基于一阶弹性波方程的能量互相关成像条件

基于地震波场能量构建的能量互相关成像条件,具有易实现、物理意义明确及背向散射压制效果明显等优势.但是,目前构建的能量互相关成像条件仅适用于二阶弹性波方程,难以直接应用于一阶弹性波方程.为此,本文针对一阶弹性波方程,基于能量守恒定理及能量密度,构建以速度-应力为参数的能量范数以表征弹性波场能量,将速度-应力能量范数拓展为能量内积以提取弹性波场反射能量.震源端与检波端的基矢量正方向保持一致的基础上,构建得到可有效压制背向散射的弹性波能量成像条件.数值模拟结果表明：该成像条件可以得到背向散射压制、振幅有效保持的能量成像结果.

     

基于成像能流矢量的弹性波能量成像条件（英文）

弹性波逆时偏移方法可有效处理多分量地震数据,其中能量互相关成像条件可实现标量成像结果提取。但是,基于一阶弹性波方程的能量互相关成像条件存在背景速度依赖度高等问题。为此,本文基于能量密度与能流矢量间定量关系利用能流矢量实现无背景参数的弹性波场能量表征,结合震源端质点振动速度和检波端应力构建成像能流矢量和提出可以实现标量成像结果提取的弹性波能量成像条件。结合平面波解推导证明了弹性波能量成像条件的背向散射压制机理。数值实验表明,与矢量波场中标量成像条件相比,弹性波能量成像条件可以得到无背向散射的能量成像结果,且一定程度上可以降低背景速度依赖度,从而可有效处理海底多分量数据。     

基于激发振幅成像条件的探地雷达逆时偏移成像

针对基于互相关成像条件的探地雷达（GPR）逆时偏移计算效率低、存储量大及易产生低频假象的不足,本文将激发振幅成像条件应用于GPR逆时偏移成像中.通过在源点电磁波场正向传播过程计算每个网格点的能量密度,并保存最大能量密度的时刻和相应的电磁波场值;在接收点电磁波场逆向传播过程提取每个网格点最大能量密度时刻及对应的电磁波场值,并利用保存的最大能量源点电磁波场及走时做归一化,从而获得了依赖反射系数成像剖面,避免了源点正向传播电磁波场的存储和重建.此外,为了提高电磁波场的模拟精度,采用了基于三角形剖分的时间域有限单元法（FETD）计算电磁波正向和逆向传播过程.最后通过模型试算表明：激发振幅成像条件相比于归一化互相关成像条件,成像结果低频噪声更弱,空间分辨率更高,计算效率提高了近2倍.

     

弹性波逆时偏移中的稳定激发振幅成像条件

本文针对弹性波逆时偏移,提出稳定的激发振幅成像条件.在震源波场的正向传播过程中,计算每个网格点的能量,并保存最大能量密度的时刻和相应的波场值;在检波器波场的逆时传播过程中,在每个网格点提取最大能量密度时刻的检波器波场值,并利用保存的最大能量震源波场做归一化,获得角度依赖的反射系数成像剖面.相比于归一化互相关成像条件,该成像条件在震源波场的正向传播过程中无需存储波场快照,节省大量磁盘空间和I/O吞吐任务,提高了计算效率;相比于弹性波的激发时间成像条件,该成像条件自动校正了水平分量在震源两侧的极性反转,在多炮叠加时避免振幅损失.数值试验表明,与归一化成像条件相比,稳定激发振幅成像条件具有更小的计算量,偏移剖面的低频假象更弱,水平分量的成像能力更优,具有更高的空间分辨率.     

