基于共轭梯度法的全波形反演

全波形反演是一种全新的地震成像方法,主要利用全波形信息反演地下介质参数,通过非线性优化波场理论值和观测值的残差实现波形反演。基于时间域声波方程,建立了时间域波场残差目标函数,以分层模型为例,分别从波场精度、目标函数收敛性和运行时间3个方面,比较了共轭梯度（Conjugate Gradient,CG）算法和拟牛顿算法（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,BFGS）反演的效果。同时,应用共轭梯度法对正、逆断层模型和Marmousi模型进行了速度结构反演。反演结果表明:共轭梯度法计算效率较高,反演得到的速度模型精度更高,反演效果较好,是一种有效的波形反演方法。      

基于小波域最小平方滤波的多尺度自适应全波形反演

常规的全波形反演对初始模型和低频数据的依赖性较强,反演精确度经常会受到"跳周"现象的严重影响。将小波域最小平方滤波引入到全波形反演中,并利用小波变换的多尺度特性,有效地提高了反演过程的稳定性,减小反演受到"跳周"现象影响的可能性。小波域最小平方滤波具有更高的精度和更好的性能,利用该算法调整模拟波场的相位,从而改善模拟波场和观测波场之间的相位差异,并由此构造一个新的目标函数。同时利用小波变换的多尺度特性将地震数据分解为不同频带数据,实现多尺度反演。数值模拟实验结果表明,基于小波域最小平方滤波的多尺度自适应全波形反演,对初始模型和低频数据的依赖程度降低,较常规全波形反演具有更好的稳定性,受到"跳周"现象影响的可能性大大降低。     

基于逐减随机震源采样法的频率域二维黏滞声波方程全波形反演

全波形反演方法利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构,具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力。然而,巨大的计算量是阻碍其发展的一个瓶颈问题。为此,研究者们提出了震源编码技术来减少计算量,但是此方法在模型更新过程中会引进随机串扰噪声,降低反演结果准确性。所以,在保证计算精度的情况下,本文提出了采用逐减随机震源采样的方法来高效计算全波形反演问题。笔者将此方法应用于频率域二维黏滞声波波动方程全波形反演,开始了在频率域进行随机震源采样类方法的研究,计算过程中共使用了依次增大的8个频率段;并应用Overthrust模型来验证此类随机震源采样法的正确性。实验结果表明：基于逐减随机震源采样法的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.065 65,而应用基于全部震源的全波形反演方法得到的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.064 64,两者差别不大;但计算用时由740 min减少到291.2 min,即计算效率提高了2.54倍。为了更好地确定方法的有效性,将其应用于Marmousi模型进行试算。模型试算结果表明：基于逐减随机震源和基于全部震源得到的反演结果与实际Marmousi模型的拟合误差分别为0.080 12和0.078 97,相差不大;但计算用时由1 218.9 min减少到274.4 min,计算效率提高了4.44倍。综上,在保证反演精度的情况下,基于逐减随机震源采样法的频率域全波形反演方法大大减少了计算量,具有不可替代的计算优势,并且没有引进随机串扰噪声。     

基于截断牛顿法的频率域全波形反演方法

全波形反演方法可以视为大型非线性最小化问题。其中Hessian算子对反演结果有着重要的影响,传统的优化方法只能近似地表示Hessian算子,反演精度较低,收敛速度较慢,且对于反演目标照明不足的深部区域,往往出现参数无法聚焦的情况。而一种新的优化方法截断牛顿法,通过计算Hessian矩阵与已知向量乘积的形式,能够获得更精确的Hessian算子信息,从而解决以上问题。本文基于截断牛顿法在频率域实现全波形反演,通过模型试算表明,截断牛顿法相对于有限内存BFGS(Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,L-BFGS)法,能够得到更精确的反演结果,同时能提高收敛速度,尤其对于照明不足的深部区域,截断牛顿法有更明显的优势。     

