一种线性走时插值射线追踪改进算法

针对线性走时插值算法(LTI)不能正确追踪逆向传播射线的问题, 目前已提出多种改进算法, 如扩张收缩LTI算法、 循环计算LTI算法、 动态网络最短路径射线追踪算法等, 但这些算法的计算效率普遍偏低. 在分析各种改进LTI算法的优劣后, 本文提出了改进动态网络最短路径射线追踪算法. 该改进算法依据波的传播规律以及LTI算法的基本方程, 排除动态网络最短路径射线追踪算法中大量冗余节点计算, 并采用传统的二叉树堆排序算法对波前阵列节点进行管理. 数值算例表明, 本文提出的改进算法具有较高的计算效率, 其计算效率是动态网络最短路径射线追踪算法的4.5—30倍, 是原始LTI算法的2—6.5倍; 当动态网络最短路径射线追踪算法采用堆排序算法时, 改进算法的计算效率是其3.5—15倍.      

基于LTI和网格界面剖分的三维地震射线追踪算法

将二维线性走时插值射线追踪算法(LTI)推广应用至三维模型,并结合网格界面剖分方式,提出了一种三维射线追踪算法．该算法既可获得高精度的全局最小走时和射线路径,又具有快速稳定的特点．三维模型计算结果表明,在模型参数包括网格密度完全相同情况下,本文算法较传统的三维最短路径算法在计算效率、走时和射线的计算精度上均有明显改进．     

非线性插值地震射线追踪方法

针对走时线性插值法(LTI)的计算精度问题,利用非线性插值替代传统的线性插值。该方法利用边界上多个节点的走时,使得插值误差减小,从而提高整体边界网格离散点走时精度,同时保留LTI所具有快速、全局性的优点。数值模拟结果表明,非线性插值算法比LTI算法精度高,可以追踪包括直达波、折射波、透射波等多种射线路径,适合速度突变模型。     

基于图形结构的三维射线追踪方法

在地震层析成像研究中,为了克服最小走时射线路径追踪方法存在的问题,对该方法计算过程中的关键步骤进行了改进．在节点走时的计算中引入Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ画线算法;在最小走时节点查寻中,结合使用快速排序算法与插入排序算法,替代以往方法中多采用的堆排序算法;所采用的节点设置方式,可以引入速度界面,还可以实现反射波射线追踪．模型计算证明,改进的最小走时射线路径方法具有精度高,速度快的特点,所提出的三维空间反射波射线追踪算法简便易行。     

迭代优化的网络最短路径射线追踪方法研究

网络最短路径射线追踪算法,用预先设置的网格节点的连线表示地震波传播路径,当网格节点稀疏时,获得的射线路径呈Z字形,计算的走时比实际走时偏差大.本文在网络最短路径射线追踪算法的基础上,提出了迭代法与网络最短路径相结合的射线追踪算法,运用迭代法优化计算由网络最短路径算法得到的射线路径,并对迭代法进行修正,从而克服了最短路径射线追踪算法的缺陷,大大提高了最小走时和射线路径的计算精度.     

动态网络最短路径射线追踪

最短路径射线追踪算法,用预先设置的网络节点的连线表示地震波传播路径,当网络节点稀疏时,获得的射线路径呈之字形,计算的走时比实际走时系统偏大. 本文在波前扩展和反向确定射线路径的过程中,在每个矩形单元内,通过对某边界上的已知走时节点的走时进行线性插值,并利用Fermat原理即时求出从该边界到达其他边界节点的最小走时及其子震源位置和射线路径,发展了相应的动态网络算法. 从而克服了最短路径射线追踪算法的缺陷,大大提高了最小走时和射线路径的计算精度.     

有序波前重建法的射线追踪

建立了一种新的计算最小走时和射线路径的方法——有序波前重建法. 文中算法按照波前面的实际扩展顺序外推计算走时，采用以计算点为中心的走时计算策略，直接记录计算点获取最小走时的前一节点坐标，同步计算最小走时和射线路径，得到一种全局算法. 该方法具有原理简单、易于实现、不受介质速度差异大小限制、计算速度快等优点. 数值实验表明有序波前重建法具有较高的计算精度和运行效率.     

