二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法的对比研究

本文将二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法分别应用到Marmousi模型,进行数值试验.两种方法均采用相同的观测系统和其他的参数,理论模型的数值试验结果证实了:使用较多的计算集群的CPU进行二维频率空间域直接法声波全波形反演时,其加速有限(正演数值模拟的计算量主要用于稀疏矩阵的LU分解,炮点计算波场时为线性关系).二维时间空间域声波全波形反演计算时更灵活,多炮同时计算时,可以多倍提高其计算效率;二维声波全波形速度反演时,直接法求解频率空间域的计算速度远快于时间空间域,所需要的计算机内存也比时间空间域少.二维声波全波形速度反演时,相比较于时间空间域的方法,频率空间域直接法声波全波形反演具有计算速度快和节省计算机内存需求的优势.     

高分辨率的频率空间域声波全波形速度反演-理论模型

使用最速下降法进行二维频率空间域声波波动方程全波形速度反演,讨论了如何快速实现高精度的二维频率空间域声波波动方程全波形速度反演.多尺度的思想耦合在反演框架中.把非线性问题化为逐步线性问题是我们关注的焦点,目的是把整个非线性反演的黑匣子转化成为每一步可控的过程,尽可能得到想要的反演解.仅仅使用3个离散的频率,每个频率迭代...     

二维时间空间域弹性波全波形反演-理论模型数值试验

本文使用炮并行和区域分解(物理上分割模型,使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群,节约单个CPU内核的内存使用量,快速进行正演数值模拟)两种并行算法.该方法的每一步迭代都能确保近似海森矩阵的正定,因此,算法稳健.将时间正向传播的炮波场和反向逆时间传播的残差波场(伴随波场)进行零延迟互相关计算,得到误差泛函的梯度,然后对梯度乘以一个预条件算子,从而加快反演的收敛速度.通过抛物线搜索方法而估计步长,使用L-BFGS算法(限定内存的BFGS算法)求解模型的更新量,进行二维时间空间域弹性波全波形反演.将该反演方法应用到Marmousi2弹性波理论模型,分别反演Marmousi2理论模型的纵波速度、横波速度以及密度等三个参数.我们分别使用截止频率为2 Hz、5 Hz、10 Hz和20 Hz四个阶段的低通巴特沃斯滤波器,采用多尺度的策略,从理论模型数据的低频分量开始反演,将低频分量的反演结果作为高频分量反演时的初始模型,然后依次反演数据的高频分量.理论模型数值试验反演所得到的结果证实:二维时间空间域弹性波全波形反演计算灵活,适用于各种观测系统,能够方便地对地震数据进行加时窗;二维时间空间域弹性波全波形反演所得纵波速度模型的分辨率最高,横波速度模型的分辨率次之,密度模型的分辨率稍微差些.     

基于伴随状态法二维时间域勒夫波全波形反演研究

高频面波技术作为一种先进的地球物理勘探技术可被用来估计近地表横波速度.然而,基于频散曲线反演的高频面波技术对于非层状复杂的地质模型是不适用的.为此,本文对勒夫波进行时间域全波形反演以估计近地表横波速度.有别于经典的伴随状态法,本文基于一阶勒夫波伴随状态法求取模型参数梯度,该伴随状态法可以求取精确的伴随源.为削弱震源与近自由地表的耦合作用,本文对梯度进行适当的预调节.采取共轭梯度算法优化目标函数,并通过三点抛物法确定最优步长.分别对两个模型的无噪声和噪声勒夫波数据,应用本文方法测试.结果表明:经过50次迭代后,真实模型的主要异常已经被精确重建;噪声会加强震源与近自由地表的耦合作用,在近自由地表附近产生假异常;基于伴随状态法的全波形反演对于异常体的边界刻画能力较弱.     

频率域粘弹性声波透射波形速度反演

在用稀疏矩阵的LU分解技术对频率域粘弹性声波方程进行直接求解的基础上,根据失配函数二范数最小准则, 用预条件梯度类方法对粘弹性声波介质的速度结构进行了逐频反演. 局部非均匀介质模型和层状介质模型速度结构反演的实验结果表明,不同频率能够反映地下介质的多尺度物性结构（低频数据对应与介质物性的大尺度结构）,用低频反演结果作为高频反演的初值逼近这一顺序模式,能大大改善反演过程中解的非唯一性. 而且,在反演过程中用Hess矩阵的对角线元素来做梯度类方法的预条件算子,能够吸收了高斯牛顿法的二次收敛优势, 使得本文算法具有较快的收敛速度.      

