三角网最小走时射线追踪层析成像

针对层析成像模型矩形网格剖分存在的一些问题,提出了复杂结构三角网最小走时射线追踪层析成像方法。以Delaunay三角剖分的优化准则,根据模型点、线、面的几何结构关系,进行三角网格剖分;采用三角网波行面扩展法计算声波初至走时,追踪出任意接收点至激发点处的射线路径,射线路径包含了从接收点至源点的坐标、所在三角单元等信息,形成矩阵方程。应用稳定性较好的联合迭代重构技术求解矩阵方程,得到模型的速度分布。数值模拟结果表明,三角网射线层析成像方法分辨率高,成像结果更接近实际结构形态,有效地解决了矩形网剖分对复杂区域网格参数化灵活性差,速度界面描述精度低等问题。     

界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术

以Moser方法为代表的最短路径射线追踪算法可以快速稳定地获得整个追踪区域的全局最小走时和路径,但它存在两个缺陷：一是射线大多由折线呈锯齿状相连,长度和位置偏离真实射线路径;二是在低变速区容易出现射线路径多值现象．本文提出的界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术（以下简称界面源法）旨在解决上述两个问题．不同于Moser方法,界面源法只在物性分界面上设置子波源点,子波出射射线可以到达任何不穿越物性界面而直接到达的空间点和界面离散点,在均匀块体内或层内地震波以精确的射线路径传播．显然,界面源法的子波出射方向数远远大于传统方法,算法的追踪误差主要由界面离散引起的,因此,界面源法很好地解决了Moser法存在的问题,大大提高了追踪的精度．同时,由于界面源法的子波源点数远远小于Moser法,因而效率也很高．模型实算证实了该算法的高效性．     

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.     

一种改进的线性走时插值射线追踪算法

线性走时插值法（LTI）在走时的计算中,由于射线方向考虑不全,计算得到的节点走时不一定最小,导致追踪的射线路径无法满足最小走时.针对这一问题,本文提出了一种改进的射线追踪算法,通过采用多方向的循环计算,得到所有计算节点的最小走时,使追踪到的射线路径能真正满足最小走时,以确保射线追踪的精度.模拟实验结果表明,在介质速度变化剧烈的结构中,该算法与传统的LTI算法相比,有效地提高了射线追踪的精度.     

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.      

地震走时CT波前追踪

把走时CT结果作为地震衍射CT(DCT)的背景场可以改善DCT之成像质量。本文由Radon变换、泛函分析变分原理和微分几何导出程函方程后,采取有限差分法求解,实行波前追踪。通过对反射地震勘探和VSP 结构的源——接收系统编程实际运算,表明该波前追踪程序输入简单,适合于多层介质模型,各网格点的走时能迅速确定。     

用于图像重建的波前法射线追踪

本文给出一种基于Huygens-Fresnel原理的射线追踪方法——波前法.该方法精度高、计算速度快,不仅可给出波从源点传播到接收点的透射走时和射线路径,而且可给出任何时刻的波阵面,为层析成像提供了一种有效的射线追踪方法.     

计算最小走时和射线路径的界面网全局方法

用慢度分块均匀正方形模型将介质参数化,仅在正方形单元的边界上设置计算结点,这些结点构成界面网．根据Ｈｕｖｓｅｎｓ和Ｆｅｒｍａｔ原理,由不断扩张、收缩的波前点扫描代替波前面搜索,在波前点附近点的局部最小走时计算中对波前点之间的走时使用双曲线近似,通过比较确定最小走时和相应的次级源位置,记录在以界面网点位置为指针的３个一维数组中．借助这些数组通过向源搜索可计算任意点（包括界面网以外的点）上的全局最小走时和射线路径．这一方法不受介质慢度差异大小限制,占内存少,计算速度较快,适于走时反演和以Ｍａｓｌｏｖ射线理论为基础的波场计算．     

用于图像重建的波前法射线追踪

本文给出一种基于Huygens-Fresnel原理的射线追踪方法--波前法.该方法精度高、计算速度快,不仅可给出波从源点传播到接收点的透射走时和射线路径,而且可给出任何时刻的波阵面,为层析成像提供了一种有效的射线追踪方法.     

计算最小走时和射线路径的界面网全局方法

用慢度分块均匀正方形模型将介质参数化，仅在正方形单元的边界上设置计算结点，这些结点构成界面网．根据Ｈｕｖｓｅｎｓ和Ｆｅｒｍａｔ原理，由不断扩张、收缩的波前点扫描代替波前面搜索，在波前点附近点的局部最小走时计算中对波前点之间的走时使用双曲线近似，通过比较确定最小走时和相应的次级源位置，记录在以界面网点位置为指针的３个一维数组中．借助这些数组通过向源搜索可计算任意点（包括界面网以外的点）上的全局最小走时和射线路径．这一方法不受介质慢度差异大小限制，占内存少，计算速度较快，适于走时反演和以Ｍａｓｌｏｖ射线理论为基础的波场计算．     

