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.      

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。     

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     

二维速度随机分布逐步迭代射线追踪方法

基于Ｓｎｅｌｌ定理，研究一种新的射线追踪方法──逐步迭代射线追踪法。首先，从一端出发，根据射线路径上任意连续三点均满足Ｓｎｅｌｌ定律，利用一个近似公式逐段迭代，求取中间折射点，从而实现逐步迭代计算。该方法的追踪路径结果符合射线追踪要求，计算速度快，方法精度高，可以克服射线追踪的路径非唯一性；并且在追踪过程中可以给出透射走时，为层析成像方法提供了一种有效的射线追踪过程。     

弯曲射线追踪中Dijkstra算法的改进与实现

文章针对图论中寻找最短路径的Dijkstra算法内存占用量大,效率低的缺点,对该算法进行了改进,修改后的算法计算效率是原来的四倍,内存使用量和图中节点数呈线性关系.在此基础上,用新算法求出了激发点和接收点的最短走时路径,并由激发接收点的旅行时结合联合迭代法对理论模型和实际场地进行了反演.结果表明：和直射线追踪相比,弯曲射线路径能更好地反演出地质体内部的速度场分布.理论模型和实际探测结果证实改进后的算法是有效的.     

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．     

二维复杂黏弹性各向异性介质中的地震射线追踪

实际地层中传播的地震波普遍存在速度各向异性和能量衰减现象,因此基于弹性介质假设条件下的地震射线正反演算法具有一定的局限性,而研究黏弹性各向异性介质中的地震波传播规律可为揭示地下结构提供更加可靠的理论依据.射线追踪技术是揭示高频地震波传播特性的有效手段之一,然而绝大多数研究仅限于弹性介质.针对黏弹性各向异性介质,本文首先给出了一种射线速度和振幅衰减的计算方法,然后结合改进型最短路径算法,在实空间内实现了计算复杂介质模型中地震波(qP,qSV,qSH)的射线路径和传播走时以及能量衰减(虚走时).该算法适用于复杂黏弹性各向异性介质.误差分析结果显示,实走时的最大相对误差小于0.13％,虚走时的最大相对误差小于0.55％,表明该算法具有较高的计算精度.     

矩形网格三点Fermat射线追踪技术

矩形网格三点Fermat射线追踪法是基于矩形网格三点扰动法的一种提高计算速度的方法．取矩形网格三个点,在Fermat最小旅行时原则下求取扰动中间点的位置,而不象扰动法那样依次扰动．因此,计算速度比扰动法提高2倍多,同时不受扰动摄动量大小选择的困扰．该方法继承了矩形网格三点扰动法的优点,对任意离散的速度场,总能找到最短时间路径,避免了射线盲区和追踪路径并非时间最短路径问题．     

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。     

基于辛格式离散奇异褶积微分算子的弹性波场模拟

本文发展了基于辛格式离散奇异褶积微分算子(SDSCD)的保结构方法模拟弹性波场,求解弹性波动方程时,引入辛差分格式进行时间离散,采用离散奇异褶积微分算子进行空间离散.相比于传统的伪谱方法,该方法提高了计算精度和稳定性.数值结果表明SDSCD方法可以有效地抑制数值频散,为解决大尺度、长时程地震波场模拟问题提供了合适的数值方法.     

基于射线追踪技术计算地震定位中震源轨迹的改进方法

使用震源轨迹确定震源位置不仅稳健而且直观,但当介质复杂时震源轨迹难以给出解析解.基于最小走时树射线追踪技术计算震源轨迹的方法(以轨迹所在的残差场中残差最小的点(初始点)至残差较小的点(震源轨迹代表点)的射线路径表示震源轨迹)适用于复杂速度模型,但尚不能正确计算由多段组成的震源轨迹,同时兼顾计算轨迹的完整性和精细性较为困难,计算参数设置烦琐不适于大批量数据的自动处理.针对该方法存在的问题,本文对其进行了改进:(1)采用一种"削皮"算法选取震源轨迹所经过的模型单元的节点作为轨迹代表点;(2)将残差较小的区域作为震源轨迹计算区域(该区域依轨迹分布自适应地划分为若干个连通区域),从未计算的轨迹代表点中选取残差最小者作为射线路径初始点,利用最小走时树算法依次计算所有连通区域内的震源轨迹;(3)通过去掉较短的不再分叉的射线路径使震源轨迹更为精细.虚拟和真实事件的算例表明,改进方法有效克服了原方法的不足,可便捷地计算复杂速度模型中事件的震源轨迹,计算的轨迹精细且较完整.     

