基于Tikhonov正则化的双频电磁波电导率成像反演

本文将Tikhonov正则化方法与active-set算法相结合,利用双频电磁波电导率成像原理,求解其反演成像方程.不仅对现有算法进行了改进,也促进了算法的实际应用.本文研究了在双频电磁波电导率成像方程建立后,如何根据其严重病态性质,选择合适的算法求解矩阵成像方程.针对电导率非负的特性,引入正则化参数,将问题转化为一个非负最小二乘问题,并用active-set算法求解.采用改进后的迭代算法对理论模型进行了数值模拟计算,验证了该方法的有效性.应用到实际电导率成像反演,与常规的LSQR、SP-LSQR、Tikhonov正则化等算法进行比较,取得了满意的结果.     

基于混合差分进化算法的地球物理线性反演

地球物理反问题线性化处理之后, 各种反演算法归结为对病态线性方程组的求解. 为了快速准确地计算出地球物理参数, 本文提出了一种全新的基于LSQR算法的混合差分进化算法(Hybrid Differential Evolution Algorithm, HDE). 该算法利用LSQR算法给出DE算法的初始种群, 提高DE算法的计算速度和稳定性. 在不同噪声水平下, 对四种正则化方法Tikhonov、TSVD、LSQR和HDE的反演结果进行详细比较. 理论模型和实际数据反演的结果都表明: 改进的HDE算法应用于地球物理反问题的求解是成功的: 反演结果与原设定模型具有较高的相关性, 在稳定性和准确性上较常规的反演算法都具有一定的优势; 而且不需要给定正则化参数, 具有更强的实用性.     

用改进的光滑约束最小二乘正交分解法实现电阻率三维反演

对三维电阻率反演问题进行了深入研究,提供了一种利用地表观测数据实现三维反演的实用算法.该方法应用有限差分求正演解,并通过对粗糙度矩阵元素进行适当改进,使之适用于各种情况下粗糙度矩阵的求取,进而建立在模型的总粗糙度极小条件下的反演方程.对反演方程采用收敛速度快且稳定的最小二乘正交分解（LSQR）法进行迭代求解,在迭代求解过程中只需利用偏导数矩阵和其转置矩阵乘以一个向量的结果,回避了直接求偏导数矩阵的繁琐计算,节省了内存,加快了反演的计算速度.不同的计算实例表明上述方法是求解大规模三维电阻率反演问题的有效方法.     

正则化方法在无线电波层析中的应用

无线电波透视法是常用的工作面地质构造探测方法之一,目前普遍使用的SIRT方法层析分辨率不高。本文采用约束正则化方法,推导Tikhonov正则化和全变差正则化的最小化问题表达式,讨论影响层析结果的主要因素,对典型理论模型进行了层析成像实验。结果表明:正则化方法具有比SIRT方法更好的分辨率;射线条数越多、噪声水平越低,层析分辨率越高;Tikhonov正则化在正则参数增大时层析结果更光滑,减小时则更贴近异常,全变差正则化与其相反。最后对实际坑透数据进行层析,识别出的异常构造基本吻合已知疑似构造位置,从而说明正则化方法在无线电波透视应用中的可行性。     

一维溶质运移源(汇)项系数反演的迭代正则化算法

对于多孔介质中发生物理化学反应的溶质运移现象,可以用带有非线性源（汇）项作用的一维对流弥散-反应扩散方程来描述,但方程中反映溶质吸附/解吸附能力的源(汇)项系数往往是未知的. 本文讨论了基于出流端浓度观测数据的源项系数反演问题. 根据Tikhonov正则化和矩阵的奇异值分解系统,建立了一种离散的迭代正则化算法,给出了算法实现步骤.数值模拟结果表明该算法不仅精度高,而且对于数据的随机扰动具有稳定性.最后应用建立的算法反演计算了一个具体的土柱试验源项系数,数值结果也表明文中所构造算法的有效性.     

