基于洗牌蛙跳算法的瑞雷波非线性反演（英文）

目前,各种主、被动源瑞雷波勘探方法在近地表探测中扮演着日益重要的角色,利用瑞雷波频散曲线反演可以得到近地表横波速度信息,但是瑞雷波频散曲线反演问题是高度非线性的全局优化问题。为了缓解陷入局部最优解的风险,本文将一种新的全局优化方法一洗牌蛙跳算法引入到瑞雷波频散曲线反演中。洗牌蛙跳算法是一种群智能优化算法,通过模拟青蛙种群的觅食行为来实现最优化问题的求解,具有计算速度快,需要调整的参数少,全局寻优能力强的优点。为了检验洗牌蛙跳算法的可靠性和计算能力,首先对不含噪声和含噪声的四层理论模型进行了反演试算。然后,利用不含噪声数据对洗牌蛙跳算法与粒子群优化算法进行比较分析。最后,对实际数据进行反演,以检验洗牌蛙跳算法的实用性。理论地层模型和实际数据的测试结果表明:洗牌蛙跳算法可以有效地定量解释瑞雷波频散曲线,收敛速度、反演精确总体优于经典粒子群优化算法与改进粒子群优化算法,具有很大的发展潜力。     

改进蜂群算法及其在面波频散曲线反演中的应用

应用改进蜂群算法反演面波频散曲线以获得近地表横波速度剖面.蜂群算法属于群智能算法中的一种,灵感来源于蜜蜂群体特定的觅食行为,在该算法的基础上结合粒子群算法中的全局最优解引导思想,同时引入遗传算法中交叉运算操作,即采用基于交叉操作的全局人工蜂群算法对面波频散曲线进行反演研究.改进蜂群算法在继承传统算法精于探索特性的同时,针对其疏于开发的缺陷着重加强了算法对全局的探索能力.使用理论和实测瑞雷波数据,本文研究了改进蜂群算法在推导近地表横波速度分布的有效性和适用性.在反演中,目标函数的收敛性好,改进算法在迭代的过程中能够快速收敛到全局最优;模型参数的概率分布高,即在寻找到全局最优解的同时,能够确保解中每个参数同时达到最优,保证了反演的结果可靠度,使其能有效地应用于瑞雷波频散曲线的反演和解释中.     

自适应对数螺旋路径萤火虫算法反演瑞雷面波频散曲线

瑞雷面波技术是浅地层地质勘探的重要手段之一,通过瑞雷面波频散曲线反演可有效获得地下横波速度模型.然而,瑞雷面波频散曲线反演具有多参数、多极值和非线性等特点,面对复杂地震-地质条件下的瑞雷面波资料处理,传统方法难以快速、精确地对地层参数进行反演和重建.本文将自适应对数螺旋路径萤火虫算法(Adaptive Logarithmic Spiral-Lévy Firefly Algorithm,简称ALSL-FA)引入到瑞雷面波频散曲线反演中,有效解决了经典萤火虫算法(Firefly Algorithm,简称FA)精于探索,疏于开发的缺点.ALSL-FA集成了对数螺旋引导萤火虫路径,并在搜索过程中通过自适应切换因子实现了全局搜索与局部开发自适应切换,在增强局部开发能力的同时,确保了全局搜索的能力.通过Rastrigin函数求解,对比分析了FA、Lévy飞行萤火虫算法(Lévy Flying Firefly Algorithm,简称LF-FA)和ALSL-FA的运算性能;通过速度递增和含高速硬夹层地质模型的瑞雷面波频散曲线反演,比较了人工蜂群算法(Artificial Bee Colony alg...     

