多震相菲涅耳体射线走时同时反演成像

高频假设下的地震射线理论以及相应的地震成像理论表明,在射线稀疏条件下,不可能得到较高分辨率的构造成像;而有限频射线理论更符合实际地震的传播规律,即地震波的走时不仅与中心射线(传统的几何射线)上的速度分布有关,而且与中心射线附近一定范围(称其为第一菲涅耳体)内的速度异常分布有关.鉴于此,本文提出了计算多震相地震波菲涅耳体有限频射线的方法,并定义了走时敏感核函数,同时给出了利用多震相菲涅耳体有限频射线进行速度模型和反射界面同时反演成像的公式.利用多震相走时资料,使用传统射线层析成像方法与有限频射线层析成像方法进行了速度和界面的同时反演成像.结果表明,当射线密度较小时,无论是对速度模型的重建还是对反射界面几何形状的更新,有限频射线层析成像方法均优于传统射线层析成像方法, 而变频有限频射线层析成像则是实际地震层析成像的首选反演算法.      

多频段组合菲涅尔带走时层析成像方法研究

针对传统射线层析存在的种种局限性,菲涅尔带走时层析成像摒弃了传统的数学射线,考虑到地震信号具有一定的频带宽度,中央射线附近的介质对地震波的传播产生不同程度的影响。本文提出了多频段组合菲涅尔带走时层析成像方法。该方法以频率域波动方程Born和Rytov近似为基础,推导出建立在带限地震波理论基础上的波动方程 Rytov 近似走时敏感核函数,实现第一菲涅尔带约束下的波动方程走时层析反演方法。同时由于多个频段的引入,充分利用低频段和高频段的特有优势,从而兼顾菲涅尔带层析的计算效率与分辨率。模型试算结果证明了本方法的有效性和稳定性。     

GPS无线电掩星技术反演大气参数方法对比

无线电掩星技术是一种探测地球大气的崭新途径.菲涅耳衍射反演是GPS掩星技术中基于物理光学原理的新的反演方法.文章研究了菲涅耳及几何光学方法的反演原理，利用GPS/MET数据分别反演得到了大气折射率及温度廓线.对比分析了菲涅耳衍射方法在10 Hz、25 Hz和50 Hz三个采样频率下不同的反演结果，通过与几何光学反演结果及相应探空数据的对比分析，表明菲涅耳衍射反演得到的结果在对流层，特别是水汽含量丰富的区域中更为准确可靠.     

基于菲涅尔带理论的无线电波层析正则化方法研究

无线电波透视法是常用的工作面地质构造探测方法之一,目前煤矿上多采用基于射线理论的联合代数重建(SIRT)层析方法反演介质电磁波衰减系数.由于发射的电磁波频率范围在几百千至几兆赫兹,基于高频近似的射线理论在模拟电磁波传播时存在局限性,而SIRT方法本身受矿井观测方式的限制,在垂直测线方向反演分辨率不高.本文研究基于菲涅尔带理论的正演方法,电磁波频率越高其第一菲涅尔带半径越小,即越接近射线条件;采用约束正则化方法进行层析成像,推导了Tikhonov正则化的最小化问题表达式,说明了正则参数的作用和意义,利用迭代反演法求最优折衷解.对不同异常模型及实际资料进行了层析成像实验,结果表明对于低频电磁波菲涅尔带理论分辨率优于射线理论,正则化方法具有更好的分辨率,识别出的异常构造基本吻合已知疑似构造位置,说明了其在实际应用中的可行性.     

初至波菲涅尔体地震层析成像

根据地震波传播的有限频理论,对于某个特定震相的观测信息,不仅射线路径上的点对该信息具有影响,射线领域上的其他点对接收信息也具有影响,这种影响可以用核函数来表达.本文基于波动方程的Born近似与Rytov近似,给出了非均匀介质情况下初至地震波振幅与走时菲涅尔体层析成像单频、带限层析核函数的计算方法.通过对均匀介质情况下初至地震波菲涅尔体层析成像核函数解析表达式的理论模型实验与分析,给出了不同维度振幅、走时单频菲涅尔体的空间分布范围,进而给出了带限菲涅尔体边界的确定方法.将本文的走时菲涅尔体层析成像理论应用于表层速度结构反演中,理论模型试验与实际资料处理结果表明,初至波菲涅尔体地震层析成像方法比传统的初至波射线层析成像理论具有更高的反演精度.     