三角网波行面扩展最小走时射线追踪全局算法

To address the problem of subdividing inflexible rectangular grid models and their poor definition of velocity interfaces, we propose a complex structure triangular net for a minimum traveltime ray tracing global algorithm. Our procedure is: (1) Subdivide a triangle grid based on the Delaunay triangular subdivision criterion and the relationships of the points, lines, and the surfaces in the subdividing area. (2) Define the topology relationships and related concepts of triangular unit ray tracing. (3) The source point and wave arrival points at any time compose the propagating plane wave and the minimum traveltime and secondary source positions are calculated during the plane wave propagation. We adopt the hyperbolic approximation global algorithm for secondary source retrieving. (4) By minimum traveltime ray tracing, collect the path from receiver to source points with the neighborhood point’s traveltime and the direction of the secondary source. Numerical simulation examples are given to test the algorithm. The results show that the triangular net ray tracing method demonstrates model subdivision flexibility, precise velocity discontinuity interfaces, and accurate computations.     

基于波前面三角形网格剖分的波前重建法三维射线追踪

在许多地震反演和偏移成像方法中,都要涉及到射线路径和旅行时的计算.本文将波前面三角形网格剖分和三维波前重建法射线追踪技术结合使用,实现了射线路径和旅行时的准确快速计算.三维波前重建法射线追踪过程中可以保证稳定合理的射线密度,克服了常规射线追踪方法存在阴影区的问题.波前面三角形网格剖分在描述和拆分波前面时更加准确有效,而且不需太多的网格数目,从而提高了射线追踪的精度和效率.该方法在三维复杂构造成像方面有独特的优势,目前在实际的Kirchhoff 偏移中的已经有相关应用.     

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．     

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.     

一种最短路径射线追踪的快速算法

为提高最短路径射线追踪的精度,需要增加模型的剖分网格和离散节点,并增加子波传播方向,或者采用其他方法改善计算结果,这些处理会带来大量的额外计算.本文的快速算法改进了波前点的管理和子波传播的计算这两项耗时的工作,较大幅度地提高了传统算法的效率.在波前点的管理上,采用按时间步划分区间的方法,实现了波前点的桶排序管理,其效率高于传统方法中常用的堆排序算法. 在子波传播的计算上,利用斯奈尔定律,同时参考来自邻近节点的波的走时,来限定当前子波传播的有效区域,排除大量不需要计算的子波传播方向. 模型实算表明,本文快速算法的计算速度是传统方法的几倍至十多倍.     

全球非均匀模型中的远震走时层析成像

远震走时层析成像是研究地球内部结构的重要工具. 通常, 远震走时层析成像使用一维地球参考模型计算研究区域外地震射线. 由于地球存在广泛非均匀结构, 传统远震走时层析成像在计算射线时忽略了研究区域外非均匀结构对射线的影响, 最终导致对研究区域内的成像结果产生影响. 为了减小模型外地球非均匀结构对远震走时层析成像的影响, 本文利用迎风差分格式数值求解程函方程, 得到全球非均匀模型中的远震射线, 以此为基础发展了基于全球非均匀模型的远震走时成像方法. 为了检验本文成像方法提升成像精度的有效性, 选取青藏高原东北缘为研究对象. 合成测试和实际数据成像结果显示, 在考虑地球非均匀结构以后, 成像结果更精确, 结果展现更多成像细节.

     

基于网格走时计算的弯曲界面下菲涅尔体研究

为了研究弯曲界面曲率变化对分辨率的影响,首先推导了垂直入射下来自弯曲界面的反射波和透射波界面菲涅尔带近似的解析公式,证明了公式中曲率为零恰好对应已经被推导的平界面菲涅尔带的解析公式,然后给出了利用网格走时计算方法计算弯曲界面下反射波和透射波菲涅尔体的数值实现策略,这一实现策略同时保证了网格走时计算的精度和菲涅尔体计算的精度,最后对比了不同弯曲界面（不同曲率）下的菲涅尔体相对于平界面（曲率为零）下菲涅尔体的变化.研究结果表明,界面下高速时,向斜弯曲造成菲涅尔体在界面附近变宽,使得分辨率降低;背斜弯曲造成菲涅尔体在界面附近变窄,使得分辨率提高.并且向斜弯曲对分辨率的影响程度要明显大于背斜弯曲.而界面下低速时,结论正好相反.

     

Joint 3D traveltime calculation based on fast marching method and wavefront construction

3D traveltime calculation is widely used in seismic exploration technologies such as seismic migration and tomography. The fast marching method (FMM) is useful for calculating 3D traveltime and has proven to be efficient and stable. However, it has low calculation accuracy near the source, which thus gives it low overall accuracy. This paper proposes a joint traveltime calculation method to solve this problem. The method firstly employs the wavefront construction method (WFC), which has a higher calculation accuracy than FMM in calculating traveltime in the small area near the source, and secondly adopts FMM to calculate traveltime for the remaining grid nodes. Due to the increase in calculation precision of grid nodes near the source, this new algorithm is shown to have good calculation precision while maintaining the high calculation efficiency of FMM, which is employed in most of the computational area. Results are verified using various numerical models.