基于QHAdam梯度优化算法的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移(LSRTM)通常基于梯度类算法, 经过几十次甚至上百次的迭代得到最终的成像剖面, 然而常规最小二乘逆时偏移其在迭代过程中, 所求梯度通常不做优化处理, 导致最小二乘逆时偏移的收敛效率和成像精度不高, 并且每次迭代的模型更新处理还需付出1~2次的波场延拓计算代价来获取迭代步长.本文将深度学习中的优化算法QHAdam引入到传统时间域最小二乘逆时偏移计算中, 可在付出极小计算代价的前提下, 直接获得优化的模型更新量, 同时避免了迭代步长的求取.Marmousi模型实验结果显示, 相比于常规最小二乘逆时偏移算法, 基于QHAdam梯度优化算法的最小二乘逆时偏移其收敛效率和成像精度更高, 且由于减少了迭代步长的求取步骤, 其也具有更高的计算效率; 相对于基于Adam算法最小二乘逆时偏移, 本文方法也具有更高的收敛效率和收敛精度.

     

基于平面波加速的VTI介质最小二乘逆时偏移

地震各向异性集中表现为速度各向异性,势必影响地震波运动学特征.传统声波逆时偏移(RTM)和最小二乘逆时偏移(LSRTM)没有考虑介质各向异性特征,导致反射波不能正确归位、同相轴出现扭曲及寻优速度慢或不收敛等,VTI介质逆时偏移(VTI-RTM)矫正了声波成像的不足,但仍存在低频干扰严重、中深部成像不佳、振幅保持差等缺陷.为此,本文首先实现了VTI介质最小二乘逆时偏移(VTI-LSRTM)方法,为了节省I/O及内存需求并提高效率,进一步引入平面波编码技术,提出了一种基于平面波加速的VTI介质最小二乘逆时偏移(VTI-PLSRTM)策略.在此基础上开展了简单模型及复杂Marmousi模型成像试验,并与标准逆时偏移剖面对比表明:本方法能够校正各向异性造成的相位畸变,且在迭代中自动压制串扰及低频噪声、补偿中深部能量,是一种兼具质量与效率的保幅成像策略;对速度误差的敏感性测试说明该方法需要相对正确的偏移速度及Thomsen参数模型.     

基于非结构化网格的最小二乘逆时偏移

相对于传统的逆时偏移,最小二乘逆时偏移具有更高的成像质量,这种改善是通过迭代反演来获得的,另外其精度与效率依赖于求解波动方程算法的精度与效率.本文给出了基于非结构化网格的最小二乘逆时偏移的方法,该方法能够充分结合最小二乘算法与非结构化网格精细刻画地下界面以及随速度自适应剖分的优点;并采用带补偿的拉普拉斯滤波算法,来消除梯度计算中的低频噪声,从而加速目标函数的收敛速度.通过简单倾斜模型以及复杂Marmousi模型测试,显示了该方法的有效性和潜力.

     

基于逆散射成像条件的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移（LSRTM）相对于常规逆时偏移（RTM）具有分辨率更高、振幅更准确、噪音更少等优势,可以对复杂的地质构造进行有效的成像.这种迭代更新反演成像方法十分依赖目标函数的梯度质量和计算效率.当地质模型中存在强反射界面或者记录中存在折射波时,基于常规互相关成像条件（CCC）的最小二乘逆时偏移梯度会包含很强的低频噪音,从而使反演的收敛速度和成像质量降低.为此,本文在最小二乘逆时偏移的梯度中引进了逆散射成像条件来压制这种低频噪音,并以此提出基于逆散射成像条件（ISC）的最小二乘逆时偏移方法.数值模拟结果表明,两者计算耗时基本一致,但逆散射成像条件能高效压制梯度中的低频噪音,从而使反演过程中收敛加速,成像质量得到显著提高.

     

表面多次波最小二乘逆时偏移成像

使用相同的炮记录,多次波偏移能提供比反射波偏移更广的地下照明和更多的地下覆盖但是同时产生很多的串声噪声.相比传统逆时偏移,最小二乘逆时偏移反演的反射波成像结果具有更高的分辨率和更均衡的振幅.我们主要利用最小二乘逆时偏移压制多次波偏移产生的串声噪声.多次波最小二乘逆时偏移通常需要一定的迭代次数以较好地消除串声噪声.若提前将一阶多次波从所有阶数的多次波中过滤出来,使用相同的迭代次数,一阶多次波的最小二乘逆时偏移能够得到具有更高信噪比的成像剖面,而且能够提供与多次波最小二乘逆时偏移相似的有效地下结构成像.     