基于波场分离理论的逆时偏移成像条件研究及应用

逆时偏移成像方法与其它算法的成像方法相比,由于算法不受地层倾角的限制,因此针对陡倾角构造和复杂地质模型地区的成像有着无可比拟的优越性,特别是在盐丘发育的地区优势更加明显.实际应用过程中,逆时偏移通常是应用互相关成像条件构建成像,然而,这种成像条件会产生低频、强振幅的噪音,如果不能彻底消除这些噪音,那它就会严重影响甚至淹没有效信号,特别是在浅层的强反射界面上方往往会出现大量的低频噪音,从而使得浅层构造基本无法识别.基于传统互相关成像条件的这一局限,本文提供了一个新的成像条件,它能在有效成像的同时消除这些低频、强振幅的干扰噪音;其具体实现思路就是将炮点及检波点波场分离成它们的单程波传播分量,然后采用互相关成像条件对分离后的波场进行成像,从而实现逆时偏移成像.通过对模型数据和实际野外数据的实测,证明了该方法的有效性和适用性.     

逆时偏移成像条件研究

本世纪初高性能计算技术进步促进了逆时偏移技术的应用与发展.为解决逆时偏移存在的低频噪音等问题,可利用优化的角度域成像条件对成像进行改进;为实现真振幅逆时偏移,选择合适的成像条件也至关重要.根据不同的成像目的,有必要对逆时偏移使用的成像条件进行深入的分析.本文给出了逆时偏移的五类成像条件,并主要从噪音与振幅等方面对各种方法分别进行了分析说明,为逆时偏移的进一步应用提供方法对比.     

基于分组互相关成像条件的微震逆时成像定位方法

地面微地震记录的信噪比常常很低,微地震走时拾取困难,难以利用基于微震走时的方法进行震源定位,微震逆时成像作为有潜力的地面微震定位方法而成为研究热点.微震逆时成像的效果和效率与所使用的成像条件密切相关.本文通过对不同信噪比微地震记录的逆时成像实验,在分析现有的自相关和互相关成像条件优缺点的基础上,提出分组互相关成像条件,讨论了分组方式对成像结果的影响.结果表明:分组互相关成像兼顾了自相关和互相关成像的优势,避免了它们的缺点.通过采用合适的分组方式,可以在满足计算效率要求的情况下,获得空间分辨率很高的震源成像结果.分组互相关成像对低信噪比资料具有很强的适应性,是一种很有前景的地面微震定位方法.     

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.     

基于干涉成像条件的探地雷达衰减补偿逆时偏移成像

探地雷达(GPR)衰减补偿逆时偏移方法采用互相关成像条件对实际地下结构成像时,由介质小尺度不均匀所产生的散射波和噪声能量在电磁波衰减补偿逆时外推中会急剧增大,严重影响成像分辨率.为此,本文提出一种基于干涉成像条件的GPR衰减补偿逆时偏移方法.该方法通过在逆时外推过程中,人为改变电磁波动方程中衰减项前的正负号,以保持逆时外推的时间对称性,补偿衰减的电磁波能量;干涉成像条件利用Wigner分布函数(WDF)对所有时刻的逆时外推电磁波场进行滤波,以有效压制逆时偏移剖面中的低频噪声及成像伪影.数值试验结果表明：相比于互相关成像条件,干涉成像条件可有效压制衰减补偿逆时偏移过程中由于背景小尺度不均匀性所产生的散射波和低频噪声,且几乎不影响目标体的成像能量;在计算效率相当的同时,成像分辨率更高.     

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.

     

声反射成像测井弹性波逆时偏移方法对比研究

声反射成像测井中的声波逆时偏移算法在处理单分量偶极横波反射资料时可获得高精度成像结果, 而面对单极声源中的多波多分量弹性波反射资料时, 由于其包含PP、PS、SP和SS等多种波型分量, 基于声波方程的逆时偏移处理结果中出现单反射界面对应多同相轴的偏移假象.首先在声反射成像测井中实现了纵横波耦合弹性波逆时偏移和基于Helmholtz分解的弹性波逆时偏移, 在此基础上首次提出和实现了基于一阶速度-应力纵横波解耦方程的弹性波逆时偏移, 通过纵横波解耦结果和成像结果对三种声反射成像测井弹性波逆时偏移进行对比研究, 数值算例表明基于纵横波耦合的弹性波逆时偏移无法处理转换波(PS或SP)成像问题; Helmholtz分解虽可实现纵横波解耦但同时引起反射波振幅和相位改变, 进而导致包含S波的成像分量出现极性反转问题.基于一阶速度-应力纵横波解耦方程的弹性波逆时偏移可有效处理多波多分量反射资料偏移成像, 消除转换分量成像噪声, 解决S波分量成像极性反转, 为声反射成像测井弹性波逆时偏移算法奠定了有力的理论基础.

