退化的Fourier偏移算子及其在复杂断块成像中的应用

波动方程宽角抛物逼近得到的通常是非常系数的单程波传播算子，其系数是速度横向变化的函数，因此需要利用有限差分(FD)进行数值实施. 通过对Lippmann Schwinger单程波动积分方程的退化核逼近,本文研究了一类宽角退化算子的偏移成像. 这种退化偏移算子只用快速Fourier变换进行波场延拓，将常规的Fourier分裂步地震偏移方法(SSF)推广适应强速度横向变化介质和大角度传播波场. 退化的Fourier偏移算子通过在两个分裂步项之间作波数域线性插值来实现波场延拓，每延拓一层需要比常规的SSF地震偏移方法多一次快速Fourier变换(FFT). 通过SEG/EAGE盐丘模型和实际地震资料的应用表明，退化Fourier偏移算子能很好地对盐下的陡倾角断层和实际地震剖面上的复杂小断块和大断裂地质构造成像.     

大步长波场深度延拓的理论

波场延拓是地震偏移成像的基础. 快速进行目标区波场延拓对石油勘探中急需发展的深部地震勘探和无组合海量地震数据的成像有重要意义. 在目标区成像中，目前已有的波场延拓方法，包括基于走时计算的Dix方法和射线追踪方法，以及基于小步长波场递推的方法，在适应复杂介质、计算精度和计算效率的某一方面还不能完全满足实际需要. 本文提出一种基于“算子相位”李代数积分的快速计算延拓算子的方法，称为大步长波场延拓方法. 在该方法中，指向目标区的波场延拓算子象征的复相位被表示成波数的线性组合. 线性组合的系数是层速度函数及其导数的深度积分，计算和存储较为方便. 波场延拓算子通过相移算子加校正的方法，利用快速Fourier变换在空间域和波数域予以实现. 利用动力学等价关系导出了便于计算的表达式. 本文比较了算子主象征函数用一步法展开和用两步法展开的精度，从而说明大步长方法的精度要高于递推方法. 在横向和纵向线性变化介质中，将大步长方法的脉冲响应与递推法做了比较，说明大步长延拓算子的走时精度主要取决于相移因子中的横向变速校正项；且在各种近似下，大步长算子发生的频散都非常小.     

三维非均匀介质中真振幅地震偏移算子研究

利用三维非均匀介质中的波动方程,进行振幅保真波场偏移算子分解,得到用于真振幅偏移的单程波方程. 经过数学推理,导出裂步Fourier法真振幅偏移和Fourier有限差分法真振幅偏移的算子方程,并给出其具体的实现过程.     

基于耦合反射/透射系数单程波传播算子的地震波模拟研究

单程波近似实际上是一种多次前向散射和单次后向散射近似.利用单程波近似来描述波传播可以极大地节省地震数值模拟的计算时间和内存,实现地震波长距离传播模拟和三维地震模拟快速计算.本文基于单程波近似和波动积分方程的分离变量逼近,从广义Lippmann-Schwinger波动积分方程推导出耦合反射/透射系数的单程波传播算子.该算子由两部分构成：分离变量Fourier单程波传播算子和薄板间的反射/透射系数表达.前者将常规的Fourier分裂步单程波传播算子(SSF)推广适应横向强速度变化介质和大角度传播波场.后者是利用垂直波数来表示反射/透射系数,自然耦合到波场传播的计算过程中,其为地质界面倾角的隐式表达,精确描述振幅随入射角的变化,能适应任意复杂的模型.通过两个数值算例和一个实际地质模型的计算,本文将该方法和边界元法进行了比较,结果表明：在算例给出的介质横向速度变化情况下,本文提出的方法在相位和振幅方面与全波数值方法基本吻合.     