基于局部优化粒子群算法的背景噪声反演

从背景噪声中提取瑞雷波频散曲线并通过反演获得地下横波速度结构已被广泛应用于大尺度的地下结构探测和小尺度的工程勘探中.基于频散函数的反演目标函数可以有效解决多阶模频散曲线联合反演的模式误判问题,然而其广泛分布的局部极值导致更为严重的多解性,在大范围的参数搜索空间下很难获得最优解,需要搭配全局搜索性能强的优化算法.本文提出局部优化粒子群算法(PSOG),通过粒子迭代过程中引入局部优化方法提高种群多样性,避免陷入局部极值并加快收敛速度.为验证新算法的有效性,结合基于久期函数的目标函数对理论合成数据进行反演,结果表明,局部优化粒子群算法比传统算法的稳定性与准确性都有显著提高.处理了上海苏州河地区的背景噪声数据,成功地对古河道切割造成的软弱层进行成像.PSOG算法与新型反演目标函数的结合在背景噪声勘探的工程应用上具有巨大潜力.     

基于萤火虫算法的雷瑞波非线性反演(英文)

雷瑞波具有强振幅、低频和低速的特点,在反射地震勘探中通常是需要被压制的强噪声。本文研究如何利用雷瑞波获取近地表地层的横波速度和地下结构,选取萤火虫优化算法进行面波的反演,萤火虫优化算法是一种新的粒子群算法理论,具有稳定、快捷、全局搜索等特点。针对萤火虫优化算法优缺点进行了讨论和改进,通过对理论模型和野外数据的测试应用,将提取的瑞利面波频散曲线反演得到横波速度信息。结果表明萤火虫优化算法能实现面波非线性反演,并具有分辨率高、抗干扰能力强等优点和实际使用前景。     

基于萤火虫和蝙蝠群智能算法的瑞雷波频散曲线反演

反演瑞雷波频散曲线能有效获取地层横波速度和厚度.但由于其高度的非线性、多参数、多极值等特点,传统的全局搜索方法易出现收敛速度慢、早熟收敛及搜索精度低的问题.鉴于此,本文提出并测试了基于萤火虫优化算法（FA）和带惯性权重的蝙蝠优化算法（WBA）的新的瑞雷波频散曲线反演策略.在瑞雷波频散曲线反演中,FA全局搜索能力强,但后期搜索精度低,而WBA局部搜索能力强,搜索精度高,但易出现早熟收敛.故本文将二者结合,提出了一种新的优化策略,称其为WFBA,即在反演前期使用FA,后期使用WBA,很好地解决了FA后期搜索精度低及WBA早熟收敛的问题.本文首先反演了三个典型理论模型的无噪声、含噪声的数据,验证了WFBA对瑞雷波数据反演的有效性与稳定性.然后将WFBA与WBA、FA单独反演以及不含惯性权重的FBA和粒子群优化算法（PSO）反演的结果进行了对比,说明了WFBA相对于WBA、FA、FBA和PSO具有更稳定、收敛速度更快、求解精度更高等优点.最后,反演了来自美国怀俄明地区的实测资料,检验了WFBA对瑞雷波数据反演的实用性.理论模型试算和实测资料分析表明,WFBA很适用于瑞雷波频散曲线的定量解释,具有很高的实用性价值.     

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中,频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上,提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性,通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性,通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性,聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好,精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中,结果也验证了该方法的有效性.     

多模式瑞雷波频散曲线的粒子群反演方法研究

通常情况下对于瑞雷波频散特性的讨论和分析主要针对其基阶模式.实际上,对于某一给定频率,可能会有多个不同相速度满足频散方程,即存在高阶模式.为了获得更精确的横波速度信息,应适当地在反演过程中加入高阶模式的频散曲线.本文从简单的三层层状介质模型出发,利用频散函数的正演计算得到多模式的频散曲线,并采用改进的粒子群算法分别对基阶模式和多模式频散曲线进行反演.研究结果表明:多模式频散曲线的反演结果相对于基阶模式而言,可靠性和分辨率在一定程度上得到了很大的提高.     