First‐arrival traveltime tomography with modified total‐variation regularization

First‐arrival traveltime tomography is a robust tool for near‐surface velocity estimation. A common approach to stabilizing the ill‐posed inverse problem is to apply Tikhonov regularization to the inversion. However, the Tikhonov regularization method recovers smooth local structures while blurring the sharp features in the model solution. We present a first‐arrival traveltime tomography method with modified total‐variation regularization to preserve sharp velocity contrasts and improve the accuracy of velocity inversion. To solve the minimization problem of the new traveltime tomography method, we decouple the original optimization problem into the two following subproblems: a standard traveltime tomography problem with the traditional Tikhonov regularization and a L₂ total‐variation problem. We apply the conjugate gradient method and split‐Bregman iterative method to solve these two subproblems, respectively. Our synthetic examples show that the new method produces higher resolution models than the conventional traveltime tomography with Tikhonov regularization, and creates less artefacts than the total variation regularization method for the models with sharp interfaces. For the field data, pre‐stack time migration sections show that the modified total‐variation traveltime tomography produces a near‐surface velocity model, which makes statics corrections more accurate.     

Extracting the Virtual Reflected Wavelet from TEM Data Based on Regularizing Method

A pseudo-seismic interpretation method is an alternative way to process and explain transient electromagnetic (TEM) data, and has become a popular research field in recent years. TEM signals which satisfy the diffusion equation can be converted by means of a mathematical transformation into ones which obey the wave equation. For an ill-posed problem of this kind of transformation, a sub-regularization algorithm is developed in this paper to extract a virtual wavelet of the TEM field. According to the conventional designation of TEM recordings, the entire integration period is divided into seven time intervals. In order to avoid low accuracy in the calculations, high-density wavefield data has been calculated based on the former sub-division. Therefore, the virtual wavelet can be extracted successfully by using an optimized algorithm to obtain high-density integral coefficients for all time windows, and a satisfactory condition number of the coefficient matrix while taking a different channel number in each time period. The Tikhonov regularization inversion scheme is used to determine the optimal parameters based on minimizing a least squares misfit, and the Newton iterative formula is used to obtain optimal regularization parameters. Both synthetic model simulations and a real data interpretation example indicate that the proposed pseudo-seismic wavefield method is a suitable alternative way to interpret TEM data.     

煤矿井下微震震源高精度定位研究

煤矿井下微震震源准确定位,对于动力灾害监测预警具有重要意义.由于微震震源需要通过井下传感器接收信息反演确定,传感器的安装位置限制于煤矿井下巷道周围,传感器沿巷道近平面的不合理布置将大大降低震源定位精度.针对由传感器信息反演震源位置引起的病态问题,本文提出了基于微震监测测点优化布置的震源高精度定位算法.首先通过计算系数矩阵条件数,判定病态问题;然后利用中心化法和行平衡法联合进行病态矩阵预处理.对预处理后的矩阵 A、b 利用L曲线法计算正则参数,结合Tikhonov正则化算法计算得到震源坐标正则解.研究结果表明,中心化法有效降低了矩阵数量级,行平衡预处理降低了病态条件数,预处理后Tikhonov正则解的震源坐标误差最小可以达到3.09 m,与预处理前的高斯消去解相比误差大大降低.通过上述优化处理,实现了井下受限空间微震监测震源高精度定位.     

基于Bayes算法的Abel积分反演折射指数的研究

本文将Bayes算法应用到Abel积分方程中,利用End-to-End Generic Occultation Performance Simulation and Processing System（EGOPS）软件仿真出的弯角数据来反演大气折射指数,并与Tikhonov正则化的反演结果进行对比.当直接利用仿真所得的弯角数据（认为它是不含误差的）时,Bayes算法与Tikhonov正则化的反演结果具有很好的一致性,二者的均方根误差均为2.5470×10^-8;但在实际观测过程中,由于电离层以及水汽等方面的影响,所得到的弯角数据不可避免地会含有误差,可能产生高频成分,甚至存在间断的现象,因此我们在仿真的弯角数据中加入了满足高斯型分布的随机噪声,然后进行折射指数的反演试验.结果表明,相比于Tikhonov正则化技术,Bayes算法具有更高的反演精度.