Helmholtz算子逆的多方向分裂

Fourier有限差分(FFD)方法是一个重要的波场深度延拓方法，它需要用到包括Taylor展开、连分式晨开、迭代展开等一系列数学展开，将FFD方法从二维推广到三维时，需要解决二维Helmholtz算子的求逆问题。本文利用多方向分裂方法导出了二维Helmholtz算子逆的近似公式，可以应用于三维波场深度延拓问题的研究。     

单程波李代数深度积分的精度分析和算法改进

本文在利用拟微分算子和象征理论研究单程波传播规律的基础上,详细分析了单平方根算子李代数深度积分存在的问题,利用改进的算法对单平方根算子进行大步长延拓,计算其李代数积分和指数映射,得到地震波走时的解析表达式.对方法改进前后李代数积分象征中系数校正情况和线性横向变速介质中走时的计算误差进行了对比,数值算例表明,改进后的方法收敛更快,减少了计算时间且提高了计算精度.     

地震偏移的最优可分近似算法实现

针对地震偏移算法中单程波算子的特征函数近似，采用最优可分表示法将该特征函数展开为空间变量(g)和水平波数(k)的可分表达式，以此可分近似表达式为基础，运用正反Fourier变换重新构造单程波算子. 为了克服特征函数最优可分近似计算在奇点及其领域产生的数值振荡，引入等价黏性技巧以增强算法的数值计算稳定性，并采用分频最优可分及对空间变量(g)线性插值的方法，不仅提高了计算精度，也节约计算机时. 文中具体研究了单程波算子的脉冲响应和二维叠前深度偏移. 结果表明，在不甚大步长情况下，本文构造的算子具有适应横向强变速的能力，运用Marmousi模型验证了本文方法适合复杂构造的成像.     

大步长单程波算子相位积分实现方式初探

大步长单程波算子是穿过厚层的单程波算子的积分,在理论上它可以通过频率波数域表达式和波数域到空间域变换来实现,目前,通过李代数积分和指数映射的研究,已经导出频率波数域表达式,需要研究波数域到空间域变换的实现方式,波数域到空间域的变换可以通过鞍点法和相位积分来实现,本文研究了相位积分的三种实现途径:分裂方法、相移加插值方法和佳格点方法,在相移加插值方法中提出一种波场"角度域插值"的插值方法.     

地震逆散射波场和算子的谱分解

本文对地震逆散射的研究，旨在于为抑制层间多次波和地震波场多重散射对一次反射干扰效应提供理论依据.这对薄互层地层滤波的高频恢复、保幅弹性反演、衍射地震勘探及海洋地震勘探中的干扰消除皆具重要意义.本文基于上下行波分解及弹性波互易定理，导出横向变速介质条件下线性预测算子的表达式和反射数据的广义谱分解方程. 文中先由上覆地层广义反射透射矩阵的元素定义线性预测算子，并将其表示成一系列单程波算子的线性组合,之后将横向变速介质条件下线性预测方程表达为反射数据与线性预测算子及其逆的乘积. 对该方程的求解可获得上覆地层的线性预测算子，从而可借以求出相应的反射透射算子. 本文先将水平层状介质条件下垂直入射的一维线性预测方程推广到斜入射的情况，以此为参照，导出横向非均匀介质条件下反射数据的地震逆散射广义谱分解方程.文中也揭示了单程波地震逆散射算子、反射透射算子的性态.本文还针对水平层状介质条件，给出斜入射的数值结果.     

局部角度域波传播步进算法研究

本文从非均匀介质中波动方程出发，提出了基于一般标架的相空间（局部角度域）波传播的步进算法. 该方法在构造单程波的步进算法时,在选择标架或正交基等方面有更大的自由度. 我们以不随频率及深度变化且具有变尺度特性的Gabor_Daubechies紧标架为例，给出了单程波传输算子的具体形式及相应的波场步进算法；详细讨论了基于Gabor_Daubechies标架的传输算子的高频渐近展开问题，得出了在高频、小传输步长条件下传输算子的近似解析表达式，并给出使用条件. 通过模型算例，比较了精确传输算子与高频近似传输算子用于非均匀介质中波传播的结果，说明在一定条件下由两者得出的波场几乎是相同的.     