基于广义模式识别面波基模式频散曲线反演研究

面波多道分析方法(MASW)是获取垂向剪切波速度剖面的一种有效方法。频散曲线反演是MASW中关键的一步。由于瑞雷波频散曲线反演具有非线性、多参数和多极值的特征,这对于常规的局部线性化反演方法是极大的挑战。为此,本文采取确定性的全局优化算法,广义模式识别算法(GPS)对瑞雷波频散曲线进行反演。其原理可以简述为:算法首先通过模式以确定性的方式对目标函数进行采样来搜索一个点序列;然后使序列中每一个点到下一个点的目标函数值逐渐减少,从而使点序列逐渐逼近全局最优解,最后的解便为待求的最优模型参数。为验证GPS的有效性,首先利用设计的3种典型的6层地质模型通过快速矢量传递算法正演模拟产生基模式频散曲线(频率范围为5~101Hz,频率间隔为2Hz,频点数为49),并对理论频散曲线进行反演。反演结果表明,模型的真实值已经被高度精确地重建。说明GPS可以用于实际勘探中的基模式频散曲线反演。为进一步验证GPS的有效性,在吉林大学校园采集瑞雷波实测数据,并提取基模式频散曲线,应用GPS进行反演。反演重建的横波速度剖面与先验的地质信息吻合得很好。理论模型和真实数据的反演结果表明,GPS可以应用在瑞雷波频散曲线非线性反演中。      

软地层横波速度的偶极随钻测井反演

在电缆测井中,可以利用偶极声场中的弯曲波反演软地层的横波速度.然而,在随钻声波测井(LWD)中,钢制钻铤的存在使得井孔结构变得复杂,同时改变了井孔声场,弯曲波也变得难以测定.此外,弯曲波与钻铤波耦合在一起,使得地层横波速度的反演变得困难.本文计算分析了随钻声场的频散曲线和激发曲线,注意到了偶极舒尔特波在较宽频带内速度频散很弱,特别是在本文研究的软地层情况下,偶极舒尔特波速度在3至25kHz的频率范围内几乎为一个常值,并且该值与地层横波速度存在一一对应关系.舒尔特波速度远小于其他模式波速度,与其他模式波在时域上易分离.相对于其他地层参数,舒尔特波对地层横波速度十分敏感.因此,它可以用来反演软地层的横波速度.     

改进的等效半空间法及瑞雷波频散曲线反演

层状模型的理论频散曲线表明，层状模型表面瑞雷波同一频率对应的相速度具有多值特点，这就是所谓的瑞雷波多阶性. 面波的多阶性导致了实测频散曲线的复杂性，当地层中存在软弱夹层时这一问题尤为突出，从而给实测频散曲线的解释带来了困难. 本文从工程实用的角度出发，根据等效半空间理论，提出了一种计算理论频散曲线的新算法——改进的等效半空间法，避开了面波多阶性这一复杂问题. 由此方法计算得到的面波相速度并不同于某个具体阶数的面波，而是对多阶面波的综合反映. 按照改进的等效半空间法编制了拟合反演程序，并在工程中进行了运用，取得较好的效果.     

瑞利面波频散曲线贝叶斯反演及其在活断层调查中的应用

瑞利波具有强能量和频散特性,面波勘探采集瑞利面波数据分析反演得到横波速度结构,在浅地表勘探领域得到了广泛的应用,根据面波频散反演速度结构是面波勘探的重要环节之一.面波频散与地下介质的弹性参数是非线性关系,全局优化方法是解决非线性反问题的有效办法,贝叶斯方法是一种基于统计的全局优化方法.贝叶斯公式反映了先验信息和条件概率乘积与后验概率之间的正比关系,利用马尔科夫链蒙特卡洛采样方法可以获得后验分布的采样.与其他方法相比,该方法不是给出一个模型最优解,而是统计出模型参数的平均值和方差,平均值即是反演的模型解,方差能对该反演结果的不确定性做出评价.本文采用贝叶斯方法对模拟和实测瑞利面波数据频散曲线进行反演,结果显示,该方法能获得比较精确的横波速度和厚度参数,验证了本文方法可行.在高丽营地区采集了多个单炮面波数据,对数据进行频散谱处理拾取频散曲线,通过贝叶斯反演方法获得了该测线二维横波速度剖面图,有助于划分和解释该测区地层及断层地质构造.     