基于光流矢量行波分离的相关加权逆时偏移成像

逆时偏移由于基于双程波方程进行波场延拓, 应用互相关成像条件所得到的成像结果中包含了大量的低波数噪声.基于Poynting矢量行波分离的逆时偏移方法虽可有效压制这些噪声干扰, 但其也存在Poynting矢量计算不稳定、行波分离精度不高以及各行波分离成像剖面叠加权重难以确定等问题.本文基于光流矢量实现了震源正时波场和检波点逆时波场的高精度分离, 分别得到了左上、左下、右上、右下四个方向的行波, 进而由正时和逆时波场的每两个行波互相关得到16个成像剖面; 在此基础上, 将这16个成像剖面分别与参考剖面做相关计算, 并将相关值作为权重分别赋予各成像剖面, 最终实现了基于光流矢量行波分离的相关加权逆时偏移成像.理论模型数据与实际资料试算表明: 相比于常规基于Poynting矢量行波分离的逆时偏移方法, 本文方法可更精确、稳定地实现震源波场和检波点波场的行波分离, 同时该方法采取的相关加权成像方式, 避免了人为取舍或仅赋予各波场成像剖面经验权重的缺陷, 有效提高了逆时偏移的成像精度.

     

逆时偏移中用Poynting矢量高效地提取角道集

逆时偏移在提高复杂介质的成像质量方面表现出了优越的性能,但逆时偏移对速度精度的要求比较高.共成像点道集是一种非常重要的叠前深度偏移输出,它除了能为深度偏移处理提供速度信息外,还能够提供振幅和相位等信息,为后续的属性解释提供依据.本文提出一种在逆时偏移成像过程中提取角度域共成像点道集的方法,该方法采用矢量波动方程进行波场传播,并用能流密度矢量(Poynting vector)计算反射角,最后应用互相关成像条件输出角度域共成像点道集.该方法简单易于实现,且几乎不需要额外的计算量和存储量,非常适合于进行逆时偏移速度分析,同时提出的角道集也能用于进行AVA等分析.最后通过模型算例和实际数据检验了方法的有效性和优越性.     

同时震源数据的加权结构增强最小二乘逆时偏移

同时震源（Simultaneous-source,SS）地震采集技术能有效地提高地震数据采集效率,但直接对SS混合数据偏移成像会在最后的成像剖面中引入很强的串扰噪声.将SS数据偏移成像看作一个反演问题,利用最小二乘（Least-squares,LS）求解是压制SS直接成像中串扰噪声的一种有效尝试.构造增强滤波（Structure-enhancing filter,SE）约束的最小二乘逆时偏移（LSRTM）方法可以有效地压制SS数据成像中的串扰噪声,但SE实质为低通滤波,会将成像中的陡倾角等细节信息平滑涂抹,降低成像分辨率.本文在利用SE对LSRTM约束的基础上,提出了基于加权构造增强约束的LSRTM方法（WSE-LSRTM）并应用于SS数据的反演成像中.该方法不仅能够有效地压制串扰噪声（cross-talk）、保留结构信息,而且可以保护成像中的陡倾角结构不被过度平滑而破坏.在对简单模型和复杂Marmousi模型的数值测试中,该方法都取得了良好的效果.

     

时频域振幅相位联合的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移方法具有复杂地质构造成像精度高、成像振幅准确等优点.但是,当地下存在强散射介质时,最小二乘逆时偏移方法很难透过上覆强散射地质体获得深部构造的高精度成像结果.本文为了提高深部精细构造的成像质量,提出时频域振幅相位联合的最小二乘逆时偏移方法.该方法主要通过构建时频域振幅相位联合目标函数,减弱振幅信息对成像结果的影响,提高深部弱散射地震信号的可成像精度.首先,对地震信号进行时频变换,构建时频域最小二乘偏移目标函数;其次,在目标函数中引入振幅权重因子,调节时频域振幅相位权重;最后,推导时频域振幅相位联合目标函数对模型参数的梯度,并利用L-BFGS局部优化算法对成像结果进行迭代.Marmousi模型和盐丘模型测试结果表明,本文方法能够很好地利用弱散射地震信号的时频域振幅相位信息,实现透过上覆强散射地质体进行深部高精度成像的目标.     