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征,提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格,连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子,推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项,可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差,有效地减少模拟结果的数值频散,提高模拟精度.然而,在非均匀介质中,直接计算该二阶的波场延拓算子,每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换,其中N是总的网格点数.为了减少计算量,提出了交错网格低秩分解方法;针对常规有限差分数值频散问题,本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合,提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明,交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度,对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

单程波最优化可分近似偏移方法精度分析(英文)

单程波算子的可分近似形式是关于空间变量和波数变量的函数,这使得快速傅里叶变换的利用成为可能,从而极大提高了计算效率。从函数近似的角度来看,最优可分近似方法与其他几种可分近似方法一样都具有单程波算子可分表达的形式,但最优可分近似方法是其中唯一的函数整体近似的方法,这就造成了该方法在相位误差曲线、脉冲响应、模型偏移结果上表现出与其他可分近似方法不一样的特征:该方法精度较高,且随着阶数的增大,对速度变化的敏感度降低。     

VSP时空域高角度单程波方程偏移及其应用研究

偏移成像是VSP数据处理中的一个重要环节,常规的VSP成像方法通常利用VSP-CDP转换或Kirchhoff偏移,均存在保幅性差及成像精度低等问题,而波动方程叠前深度偏移被认为是对地下复杂构造进行成像的精确偏移方法.任意广角波动方程作为一种高精度的空间域单程波波动方程,同时由于只含有二阶偏导数项,易于数值实现,与其他单程波波动方程相比,具有更大的成像倾角,因此是偏移成像的有力工具之一.本文将AWWE推广应用到VSP数据成像中,实现了VSP时空域高角度单程波方程偏移.首先从三维标量任意广角波动方程出发,推导了完全匹配层吸收边界条件,在基本不增加计算量的前提下有效地压制了边界反射成像噪音,同时利用非线性反演算法优选参考速度来提高平方根算子的近似程度,从而提高高角度地层的成像精度.模型数值模拟实验验证了该方法的有效性,同时表明该方法在陡倾角构造情况下能取得很好的成像效果.最后对某地区实际观测的VSP资料进行了偏移成像,并与地面地震偏移结果进行了对比,显示出VSP波动方程偏移在成像分辨率上的优势.     

最优可分表示法三维波场延拓

适于复杂介质的高精度波场延拓算子是叠前深度偏移研究的重要内容。本文采用最优可分表示方法,运用正反傅立叶变换构造了三维单程波场延拓算子,算子实现了波数域变量与空间(速度)域变量分离。波数域内进行相移计算,在空间域对因介质横向变速引起的时移作修正。脉冲响应显示在区域内各速度的脉冲计算值与理论值基本一致,说明最优可分表示法叠前深度偏移可适用于强变速条件下复杂介质的成像需求。SEG／EAGE模型和实测数据的成像结果验证了本文方法对复杂构造的成像能力。     

3D wavefield extrapolation with optimal separable approximation

An accurate and wide-angle one-way propagator for wavefield extrapolation is an important topic for research on wave-equation prestack depth migration in the presence of large and rapid velocity variations. Based on the optimal separable approximation presented in this paper, the mixed domain algorithm with forward and inverse Fourier transforms is used to construct the 3D one-way wavefield extrapolation operator. This operator separates variables in the wavenumber and spatial domains. The phase shift operation is implemented in the wavenumber domain while the time delay for lateral velocity variation is corrected in the spatial domain. The impulse responses of the one-way wave operator show that the numeric computation is consistent with the theoretical value for each velocity, revealing that the operator constructed with the optimal separable approximation can be applied to lateral velocity variations for the case of small steps. Imaging results of the SEG/EAGE model and field data indicate that the new method can be used to image complex structure.     

