进一步我们引入基于维纳滤波的时间域多尺度反演方法,提高反演方法的稳定性。最后,通过洼陷模型和Marmousi模型测试验证表明:1)本文的基于K-SVD字典学习的多震源编码反演方法,在减少全波形反演计算量的同时,能有效克服反演串扰噪音,提高反演精度;2)新方法能灵活的与时间域多尺度反演方法结合,降低反演过程陷入局部极小值,增强反演稳定性,对复杂模型也具有较好的适应性。     

基于层析滤波的全波形反演方法

在全波形反演过程中,采集系统的有限孔径和波场对地层介质信息的非均匀覆盖会影响全波形反演的效果.本文引入一种层析滤波器来减小这种影响.该滤波器被作用于反传之前的波场残差之上,对模型梯度进行预处理,可以对有限的采集孔径和非均匀信息覆盖进行校正,从而改善全波形反演的效果.该滤波器的实现简便高效,几乎不引入额外的计算量.本文主要针对地面反射记录进行研究,数值实验验证了该滤波算子的有效性.     

特征高斯波包叠前深度偏移方法

高斯波包（Gaussian packet）传播算子可在局部时空域高效地计算局部波包的传播.高斯波包叠前深度偏移的基础是在Gabor变换域描述观测数据,再利用高斯波包传播算子计算炮点波场和检波点波场,两者相关即可得到偏移结果.利用炮道集的局部τ-p特征在Gabor变换域表达观测数据,可以仅关注部分高斯波包框架函数上的数据投影,这样既实现了波场的压缩存储,同时可利用高斯波包传播算子反传框架函数以实现整个炮道集的快速反传.这些综合了观测数据局部τ-p特征的高斯波包函数称为特征高斯波包（characteristic Gaussian packet,CGP）,相应的波场反传称为特征高斯波包反传.理论及数值分析证明了上述特征高斯波包反传方法是有效且快速的.炮点正传波场也利用高斯波包传播算子模拟.利用互相关成像条件可实现特征高斯波包叠前深度偏移（characteristic Gaussian packet pre-stack depth migration,CGPM）.由于高斯波包传播算子描述了局部方向及局部空间的波场,所以CGPM可以自然地提取角度域成像道集（ADCIG）,并易于实现面向目标叠前深度偏移,从而作为偏移引擎为偏移速度分析（MVA）服务.数值实验证明了CGPM和面向目标CGPM的有效性和实用性.     

基于修正拟牛顿公式的全波形反演

波形反演是一种利用全波场信息,通过最小化预测波场和实际波场的残差来揭示地下岩性和构造信息的方法.本文首先简述了常规拟牛顿算法的原理,之后利用一种新的拟牛顿公式对Davidon-Fletcher-Powell(DFP)和Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)算法进行了修正,改进后的BFGS算法在近似Hessian矩阵逆矩阵时,不仅考虑了梯度和模型信息,还加入了目标函数本身的信息,而且对于每次迭代,基本没有增加计算量.数值试验表明,相对常规拟牛顿方法,修正BFGS算法在保证反演精度的同时,明显提高了反演效率.     

基于组稀疏约束的微地震震源参数谱投影梯度反演

震源参数反演是微地震监测中的关键技术,常规走时或逆时定位方法可以快速获取震源的空间位置,但是会忽略震源的时间信息.全波形反演(FWI)是一种有效的工具,利用完整的波形信息,通过选用合适的优化算法对微地震事件震源参数进行迭代反演,虽然存在计算量大的问题,但是反演出的结果信息丰富并且精度较高.本文依据微地震震源的特点,提出...     

解耦纵横波反射波走时反演

基于常规弹性波动方程的反射波走时反演结合走时和反射波信息可以有效的摄取模型参数中的低波数成分,然而纵横波之间的耦合效应以及纵横波速度对波场的敏感性差异,导致反演的非线性问题增强.为此本文研究了基于解耦波动方程的反射波走时反演,并提出改进的时移互相关目标函数,分别隐式计入射波场快照与反传波场快照的时移量,很大程度的降低了纵波、横波之间的耦合关系,并提高纵横波速度低波数信息的反演质量.最后模型测试证明了本文方法的正确性.     

