地震数据的稀疏高斯束分解方法

本文研究了地震数据的稀疏分解问题.提出了一种用高斯束稀疏分解表示地震数据的方法.这是一个拟0范数约束优化问题.在求解拟0范数极小化问题的过程中,通过扫描同相轴的方法实现高斯束稀疏分解,数值实现上提出了使用一种快速单调下降的梯度优化方法.本文提出的稀疏优化方法同时具有去噪的功能,数据模拟试验表明了本方法的可行性和可靠性.     

基于匹配追踪分解和tau-p域拾取的快速高斯束偏移方法

交互式的速度分析是复杂构造探区速度模型建立的一种有效方法,为了使不同的速度模型在短时间内得到检测和标定,本文基于匹配追踪分解算法和tau-p域同相轴拾取技术,发展了一种快速叠前深度域高斯束偏移方法.根据tau-p域地震同相轴的振幅特征,本文采用匹配追踪算法对地震记录进行时间和空间上地稀疏分解,并将分解的时频原子应用于高斯束偏移,以达到压缩地震数据和提高偏移速率的目的.模型试算和实际资料处理结果表明:本文方法不仅能够对地下复杂构造和高陡反射面清晰成像,而且可使叠前地震数据压缩近数十倍,使深度域偏移的计算效率提高一个数量级以上.     

TI介质射线追踪及其高斯束成像应用

射线追踪是一种高频近似前提下快速有效的波场近似计算方法,传统的基于弹性参数的各向异性介质运动学和动力学射线追踪方程,求解过程中需要处理Christoffel方程的特征值问题,因而计算效率比较低.为了解决这一问题,本文通过引入相速度和群速度,对运动学和动力学追踪方程进行修改和简化,有效地提高了各向异性介质射线追踪算法的计算效率.另外,我们将该算法应用到各向异性偏移中,实现了共炮域TI介质高斯束叠前深度偏移方法.VTI介质Hess模型和TTI介质洼陷模型的试算结果说明了该方法的正确性和有效性.     

高斯束成像方法研究进展综述

兼顾计算效率和成像精度的高斯束偏移成像方法近年来得到广泛应用.一方面高斯束偏移使用动力学射线追踪,解决了传统射线方法的焦散问题,改善了成像效果;另一方面,高斯束方法选择对成像点有贡献的高斯束叠加来计算波场值,无需费时的两点射线追踪,保证了计算效率.本文主要从高斯束叠后偏移、叠前偏移、起伏地表偏移、高斯束逆时偏移、弹性波偏移、各向异性偏移以及高斯束偏移三类优化策略等方面系统地评述了高斯束成像方法的研究进展,并对高斯束偏移方法下一步发展方向进行了初步展望.     

基于高斯束传播算子的成像域走时层析成像方法

层析反演是速度建模中最重要的方法之一,结合偏移成像在成像域进行走时层析速度反演是当前比较成熟有效且广泛应用的技术.本文从高斯束偏移成像条件出发,在波动方程的一阶Born近似和Rytov近似下,推导了成像域走时扰动与速度扰动的线性关系,建立了成像域走时层析方程及其显式表达的层析核函数.该核函数的本质是有限频层析核函数,利用该核函数替换常规射线层析核函数可以明显提高层析反演精度.该核函数的计算关键是背景波场格林函数的计算,本文利用高斯束传播算子计算格林函数进而得到走时层析核函数,实现方式灵活高效且计算精度较高.基于高斯束传播算子的偏移成像与层析成像相结合进行深度域建模迭代,体现了速度建模与偏移成像一体化的思想.数值计算及实际数据应用证明了基于高斯束传播算子的成像域走时层析方法的有效性.     

基于汉宁窗函数滤波时间域高斯束成像方法

实际地震数据中通常存在背景噪声及人为干扰信号,传统射线类方法对低信噪比数据成像适应性较差,基于此本文发展了一种适应于低信噪比数据的时间域高斯束成像方法.相比于频率域类束方法,新方法的主要优点包括:(1)频率域高斯束偏移方法需计算每个成像点处各个频率的格林函数,基于时间域高斯束偏移方法无需上述过程,大大提高了计算效率;(2)时间域高斯束公式推导中,直接对地震记录进行局部倾斜叠加并加入汉宁窗滤波处理,对低信噪比数据具有更好的适应性.在实现成像方法的基础上,本文通过对不同信噪比Marmousi炮记录进行模型试算及含噪声实际资料成像试处理表明:时间域高斯束偏移方法能够较为明显地提高低信噪比数据的偏移效果,提高成像方法对实际数据的适应性.     