时间域地震全波形反演方法进展

地震全波形反演(Full Waveform Inversion)利用地震波场的运动学和动力学信息建立地层速度模型,能够精确刻画模型细节,成为近年来的研究热点.本文对日渐成熟的时间域全波形反演方法的研究进行了综述,着重评述了地震波场模拟方法、震源子波的处理方式、目标泛函的建立方式、优化反演方法、梯度预处理方式等关键环节的进展,指出了全波形反演方法向分频分尺度、全局搜索与局部搜索联合的优化反演、时间域正演和频率域反演的混合域反演等多种技术有机联合的方向发展.     

时间域平面波全波形反演

全波形反演同时利用地震波的振幅和相位信息,基于最小二乘思想反演介质参数,具有高分辨率、高精度等优点.但是,在地震数据的处理过程中运用全波形反演的运算成本非常高.为了解决这个问题,本文通过线性时移函数将多个炮记录压缩为若干个平面波记录,实现了一种基于平面波编码的时间域多尺度全波形反演方法.通过对Marmousi模型的反演测试以及与常规全波形反演对比分析,验证了本文方法的较高的运算效率和较强的抗噪声能力.     

基于多尺度迭代求解三维频率-空间域声波方程的全波形速度反演研究-理论模型

使用广义最小残量方法迭代求解三维频率-空间域声波方程,反演时使用多尺度、多重网格的策略,探讨了如何快速实现高分辨率的三维频率-空间域迭代法声波全波形速度反演.通过对理论模型进行三维频率-空间域迭代法声波全波形反演数值试验,证实该方法的计算速度快、计算效率高,反演所得速度的分辨率高.从而为基于多尺度迭代求解三维频率-空间域声波方程的全波形速度反演成像打下方法基础.     

起伏地形条件下二维声波频率域全波形反演（英文）

频率域全波形反演充分利用全波场的振幅、相位以及频率信息,采用较少的频率便能反演得到精度很高的速度模型。本文以有限单元法为基础,对起伏地形条件下二维声波频率域全波形反演进行了研究。在正演算法中,针对截断边界问题,并考虑多频率联合反演中计算区域采用同一套剖分网格的需求,提出了一种适用于起伏地形的衰减边界条件算法。该算法的核心思想是在控制方程波数项中引入衰减因子,通过一定方式调节衰减因子使得声波在衰减层中充分衰减,达到压制截断边界影响的目的。根据指数衰减规律,文中推导出了一种新的衰减因子计算公式,并给出了不同频率条件下衰减层厚度计算公式;在反演算法中,采用共轭梯度法求解高斯牛顿反演迭代方程组,避免直接求解雅克比矩阵和HeSSian矩阵带来的巨额计算量,并采用相同的反演模型,对比分析了不同初始模型和频率组合对全波形反演结果的影响。起伏地形模型数值模拟和全波形反演数值试验表明,本文提出的指数衰减边界条件算法和基于该算法的全波形反演算法具有很好的应用效果。     

基于非规则网格声波正演的时间域全波形反演

全波形反演是地震资料处理中速度建模的有力工具,相比层析成像等速度建模方法它能够得到速度场的更高频成分.本文给出了基于声波方程格子法正演的时间域全波形反演方法,该方法用非规则、非结构化的三角网格来离散计算区域及模型参数,能实现网格粒度与反演分辨率在空间上的自动匹配,内存需求少,计算效率高;采用L-BFGS优化方法,以分频段变网格的方式实施多尺度反演.以二维Overthrust模型进行了速度反演数值测试,显示了该方法的高效性和潜力.     

二维声波方程速度反演的一种方法

从二维声波方程出发,用最小二乘－正则化方法,利用平面波垂直入射时的反射地震记录,成功地反演出地下介质的速度．同时给出数值模拟结果．计算结果表明该方法具有较高的精度和较好的稳定性,是求解波动方程反问题行之有效的方法．     

二维声波方程速度反演的一种方法

从二维声波方程出发，用最小二乘－正则化方法，利用平面波垂直入射时的反射地震记录，成功地反演出地下介质的速度．同时给出数值模拟结果．计算结果表明该方法具有较高的精度和较好的稳定性，是求解波动方程反问题行之有效的方法．     

角度域全波形反演研究

本文基于二维声波方程在时间域研究了角度域全波形速度反演,由于不同地下反射角对应的梯度具有频率的多尺度性,在每个主频反演过程中,可以将全波形反演的梯度也进行角度域分解,分解为不同角度范围的角度域梯度.对比不同频率不同角度范围的梯度,表明梯度的垂向波数在不同频率不同角度具有一致性,即高频大角度梯度与低频小角度梯度可在垂向上波数范围一致.先后利用大角度到小角度梯度进行反演,在数据主频不变的情况下,实现角度域多尺度反演.同时,反演过程中去掉浅层超大角度(80°)的梯度,有利于浅层速度细节准确刻画,而深层梯度局部反射角相对较小,因此不会对深层速度反演产生影响.     