     

地震波形反演的稀疏约束正则化方法

本文考虑地震波形反演问题.为了克服传统的Tikhonov正则化方法过度光滑的弊端,引入了非线性稀疏约束正则化方法,并采用对偶方法求解稀疏约束泛函的极小点.基于二维声波方程波形反演问题进行了数值模拟,针对不同模型对稀疏约束正则化方法进行了测试.结果表明,稀疏约束正则化方法对不连续介质模型的介质边缘具有良好的识别能力.     

二维波动方程约束反演的大范围收敛广义脉冲谱方法

针对二维波动方程，将大范围收敛的同伦 方法引入算子参数识别反演的过程，并结合求解不适定问题的Tikhonov正则化方法，设计了二维波动方程反演的大范围收敛广义脉冲谱方法，并利用测井资料进行了约束反演. 大量 的数值模拟结果以及抗噪实验均表明了方法的有效性.     

基于Extrapolation Tikhonov正则化算法的重力数据三维约束反演

通过研究重力数据三维反演解的病态性,利用基于拉格朗日插值方法的Extrapolation Tikhonov正则化方法来解决反演中解的不唯一性和不稳定性问题,该方法最大限度的减少了因正则化参数的引入而在反演结果中介入的误差,同时详细讨论了基于三种选择原则的正则化双参数的具体选择方法,模型试算结果表明,与原Tikhonov方法相比,该方法提高了反演的拟合精度.其次,为了消除核函数随深度增加而快速衰减对反演结果的影响,本文改进了前人的重力数据三维反演深度加权函数,改进后的加权函数与原函数相比能更好的识别异常体底部密度分布特征,对于埋深较深的异常体具有较好的识别效果,更好的解决了由近地面趋肤效应作用引起的密度分布不均的问题.同时,利用上下限约束函数限制每一个立方体的密度差范围,并应用于多组人工合成模型.结果表明:该反演方法能准确地获得正演模型的预设参数范围和位置.     

水平层状介质中双侧向测井资料的迭代Tikhonov正则化反演

根据非线性反演理论与Morozov偏差原理研究建立从双侧向测井(DLL)资料中同时重构地层原状电阻率、侵入带电阻率、侵入半径、层界面位置以及井眼泥浆电阻率的迭代正则化算法.首先利用Tikhonov正则化反演理论将双侧向测井资料的反演问题转化为含有稳定泛函的非线性目标函数的极小化问题,并利用Gauss-Newton算法确定极小化解.为得到稳定的反演结果并有效实现测井资料的最佳拟合,在迭代过程中将Morozov偏差原理和Cholesky分解技术相结合,建立了一套后验选择正则化因子的方法.最后通过理论模型和大庆油田实际测井资料的处理结果,验证了该算法能够取得更为满意的反演效果.     

二维波动方程速度的正则化－同伦－测井约束反演

针对二维波动方程反问题,将大范围收敛的同伦方法引入速度参数的反演过程中,并将其与求解不适定问题的Tikhonov正则化有机结合,提出了一种新的、特别适用于非线性的、不适定的、多极值的地震勘探反演问题的反演策略：正则化－同伦方法. 为了充分利用测井资料和地震资料的互补特征,进一步提高反演分辨率并压制噪声,设计了正则化-同伦－测井约束联合反演方法. 大量数值试验结果表明了这两种方法的有效性.     