高斯束方法及其应用

高斯束方法是在动力学射线追踪和旁轴近似方法基础上发展而来的.高斯束是波动方程在特定射线附近的高频渐近解.本文介绍了高斯束方法及其与射线方法相比的优越性,以及高斯束在地震波场正演模拟以及偏移方面的应用,并提出了实现高斯束偏移的一种新方法.     

基于高斯束的对角Hessian在保幅成像中的应用

稀疏的接收点采样、较窄的采集孔径以及有限的波场带宽等因素导致偏移成像的振幅往往是欠估计的.基于高斯束叠加积分表征的格林函数,可以显示地计算对角Hessian,并将其逆直接应用于高斯束偏移成像,从而实现模型空间的最小二乘偏移.通过常速度模型的数值试验验证了基于高斯束的对角Hessian显示算法的正确性和有效性,将此算法运用到EAGESEG盐丘模型数据和实际资料的最小二乘偏移可以产生振幅均衡的成像结果,尤其在弱照明和阴影区的振幅补偿效果明显.     

基于高斯束与高斯波包的Gabor框架散射波模拟方法

在给出真实模型和相应光滑背景模型的情况下,如何计算扰动模型(散射体)产生的散射波场是一个有实际意义的正演问题.在Gabor变换域描述散射体,且入射波场为短时宽带信号时,散射波场可以在频率域用高斯束或时间域用高斯波包描述.相对于波动方程方法,高斯束和高斯波包的计算效率更高;背景模型光滑时,高斯束和高斯波包方法的精度也接近波动方程方法.文中导出了声波假设下应用高斯束和高斯波包计算散射波的方法.测试分析了高斯波包的计算精度.给出了一般散射体的散射波模拟策略.同时针对一个理论模型完成了本文方法计算散射波的实验,实验结果表明高斯波包散射波计算方法是有效可行的.     

高斯束逆时偏移方法及应用

随着油气勘探的不断深入,叠前深度偏移技术逐渐成为解决复杂构造区域成像问题的重要手段.考虑到逆时偏移精度高但效率低,而高斯束偏移具有高效、灵活等优势,本文将逆时偏移的理论思想应用于高斯束偏移中,发展了高斯束逆时偏移,即以Kirchhoff偏移为基础,利用高斯束叠加积分计算Green函数.其不仅保留了Kirchhoff偏移的高效性和灵活性,克服了其阴影区、焦散区、单次波至等缺陷,而且还具有波动方程偏移对陡倾角的成像优势,解决了其计算量大的问题.模型和实际资料试算验证了高斯束逆时偏移方法的正确性、有效性和实用性,可以作为一项实用化技术应用于偏移成像和层析速度建模中.     

利用三维高斯射线束成像进行地震定位

常规的地震定位方法通常需要拾取地震记录的初至,当初至不明显或被较高水平的噪声淹没时精度较低.本文采用基于三维高斯射线束的偏移成像方法对震源进行定位,较好地解决了该问题.通过三维高斯射线束对台站记录进行偏移归位,并将各台站成像结果的交点作为地震能量释放的中心位置;当各台站成像结果不能交于一点时,采用三维空间高斯滤波方法可实现震源位置的自动获取.提出的变网格计算方案极大地减少了计算量,显著地提高了成像精度和计算效率.利用首都圈地震台网数据,对涿鹿、滦县以及房山三个地震事件进行试算,结果表明:基于变网格三维高斯束偏移成像的地震定位方法自动化程度很高,而且具有较好的抗噪能力,特别适合处理低信噪比资料的地震定位问题.     