四种典型地层的瑞雷波“之”字型频散曲线数值模拟研究

虽然MASW技术已经广泛地应用于地基检测中,但由于缺少大量理论指导,特别是数值模拟方面的研究,其应用受到限制.本文基于有限元软件LS-DYNA,通过数值模拟研究了四种典型地层（递增型地层、含软弱下伏层地层、含软弱夹层地层和硬夹层地层）由MASW方法提取的瑞雷波频散曲线的“之”字型特征.发现对于递增型地层,频散曲线不会出现“之”字型,对于其他三种地层,频散曲线则会出现不同类型的“之”字型,其中含软弱夹层地层“之”字型的位置和尺寸与软夹层的位置和层厚有较好的对应关系.本文的研究结果为实际工程中利用瑞雷波频散曲线的形状判定地层类型和软弱夹层位置提供了重要参考.     

VTI地层井孔模式波理论频散计算时伪极点的影响

波的频散特征在声波测井中有着十分关键的作用.VTI地层下井孔模式波的理论频散曲线可根据频散方程求解.本文首先采用常用的耦合位移势函数对应的频散方程进行了VTI地层斯通利波理论频散曲线的求解.结果发现,在一定各向异性强度范围内,会得到两种计算结果:一条常规斯通利波频散曲线和一条非频散曲线.这是频散矩阵行列式在该模型下存在两个零点导致的.进一步采用一种对称形式的位移势函数推导的对称频散矩阵时分析发现,非频散曲线对应的零点k~2-q~2_p=0为频率—波数响应函数的一个伪极点.经分析,在横波速度范围内,满足伪极点存在的Thomsen参数γ有一定范围,通常在弱各向异性地层中存在.且满足伪极点存在的Thomsen参数γ范围与地层泊松比成负相关,泊松比越小,满足伪极点存在的γ范围越大.在计算理论频散曲线时应消除k~2-q■这一公因式的影响,避免得到错误的计算结果,进而影响各向异性反演等计算结果.     

瑞利波勘探中“之”形频散曲线的形成机理及反演研究

对瑞利波勘探中“之”字形频散曲线形成的物理机理进行了理论分析,研究了诸波模的传播特性及相互关系．指出在地表下存在具有水平界面的软弱夹层和地层裂缝时,瑞利波频散曲线中的“之”字形结构是低速夹层或地层裂缝中出现多模现象的结果．利用阻尼最小二乘法和遗传算法对瑞利波频散曲线反演介质参数进行了研究和分析,发现最小二乘法不适合瑞利波“之”字形反演问题研究,而用遗传算法得到了较好的结果．     

利用噪声记录估计福建地区中上地壳体波速度结构

本文利用福建地震台网25个宽频带台站的噪声记录提取瑞利波和勒夫波频散曲线反演地壳波速结构,并利用爆破观测结果对该速度模型进行检验.结果表明:利用该方法得到的地壳波速结构在浅部分辨率较好,深部波速结构的反演结果精度较低,这主要是由于本文所选台站间距较小,提取得到的面波频散曲线在短周期部分精度较高,而长周期部分面波频散曲线的偏差较大.综合噪声反演结果与传统反演结果,本文最终给出了一个新的速度模型,利用该模型计算得到的理论走时与爆破观测走时具有很好的一致性.     