球坐标系密度界面反演方法及在华南大陆的应用

密度界面反演方法在油气勘探、推断区域构造、获取地壳结晶基底面、莫霍面起伏形态等方面具有重要意义。现有的密度界面反演方法大多基于笛卡尔坐标系统,当涉及到大区域乃至全球尺度的密度界面反演时,地球曲率的影响将不可忽视,需考虑基于球坐标系Tesseroid模型的密度界面反演方法。然而,受计算精度和效率制约,已有的基于Tesseroid模型的密度界面反演方法并不能很好地适用于地表重力观测数据的反演计算。笔者基于前人研究,给出了一种适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。该方法首先将常规的球坐标系高斯—勒让德重力积分公式进行简化,提高了重力正演计算效率。随后,引入并改进了前人的自适应剖分方案,提高了重力正演计算精度。在此基础上,采用Cordell迭代优化算法,得到了适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。通过模型数据试验,对本文球坐标系密度界面反演方法进行了验证。结果表明,笔者对高斯—勒让德积分公式加以改进和引入改进的自适应剖分方案后,很好地克服了计算精度和效率对地表观测重力计算的掣肘,并且,基于球坐标系的密度界面反演结果优于基于笛卡尔坐标系的密度界面反演结果。在华南大陆实际数据试验中,利用文中方法得到的华南大陆的莫霍面深度与前人得到的莫霍面深度具有较高的吻合度,莫霍面自西向东逐渐抬升,西部抬升剧烈,东部抬升平缓,沿武陵山—贵桂交界一带呈现明显的NNE向莫霍面梯级带,验证了文中方法的科学有效性。     

基于L-BFGS算法和同时激发震源的频率多尺度全波形反演

全波形反演可以利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构,具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力。然而,庞大的计算量和存储空间需求,限制了全波形反演的发展。在频率多尺度全波形反演中将L BFGS数值优化算法与同时激发震源技术相结合的方法来改善这一现状。首先,对Marmousi模型进行了速度反演：在计算过程中明显发现对计算机内存的占用减少,最终反演结果与实际Marmousi模型的拟合误差为0.095 9,较小;采用10个频带单炮震源正演384炮所需时间约为32 640 s,而采用同时激发震源（384炮）正演一次所需时间仅约为700 s。然后,基于高速楔形体模型进行了抗噪能力研究：原始含噪地震记录信噪比为11.147 3 dB;对反演得到的速度模型进行正演,其地震记录信噪比为22.251 8 dB。最后,基于逆冲断层模型进行了反演速度扰动能力研究,反演得到的最终模型很清晰,与具有速度扰动特性的实际模型非常接近,拟合误差仅为0.036 0。数值模拟试验结果表明：此方法反演精度高,内存开销较小,能够显著提高计算效率,并且具有良好的抗噪能力,能够反演出具有速度扰动特性的介质。     

非饱和渗流问题的自适应欠松弛变量变换方法

在使用有限元方法求解非饱和土渗流问题时,土-水特征曲线和渗透率函数的强烈非线性经常会造成计算中出现迭代不收敛、计算误差大等问题。基于变量变换的思想,结合时间步长自适应技术提出了一种求解非饱和渗流问题的新方法--欠松弛RFT变换方法（ATUR1）。ATUR1方法通过变量变换,大大降低了Richards方程中未知数在空间和时间上的非线性程度,从而改善这种非线性所带来的计算收敛困难和精度差等问题。欠松弛技术的引入减少了迭代过程中的振荡现象,进一步提高了非线性迭代计算的效率。时间步长自适应技术则有效地控制整个计算过程的误差。数值算例结果说明,ATUR1可以有效地提高计算效率和精度,是一种准确有效的计算方法。     

加速遗传算法在速度反演中的应用

这里介绍一种加速遗传算法,该算法通过提高计算效率改善了标准遗传算法,加速遗传算法在速度反演应用中具有更高的实用价值。加速遗传算法在每次加速循环中进行一次迭代,用部份最佳个体的边界值优化搜索范围,大大地提高了计算效率。在迭代完成后,进行混沌优化以提高反演精度。二种算法的反演计算结果说明,加速遗传算法性能优于标准遗传算法,无论针对简单速度模型还是复杂速度模型,加速遗传算法都是适用的。     

几种修正的自适应神经网络学习算法及其应用

针对一般ＢＰ网络的拓扑结构和参数选择的随意性问题,讨论了几种自适应ＢＰ网络,即自适应调整网络的拓扑结构和自适应调节学习步长的改进ＢＰ算法,综合二者构造了一种修正的自适应ＢＰ算法．为了验证改进算法的有效性,将这几种算法与标准ＢＰ算法进行了比较．结果表明：对于ＸＯＲ问题,这几种算法的学习速度和计算精度都有不同程度的提高．将算法用于油气预测的实际中,也取得了满意的结果     

