变密度声波方程多参数全波形反演策略

多参数全波形反演中各参数之间的相互耦合增加了反演的非线性程度.通过分析各参数之间的相互影响,提出合理的多参数反演策略是解决该问题的有效途径.本文从变密度声波方程出发,首先研究了密度在速度反演中的重要作用,然后分析了速度对密度反演的影响程度,进而提出了一种有利于速度、密度分步联合反演的策略.第一步,利用给定的初始模型对速度、密度进行同时反演,得到比较可靠的速度反演结果;第二步,利用第一步反演得到的速度和给定的初始密度作为初始模型,继续进行双参数同时反演,这样可以同时得到比较可靠的速度、密度反演结果.为了进一步提高反演精度,将第二步反演得到的速度、密度作为初始模型,再进行下一轮双参数联合反演.二维理论模型实验结果充分说明了本文提出的这种反演策略的有效性.     

各向异性介质弹性波多参数全波形反演

各向异性介质弹性波方程全波形反演过程中多参数之间的相互耦合,使得弱参数在反演过程中难得到理想的结果.本文以VTI介质为例,在各参数辐射模式分析的基础上,基于改进的散射积分算法实现目标函数梯度的直接求取,进一步构建高斯牛顿方向,实现Hessian矩阵的有效利用,以考虑Hessian矩阵非主对角线元素包含的各参数间的耦合效应,在不使用任何反演策略的情况下实现高精度的VTI介质弹性波方程多参数同步反演.同时,该方法在计算过程中无需存储庞大的核函数矩阵,且无需传统截断牛顿法中额外的正演计算,因此内存占用小,计算效率高.本文数值试验验证了该方法的有效性,为各向异性多参数全波形反演提供了一种新的解决方案.

     

基于截断牛顿法的VTI介质声波多参数全波形反演

不同类别参数间的相互耦合使多参数地震全波形反演的非线性程度显著增加, 地震波速度与各向异性参数取值数量级的巨大差异也会使反演问题的性态变差.合理使用Hessian逆算子可以减弱这两类问题对反演的影响, 提高多参数反演的精度, 而截断牛顿法是一种可以比较准确地估计 Hessian 逆算子的优化方法.本文采用截断牛顿法在时间域进行了VTI介质的声波双参数同时反演的研究.不同模型的反演试验表明, 在VTI介质声波双参数同时反演中, 截断牛顿法比有限内存 BFGS (Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno, L-BFGS)法能更准确地估计 Hessian 逆算子, 进而较好地平衡两类不同参数的同时更新, 得到了比较精确的反演结果.     

VTI介质速度与δ参数qP波全波形反演

获取准确的速度与各向异性参数模型,是全波形反演的主要目标.由于各向异性参数的敏感性较差,常规全波形反演方法很难同时得到满意的速度和各向异性参数模型.本文提出一种新的VTI介质qP波全波形反演方法.采用动校正速度参数化方式得到新的VTI介质qP波方程,改善各向异性参数δ对近偏移距数据的敏感性.在新的方程中,推导了VTI介质全波形反演梯度公式.基于敏感核分析设计了合理的分步反演策略,来缓解不同参数之间的串扰,进而提高速度和各向异性参数的反演精度.模型算例表明,新的反演策略能够有效提高速度和δ参数的反演精度.分步反演方法在非线性更强的各向异性反演中,能够得到更接近真实值的反演结果.     

基于Born敏感核函数的VTI介质多参数全波形反演

本文基于VTI介质拟声波方程,利用散射积分原理,在Born近似下导出了速度与各向异性参数的敏感核函数,同时结合作者前期研究提出的矩阵分解算法实现了一种新的VTI介质多参数全波形反演方法.矩阵分解算法通过对核函数-向量乘进行具有明确物理含义的向量-标量乘分解累加运算实现目标函数一阶方向或二阶方向的直接求取,从而避免了庞大核函数矩阵与Hessian矩阵的存储,该方法同时可以大大降低常规全波形反演在计算二阶方向时的庞大计算量.为了克服不同参数对波场影响程度的不同,本文利用作者前期在VTI介质射线走时层析成像研究中提出的分步反演策略实现了多参数联合全波形反演.理论模型实验表明,本文提出的基于Born敏感核函数的各向异性矩阵分解全波形反演方法可以获得较好的多参数反演结果.     

频率域全波形反演方法研究进展

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.根据研究需要,全波形反演既可在时间域也可在频率域实现.频率域相对于时间域反演具有计算高效、数据选择灵活等优势.近十几年来频率域全波形反演理论在波场模拟方法、反演频率选择策略、目标函数设置方式、震源子波处理方式、梯度预处理方法等方面取得了进展.目标函数存在大量局部极值的特性是影响反射地震全波形反演效果的重要内在因素之一.如果将Laplace域波形反演、频率域阻尼波场反演、频率域波形反演三种方法有机结合,可以降低反演的非线性程度.     