初至波相位走时层析

近地表速度结构通常是利用射线走时层析或菲涅尔体走时层析等反演方法得到的,但它们的目标函数仍利用射线走时残差构建,导致反演精度不高.为此,本文提出了基于散射积分算法的初至波相位走时层析成像方法.该方法的核心是:(1)提出了依赖于频率的相位走时概念;(2)利用依赖于频率的相位走时信息,而非单一的无限频率射线走时;(3)发展了一种改进的相位展开方法,即通过监测相位不连续性和2π周期判定来消除相位折叠现象;(4)考虑了地震波传播的有限频特征,即基于波动理论而非传统的射线路径或有限空间的菲涅尔体构建核函数.通过利用Overthrust模型的数值实验及与传统射线走时层析和菲涅尔体走时层析的对比表明:本文提出的方法是一种有效的初至波走时反演方法.同时,基于Overthrust模型的数值试验还证明了下列结论,即通过挖掘更多的走时信息的确可以获得更高的反演精度和分辨率.     

二维菲涅耳带共反射面元叠加方法研究

大量研究证明CRS叠加能提高地震勘探的信噪比,但是能否提高分辨率的关键在于如何确定CRS叠加孔径.本文详细探讨了地震波反射过程中菲涅耳带的特征,认为起伏地形下菲涅耳带可以采用椭圆予以近似,在此基础上提出了一种通过菲涅耳带来确定CRS叠加孔径的方法,并应用于泌阳凹陷陡坡带的地震剖面.结果表明,由于菲涅耳带确定的叠加范围使地震信号的能量达到最佳,相对于CMP叠加,菲涅耳带CRS叠加同时提高了地震资料的信噪比和分辨率,特别显示了中深部较弱的地震信息,而常规的CRS叠加则只在于提高资料的信噪比和改善浅部的地震信息.     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.     

基于网格走时计算的弯曲界面下菲涅尔体研究

为了研究弯曲界面曲率变化对分辨率的影响,首先推导了垂直入射下来自弯曲界面的反射波和透射波界面菲涅尔带近似的解析公式,证明了公式中曲率为零恰好对应已经被推导的平界面菲涅尔带的解析公式,然后给出了利用网格走时计算方法计算弯曲界面下反射波和透射波菲涅尔体的数值实现策略,这一实现策略同时保证了网格走时计算的精度和菲涅尔体计算的精度,最后对比了不同弯曲界面（不同曲率）下的菲涅尔体相对于平界面（曲率为零）下菲涅尔体的变化.研究结果表明,界面下高速时,向斜弯曲造成菲涅尔体在界面附近变宽,使得分辨率降低;背斜弯曲造成菲涅尔体在界面附近变窄,使得分辨率提高.并且向斜弯曲对分辨率的影响程度要明显大于背斜弯曲.而界面下低速时,结论正好相反.     

跨孔雷达全波形反演成像方法的研究

跨孔雷达全波形反演是一种使用全波形信息反演两钻孔之间地下信息的层析成像技术.常规的层析成像反演大部分采用射线追踪方法,其中基于初至时的射线追踪方法可以反演出速度剖面（介电常数剖面）,基于最大振幅的层析成像可以反演出衰减剖面（电导率剖面）.常规射线追踪方法有许多不足,究其原因是该方法仅使用了小部分的信号信息.为了进一步提高成像分辨率,本文全面推导了全波形跨孔雷达层析成像反演方法,该方法利用雷达波全幅度相位信息能够反演出地下高分辨率的介电常数和电导率图像.本文通过基于局域网的分布式并行算法,有效地解决了巨量数据正演计算问题.文中首先建立了基于单轴各向异性介质完全匹配层的时间域有限差分二维正演算法,进而通过应用包括时间维度在内的全波场信息与残场逆向传播的全波场信息乘积来计算梯度方向,通过求取以步长为自变量的目标函数的极值确定步长公式,并提出以第一次介电常数反演作为同步反演的初始模型,能够有效提高收敛速度.本文对多组模型进行成像实验,取得了较好的反演效果.     