     

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.

     

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.

     

检波点与震源能量比值在偏移成像条件中的作用分析

利用检波点能量与震源能量比值构造衰减系数,研究波场各频率成分在自相关与反褶积两类成像条件中偏移成像的作用.分析检波点能量与震源能量比值分布特征,有利于克服反褶积型成像条件中分母趋于零时计算不稳定现象,也有助于平滑检波点波场与震源波场;检波点能量与震源能量比值超出正常范围容易导致偏移结果中出现照明不均匀现象.本文方法有助于改善反褶积型成像条件的偏移计算,也有助于应用照明技术指导偏移成像结果的振幅校正.     

利用微震数据对震源下方构造直接成像

现有的微震记录直接成像方法是将微震记录既当作入射记录,也当作散射记录,从而实现偏移成像.但此方法并不能突出透射波所携带的来自震源下方的深层散射波信息.本文在假设已知微震位置与子波的前提下,提出了对微震下方构造进行逆时偏移的成像方法.该方法类似于常规的逆时偏移,只是震源位置在地下.这使得在成像时,地下更深部的入射波场相比震源在地表时会更为精确,因此能够获得更加准确的成像结果.该方法会给成像结果带来一种尾波高频干扰：地下的震源发出的上行波与上方介质作用后,所产生的多级散射波会干扰反传波场.对此,在成像过程中,对入射场和散射场都进行左右行波分离,以压制该噪声.而在子波信息未知,无法重构入射场时,使用了激发时间成像条件,也能够实现同等效果的偏移成像,且不会出现尾波高频干扰.利用数值实验验证了本文方法的有效性.     

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.

     

Directional‐oriented wavefield imaging: a new wave‐based subsurface illumination imaging condition for reverse time migration

The key objective of an imaging algorithm is to produce accurate and high‐resolution images of the subsurface geology. However, significant wavefield distortions occur due to wave propagation through complex structures and irregular acquisition geometries causing uneven wavefield illumination at the target. Therefore, conventional imaging conditions are unable to correctly compensate for variable illumination effects. We propose a generalised wave‐based imaging condition, which incorporates a weighting function based on energy illumination at each subsurface reflection and azimuth angles. Our proposed imaging kernel, named as the directional‐oriented wavefield imaging, compensates for illumination effects produced by possible surface obstructions during acquisition, sparse geometries employed in the field, and complex velocity models. An integral part of the directional‐oriented wavefield imaging condition is a methodology for applying down‐going/up‐going wavefield decomposition to both source and receiver extrapolated wavefields. This type of wavefield decomposition eliminates low‐frequency artefacts and scattering noise caused by the two‐way wave equation and can facilitate the robust estimation for energy fluxes of wavefields required for the seismic illumination analysis. Then, based on the estimation of the respective wavefield propagation vectors and associated directions, we evaluate the illumination energy for each subsurface location as a function of image depth point and subsurface azimuth and reflection angles. Thus, the final directional‐oriented wavefield imaging kernel is a cross‐correlation of the decomposed source and receiver wavefields weighted by the illuminated energy estimated at each depth location. The application of the directional‐oriented wavefield imaging condition can be employed during the generation of both depth‐stacked images and azimuth–reflection angle‐domain common image gathers. Numerical examples using synthetic and real data demonstrate that the new imaging condition can properly image complex wave paths and produce high‐fidelity depth sections.