3-D acoustic modeling by a Hartley method

Numerical methods using the Hartley transform are described for the simulation of 3-D wave phenomena with application to the modeling of seismic data. Four topics are covered. The first deals with the solution of the 3-D acoustic wave equation. The second handles the solution of the 3-D two way nonreflecting wave equation. The third involves modeling with an areal source. The fourth treats wave phenomena whose direction of propagation is restricted within ± 90° from a given axis.The numerical methods developed here are similar to the Fourier methods. Time stepping is performed with a second-order differencing operator. The difference is that expressions including space derivative terms are computed by the Hartley transforms rather than the Fourier transforms. Being a real-valued function and equivalent to the Fourier transform, the Hartley transform avoids computational redundancies in terms of the number of operations and memory requirements and thus is more efficient and economical than the Fourier transform. These features are crucial when dealing with 3-D seismic data. The numerical results agree with the analytical results. The use of areal source in modeling can efficiently provide data for testing some schemes that deal with the areal shot-records. Using the transform methods, we can impose constraints on the direction of the wave propagation most precisely in the wavenumber domain when attempting to restrict propagation to upward moving waves. The implementation of the methods is demonstrated on numerical examples.     

Wavefield interpolation in 3D large‐step Fourier wavefield extrapolation

Extrapolating wavefields and imaging at each depth during three‐dimensional recursive wave‐equation migration is a time‐consuming endeavor. For efficiency, most commercial techniques extrapolate wavefields through thick slabs followed by wavefield interpolation within each thick slab. In this article, we develop this strategy by associating more efficient interpolators with a Fourier‐transform‐related wavefield extrapolation method. First, we formulate a three‐dimensional first‐order separation‐of‐variables screen propagator for large‐step wavefield extrapolation, which allows for wide‐angle propagations in highly contrasting media. This propagator significantly improves the performance of the split‐step Fourier method in dealing with significant lateral heterogeneities at the cost of only one more fast Fourier transform in each thick slab. We then extend the two‐dimensional Kirchhoff and Born–Kirchhoff local wavefield interpolators to three‐dimensional cases for each slab. The three‐dimensional Kirchhoff interpolator is based on the traditional Kirchhoff formula and applies to moderate lateral velocity variations, whereas the three‐dimensional Born–Kirchhoff interpolator is derived from the Lippmann–Schwinger integral equation under the Born approximation and is adapted to highly laterally varying media. Numerical examples on the three‐dimensional salt model of the Society of Exploration Geophysicists/European Association of Geoscientists demonstrate that three‐dimensional first‐order separation‐of‐variables screen propagator Born–Kirchhoff depth migration using thick‐slab wavefield extrapolation plus thin‐slab interpolation tolerates a considerable depth‐step size of up to 72 ms, eventually resulting in an efficiency improvement of nearly 80% without obvious loss of imaging accuracy. Although the proposed three‐dimensional interpolators are presented with one‐way Fourier extrapolation methods, they can be extended for applications to general migration methods.     

适于Kirchhoff叠前深度偏移的地震走时李代数积分算法

本文基于拟微分算子理论和李代数积分法,根据程函方程和波场坐标变换,提出一种新的适于横向变速介质Kirchhoff叠前深度偏移的地震波走时算法.该算法与Kirchhoff叠前时间偏移所用李代数时间积分表达相比,差异在于增加了波数一次项,且二次项的系数在求积时亦需进行修正.针对单平方根算子象征、李代数积分、指数映射和走时多项式的求解而言,皆需对以往Kirchhoff叠前时间偏移中所用算法进行深化调整.文中数值算例对比了本文李代数积分表达与时间积分的区别,本算法计算结果与线性横向变速介质中的理论值相当吻合.通过走时多项式中各项对结果的影响分析,可知非对称项使计算精度得到了进一步提高.数值试验表明,本算法对横向变速介质中走时求取是可行的,且不需要存储海量走时表,有利于提高Kirchhof叠前深度偏移的精度和效率.