利用矩阵分解理论的双程波方程叠前深度偏移方法

叠前深度偏移理论及方法一直是地震数据成像中研究的热点问题.业界对单程波叠前深度偏移方法和逆时深度偏移开展了深入的研究,但对双程波方程波场深度延拓理论及成像方法的研究还鲜有报道.本文以地表记录的波场值为基础,利用单程波传播算子估计波场对深度的偏导数,为在深度域求解双程波方程提供充分的边界条件,并提出利用矩阵分解理论实现双程波方程的波场深度外推.通过对强速度变化介质中传播波场的计算,与传统的单程波偏移方法相比,本文提出的偏移方法计算的波场与常规有限差分技术计算的波场相一致,证明了本方法计算的准确性.通过对SEAM模型的成像,在相同的成像参数下,与传统的单程波偏移算法和逆时深度偏移算法方法相比,本文提出的偏移方法能够提供更少的虚假成像和更清晰的成像结果.本文所提偏移算法具有深度偏移和双程波偏移的双重特色,推动和发展了双程波叠前深度偏移的理论和实践.

     

双平方根单程波动方程叠前τ偏移方法

本文将常规双平方根（DSR）单程波动方程从深度域变换到双程垂直走时（τ）域，由此推导出可从数学上实现“沉降观测”的单程波DSR传播算子. 其递归波场延拓算法包含波数域针对常速背景的相移处理和空间域针对横向速度扰动的相位校正，可以应对上覆地层速度横向变化对构造成像的影响. 结合零炮检距、零时间成像条件，提出了在τ域进行波场延拓与成像的DSR方程叠前偏移新方法. 为了克服其全三维偏移算法在实际应用中可能面临的困难，本文采用稳相近似，在crossline常炮检距偏移理论基础上推导了实用的共方位角叠前τ偏移方法. 数值试验表明，DSR方程叠前τ偏移在强横向非均匀介质中的成像精度与分辨率优于传统的时间域成像技术.     

两种类型共炮点域相关型叠前深度偏移方法分析

研究不同偏移方法的成像机理是实现复杂构造高精度成像的前提,研究了两类共炮点域的相关型叠前深度偏移成像方法：基于单程波动方程的叠前深度成像方法和基于双程波动方程的叠前深度成像方法,同时对比了它们在计算效率、数据存储量、成像精度、成像机理、速度敏感性等方面的差异及其共性。以复杂构造模型为例,采用了傅里叶有限差分法（FFD）和逆时成像法（RTM）,这两种方法实现了121个共炮点道集的叠前深度偏移成像处理。计算结果表明,当速度准确时,两种深度域波动方程成像方法均可以恢复出各个地质反射界面,其中逆时偏移对陡倾角成像效果显著,当速度存在百分比误差和随机扰动情况时,逆时成像结果要差于单程波方法,因此,逆时偏移方法对速度的敏感性较大,且低频噪声较为严重。     

双平方根单程波动方程叠前τ偏移方法

本文将常规双平方根（DSR）单程波动方程从深度域变换到双程垂直走时（τ）域,由此推导出可从数学上实现“沉降观测”的单程波DSR传播算子. 其递归波场延拓算法包含波数域针对常速背景的相移处理和空间域针对横向速度扰动的相位校正,可以应对上覆地层速度横向变化对构造成像的影响. 结合零炮检距、零时间成像条件,提出了在τ域进行波场延拓与成像的DSR方程叠前偏移新方法. 为了克服其全三维偏移算法在实际应用中可能面临的困难,本文采用稳相近似,在crossline常炮检距偏移理论基础上推导了实用的共方位角叠前τ偏移方法. 数值试验表明,DSR方程叠前τ偏移在强横向非均匀介质中的成像精度与分辨率优于传统的时间域成像技术.     

Steeply-dipping structures migration based on the wavefield vertical- and horizontal-extrapolation

常规的单程波波动方程偏移成像方法对大角度的高陡构造偏移成像存在内在的限制.根据波动方程在各个空间方向的数学特性和高陡构造反射地震波的传播特征,通过把地震波分解为垂向的上下行波、水平方向的前后行波和左右行波,提出基于波场垂向外推和水平方向外推相结合的单程波波动方程高陡构造偏移成像方法,即用波场垂向外推的单程波波动方程偏移成像方法解决中低角度平缓构造的偏移成像,用波场水平方向外推的单程波波动方程偏移成像方法解决中高角度陡倾构造的偏移成像.这种基于波场垂向和水平方向外推相结合的高陡构造偏移成像方法是常规单程波波动方程叠前深度偏移成像方法的补充和改进,它相对基于全波方程的逆时偏移具有计算效率上的优势.     

