基于粒子群算法的瑞雷波频散曲线反演研究

瑞雷波频散曲线反演的本质是对目标函数求极值的过程.传统的线性局部反演算法容易陷入局部极小值,增加了反演结果的不确定性.粒子群算法作为一种全局非线性优化手段,能够保证各搜索空间内局部寻优的同时,逼近全局最优,保证迭代反演的收敛性.建立含软夹层型地层模型,正演计算得到理论频散曲线,采用粒子群算法反演得到的横波速度与模型高度吻合.同时,在理论频散曲线中加入10%的高斯白噪声,粒子群算法的反演结果仍然具有很好的可靠程度.通过对实测频散曲线的反演表明:粒子群算法在含软夹层型地层的横波速度探测中相对于最小二乘法优势明显,具有很高的应用价值.     

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.

     

基于改进海洋捕食者优化算法和瑞雷波频散曲线的近地表地层参数反演

面波勘探是获取近地表地质结构的重要手段,利用瑞雷波频散曲线可以反演得到地层横波速度和厚度或泊松比等参数.本文提出了一种新的优化策略来处理瑞雷波频散曲线的反演问题.改进海洋捕食者算法（ACMPA）是一种改进混沌初始化,引入自适应步长和精英竞赛机制优化的反演算法.采用混沌映射进行种群位置初始化,提高初始化种群位置的质量;加入自适应函数,增强全局搜索能力;引入精英等级制度,避免算法陷入局部极值点,从而从局部和全局寻优进行优化,提高反演的收敛速度.通过正演模拟和实测数据进行测试分析,证明了改进的海洋捕食者优化算法的有效性与稳定性.该方法可以利用瑞雷波频散曲线信息反演得到近地表地层的介质参数,其收敛精度和收敛范围明显优于其他优化算法,具有较强的应用前景.

     

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。     

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.

     

地脉动空间自相关方法反演 浅层S波速度结构

在近地表地球物理领域, 基于地脉动(或称背景噪声)提取的面波频散曲线反演地下S波速度结构是一种简单经济的工程勘察方法. 本文基于地脉动的空间自相关方法对一个微型台阵观测的背景噪声记录进行处理, 介绍了一种简单易行的提取频散曲线的数据处理方法, 获得了6.7—23 Hz频段的可靠频散曲线; 通过对该观测频散曲线与预测模型的频散曲线进行拟合, 反演得到S波速度结构. 结果表明, 该速度结构与钻孔直接测试的结果相吻合.      

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.

     

基于混沌-粒子群优化的磁法数据非线性反演方法

磁法反演属于非线性最优化问题,具有多变量、目标函数多极值、反演多解性等特点,因此,需要稳定的和高效的优化反演算法.粒子群优化已开始被用于地球物理反演计算,但是对于高维数、多峰值函数,粒子群的收敛精度不高,容易陷入局部极值.如果将混沌局部搜索和粒子群优化的优势相结合,通过将种群搜索过程对应为混沌轨道的遍历过程,可使标准粒子群优化的搜索过程具有避免陷入局部极小的能力.本文利用混沌-粒子群优化用于磁法反演计算.数据试验结果表明,该方法可以用于磁法数据的地球物理非线性反演,并且在一定程度上优于标准粒子群优化方法.     

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。     

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 algorithm, 简称ABC)、FA、LF-FA和ALSL-FA的反演结果, 验证了本文方法的正确性和抗噪能力, 并进一步应用于一套实际瑞雷面波资料反演处理.研究结果表明, 本文方法有效弱化了对初始模型的依赖, 并进一步提高了反演的精度, 具有较强的全局寻优能力和局部开发能力, 同时兼备良好的抗噪性能.

     

大地电磁阻尼粒子群优化反演法研究

粒子群优化算法（PSO）是模仿鸟群寻找食物的社会行为的一种全局最优化算法,在多维空间函数寻优、动态目标寻优等方面有着收敛速度快、解质量高且需要设置的参数较少等优点.本文在研究常规粒子群优化算法的基础上,对常规的粒子群算法进行了改进,提出了一种新的惯性权重ω参数振荡递减策略,加快了PSO算法的收敛速度,构造的新算法称为阻尼粒子群优化算法.在MATLAB 6.5 编程环境中对阻尼PSO算法进行了数值实验,并对大地电磁测深的理论模型和实测数据进行了反演试算,结果表明,阻尼PSO算法不依赖于初始模型、能够搜索到全局极值,不易陷入局部极值,是一种快速有效的地球物理反演方法.     