多参数全波形反演研究进展

多参数全波形反演,提高了复杂构造地震成像和解释精度。按照地球介质假设,分别总结了声波介质、弹性介质、各向异性介质以及粘弹性介质多参数全波形反演的研究进展情况、存在的问题及解决策略。探讨了同步反演和顺序反演在多分量地震数据多参数全波形反演中的重要作用。着重剖析了多参数全波形中参数耦合化问题产生的原因,分析了各种解决方法的优势和弊端。指出了多参数全波形反演从理论到实际应用存在的瓶颈,对于开展多参数全波形反演研究具有重要的借鉴意义。     

瑞利波波形反演的发展现状及展望

常规多道面波分析技术反演过程需要计算基于水平层状介质假设基础上的理论频散曲线,从而导致该方法的水平分辨率无法满足横向不均匀复杂介质的要求。而目前已成为人们研究热点的全波形反演技术,其反演过程基于波动方程求解,对瑞利波而言,无需根据频散方程计算频散曲线,理论上克服了常规多道面波分析技术横向分辨能力的"先天不足"。因此,瑞利波波形反演是瑞利波勘探领域中一个重要的发展方向。论文回顾了全波形反演的发展历史,剖析了瑞利波波形反演的发展现状及存在问题,指出了瑞利波波形反演需要进一步研究的问题和发展趋势,为瑞利波波形反演研究提供了一定的研究思路。     

基于LSQR算法的二维声波方程频率域正演模拟与数值实现

频率域正演是频率域全波形反演的基础,高效准确地完成频率域正演计算是目前该领域的一个热门问题。这里利用优化17点差分格式和PML完全匹配层构建波场,并使用LSQR算法求解波场,通过在简单层状模型和Overthrust模型上计算验证可知,LSQR算法可大幅提高频率域正演的计算速度和模拟精度,从而为此方向的研究提供一个可行的技术手段。     

面向边界面模型的切面算法扩展

保持经典弹塑性本构模型切面算法简单高效的框架,并将其进行扩展,使之适用于边界面类模型的隐式数值计算;通过在算法中引入了确定最大容许步长概念,提出了基于自适应子步迭代的改进切面算法。以一个新改进的结构性黏土边界面模型为例,应用切面算法对其进行了数值实现,并对上海黏土室内试验进行了模拟,验证了切面算法的有效性。然后,通过应用上海黏土参数对在不同固结度下的不排水三轴剪切试验、不排水单剪试验以及不排水三轴循环加载试验和一维压缩试验进行数值计算,初步确定了切面算法的最大容许步长。最后,应用改进切面算法模拟了大步长情况下的不排水单剪试验,验证了所提出的改进算法的计算精度和稳定性。     

带约束的多辐射场源半航空瞬变电磁一维自适应正则化反演方法

基于多辐射场源半航空瞬变电磁法,研究了一种带约束的适用于垂直分量的一维自适应正则化反演算法.该算法在Occam反演的基础上,采用CMD自适应调节方案改进了拉格朗日乘子的处理方式,利用自然边界条件和模型修正量可行下降方向法对反演过程进行约束,在提高反演过程计算效率的同时,保证反演结果的稳定性和可靠性.层状模型试算结果表明...     

基于改进萤火虫算法的波阻抗反演方法

为了解决在全局寻优搜索过程中,传统萤火虫算法(FA)求解精度低、后期收敛速度慢和易陷入局部极值等问题,笔者提出一种基于混沌搜索和动态步长相结合的萤火虫算法(CAFA)。在搜索初期,CAFA算法使用具有随机性、有界性和遍历性的混沌序列设置萤火虫种群初始位置;利用一种新型双曲线递减动态步长代替传统固定步长。经过上述改进提高了种群分布的均匀性、求解精度、收敛速度以及避免迭代后期出现反复振荡现象。将CAFA算法应用于地震资料波阻抗反演,利用理论模型论证算法可行性、有效性和抗噪性。实验结果表明CAFA算法具有较好反演效果。     