PS转换波界面二次源法射线追踪

界面二次源法是最近提出的一种最小走时射线追踪方法,尤其适合层状介质中走时和射线路径的计算.该方法相对于传统的最小走时树方法（如Moser法）,仅在物性界面上设置二次源,射线路径的方向只在层界面处发生改变,该方法最大程度地消除了射线路径的锯齿状现象,同时也避免了低变速区的射线路径多值现象,因此,它具有更高的追踪精度和效率.本文采用界面二次源法在各向同性介质中实现了PS转换波射线追踪,理论模型的计算证实了界面二次源法追踪PS转换波的准确性和高效性,同时该方法在各向异性介质中也很好地追踪出分离的PSV波和PSH波,因此该方法有利于横波分裂在地震勘探中的研究和应用     

改进Moser方法二维初至波走时层析成像正演研究

地震层析成像是剖析地球内部结构与性质的主要手段之一。以二维初至波走时层析成像为研究方向,剖析Moser初至波走时层析成像的基本原理,指出在原始算法中走时计算误差较大和射线路径追踪存在的问题,讨论提出两种改进办法,分别是:（1）使用动态节点提高走时计算的精度;（2）使用多重链表散列改进波前节点的处理效率。通过均匀介质模型验证改进Moser方法在正演中比原始算法在计算精度上的大幅提高,其中五个动态节点模型相对误差可达0.1%,解决了原始方法存在的问题。另外实现了改进的Moser方法在Marmousi2复杂介质模型中的正演计算,从绘制的波前射线图中可以看出与理论预期的结果相符,从而证明了改进Moser方法的准确性。      

提高规则网格最短路径方法反射波走时计算精度的走时校正技术

最短路径射线追踪方法是计算地震波走时的主要方法之一,该方法基于惠更斯原理和费玛原理,具有稳健、适于复杂介质模型的优点.为处理方便,最短路径方法中的介质模型通常以规则网格进行剖分,界面节点(界面与网格的交点)以其邻近的模型单元节点(即边界单元节点)近似表示.界面近似将导致计算误差,对于反射波尤为严重.反射波的走时精度可通过减小网格的尺寸提高,但这样会大大增加计算时间,为高精度和高效率地计算地震反射波走时,我们提出了一种基于规则网格的走时校正技术.地震波传播至或起始于边界单元节点的走时校正为地震波传播至或起始于该边界单元节点所对应的界面节点的走时.数值模型计算结果表明,走时校正方法可使反射波的走时精度提高约1～2个数量级,而其计算时间则和常规算法基本上在相同量级.     

A new 3-D ray tracing method based on LTI using successive partitioning of cell interfaces and traveltime gradients

We present a new method of three-dimensional (3-D) seismic ray tracing, based on an improvement to the linear traveltime interpolation (LTI) ray tracing algorithm. This new technique involves two separate steps. The first involves a forward calculation based on the LTI method and the dynamic successive partitioning scheme, which is applied to calculate traveltimes on cell boundaries and assumes a wavefront that expands from the source to all grid nodes in the computational domain. We locate several dynamic successive partition points on a cell's surface, the traveltimes of which can be calculated by linear interpolation between the vertices of the cell's boundary. The second is a backward step that uses Fermat's principle and the fact that the ray path is always perpendicular to the wavefront and follows the negative traveltime gradient. In this process, the first-arriving ray path can be traced from the receiver to the source along the negative traveltime gradient, which can be calculated by reconstructing the continuous traveltime field with cubic B-spline interpolation. This new 3-D ray tracing method is compared with the LTI method and the shortest path method (SPM) through a number of numerical experiments. These comparisons show obvious improvements to computed traveltimes and ray paths, both in precision and computational efficiency.     

三维复杂介质中转换波走时快速计算

复杂介质中转换波走时计算是多波勘探地震学中重要内容之一.本项研究利用惠更斯原理和费玛原理,获得了三维复杂介质中转换波快速计算的改进型最小走时树方法.其中,在保证精度的条件下,为了提高三维转换波走时计算效率,首先对初至波最小走时树基本算法进行了改进.本方法通过将转换波分为上、下行波分别进行射线追踪以实现三维转换波走时的快速计算.模型计算表明,方法的计算速度快,而且稳定性强,对多波地震勘探具有较大的应用价值.     

复杂介质地震定位中震源轨迹的计算

在地震定位中常常需要求解震源轨迹,但由于复杂介质中的震源轨迹较为复杂,难以给出其解析解,因此震源轨迹的计算通常仅限于简单介质模型.本文基于最小走时树射线追踪技术,提出了一种计算复杂介质中震源轨迹的方法.为回避发震时间问题,以观测到时差作为震源轨迹的约束条件.首先从模型节点中选出少量理论到时差与观测到时差之绝对差,即双重时差较小的点作为震源轨迹的代表点,然后以其中双重时差最小的点为初始点,在双重时差场中利用最小走时树射线追踪方法计算出初始点到其他震源轨迹代表点的射线路径作为震源轨迹.当选的震源轨迹代表点较多时,得到的震源轨迹较为粗略,此时可去掉射线经过次数较少的代表点的射线路径使震源轨迹更为精细.为减少计算量,对最小走时树射线追踪方法的终止条件做了修正.以一个复杂介质模型中的地震为例,计算了包括速度扰动、到时扰动等不同情况下的震源轨迹,结果表明所提出的震源轨迹计算方法切实可行.     