基于Born敏感核函数的速度、密度双参数全波形反演

速度、密度之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得.本文将截断高斯-牛顿法用于声介质速度、密度双参数全波形反演,通过考虑近似Hessian矩阵中反映速度、密度相互作用的非主对角块元素,有效解决了多参数全波形反演中速度、密度之间的耦合问题,在不采用反演策略的情况下,仍能够获得精度较高的速度、密度反演结果.常规的截断牛顿类全波形反演通常利用一阶伴随状态法求取目标函数对模型参数的梯度,利用二阶伴随状态法或有限差分法求解Hessian-向量乘,在每一步内循环迭代过程中需要额外求解两次正演问题,计算量较大.本文基于Born近似,将梯度计算中的核函数-向量乘表示为具有明确物理意义的向量-标量乘的累加运算,同时将Hessian-向量乘转化为两次核函数-向量乘,无需额外求解正演问题,有效降低了计算量.数值实验证明了本文提出的方法的有效性.     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.

     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

基于优化参数Adam算法的全波形反演

常规的全波形反演(FWI)计算得到的梯度往往不做优化处理, 并且每次计算模型更新量时还需要额外的波场延拓计算来获取迭代步长, 导致收敛效率和反演精度降低.本文将深度学习中的Adam算法引入到全波形反演中来, 其可在仅付出极小计算代价的前提下实现梯度的优化处理, 由梯度直接计算出模型更新量, 避免了迭代步长的计算, 且能显著提升收敛效率和反演精度; 同时针对Adam算法的默认参数优化和选取问题, 通过数值实验系统分析了不同参数的全波形反演效果, 并给出了更适合于全波形反演的优化参数.实验结果表明, 相比于默认参数的Adam算法以及L-BFGS算法的全波形反演, 基于优化参数的Adam算法其收敛速度和反演精度更高.

     

Optimized experimental design for seismic full waveform inversion: A computationally efficient method including a flexible implementation of acquisition costs

Optimized experimental design aims at reducing the cost of a seismic survey by identifying the optimal locations and amounts of sources and receivers. While the acquisition design in the context of seismic imaging applies criteria like fold, offset and spatial sampling, different attributes such as the sensitivity kernels are more relevant for seismic full waveform inversion. An ideal measure to quantify the goodness of an acquisition design relies on the eigenvalue spectrum of the approximate Hessian matrix, but this technique is computationally too expensive for practical use. A more affordable goodness measure has been proposed in the past, but we demonstrate that this measure is inappropriate for target‐oriented optimized experimental design. To address those issues, we derived a sequential receiver‐based procedure using a goodness measure based on the determinant of the approximate Hessian matrix. We show with numerical tests that it efficiently provides an optimized design for target‐oriented as well as for extensive full waveform inversion. This design allows a better reconstruction of the subsurface than an evenly spaced acquisition geometry. Furthermore, the optimization algorithm itself can easily be parallelized, therefore making it attractive for applications to large‐scale three‐dimensional surveys. In addition, our algorithm is able to incorporate variable costs, representing any kind of acquisition‐related costs, for every individual source location. The combined optimization with respect to the information content of sources and to the true cost will allow a more comprehensive and realistic survey planning and has a high potential for further applications.     

基于多网格的频率域全波形反演(英文)

频率域全波形反演虽然克服了时间方向上的局部极小值问题,但是地下介质的复杂性使其在空间域仍然存在局部极小值缺陷。在优化梯度法基础上,本文采用预条件双共轭梯度稳定算法和多重网格方法计算反演中的波场传播和目标函数的梯度,在保证计算速度的同时,减小计算机内存的消耗。频率域波形反演和多重网格的多尺度性质有效改善问题极小值缺陷,加快反演的收敛速度。以局部非均匀的三孔模型和Marmousi模型的数值模拟结果验证了该算法的有效性。     

多主频波场的时间阻尼全波形反演

低频成分缺失和地下速度强烈变化会导致严重的周期跳现象,是地震数据全波形反演的难题.通过对地震数据加时间阻尼和时间积分降主频处理,提出了一种可有效去除周期跳现象的多主频波场时间阻尼全波形反演方法.由浅到深的速度不准确会造成波形走时失配和走时失配的累积.浅部速度的准确反演可有效地减小深部波形走时失配与周期跳现象.对地震数据施加时间阻尼得到时间阻尼数据,利用不同阻尼值的时间阻尼地震数据实现由浅到深的全波形反演.低主频波场的周期跳现象相对高主频波场的要弱.对地震波场进行不同阶的时间积分以得到不同主频的波场,把低主频波场的全波形反演结果作为高主频波场全波形反演的初始模型.应用缺失4 Hz以下频谱成分的二维盐丘模型合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验结果显示多主频波场的时间阻尼全波形反演方法对缺失低频成分地震数据和地下速度强烈变化具有很好的适应性.