基于矩阵Toeplitz稀疏分解的相对波阻抗反演方法

针对利用地震道进行相对波阻抗反演中遇到的横向连续性难以保持、初始子波容错度差以及随机噪声干扰影响反演结果等问题,提出了一种基于矩阵Toeplitz稀疏分解的相对波阻抗反演方法.该方法将地震数据剖面的Toeplitz稀疏分解问题分解为两个子反演问题,其一以Toeplitz子波矩阵元素为待反演的参数,用Fused Lasso方法求解,可保证子波具有紧支集且是光滑的;其二以稀疏反射系数矩阵元素为待反演参数,用基于回溯的快速萎缩阈值迭代算法求解,大大降低了目标函数中参数选择的难度.通过交替迭代求解上述两个子反演问题可将地震数据剖面因式分解为一个Toeplitz子波矩阵和一个稀疏反射系数矩阵;然后由反射系数矩阵递推反演可以得到高分辨率的相对波阻抗剖面;利用测井资料加入低频分量后,也可得到高分辨率的绝对波阻抗剖面.Marmousi2模型生成的合成记录算例和实际地震资料算例均表明：本文方法可以从带限地震数据中有效地反演相对波阻抗,反演结果分辨率高并且能够很好地保持地震数据的横向连续性;即使在初始估计子波存在误差和地震数据被随机噪声污染的情况下也能取得较好的效果.

     

地震信号稀疏分解的快速方法

稀疏化方法由于能够实现地震信号的高精度分解,已经成为重要的地震信号处理技术.目前地震信号稀疏分解常采用的方法是匹配追踪算法(Matching Pursuit,MP),但所得结果不够稀疏.针对此局限,提出了一种基于重复加权提升搜索算法(Repeated Weighted Boostmg Search,RWBS)的快速分解方法.首先,根据地震信号的频谱图缩小频率搜索范围;然后,将搜索算法RWBS与正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)方法相结合,就得到一种快速的稀疏分解方法,将本文的方法应用到人工合成和实际的地震数据处理中,并与MP和OMP追踪算法作比较,说明采用本文方法进行地震信号分解在稀疏度和分解速度方面都有提高,仿真实验结果表明,与MP和OMP分解算法相比,在满足相同的分解精度条件下,RWBS算法不仅大大提高了分解的稀疏度,而且提高分解速度.与OMP算法相比较.基于RWBS的新方法分解所需的时间减少了约87%;与MP算法相比较,新方法分解所需的时间减少约50%.     

非零井源距VSP逆高斯束叠加成像

VSP-CDP叠加成像是非零井源距VSP数据成像的重要技术手段,但是当地下构造比较复杂时,基于水平层状介质假设的叠加成像方法误差较大.本文使用基于高斯射线束的叠加成像方法对复杂构造VSP数据进行成像,根据高斯束有效邻域波场近似理论提出逆高斯叠加权函数,并使用该权函数对VSP数据进行VSP-CDP转换.同常规的VSP-CDP叠加成像方法相比,本文方法不仅解决了复杂构造非零井源距VSP数据成像问题,而且可有效加密反射点覆盖次数从而提高成像的横向分辨率.模型算例及实际资料验证了本文方法的有效性和稳定性.     

基于黏声介质的角度域高斯束逆时偏移方法研究

高斯束逆时偏移是一种兼具计算效率和成像精度的深度域成像方法,能够面向目标成像.地下介质中黏滞性普遍存在,利用传统各向同性或完全弹性的成像方法处理黏滞性探区的数据会降低分辨率,并导致成像位置不准确和振幅欠估计等问题.本文在高斯束逆时偏移的基础上,通过对震源点和检波点处的波场进行衰减补偿,并结合高斯束求解时的角度信息,实现了黏声介质角度域高斯束逆时偏移方法.最后通过模型和实际资料试算对本文方法的正确性和适用性进行了验证.试算结果表明:相比于声波高斯束逆时偏移,本文方法能够对黏滞性引起的吸收衰减进行有效补偿,同时提取的角度域共成像点道集(ADCIGs)不仅可以用于分角度叠加成像压制成像噪声,而且能够为后续的偏移速度分析提供支撑.     