基于波场垂向和水平方向外推的高陡构造偏移

常规的单程波波动方程偏移成像方法对大角度的高陡构造偏移成像存在内在的限制.根据波动方程在各个空间方向的数学特性和高陡构造反射地震波的传播特征,通过把地震波分解为垂向的上下行波、水平方向的前后行波和左右行波,提出基于波场垂向外推和水平方向外推相结合的单程波波动方程高陡构造偏移成像方法,即用波场垂向外推的单程波波动方程偏移成像方法解决中低角度平缓构造的偏移成像,用波场水平方向外推的单程波波动方程偏移成像方法解决中高角度陡倾构造的偏移成像.这种基于波场垂向和水平方向外推相结合的高陡构造偏移成像方法是常规单程波波动方程叠前深度偏移成像方法的补充和改进,它相对基于全波方程的逆时偏移具有计算效率上的优势.     

基于解析时间波场外推与波场分解的逆时偏移方法研究

双程波方程逆时深度偏移是复杂介质高精度成像的有效技术, 但其结果中通常包含成像方法引起的噪音和假象, 一般的滤波方法会破坏成像剖面上的振幅, 其中的假象也会给后续地质解释带来困扰.将波场进行方向分解然后实现入射波与反射波的相关成像能够有效地消除这类成像噪音, 并提高逆时偏移成像质量.波传播方向的分解通常在频率波数域实现, 它会占用大量的存储和计算资源, 不便于在沿时间外推的逆时深度偏移中应用.本文提出解析时间波场外推方法, 可以在时间外推的每个时间片上实现波传播方向的显式分解, 逆时深度偏移中利用分解后的炮检波场进行对应的相关运算, 实现成像噪音和成像信号的分离.在模型和实际数据上的测试表明, 相比于常规互相关逆时偏移成像结果, 本文方法能够有效地消除低频成像噪音和特殊地质构造导致的成像假象.     

波动方程叠前深度偏移直接产生角道集

基于单程波深度延拓算法,得到震源波场在成像点的入射角度,结合对地层倾角的估计,获得入射地震波与界面法线的夹角.通过运用"保幅"的反褶积成像条件和考虑累加的炮数,解决了炮点覆盖不均匀导致的成像幅值误差问题,进而建议了炮域波动方程叠前深度偏移直接产生角道集的方法和流程.与基于空间移动或时移成像条件的波动方程叠前深度偏移提取角道集的方法相比,本文建议的方法只需少量额外的存储空间,又可补偿观测系统非均匀覆盖对成像幅值的影响;其增加的计算量与炮域偏移算法相比几乎可以忽略.文中算例表明,本文方法提取的角道集可为叠前反演提供较精确的AVO振幅特性.此外,就改善地震成像效果本身而言,提取角道集使得可在波动方程叠前深度偏移中应用剩余动校和拉伸切除技术,从而可更好地保持高频成分并提高成像的信噪比.     

常用叠前深度偏移方法特点分析与实例对比

目前常用叠前深度偏移主要有四种:基于射线理论的Kirchhoff偏移和高斯束偏移以及基于波动方程理论的单程波偏移和逆时偏移.要想在实际应用中取得好的成像效果,必须选取合理、有效的叠前深度偏移算法.本文首先简单阐述了这四种常用叠前深度偏移方法的基本原理,对比分析了四种方法在陡倾角、速度依赖性、起伏地表、非规则数据、低信噪比数据等方面的优劣性以及计算效率和计算精度的差异,然后利用模型试算和实际资料处理分析说明这四种叠前深度偏移方法的成像效果,最后给出不同情况下叠前深度偏移方法的选取建议.     

构造单程波算子的优化方法及其在偏移中的应用

波动方程叠前深度偏移具有处理复杂构造的特点,高精度偏移方法是勘探地球物理研究方向之一,其单程波算子的构造是波动方程叠前深度偏移的重要内容.本文着重对混合域中单程波算子构造的两种优化方法进行分析,讨论他们与其他单程波算子构造方法之间相互关系,并用上述方法计算变速介质的脉冲响应及偏移Marmousi模型数据,以此说明该类方法的偏移精度.     