衰减补偿的黏弹性最小二乘逆时偏移

地震勘探是发现和认识油气藏的重要方法,随着国内油气勘探领域、勘探对象的日趋复杂化,油气勘探迫切需求地震成像的精准度、分辨率和保真度的大幅度提升.相比于常规逆时偏移方法,最小二乘逆时偏移成像有较少的伪像,成像振幅均衡,成像分辨率高.目前常用弹性最小二乘逆时偏移方法来对地下介质进行成像.但由于地下介质通常表现出黏弹性性质,...     

基于Poynting矢量的归一化波场分离互相关逆时偏移成像条件(英文)

叠前逆时偏移是目前精度较高的成像方法,然而严重的低频噪声降低了逆时偏移的构造成像精度,偏移噪声的压制是逆时偏移必需要考虑的问题。分析了低频噪声的产生机理,并根据声波方程Poynting矢量的方向指示地震波场的传播方向的原理,分离出上、下、左、右行波,该方法计算量和存储量都远远小于常用的二维傅里叶变换分离方法,进而提出归一化的波场分离互相关成像条件,以压制逆时偏移低频噪声,提高成像精度。实现了Marmousi模型的试算,表明在波场延拓过程中利用Poynting矢量能够较好的分离上、下、左、右行波,与常规方法、拉普拉斯滤波、二维傅里叶变换波场分离的成像结果对比表明,成像时使用归一化的波场分离互相关成像条件能更好的压制偏移噪声,得到精度更高的逆时偏移成像结果。     

Poynting and polarization vectors based wavefield decomposition and their application on elastic reverse time migration in 2D transversely isotropic media

With the progress in computational power and seismic acquisition, elastic reverse time migration is becoming increasingly feasible and helpful in characterizing the physical properties of subsurface structures. To achieve high-resolution seismic imaging using elastic reverse time migration, it is necessary to separate the compressional (P-wave) and shear (S-wave) waves for both isotropic and anisotropic media. In elastic isotropic media, the conventional method for wave-mode separation is to use the divergence and curl operators. However, in anisotropic media, the polarization direction of P waves is not exactly parallel to the direction of wave propagation. Also, the polarization direction of S-waves is not totally perpendicular to the direction of wave propagation. For this reason, the conventional divergence and curl operators show poor performance in anisotropic media. Moreover, conventional methods only perform well in the space domain of regular grids, and they are not suitable for elastic numerical simulation algorithms based on non-regular grids. Besides, these methods distort the original wavefield by taking spatial derivatives. In this case, a new anisotropic wave-mode separation scheme is developed using Poynting vectors. This scheme can be performed in the angle domain by constructing the relationship between group and polarization angles of different wave modes. Also, it is performed pointwise, independent of adjacent space points, suitable for parallel computing. Moreover, there is no need to correct the changes in phase and amplitude caused by the derivative operators. By using this scheme, the anisotropic elastic reverse time migration is more efficiently performed on the unstructured mesh. The effectiveness of our scheme is verified by several numerical examples.     

基于Hilbert变换的全波场分离逆时偏移成像

逆时偏移方法利用双程波算子模拟波场的正向和反向传播,通常采用互相关成像条件获得偏移剖面,是一种高精度的成像方法.但是传统的互相关成像条件会在偏移结果中产生低频噪声;此外,如果偏移速度中存在剧烈速度变化还可能进一步产生偏移假象.为了提高逆时偏移的成像质量,可在成像过程中先对震源波场和检波点波场分别进行波场分离,然后选择合适的波场成分进行互相关成像.本文基于Hilbert变换,推导了可在偏移过程中进行上下行和左右行波场分离的高效波场分离公式以及相应的成像条件,结合Sigsbee 2B合成数据,给出了不同波场成分的互相关成像结果.数值算例结果表明,采用本文提出的高效波场分离算法以及合理的波场成分互相关成像条件可以获得高信噪比的成像结果.     

Angle-domain common-image gathers in reverse-time migration by combining the Poynting vector with local-wavefield decomposition

Angle-domain common-image gathers are an important tool in the post-processing of seismic images and for reservoir characterization. The generation of angle gathers is a very important issue when dealing with angle-domain images. Efficiency and robustness are the main concerns in the generation of angle gathers. In this paper, we propose two methods for producing angle gathers based on the implementation of a reverse-time migration. In the hybrid method, we adopt the local-plane-wave decomposition method to extract the local plane waves and obtain two possible opposite propagation directions in the time-wavenumber domain. Then, Poynting vectors are used to determine the correct propagation direction. The hybrid method achieves a satisfactory balance between robustness and computational efficiency. Furthermore, in the improved hybrid method, additional computational acceleration is obtained by separating the overlapping and non-overlapping wavefield areas. The hybrid method is only applied in these areas with overlapping wave fronts, and the Poynting-vector-based method is adopted in the other areas. The location of the overlapping events is determined using the eigenvalues of the structural tensor. Finally, the two-dimensional synthetic and field examples demonstrate the effectiveness of both methods.     