TI介质局部角度域高斯束叠前深度偏移成像

各向异性射线理论基础上的局部角度域叠前深度偏移方法能够为深度域构造成像与基于角道集的层析反演提供有力支撑,但是对于复杂地质构造而言,高斯度叠前深度偏移在不失高效、灵活等特点的情况下,具有明显的精度优势.为此,本文研究局部角度域理论框架下的高斯束叠前深度偏移方法.为提高算法效率与实用性,文中讨论了一种从经典弹性参数表征的各向异性介质运动学和动力学射线方程演变而来的由相速度表征的简便形式,并提出了一种比较经济的各向异性高斯束近似合成方案.结合地震波局部角度域成像原理,讨论一种适合高斯束偏移的角度参数计算方法.国际上通用的理论模型合成数据试验表明：相比局部角度域Kirchhoff叠前深度偏移成像方法,本文方法具有更高的成像精度与抗噪能力,既适用于复杂构造成像,也可为TI介质深度域偏移速度分析与模型建立提供高效的偏移引擎.     

基于吸收衰减补偿的多分量高斯束逆时偏移

高斯束逆时偏移结合了射线类偏移的高计算效率和波动方程逆时偏移的高精度,能很好地处理焦散点、大倾角成像问题,并且具有面向目标成像的能力.多分量地震资料的偏移技术可以对地下复杂构造进行更准确的成像,由于实际地下介质具有黏滞性,研究黏弹性叠前逆时偏移具有一定的现实意义.本文采用高斯束逆时偏移方法对多分量地震数据进行吸收衰减补偿,首先分别给出纵波和转换波共炮域高斯束叠前逆时偏移方法原理,在此基础上推导补偿吸收衰减的表达式,校正Q引起的振幅衰减和相位畸变,实现基于吸收衰减补偿的多分量高斯束叠前逆时偏移.数值模型的测试结果显示,在考虑地下介质的黏滞性时,本文方法具有更高的成像分辨率.     

改进的高精度匹配追踪方法研究及应用

本文在常规算法的基础上,提出了一种改进的匹配追踪方法.该方法通过引入新的完备库构建策略,并以雷克子波作为原子,利用原始地震数据最大相关性估计完备库的原子的位置和能量,使得分解精度进一步提高,极大地提高了算法的适应性;为避免原子间隔过小问题,引进了最小原子间距,使得分解效率和分解质量进一步提高.模型试算和实际资料应用表明,本文算法不仅提高了信号稀疏表示的质量,加快了收敛速度,而且算法的适应性和分解精度也得到提高;该方法能够较好地挖掘地震有效信息,提高地震解释精度.

     

Morlet小波匹配追踪方法的时频原子参数分析

匹配追踪方法是目前时频分辨率最高的时频分析方法.但传统的匹配追踪方法在寻找与信号匹配最佳的时频原子时,需在较大的参数搜索范围内对时频原子参数进行多重循环寻优迭代,计算效率较低.针对匹配追踪算法实现方式,本文主要工作及结论如下:(1)以Morlet小波为时频原子,以频率、相位、时延和尺度为时频原子参数,分析了信号在时频原子上的投影振幅对这四项时频原子参数的灵敏度,结果表明灵敏度顺序为:时延、频率、尺度和相位,据此结论可在算法实现时根据灵敏度顺序调整不同参数寻优迭代时的参数搜索范围,改善算法的计算效率;(2)针对频率、相位和时延参数已知尺度参数变化的时频原子,分析了利用Hilbert变换得到的瞬时参数表征时频原子参数初值的准确度,结果表明准确度顺序为:时延、频率和相位.据此结论可在算法实现时确定参数寻优的优先级顺序,改善算法的计算效率.与连续小波变换、广义S变换等时频分析方法的对比及在地震数据去噪中的应用效果表明匹配追踪方法效果较好.     

基于两步弥散算子的共反射面元射线束成像方法研究

基于克希霍夫统一成像理论,对共反射面元射线束成像方法进行了深入分析.通过这种分析可以得到一种新的共反射面元射线束类成像实现方式：基于两步弥散算子的共反射面元射线束类成像方法.当仅实施第一步弥散时,即可获得信噪比大幅提高同时更为规则的叠前道集.二维、三维的理论和实际数据算例证实了上述观点.