崎岖海底OBC地震数据全波形反演策略

针对崎岖海底引起的波场传播和全波形反演处理的复杂性,本文提出相应的反演策略。通过对崎岖海底网格特殊处理解决正演和静校正时的地形近似问题。全波形反演采用快速多尺度算法、宽角补偿策略和静校正处理策略。结果表明,该反演策略在大大提高反演效率的同时,能兼顾深部和远偏移距反演效果,并能针对海水误差情况选择策略,在崎岖海底情况下得到好的全波形反演结果。     

基于位移逆Krylov子空间的全波形航空瞬变电磁法三维数值模拟和响应特征

为了研究复杂地电模型的航空瞬变电磁法全波形响应特征,需要开发考虑发射波形的三维数值模拟算法。本研究基于非结构四面体网格和位移逆Krylov子空间(Shift-and-Invert Krylov,简称SAI Krylov)方法,采用基于电偶极子离散的场源处理方法模拟场源,在时间域进行计算实现了全波形航空瞬变电磁法矢量有限元三维数值模拟。使用均匀半空间模型在阶跃波、半正弦波、三角波和梯形波激发下的全波形解析解、VTEM实际激发波形的后推欧拉算法计算结果,检验了本研究开发的数值模拟算法的正确性。设计地表起伏异常体模型,计算和分析了航空瞬变电磁响应特征。开发的基于位移逆Krylov子空间的全波形航空瞬变电磁法三维数值模拟算法适合模拟复杂地电模型的响应,具有较高的计算精度。     

基于梯度法和L-BFGS算法的探地雷达时间域全波形反演

探地雷达全波形反演充分利用雷达波场的运动学和动力学信息,来反演地下介质电导率和介电常数等参数,这里从TM模式下的麦克斯韦方程组出发,利用单轴各向异性(UPML)吸收边界条件,进行雷达波场时域有限差分正演模拟,给出了电导率和介电常数梯度方向的求取方法,并以步长为自变量通过求取目标函数为极值的方式来确定最优步长。从反演结果可以看出,对于单参数反演,无论是电导率还是介电常数,反演结果都十分接近于真实模型;对于双参数同时反演,反演结果的异常体形态接近于真实模型,但是由于电导率和介电常数之间的耦合影响,使在数值上相比单参数反演得到的反演结果较差;考虑到近似Hessian矩阵中的非对角块元素能够反映不同参数之间的相互作用,因此在双参数同时反演时对比了梯度法和L-BFGS算法,结果显示,利用L-BFGS算法可以更好地解决电导率与介电常数之间的耦合影响。     

南海北部似海底反射层速度结构全波形反演

似海底反射层的速度异常是识别天然气水合物的重要标志,这里提出了一种针对天然气水合物似海底反射层的全波形反演方法。这种方法分为全局搜索与局部搜索二部份:首先使用遗传算法进行旅行时,反演得到背景速度模型;然后用其作为初始模型,使用共轭梯度算法进行全波形反演。通过对含噪数据的数值试验,算法表现出了较高的稳定性,并确定了进行全波形反演的遗传算子。将这种波形反演方法应用于我国南海北部海域的天然气水合物研究,反演得到了分辨率高于常规速度分析的似海底反射层速度结构,并识别出似海底反射层的速度异常。利用纵波速度反演的结果,计算出沉积物中游离气的含量,认为BSR下方的低速层可以解释为含至少1%游离气的薄层。并分析了研究区内甲烷气的来源,认为该区域游离气兼有生物气和热解气。     

基于BBO-PSO混合优化算法的探地雷达波形反演

探地雷达反演问题是高度非线性的,采用线性反演方法往往难以获得较好的反演效果,因此提出了将生物地理学优化算法同粒子群优化算法相结合的混合非线性反演方法。将该方法用于探地雷达时间域波形反演,采用时间域有限差分方法进行正演,以信号的均方误差函数作为目标函数,并针对波形反演的特点,在目标函数中加入波形的导数拟合差作为约束项,实现了结构层厚度和介电常数的波形反演。对比经典粒子群算法和生物地理学优化算法在多层介质仿真数据的一维波形反演中的效果,验证了该改进算法的有效性和抗噪性。