Gabor变换参数对信号时频分辨率的影响

窗函数的衰减系数和采样间隔究竟对地球物理信号时频分辨率造成多大的影响,如何才能更好地消除这种影响,是该文的主要出发点。提高分辨率是信号时频分析处理的关键,在地球物理数据处理和属性参数提取等方面具有重要作用和广泛应用。该文研究了Gabor变换窗函数衰减系数选择正确与否和采样间隔对信号分辨率的影响。参数选择不当,不仅降低信号时频谱的分辨率,甚至要丢失信号。在用Gabor变换作时频分析时,通过模拟计算预先给出最佳窗函数和最佳参数范围是十分必要的。文中还给出了常规地震信号最佳采样间隔的范围和选择、处理方法。     

Resolution of GPR bowtie antennas: An experimental approach

Since target reflections directly depend on the emitted pulse characteristics, a key factor for carrying out a successful GPR survey is to know as much as possible about the transmission features of the antennas used. This information is very important in order to choose the right antennas and set the appropriate configuration parameters for a specific survey. With this in mind this paper deals with the development of a set of laboratory experiments on the resolution capabilities of three bowtie antennas at frequencies of 500, 800 and 1000 MHz. Results from these measurements give a first estimation of the resolution of the antennas under test, showing the advantage of performing experiments rather than relying only on theoretical assumptions. The results are also expressed in terms of the central wavelength for each antenna and compared with some theoretical estimations proposed in the specialized bibliography.     

Effects of Gabor transform parameters on signa time-frequency resolution

In this paper, it is described that the time-frequency resolution of geophysical signals is affected by the time window function attenuation coefficient and sampling interval and how such effects are eliminated effectively. Improving the signal resolution is the key to signal time-frequency analysis processing and has wide use in geophysical data processing and extraction of attribute parameters. In this paper, authors research the effects of the attenuation coefficient choice of the Gabor transform window function and sampling interval on signal resolution. Unsuitable parameters not only decrease the signal resolution on the frequency spectrum but also miss the signals. It is essential to first give the optimum window and range of parameters through time-frequency analysis simulation using the Gabor transform. In the paper, the suggestions about the range and choice of the optimum sampling interval and processing methods of general seismic signals are given.     

HFE在提高地震数据分辨率中的应用

提高地震数据分辨率是地震勘探中获得高质量数据的关键,而分辨率与信噪比的相互制约关系是高分辨率处理的根本问题。本文基于反褶积的基本原理,采用压缩子波的方法,对原始地震数据进行高频拓展法(High Frequency Expanding,HFE)处理。通过测试子波压缩参数,分析研究可选参数对地震资料分辨率和保真度的影响,确定最佳处理参数,并应用于实际地震资料处理中。应用结果表明,HFE处理后的地震资料,其品质得到了明显的改善,处理后的剖面弱反射带层间细节反射更为丰富,横向变化清晰,频带变宽,分辨率得到了很大提高。     

Estimation of a non-stationary prior covariance from seismic data

Non-stationarity in statistical properties of the subsurface is often ignored. In a classical linear Bayesian inversion setting of seismic data, the prior distribution of physical parameters is often assumed to be stationary. Here we propose a new method of handling non-stationarity in the variance of physical parameters in seismic data. We propose to infer the model variance prior to inversion using maximum likelihood estimators in a sliding window approach. A traditional, and a localized shrinkage estimator is defined for inferring the prior model variance. The estimators are assessed in a synthetic base case with heterogeneous variance of the acoustic impedance in a zero-offset seismic cross section. Subsequently, this data is inverted for acoustic impedance using a non-stationary model set up with the inferred variances. Results indicate that prediction as well as posterior resolution is greatly improved using the non-stationary model compared with a common prior model with stationary variance. The localized shrinkage predictor is shown to be slightly more robust than the traditional estimator in terms of amplitude differences in the variance of acoustic impedance and size of local neighbourhood. Finally, we apply the methodology to a real data set from the North Sea basin. Inversion results show a more realistic posterior model than using a conventional approach with stationary variance.     