Inversion of surface gravity data for 3-D density modeling of geologic structures using total variation regularization

We develop an inversion procedure using the total variation (TV) regularization method as a stabilizing function to invert surface gravity data to retrieve 3-D density models of geologic structures with sharp boundaries. The developed inversion procedure combines several effective algorithms to solve the TV regularized problem. First, a matrix form of the gradient vector is designed using the Kronecker product to numerically approximate the 3-D TV function. The piecewise polynomial truncated singular value decomposition (PP-TSVD) algorithm is then used to solve the TV regularized inverse problem. To obtain a density model with depth resolution, we use a sensitivity-based depth weighting function. Finally, we apply the Genetic Algorithm (GA) to select the best combination of the PP-TSVD algorithm and the depth weighting function parameters. 3-D simulations conducted with synthetic data show that this approach produces sub-surface images in which the structures are well separated in terms of sharp boundaries, without the need of a priori detailed density model. The method applied to a real dataset from a micro-gravimetry survey of Gotvand Dam, southwestern Iran, clearly delineates subsurface cavities starting from a depth of 40 m within the area of the dam reservoir.     

跨孔地震层析成像的级联方法

对厚度小于1/4波长的超薄波速干扰体进行高分辨率成像,作者曾采用走时反演和波场反演相结合的方法,体现了由低分辨率向高分辨率逐步逼近的思想.级联算法是这种思想的进一步发展,我们将具有不同分辨率的算法串联起来,以达到高分辨率成像的目的.本文介绍一种三级串联的算法,并进行了算法分析,数值计算的例子说明这种级联算法分辨率高、稳定性好,只需要地震资料而不要求其它先验信息,因此能较好地满足实际应用的要求.     

跨孔地震层析成像的级联方法

对厚度小于1/4波长的超薄波速干扰体进行高分辨率成像,作者曾采用走时反演和波场反演相结合的方法,体现了由低分辨率向高分辨率逐步逼近的思想.级联算法是这种思想的进一步发展,我们将具有不同分辨率的算法串联起来,以达到高分辨率成像的目的.本文介绍一种三级串联的算法,并进行了算法分析,数值计算的例子说明这种级联算法分辨率高、稳定性好,只需要地震资料而不要求其它先验信息,因此能较好地满足实际应用的要求.     

时间推移地震反演的连续模型与算法

针对时间推移地震反演问题建立了依赖勘探时间的数学模型,并在此基础上设计了全局收敛的连续型及逐次递归算法.将同伦方法与Tikhonov正则化方法相结合,设计了初次勘探反演的同伦-正则化方法.以三维时间推移地震为例,在连续型及逐次递归算法的基础上构造了快速的局域化反演算法.数值模拟结果说明了上述方法都是有效的.     

变阻尼约束层析成像及其在VSP资料中的应用(英文)

初至波走时层析成像已经取得了广泛的应用,然而,由于观测系统的限制,射线在模型中分布不均匀,导致层析结果的分辨能力不足。变阻尼约束方法应用不均匀的先验信息来匹配不均匀的数据分布,可以减小速度模型校正量与射线覆盖程度的相关性。本文将变阻尼约束方法应用于初至波旅行时层析成像中,并将平滑约束方法加入正则化方程组中来避免单独使用变阻尼约束带来的不稳定性,利用阿尔法滤波器对反演中间迭代结果进行平滑和去噪,采用LSQR算法求解线性方程组来提高收敛速度和压制误差传递。本文应用上述层析成像算法对VSP观测系统进行速度反演,分别应用于检测板速度模型数据和实际VSP资料速度反演中,结果表咀变阻尼约束层析成像可以改善射线不均匀覆盖带来的影响,从而提高速度反演结果的质量;VSP资料检波点附近的速度反演结果可靠性高。     

储层重力密度反演后验约束正则化方法

本文针对蒸汽辅助重力泄油(SAGD)生产中开发监测问题, 发展了综合应用地震及重力数据反演储层密度的联合反演算法.通过测井数据建立纵波阻抗与密度的直接关系, 并推导出这种关系下重力与纵波阻抗数据联合反演的计算方法, 从而计算出蒸汽腔体密度分布规律.文中应用密度反演后验约束正则化方法, 采用Tikhonov正则化模型, 通过波阻抗数据作为约束进行联合反演, 在算法上提高了稳定性, 同时得到较高的反演精度.文中对SAGD生产中的理论模型进行了方法试算, 并分析了算法的误差, 最终应用于SAGD生产的实际数据中, 通过最终反演结果分析, 该方法取得了很好的应用效果.