Reverse time migration of ground-penetrating radar with full wavefield decomposition based on the Hilbert transform

The conventional reverse time migration of ground-penetrating radar data is implemented with the two-way wave equation. The cross-correlation result contains low-frequency noise and false images caused by improper wave paths. To eliminate low-frequency noise and improve the quality of the migration image, we propose to separate the left-up-going, left-down-going, right-up-going and right-down-going wavefield components in the forward- and backward-propagated wavefields based on the Hilbert transform. By applying the reverse time migration of ground-penetrating radar data with full wavefield decomposition based on the Hilbert transform, we obtain the reverse time migration images of different wavefield components and combine correct imaging conditions to generate complete migration images. The proposed method is tested on the synthetic ground-penetrating radar data of a tilt-interface model and a complex model. The migration results show that the imaging condition of different wavefield components can highlight the desired structures. We further discuss the reasons for incomplete images by reverse time migration with partial wavefields. Compared with the conventional reverse time migration methods for ground-penetrating radar data, low-frequency noise can be eliminated in images generated by the reverse time migration method with full wavefield decomposition based on the Hilbert transform.     

黏声介质最小平方逆时偏移

介质的黏滞性是普遍存在的.黏滞性介质中的真振幅成像需要校正由介质的黏滞性引起的振幅衰减与速度频散,然而常规的反Q偏移方法存在不稳定问题.本文在反演的框架下求解黏声介质成像问题,在有效避开不稳定的同时实现真振幅成像.首先将波动方程线性化,并依此建立黏声介质最小平方逆时偏移（LSRTM）的目标函数;然后推导波动方程伴随算子,并在此基础上借助伴随状态法推导迭代求解的具体算法;最后通过引入动态相位编码技术将计算量降至与常规逆时偏移相同的数量级.该方法在真振幅成像过程中考虑了介质黏滞性的影响,更接近实际情况,具有更好的振幅保持性.相对于常规逆时偏移,该方法能够自动压制成像噪声,具有更高的成像分辨率及精度.通过模型试算验证了方法的正确性.     

基于波场分离的弹性波逆时偏移

尽管叠前逆时偏移成像精度高,但仅针对单一纵波的成像也可能形成地下介质成像盲区,由于基于弹性波方程的逆时偏移成像可形成多波模式的成像数据,因此弹性波逆时偏移成像可提供更为丰富的地下构造信息.本文依据各向同性介质的一阶速度-应力方程组构建震源和检波点矢量波场,再利用Helmholtz分解提取纯纵波和纯横波波场,使用震源归一化的互相关成像条件获得纯波成像,避免了直接使用坐标分量成像而引起的纵横波串扰问题.针对转换波成像的极性反转问题,文中提出一种共炮域极性校正方法.为有效节约存储成本,也提出一种适用于弹性波逆时偏移的震源波场逆时重建方法,在震源波场正传过程中,仅保存PML边界内若干层的速度分量波场,进而逆时重建出所有分量的震源波场.本文分别对地堑模型和Marmousi2模型进行了弹性波逆时偏移成像测试,结果表明：所提出的共炮域极性校正方法正确有效,基于波场分离的弹性波逆时偏移成像的纯波数据能够对复杂地下构造准确成像.

     

各向异性介质Low-rank有限差分法纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移

拟声波最小二乘逆时偏移是一种极具潜力的地震波成像工具,但该方法遭受各向异性拟声波近似的限制,TTI介质正演模拟不稳定、反偏移记录中遭受伪横波二次扰动及数值频散假象,另外拟声波最小二乘逆时偏移还面临计算效率低、收敛速度慢、对速度等模型参数依赖性高等问题.为了克服各向异性拟声波最小二乘逆时偏移的缺陷,在反演框架下,本文借助Low-rank有限差分算法首次提出并实现了TTI介质纯qP波线性正演模拟及纯qP波最小二乘逆时偏移;为了进一步提升反演成像效率,同时改善反演成像方法对模型参数误差的依赖性及对地震数据噪声的适应性,通过引入叠前平面波优化策略,发展了TTI介质纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移成像方法.在编程实现方法的基础上,通过开展模型成像测试,展示了本方法的优势和潜力：一方面加快了反演成像效率,另一方面也提升了方法的抗噪性,同时还降低了方法对模型参数的依赖性.