棱柱波形与全波形联合反演方法（英文）

棱柱波的特点是它有三段主要反射路径和两个反射点,一个反射点位于反射界面上,另一个位于陡倾角反射层上。从而含有了很多一次波无法获取的地下高陡反射界面信息,我们应用Born近似对常规逆时偏移成像剖面处理可以将棱柱波信息提取出来,然后用棱柱波进行速度更新以提高盐体悬伸侧翼等高陡构造的反演速度。基于此想法下提出了棱柱波形反演(prismatic waveform inversion),简称PWI方法,但棱柱波形反演方法存在明显的弱点:一次迭代的时间是全波形反演(FWI)的两倍,而且不能充分利用全波场信息。为此,我们将全波形反演与棱柱波形反演方法两者结合起来进行联合反演,FWI与PWI方法交替使用更新速度场。模型的试算表明,这种联合反演方法对初始模型中高陡构造信息是否缺失依赖性较低,对高陡构造的反演精度和效率都更高。     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

基于Born波路径的高斯束初至波波形反演

为了提高表层速度反演精度,本文提出了一种新的波形反演方法.该方法只利用初至波波形信息以减少波形反演对初始模型的依赖性,降低反演多解性与稳定性.由于只利用初至波波形信息,所以该方法利用高斯束计算格林函数和正演波场,以减少正演计算量.为了避免庞大核函数的存储,该方法基于Born波路径,利用矩阵分解算法实现方向与步长的累加计算.将此基于Born波路径的初至波波形反演方法应用于理论模型实验,并与声波方程全波形反演和初至波射线走时层析方法相对比,发现该方法的反演效果略低于全波形反演方法,但明显优于传统初至波射线走时层析方法,而计算效率却与射线走时层析相当.同时,相对于全波形反演,本文方法对初始模型的依赖性也有所降低.     

基于可视性分析与能量补偿的金属矿弹性波全波形反演

采用弹性波全波形反演方法精确重建深部金属矿多参数模型,建模过程采用基于地震照明的反演策略.首先给出基于照明理论的观测系统可视性定义,利用可视性分析构建新的目标函数,对反演目标可视性较高的炮检对接收到的地震记录在波场匹配时占有更高的权重,确保了参与反演计算中的地震数据的有效性;其次将给定观测系统对地下介质的弹性波场照明强度作为优化因子,根据地震波在波阻抗界面处的能量分配特点,自适应补偿波场能量分布和优化速度梯度,以提高弹性波全波形反演过程的稳定性和反演结果的精度.理论模型和金属矿模型反演试验结果表明,基于可视性分析和能量补偿的反演策略可以使弹性波全波形反演更快地收敛到目标函数的全局极小值,获得适用于金属矿高分辨率地震偏移成像的多参数模型.     

不依赖源子波的跨孔雷达时间域波形反演

波形反演是近年来较热门的反演方法,其分辨率可以达到亚波长级别.在波形反演的实际应用中,源子波的估计十分重要.传统方法使用反褶积来估计源子波并随着反演过程更新,该方法在合成数据波形反演中效果较好,但在实际数据反演过程中存在一系列的问题.由于实际数据信噪比较低,在源子波估计过程中需要大量的人为干涉,且结果并不一定可靠.本文使用一种基于褶积波场的新型目标函数,令反演过程不再依赖源子波.详细推导了针对跨孔雷达波形反演的梯度及步长公式,实现介电常数和电导率的同步反演.针对一个合成数据模型同时反演介电常数和电导率,结果表明该方法能够反演出亚波长尺寸异常体的形状和位置.接着,将该方法应用到两组实际数据中,并与基于估计源子波的时间域波形反演结果进行比较.结果表明不依赖源子波的时间域波形反演结果分辨率更高,也更准确.     