全声波方程波场深度延拓倏逝波压制研究

与经典的单程波深度偏移方法相比, 全声波方程波场深度偏移方法在成像质量和计算效率方面会面临新的难题, 还有诸多理论问题值得深入研究, 其中倏逝波的压制问题是全声波方程波场深度延拓及深度偏移方法面对的一项特殊挑战.为了解决该问题, 本文提出了两种新的倏逝波压制策略.策略Ⅰ是以经典频率-波数域方法为基础, 提出广义低通滤波器方法; 策略Ⅱ是以能量守恒原理为基础, 来解决波场延拓中倏逝波的振幅爆炸问题.对梯度速度模型的脉冲响应计算表明, 本文提出的两种倏逝波压制策略在横向速度变化剧烈情况下的数值结果都是稳定的, 并且能够实现与有限差分方法相同的波场延拓计算精度.在对盐丘模型成像时, 在相同计算参数下, 本文所提新策略解决了在使用传统低通滤波器压制倏逝波时无法对高角度构造进行准确成像的缺点.相较于压制倏逝波的谱投影方法, 本文所提新策略不仅在成像质量上达到了与之相同的水平, 而且具有更高的计算效率.通过一系列数值模拟实验表明: 与传统倏逝波压制策略相比, 本文所提新策略在实现全声波方程波场深度延拓及成像时, 更好地平衡了计算效率和计算精度, 具有更好的实用价值.

     

波动方程深度偏移的频率相关变步长延拓方法

发展了波动方程深度延拓的频率相关变步长深度延拓方法和表驱动的单点波场插值技术.前者通过减少深度延拓的次数减少了波动方程深度偏移的计算量,而后者用很少的计算量实现了等间距、理想采样的深度成像.就同一偏移方法,采用频率相关变步长深度延拓加单点插值,其计算量大约是常规的等间距采样延拓方法的三分之一,但两者的成像效果基本相同.文中以最优分裂Fourier方法为例,用二维理论数据（Marmousi模型）和三维实际地震资料验证了这一方法,但这一方法可适用于各类频率域波动方程深度偏移方法.     

拟空间域弹性波方程交错网格有限差分逆时偏移

弹性波逆时偏移是一种高精度的复杂构造地震成像方法.然而,在传统的基于矩形网格离散化的逆时偏移中,介质界面通常会产生畸变.另外,因使用双程波动方程进行波场延拓,其产生的反射波会在成像过程中产生偏移假象.为解决这些问题,本文提出了一种拟空间域弹性波方程高阶交错网格有限差分格式,并给出了差分格式的稳定性条件,进而实现了高精度的拟空间域弹性波方程有限差分逆时偏移.模型实验表明,若在计算拟空间域采样间隔时引入速度界面信息,则拟空间域弹性波方程高阶交错网格有限差分逆时偏移能够避免常规弹性波方程逆时偏移中弯曲界面形态畸变问题;此外基于该方法进行波场延拓时可有效压制弯曲界面的假散射现象,并能有效压制层间反射波,因此可以减少剖面上的偏移假象,从而显著提高成像的质量.

     

三维各向异性介质中的波动方程叠前深度偏移方法

基于三维VTI各向异性介质的频散关系,构建波数项和空间项分离的单程波算子表达式,以优化算法,确定算子的待定系数,实现广角逼近三维VTI介质的广义相移算子,发展了可灵活处理强或弱各向异性介质的波动方程叠前深度偏移方法.文中同时也针对其工业应用建议了三维VTI各向异性介质中可提高计算效率的频率相关变步长波场深度延拓算法及稀疏采样情况下可实现陡倾角构造正确成像的反假频波场延拓算法.SEG二维Hess VTI各向异性介质理论模型数据及野外数据集观测系统下的三维脉冲响应计算表明,本文提出了一种具有工业应用潜力的三维各向异性波动方程叠前深度方法.     

基于时空域自适应高阶有限差分的声波叠前逆时偏移

叠前逆时偏移在理论上是现行偏移方法中最为精确的一种成像方法,其实现过程中的核心步骤之一是波动方程的波场延拓,而波场延拓的本质是求解波动方程,所以精确、快速地求解波动方程对逆时偏移至关重要.本文采用一种基于时空域频散关系的有限差分方法来求解声波方程,分析其频散和稳定性,实现波场数值模拟,并将分析和模拟结果与传统有限差分法进行对比.分析结果和模型数值模拟结果都表明时空域有限差分法模拟精度更高、稳定性更好.将时空域高阶有限差分法应用到叠前逆时偏移波场延拓的方程求解中,然后再利用归一化互相关成像条件成像,理论模型数据偏移处理获得了精度更高的成像.同时,在逆时偏移波场延拓的实现中,采用自适应变长度的空间差分算子求解空间导数的有限差分策略,在不影响数值模拟和成像精度的前提下,有效地提高了计算效率.     

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.