地震层析成像中的不确定性

地震层析成像已经是一种常用的探测地球内部三维波速结构的地球物理方法。这些深部地球结构信息是人们深入认识地球的重要依据,同时由于地表地质过程往往取决于深部动力过程,因此深部结构已经开始受到了地质学家们的广泛重视。但地震层析成像方法众多,所得到的参数和精度可能有所不同,这给非地震学专业的研究人员在使用层析成像结果的过程中造成了极大的不便。为了更好地实现地球物理,地球化学和地质等多学科交叉应用,本文系统分析了地震层析成像结果中可能存在的不确定性,同时提出了相应的建议以帮助地质学家们能够正确对待层析成像结果中的不确定性并合理利用地震层析成像结果。     

谱比法地震衰减层析反演方法研究

由于地下介质对地震波能量有强烈的吸收作用,降低了地震资料的分辨率以及地震资料处理、解释的精度,因此选择合适的参数对地层吸收衰减情况进行有效描述是对地下构造进行高分辨率、高精度处理及解释的有效途径。目前品质因子Q是对岩石弹性参数进行有效描述的重要参数之一。用品质因子Q来衡量地震波能量在介质中传播的吸收衰减情况,是目前提高地震资料分辨率的有效方法,同时也是提高含油气地层解释精度的有效途径。近些年,许多学者提出了多种计算Q值的方法,其中谱比法是在实际中应用最为广泛的Q值估计方法。本文在前人方法的基础上,对谱比法进行了改进,并结合走时层析方法反演Q值,充分利用谱比法在精度、稳定性等方面的优势以及走时层析方法计算效率高的优点,不仅可以提高反演的精度而且能够保证反演的稳定性,提高计算效率。通过模型试算证明谱比法衰减层析方法能有效估计Q值变化情况,具有较好的发展前景。      

地震层析成像方法综述

本文从地震层析成像的模型参数化、正演、反演、解评估四个方面回顾了地震层析成像方法近期发展历程以及各时段地震层析成像方法的优、缺点.     

Towards large-scale stochastic refraction tomography: a comparison of three evolutionary algorithms

The main goal of this study is to assess the potential of evolutionary algorithms to solve highly non-linear and multi-modal tomography problems (such as first arrival traveltime tomography) and their abilities to estimate reliable uncertainties. Classical tomography methods apply derivative-based optimization algorithms that require the user to determine the value of several parameters (such as regularization level and initial model) prior to the inversion as they strongly affect the final inverted model. In addition, derivative-based methods only perform a local search dependent on the chosen starting model. Global optimization methods based on Markov chain Monte Carlo that thoroughly sample the model parameter space are theoretically insensitive to the initial model but turn out to be computationally expensive. Evolutionary algorithms are population-based global optimization methods and are thus intrinsically parallel, allowing these algorithms to fully handle available computer resources. We apply three evolutionary algorithms to solve a refraction traveltime tomography problem, namely the differential evolution, the competitive particle swarm optimization and the covariance matrix adaptation–evolution strategy. We apply these methodologies on a smoothed version of the Marmousi velocity model and compare their performances in terms of optimization and estimates of uncertainty. By performing scalability and statistical analysis over the results obtained with several runs, we assess the benefits and shortcomings of each algorithm.     

地球层析成像在减轻灾害中的作用

目的说明地球层析成像一词的含义和它所包括的分支有:地震层析,电阻率层析,大地电磁层析,磁共振成像, 地震破裂面照相以及探地雷达成像等.概括当前这几种手段的成就,所能达到的成像精密度, 用现代的计算方法、反演地下介质速度、衰减Q值、密度、孔隙度分布、介质破裂程度,可提高震源定位精度,再借鉴医学上检测癌细胞发生、发展过程的模式,建立相应的预测模式.判断未来破坏性地震的孕震结构,发展趋势,以及地下水与电阻率图像随季节变化的关系.初步阐明地球层析成像在减轻地震灾害、洪水灾害与火山喷发灾害中的作用.将地电阻率层析与磁共振测深成像相结合应用于探测地下水的一些基本分布特征,判定潜伏断层的特征,追踪电阻率异常区其附近的电性精细结构,分辨率可以达到1米左右.结合起来可探测地下裂隙分布,发现活断层,对高层建筑物(80米以上)和大型桥梁、水坝、堤防的安全性评价具有重要作用,以便及早加固,以减轻损失;结论利用上述地球层析成像的几种手段,可以探测地下活动断层、孕震结构和地下水与电阻率随季节的变动,为判定高楼和堤坝的安全性提供依据,在减轻灾害中发挥日益重要的作用.