基于混叠震源和频率组编码的频率域自适应全波形反演(英文)

全波形反演是一种高精度的地震成像方法,可以对地下介质物性参数模型进行准确的重构。然而在实际应用中,尤其是在三维复杂介质反演中,计算成本太大是该方法的一个重要缺陷。将混叠震源技术引入到频率域全波形反演中可以大幅度地降低计算成本,提高反演效率。但是使用震源编码技术也带来了两个问题:一方面,参与编码的各个震源之间会产生"串扰噪声",导致反演结果中出现假象;另一方面,基于震源编码的频率域全波形反演方法周围噪声较为敏感,使该方法对含噪数据反演质量较差。本文引入一种频率组编码方法来压制"串扰噪声",并基于震源编码技术提出一种频率域自适应全波形反演方法,通过一个与频率相关的自适应选择机制,将常规频率域全波形反演方法和基于震源编码的全波形反演方法联合起来,在保证反演质量的同时也最大程度地提高了反演效率。     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立方法研究

地震全波形反演(FWI)从理论走向实际面临着诸多难题,其中之一就是需要一个较高精度的初始模型,另一个难题就是需要一个较为精确的震源子波,初始模型和震源子波的准确程度严重影响着全波形反演的最终结果.为此,本文提出了不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立的方法,建立了相应的目标函数,推导出了反演的梯度,给出了伴随震源的表达式,理论上分析了不依赖子波FWI的可行性.在数值试验中,讨论了参考道的选取方式,通过分析归一化目标函数收敛速率,认为近偏移距参考道优于远偏移距参考道,在地震数据含干扰噪音时,平均道作为参考道要优于最小偏移距参考道.通过包络、包络对数、包络平方三种目标函数反演结果的比较,发现包络对数目标函数对深层的反演效果最好.通过不同子波的试验进一步验证了本方法的正确性.     

基于Born敏感核函数的速度、密度双参数全波形反演

速度、密度之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得.本文将截断高斯-牛顿法用于声介质速度、密度双参数全波形反演,通过考虑近似Hessian矩阵中反映速度、密度相互作用的非主对角块元素,有效解决了多参数全波形反演中速度、密度之间的耦合问题,在不采用反演策略的情况下,仍能够获得精度较高的速度、密度反演结果.常规的截断牛顿类全波形反演通常利用一阶伴随状态法求取目标函数对模型参数的梯度,利用二阶伴随状态法或有限差分法求解Hessian-向量乘,在每一步内循环迭代过程中需要额外求解两次正演问题,计算量较大.本文基于Born近似,将梯度计算中的核函数-向量乘表示为具有明确物理意义的向量-标量乘的累加运算,同时将Hessian-向量乘转化为两次核函数-向量乘,无需额外求解正演问题,有效降低了计算量.数值实验证明了本文提出的方法的有效性.     

Comparison of waveform inversion, part 3: amplitude approach

In the second paper of this three part series, we studied the case of conventional and logarithmic phase‐only approaches to full‐waveform inversion. Here, we concentrate on deriving amplitude‐only approaches for both conventional‐ and logarithmic‐based methods. We define two amplitude‐only objective functions by simply assuming that the phase of the modelled wavefield is equal to that of the observed wavefield. We do this for both the conventional least‐squares approach and the logarithmic approach of Shin and Min. We show that these functions can be optimized using the same reverse‐time propagation algorithm of the full conventional methodology. Although the residuals in this case are not really residual wavefields, they can both be considered and utilized in that sense. In contrast to the case for our phase‐only algorithms, we show through numerical tests that the conventional amplitude‐only inversion is better than the logarithmic method.     

Time-domain hyperbolic Radon transform for separation of P-P and P-SV wavefields

A time-domain hyperbolic Radon transform based method for separating multicomponent seismic data into P-P and P-SV wavefields is presented. This wavefield separation method isolates P-P and P-SV wavefields in the Radon panel due to their differences in slowness, and an inverse transform of only part of the data leads to separated wavefields. A problem of hyperbolic Radon transform is that it works in the time domain entailing the inversion of large operators which is prohibitively time-consuming. By applying the conjugate gradient algorithm during the inversion of hyperbolic Radon transform, the computational cost can be kept reasonably low for practical application. Synthetic data examples prove that P-P and P-SV wavefield separation by hyperbolic Radon transform produces more accurate separated wavefields compared with separation by high-resolution parabolic Radon transform, and the feasibility of the proposed separation scheme is also verified by a real field data example.