求解声波方程的辛可分Runge-Kutta方法

本文基于声波方程的哈密尔顿系统,构造了一种新的保辛数值格式,简称NSPRK方法.该方法在时间上采用二阶辛可分Runge-Kutta方法,空间上采用近似解析离散算子进行离散逼近.针对本文发展的新方法,我们给出了NSPRK方法在一维和二维情况下的稳定性条件、一维数值频散关系以及二维数值误差,并在计算效率方面与传统辛格式和四阶LWC方法进行了比较.最后,我们将本文方法应用于声波在三层各向同性介质和异常体模型中的波传播数值模拟.数值结果表明,本文发展的NSPRK方法能有效压制粗网格或具有强间断情况下数值方法所存在的数值频散,从而极大地提高了计算效率,节省了计算机内存.     

三维TTI介质高效射线追踪方法

TTI介质是石油地震勘探领域最常用的各向异性介质,快速计算TTI介质射线路径和走时信息有重要的研究意义.TTI介质传统运动学射线追踪方法一般基于任意弹性介质射线方程,利用Bond变换或者四阶张量变换来处理复杂的21个弹性参数,因而非常耗时.实际野外对称轴统一的TTI介质模型,一般可以看成VTI介质模型旋转一定角度获得.为此,本文推导了三维VTI介质射线追踪方程,提出先在本构坐标系中进行VTI介质射线追踪,再通过坐标旋转将射线路径旋转至观测坐标系中,获得TTI介质射线路径.数值模型计算表明该方法高效和精确,较传统方法效率提高了近4倍.在强各向异性等特殊情况下,体波波前面都与理论群速度面一致.

     

基于偏微分方程的定向插值在偏移成像中的应用

对于射线类偏移成像来说,求解射线追踪系统中所涉及的属性值不在网格节点上的插值计算问题是一个非常重要的环节,它影响到求解走时、路径和振幅信息的计算效率和精度,进而影响到整个偏移成像的质量和效率.本研究根据速度模型的空间梯度特点,考虑被插值点处速度的梯度在横向和纵向的分布特征,构建基于速度梯度空间变化的偏微分方程算法,将近几年发展起来的基于偏微分方程的定向插值算法引入到射线类偏移成像当中,实现射线追踪当中涉及的属性值不在网格节点上的插值计算.由于偏微分方程法本身固有的特性(局部特征不变性、解的唯一性和线性叠加性),因此,该算法可以实现不破坏原始速度模型空间梯度结构的非网格节点属性的插值计算.通过在常用的速度模型上的插值计算对比、不同速度模型上射线路径对比分析以及复杂介质模型上最后的偏移成像结果分析可以得出,应用基于速度梯度构建的偏微分方程插值算法在进行插值计算的过程当中可以实现不破坏原始速度模型空间速度梯度结构的属性计算,同时应用该算法可以最终提高射线类偏移成像的质量.

     

基于保辛算法的声波叠前逆时偏移

叠前逆时偏移是目前成像精度最高的地震偏移方法之一,其实现过程中的一个重要步骤是数值求解全波方程,所以快速有效求解全波方程的数值算法对逆时偏移至关重要. 四阶近似解析辛可分Runge-Kutta (NSPRK) 方法是近年发展的一种具有高效率、高精度的数值求解波动方程的保辛差分方法, 能在粗网格条件下有效压制数值频散, 从而提高计算效率, 节省计算机内存需求量. 本文利用四阶NSPRK方法构造的基本思想,发展了具有六阶空间精度的NSPRK方法,并对新的六阶NSPRK方法进行了详细的稳定性和数值频散分析,以及计算效率比较和波场模拟. 同时将该方法用于声波叠前逆时偏移中, 得到一种时间上保辛、空间具有六阶精度、低数值频散、可应用大步长进行波场延拓并能长时计算的叠前逆时偏移方法,对Sigsbee2B模型进行了偏移成像, 并和四阶NSPRK方法、传统的六阶差分方法、四阶Lax-Wendroff correction (LWC) 方法进行了对比. 数值结果表明, 基于六阶NSPRK方法的叠前逆时偏移能得到更好的成像结果, 是一种优于四阶NSPRK方法、传统的六阶差分方法、四阶LWC叠前逆时偏移的方法, 尤其是在粗网格情况下具有更明显的优越性.     

基于多辛结构谱元法的保结构地震波场模拟

近年来构造高精度、高效且具有长时程跟踪能力的保结构算法已逐渐成为地震波模拟算法发展的重要方向之一. 本文基于谱元法(SEM)进行空间域离散结合新推导的三阶辛算法(NTSTO)进行时间域离散,构造了一种具有时-空保结构特性的新算法. 本文给出的多组数值试验对比结果表明,本算法无论在内存消耗、稳定性及计算耗时,还是长时程跟踪能力方面都有上佳的表现; 另外,本文给出的起伏地表多层介质模型的数值算例验证了该算法处理复杂几何形状和复杂介质时的有效性. 该多辛结构谱元法的发展将为长时程地震波传播的计算及模拟提供更为广泛而有效的选择.