横向非均匀介质多道瑞雷波频散曲线正演

作为近地表横波速度结构成像的主要手段之一,面波多道分析法的正问题研究对现场观测系统设计及后续反演计算具有重要意义.目前面波频散曲线的正演主要分为两类:一是对水平层状介质中面波的本征值问题进行求解,该类方法计算效率高但较难考虑地下介质在横向上的不均匀性;二是基于波动方程的全波场模拟,该类方法在理论上可考虑任意复杂的地质模型但计算成本相对较高.本文基于振幅归一化加权的聚束分析,提出了一种适用于横向非均匀介质模型的多道瑞雷波频散曲线正演方法.首先,基于聚束分析的计算公式推导得到了经振幅归一化加权后输出功率谱中相速度与局部相速度之间的关系,然后通过黄金分割极值搜索算法计算得到了多道瑞雷波数据的理论频散曲线.数值分析结果表明,该算法能够快速地实现横向非均匀介质中多道瑞雷波频散曲线的正演计算,所求取的频散曲线与采用二维弹性波时间域有限差分模拟分析得到的结果误差较小,这在一定程度上说明了该计算方法的可靠性,从而可为面波多道分析法中的观测系统快速优化设计以及横向非均匀介质中频散曲线的反演解释提供理论支撑.     

广义S变换在瑞利波频散曲线提取中的应用

虽然一些时频分析方法已经被用于频散曲线提取中,但是它们自身时频窗的缺陷使的所得频散曲线信息缺失或错误.本文首次尝试利用广义S变换分析瑞利波的频散特性.以半空间模型为例确定方法的可行性,频散曲线变化准确反映地层变化情况.不同炮检距设置对频散曲线有一定影响,采用大于勘测深度,小于4倍勘测深度可以得到较稳定的结果.最后,为了得到更加光滑稳定的频散曲线,提出了一种基于多道瑞利波的改进方法.用此方法对四种典型地层模型下的多道瑞利波数据进行分析,得到频散曲线光滑稳定,且比理论频散曲线和基于单道法获得频散曲线更能准确反映地层变化情况.这就为瑞利波勘探中的反演解释提供了更可靠依据.     

套管井偶极弯曲波频散向高频偏移的特性

对套管井偶极弯曲模式波的频散特性进行了系统的数值考察、实例对比和分析.发现套管井弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低,特别是地层横波速度小于2000 m·s^-1以下,会迅速移向高频区,偶极弯曲波基础模式主频散区（或截止频率）可出现在13 kHz以上,以致超出了现行低频偶极子声波测井仪的激发与接收频带,这是一过去没有被研究者注意到的现象,并进一步被现场实例所证实.研究表明控制套管井弯曲波频散曲线主频散区位置的主要是钢套管的厚度和地层横波速度.对地层横波速度大于井孔流体声速的快速地层,在钢套管壁厚一定（8 mm）的情况下,频散曲线主频散区可移至11 kHz以上,可能出现的最大可能频域位置是同一井孔内径,井外全钢时的频散曲线上等于、小于地层横波速度那一段,这对各种地层和套管参数都是适用的.对地层横波速度小于等于井孔流体声速（1500 m·s^-1）的慢速地层,弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低移向高频区的特点更为明显,可能移至16 kHz以上;而套管厚度的影响,也比快速地层大的多,对地层横波速度小于1380 m·s^-1的慢速地层,无论用多高的频率激发,都不能在现行使用的各类套管井（壁厚6~12 mm）中用偶极声波测井仪测到弯曲模式波.     

基于粒子群算法的页岩孔隙结构反演及横波速度预测

提出了基于粒子群算法的页岩孔隙纵横比反演以及横波速度预测的方法.基于岩石物理模型,建立岩石纵、横波速度与密度、孔隙度和矿物组分等参数之间的定量关系,利用传统遍历搜索方法和粒子群算法两种方法计算最佳孔隙纵横比,使理论纵波速度与实际纵波速度的误差最小,并以孔隙纵横比作为约束进行横波速度预测,将预测结果与实测横波速度对比,验证了粒子群算法的有效性和精确性.反演结果表明页岩部分的孔隙结构比围岩部分的孔隙结构更加的稳定,利用粒子群算法的预测结果比利用传统算法的预测结果更加准确.