     

Improved hybrid iterative optimization method for seismic full waveform inversion

In full waveform inversion (FWI), Hessian information of the misfit function is of vital importance for accelerating the convergence of the inversion; however, it usually is not feasible to directly calculate the Hessian matrix and its inverse. Although the limited memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (L-BFGS) or Hessian-free inexact Newton (HFN) methods are able to use approximate Hessian information, the information they collect is limited. The two methods can be interlaced because they are able to provide Hessian information for each other; however, the performance of the hybrid iterative method is dependent on the effective switch between the two methods. We have designed a new scheme to realize the dynamic switch between the two methods based on the decrease ratio (DR) of the misfit function (objective function), and we propose a modified hybrid iterative optimization method. In the new scheme, we compare the DR of the two methods for a given computational cost, and choose the method with a faster DR. Using these steps, the modified method always implements the most efficient method. The results of Marmousi and over thrust model testings indicate that the convergence with our modified method is significantly faster than that in the L-BFGS method with no loss of inversion quality. Moreover, our modified outperforms the enriched method by a little speedup of the convergence. It also exhibits better efficiency than the HFN method.     

基于混叠震源和频率组编码的频率域自适应全波形反演(英文)

全波形反演是一种高精度的地震成像方法,可以对地下介质物性参数模型进行准确的重构。然而在实际应用中,尤其是在三维复杂介质反演中,计算成本太大是该方法的一个重要缺陷。将混叠震源技术引入到频率域全波形反演中可以大幅度地降低计算成本,提高反演效率。但是使用震源编码技术也带来了两个问题:一方面,参与编码的各个震源之间会产生"串扰噪声",导致反演结果中出现假象;另一方面,基于震源编码的频率域全波形反演方法周围噪声较为敏感,使该方法对含噪数据反演质量较差。本文引入一种频率组编码方法来压制"串扰噪声",并基于震源编码技术提出一种频率域自适应全波形反演方法,通过一个与频率相关的自适应选择机制,将常规频率域全波形反演方法和基于震源编码的全波形反演方法联合起来,在保证反演质量的同时也最大程度地提高了反演效率。     

基于全波形采样的激电多信息提取方法研究与应用

激电法是地质勘查中的一种重要方法,时、频域测量各具优势,但传统的时、频域测量实现方法相对独立.根据频域和时域可相互转换的理论,本文提出一种基于全波形采样的时频激电多参数提取的地球物理数据处理方法.采取时间域激电法的观测模式,接收机高精度同步记录整周期电压-电流全部采样点的波形数据,通过该文提出的处理方法,仅一次供电和测量即可提取多种时、频域激电参数:时域激电的视电阻率、视极化率和频域激电的多频视电阻率、视相位、视频散率、去耦后的视相位等参数.在云南保山某典型矿区开展方法的试验应用,提取了地质体大量的相关激电信息,总结了目标体的激电参数响应规律.应用结果表明,该方法便捷高效,抗干扰能力强,相较于传统的时域激电测量,多种参数组合可提升对目标地质体的认识,增强激电法的应用效果.     

基于常分数阶拉普拉斯算子的黏声方程重建速度与衰减参数的全波形反演方法

地震波在地下介质传播过程中由于非弹性衰减的存在将导致能量损失和相位变化, 精确的速度与衰减参数建模对油气识别、提高强衰减介质中地震波成像的质量都起着至关重要的作用.常分数阶拉普拉斯算子黏声方程由于完全分离的速度频散项与振幅衰减项的优势, 以及在强非均质衰减介质中可以高精度求解的特点, 已被应用于速度与衰减参数的建模中.本文将二阶常分数阶拉普拉斯算子黏声方程拆分为等价的一阶方程组, 并在此一阶方程组的基础上推导出新的梯度公式与伴随方程, 建立了一种新的速度与衰减参数同时重建的全波形反演方法.相较于原二阶常分数阶拉普拉斯算子黏声方程建立的全波形反演流程, 数值实验表明, 新建立的反演流程可以有效避免原梯度数值计算中的噪声, 尤其是可以有效提高衰减参数梯度的反演精度, 从而显著提高反演的收敛速度与反演精度.