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.     

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.     

遗传算法和LM算法联合反演瑞雷波相速度

上世纪中叶以来,微震探查法等基于面波相速度频散测定以及其反演的地下构造勘探方法,在地壳研究、工程地质勘探等方面得到了广泛的应用.本研究分析了遗传算法（GA）应用在面波频散反演当中出现的问题,采用遗传算法和Levenberg-Marquardt 算法（LM法）的联合运用法——以遗传算法反演出来的大局的搜索结果为初始点,再进行LM法搜索,由此克服两者的缺点,实现高精度的反演.     

六分量地震观测在工程勘查中的应用试验

利用面波频散曲线反演地下介质的S波速度结构, 是浅层工程地震领域一种重要的方法技术.传统的面波法包括主被动源的面波多道分析方法(MASW)和被动源的空间自相关(SPAC)方法, 均需要多台地震仪同时记录地面振动; 而记录平动和旋转运动的单台站六分量地震数据理论上也可以获得面波频散曲线.本文以河北唐山城区煤矿采空区浅层工程勘探实际六分量地震数据为例, 对比了利用单台站六分量地震数据与主、被动源法多台站提取的Rayleigh波频散曲线.试验结果表明利用纵波扫描可控震源时, 30 Hz以下频段利用单台站六分量地震数据提取的基阶Rayleigh波频散曲线与主、被动源MASW方法提取的频散曲线结果一致, 说明在浅层工程地震勘查中, 利用单物理点的六分量地震观测反演浅层横波速度是可行的.

     

基于密集台阵地震背景噪声成像预测煤矿瓦斯分布

瓦斯突出是一种常见的煤矿动力灾害现象,随着煤矿矿井开采深度的增加,煤层瓦斯含量、压力都呈上升趋势,发生煤与瓦斯突出的危险性加大.传统的瓦斯测量方法只能测量局部离散点瓦斯含量,难以从矿井及采区尺度对瓦斯含量进行预测.因此需要寻求一种能够在采区及工作面布设前预测煤层瓦斯富集程度的高效地球物理方法.背景噪声成像方法已经在城市地下空间、矿产资源等近地表成像中得到广泛的运用.本文将该方法首次应用到阳泉寺家庄煤矿井田区域,采用96个台站记录的连续背景噪声数据,通过互相关方法获得了台站对之间的瑞利面波经验格林函数,并进一步提取了5 Hz~1.4 s的基阶瑞利面波的群速度和相速度频散曲线.本研究首先通过区域的平均频散曲线获得该区域的平均一维横波速度结构作为三维反演的初始模型;其次,利用基于射线追踪的面波频散直接成像方法获得研究区1.0 km以浅的三维横波速度结构;最后,结合获得的三维速度结构,以及岩石物理实验获得的瓦斯含量与地震波速度的经验关系,预测了寺家庄井田15号煤的瓦斯含量,预测的瓦斯含量与实际巷道揭露的瓦斯含量具有较好的一致性.本研究成果表明,对于煤矿瓦斯分布预测来说,背景噪声成像方法是一种潜在有效的全新的技术形式.

     

利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析——以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例

利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据,经过单台数据处理和互相关叠加计算后,由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数.为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性,对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估.检测结果表明,自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致,提取的格林函数可靠.此外,统计了使用从3 21个月不同长度数据叠加后,经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目.结果表明,至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大,数目足够多,可用于反演面波速度结构的经验格林函数;12个月的叠加时长,可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.     

利用背景噪声数据提取地震台站间 面波的可靠性分析 以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例

利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据, 经过单台数据处理和互相关叠加计算后, 由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数. 为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性, 对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估. 检测结果表明, 自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致, 提取的格林函数可靠. 此外, 统计了使用从3—21个月不同长度数据叠加后, 经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目. 结果表明, 至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大, 数目足够多, 可用于反演面波速度结构的经验格林函数; 12个月的叠加时长, 可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.     

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.