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.     

频率域全波形反演方法研究进展

全波形反演是一种利用地震波传播的动力学特征来获取地下介质物性参数的反演方法,可为揭示地下精细结构提供重要依据。本文以弹性波方程作为数学模型来模拟地震波传播规律并进行相应的反演方法研究。为提高计算效率与反演结果的准确性,可将近似解析离散化（NAD）算子用于频率域弹性波方程的正演模拟。本文在频率域NAD离散的基础上推导阻抗矩阵的稀疏分块结构与反演目标函数对模型参数的梯度计算公式,由此建立基于NAD算子的频率域弹性波全波形反演方法。为验证该方法的有效性,文中通过数值实验对多种典型介质模型进行反演计算,均得到了理想的反演结果。

     

一种时间域全波形反演中的地震子波估计方法

全波形反演具有高精度成像能力,然而由理论走向实际应用还存在很多问题.全波形反演通过匹配波形来更新模型,数据的波形与地震子波有直接的关系.本文介绍了一种针对时间域波形反演的子波估计方法,并将其应用到全波形反演中.由于在频率域子波反演可表示为一个线性优化问题,因此本文先给定一个试探子波,在时间域通过有限差分法正演得到地震波场,并在频率域与观测数据比较分析,反演得到预测子波.此外,本文还简要地介绍了如何使用伴随状态法计算全波形反演的梯度.数值实验证明,本文方法反演得到地震子波与真实子波具有很好的吻合度,并在全波形反演中取得了不错的效果.相比不依赖于子波的方法,提前进行子波估计可提高反演效率.此外,本文方法适用于全波形反演中常使用的多尺度反演策略.     

声波全波形反演目标函数性态

地震波传播的复杂性所引起的地震反演中强烈的非线性问题是目前全波形反演在技术上遇到的最大难题,了解全波形反演中不同的目标函数随不同物性参数的不同摄动尺度的变化性态,对选择合理的反演方法和反演策略具有重要意义.本文参照Jannane等对波形反演目标函数性态的分析方法,通过变密度声波方程,分析了多种地震数据子集的不同目标函数随物性参数的摄动尺度的变化关系,重点分析了它们的非线性程度,为进行分步骤、分尺度全波形反演方法和反演策略的选择提供了理论指导.     

二维频率空间域粘声波正演模拟研究

地球介质本身的非弹性导致大地吸收效应,黏滞性影响波场的所有频率成分且对高频成分的影响更大,从而降低了地震记录和地震成像的垂向分辨率.通常使用经验公式描述吸收衰减.在时间域模拟吸收衰减需大量的计算机内存、计算效率较低,模拟Q值非常困难;而频率空间域可以通过引入复速度和Q值,使用任意的经验公式而进行粘滞介质的数值模拟.本文...     

基于特征能量梯度算子的时间域全波形反演

全波形反演中构建常规梯度算子过程中需要三步骤:震源子波的正向传波场传播,波场残差的反传波场和波场互相关构建梯度算子,其过程存在数据量大、效率低等缺点,为提高反演的效率,本文针对常规时间域梯度算子进行优化,提出了基于特征能量的梯度算法.在正传过程中计算每一个网格点上的正传波场的最大激发能量及其对应的时间步,保存一个子波时间长度的利用特征能量以构建梯度算子.在构建梯度算法中利用保存的子波长度的特征能量进行构建梯度算子.该算法无需保存震源的正传波场,可以减少运算过程中的磁盘读写,提高全波形反演的计算效率.在Mamousi模型梯度测试和实际资料的反演测试中表明:该算法在可以保证梯度算子的精度,具有数据读写量小的优点,效率高的优点.     

CPU/GPU协同计算在频率域二维全波形反演中的应用

全波形反演利用波场的运动学和动力学信息重建地下物理参数,是建立高精度速度模型的有效手段,巨大的计算量是制约其实用化的瓶颈之一。本文针对全波形反演中频率域正演的复杂计算问题,采用粗细结合的并行策略,将MPI技术应用于多炮间并行计算,同时利用GPU技术加速正演过程中大型稀疏线性代数方程组的求解,以提高频率域全波形反演的计算效率。通过理论模型验证本文方法的正确性和有效性,给出不同数据量与GPU计算效率的相关分析结论,提出频率域全波形反演CPU/GPU协同并行计算的制约瓶颈和发展方向。