SEISMIC RAY TRACING USING LINEAR TRAVELTIME INTERPOLATION1

A new ray-tracing method called linear traveltime interpolation (LTI) is proposed. This method computes traveltimes and raypaths in a 2D velocity structure more rapidly and accurately than other conventional methods. The LTI method is formulated for a 2D cell model, and calculations of traveltimes and raypaths are carried out only on cell boundaries. Therefore a raypath is considered to be always straight in a cell with uniform velocity. This approach is suitable to tomography analysis. The algorithm of LTI consists of two separate steps: step 1 calculates traveltimes on all cell boundaries; step 2 traces raypaths for all pairs of receivers and the shot. A traveltime at an arbitrary point on a cell boundary is assumed to be linearly interpolated between traveltimes at the adjacent discrete points at which we calculate traveltimes. Fermat's principle is used as the criterion for choosing the correct traveltimes and raypaths from several candidates routinely. The LTI method has been compared numerically with the shooting method and the finite-difference method (FDM) of the eikonal equation. The results show that the LTI method has great advantages of high speed and high accuracy in the calculation of both traveltimes and raypaths. The LTI method can be regarded as an advanced version of the conventional FDM of the eikonal equation because the formulae of FDM are independently derived from LTI. In the process of derivation, it is shown theoretically that LTI is more accurate than FDM. Moreover in the LTI method, we can avoid the numerical instability that occurs in Vidale's method where the velocity changes abruptly.     

横向各向同性介质中地震波走时模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛分布的一种各向异性介质.针对这种介质,我们对各向同性介质的最小走时树走时模拟方法进行了推广,推广后的方法可适用于非均匀、对称轴任意倾斜的横向各向同性介质模型.为保证计算效率,最小走时树的构建采用了一种子波传播区域随地震波传播动态变化的改进算法.对于弱各向异性介质,我们使用了一种新的地震波群速度近似表示方法,该方法基于用射线角近似表示相角的思想,对3种地震波（qP, qSV和qSH）均有较好的精度.应用本文地震波走时模拟方法对均匀介质、横向非均匀介质模型进行了计算,并将后者结果与弹性波方程有限元方法的模拟结果进行了对比,结果表明两者符合得很好.本文方法可用于横向各向同性介质的深度偏移及地震层析成像的深入研究.     

THE INTERPRETATION OF TRAVELTIME FIELDS IN REFRACTION SEISMOLOGY*

We consider multiply covered traveltimes of first or later arrivals which are gathered along a refraction seismic profile. The two-dimensional distribution of these traveltimes above a coordinate frame generated by the shotpoint axis and the geophone axis or by the common midpoint axis and the offset axis is named a traveltime field. The application of the principle of reciprocity to the traveltime field implies that for each traveltime value with a negative offset there is a corresponding equal value with positive offset. In appendix A procedures are demonstrated which minimize the observational errors of traveltimes inherent in particular traveltime branches or complete common shotpoint sections. The application of the principle of parallelism to an area of the traveltime field associated with a particular refractor can be formulated as a partial differential equation corresponding to the type of the vibrating string. The solution of this equation signifies that the two-dimensional distribution of these traveltimes may be generated by the sum of two one-dimensional functions which depend on the shotpoint coordinate and the geophone coordinate. Physically, these two functions may be interpreted as the mean traveltime branches of the reverse and the normal shot. In appendix B procedures are described which compute these two functions from real traveltime observations by a least-squares fit. The application of these regressed traveltime field data to known time-to-depth conversion methods is straightforward and more accurate and flexible than the use of individual traveltime branches. The wavefront method, the plus-minus method, the generalized reciprocal method and a ray tracing method are considered in detail. A field example demonstrates the adjustment of regressed traveltime fields to observed traveltime data. A time-to-depth conversion is also demonstrated applying a ray tracing method.     

多步法快速射线追踪与圆台型高精度走时外插计算

为更好地适应复杂构造的地震偏移成像,本文提出了一套快速射线追踪算法和一种高精度的走时外插计算方法.采用线性多步法的预测-校正公式求解射线追踪方程组,与传统的四阶Runge-Kutta法相比,提高了计算效率.在网格节点上的走时计算中,应用一种基于圆台的外插方法,该方法以射线的方向为轴确定圆台,将轴上的走时外插到圆台内的网格节点上.与传统的矩形体外插方法相比,圆台走时外插方法提高了计算精度,且具有更好的稳定性.另外,该方法利用稀疏分布的射线即可获得高精度的走时表,节省计算量,对复杂构造的偏移成像非常有利,尤其是三维偏移.最后通过逆散射偏移成像算例,验证了算法的有效性和适用性.