基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法

基于L2范数的常规全波形反演目标函数是一个强非线性泛函,在反演过程中容易陷入局部极小值.本文提出归一化能量谱目标函数来缓解全波形反演过程中的强非线性问题,同时能够有效地缓解噪声和震源子波不准等因素的影响.能量谱目标函数是通过匹配观测数据与模拟数据随频率分布的能量信息来实现最小二乘反演的,其忽略了地震数据波形与相位变化的细节特征,这在反演的过程中能够有效缓解波形匹配错位等问题.数值测试结果表明,基于归一化能量谱目标函数在构建初始速度模型、抗噪性和缓解震源子波依赖等方面都优于归一化全波形反演目标函数.金属矿模型测试结果表明,即使地震数据缺失低频分量,基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法在像金属矿这样的强散射介质反演问题上同样具有一定的优势.     

低频缺失情况下的弹性波包络反演（英文）

多分量地震数据中低频缺失是弹性波全波形反演中的一大难题,低频的缺失导致全波形反演无法有效恢复介质的长波长成分进而使反演陷入局部极值。为此,本文提出了反演介质纵横波速度长波长分量的弹性波包络反演方法。该方法利用包络算子具有的解调多分量数据中隐含的低频信息的能力,构造多分量地震数据的包络目标函数进行反演,用以恢复地下介质纵横波速度的长波长成分。一系列数值试验表明,即使在多分量地震数据中缺失低频信息、并且初始模型缺少先验信息的情况下,这种弹性波包络反演方法能够有效降低波形反演的非线性,可以为后续的常规弹性波全波形反演或者深度偏移提供足够精确的初始模型,且该方法对横波速度长波长分量的重建尤为有效。Mamousi-2模型的高精度纵横波速度的反演结果表明,利用该方法反演的纵横波速度作为常规弹性波全波形反演的初始模型,可以显著提高反演结果的精度。此外,本文对弹性波包络反演方法的适用性也进行了初步的研究与讨论。     

基于反射地震数据的时频域包络反演

包络信号含有丰富的低频分量,即使在地震数据缺失低频条件下,包络目标函数也能有效缓解全波形反演的周期跳跃现象.但是,当初始速度模型较为平滑时,观测数据中的反射地震事件在模拟数据中没有与之相对应的波形,导致包络反演初期无法很好地利用反射波信号进行速度建模.本文提出基于反射地震数据的时频域包络反演方法,通过结合反射波全波形反演理论,构建反射波时频域包络目标函数,来提高包络反演的速度建模精度.本文首先利用Gabor变换获取时频域地震数据,并提取振幅信息,即为时频域包络信号.然后,推导反射波时频域包络反演的伴随震源和梯度算子.Marmousi模型数据测试结果表明,基于反射地震数据的时频域包络反演方法可以为全波形反演提供一个较好的初始速度模型.     

基于反射地震数据的时频域包络反演

包络信号含有丰富的低频分量,即使在地震数据缺失低频条件下,包络目标函数也能有效缓解全波形反演的周期跳跃现象.但是,当初始速度模型较为平滑时,观测数据中的反射地震事件在模拟数据中没有与之相对应的波形,导致包络反演初期无法很好地利用反射波信号进行速度建模.本文提出基于反射地震数据的时频域包络反演方法,通过结合反射波全波形反演理论,构建反射波时频域包络目标函数,来提高包络反演的速度建模精度.本文首先利用Gabor变换获取时频域地震数据,并提取振幅信息,即为时频域包络信号.然后,推导反射波时频域包络反演的伴随震源和梯度算子.Marmousi模型数据测试结果表明,基于反射地震数据的时频域包络反演方法可以为全波形反演提供一个较好的初始速度模型.     

基于精确震源函数的解调包络多尺度全波形反演

本文提出解调包络方法来重构地震记录中缺失的低频信号,同时该方法能够降低全波形反演的非线性程度;提出伴随状态震源函数反演方法来得到精确的震源函数,并推导了梯度计算公式;解调包络方法结合低通滤波技术,实现了从低频到高频的多尺度反演策略,有效缓解了全波形反演的周波跳跃问题.数值算例证明了解调包络、伴随状态震源函数反演方法和低通滤波多尺度反演策略的可行性及优越性.震源函数反演精度测试结果表明:即使观测记录在缺失低频信息的情况下,也能反演得到精确的震源函数.缺失低频测试和抗噪能力测试结果表明:即使地震数据中缺失9Hz以下的低频信号或者信噪比极低的情况下,利用反演得到的精确震源函数进行解调包络多尺度全波形反演,同样可以得到高精度的全波形反演结果.与Hilbert包络全波形反演对比结果表明:解调包络在重构低频和降低伴随震源主频方面具有一定优势.     

利用叠前CMP资料估计介质品质因子

本文提出了一种利用叠前CMP道集资料估计介质品质因子的方法,同时提出利用地震道间有效信号的相干性估计层位信息的方法.首先采用具有4个待定系数的函数去逼近震源子波,利用黏弹介质中单程波传播理论推导出地震子波包络峰值处的瞬时频率(EPIF)与不同偏移距处走时的关系;其次利用该关系,外推出该同相轴零偏移距处的EPIF,用小波域包络峰值处瞬时频率法(WEPIF)结合层位信息估计Q值.合成数据的结果表明,EPIFVO法(子波包络峰值瞬时频率随偏移距变化)无边界效应,计算精度相对较高;将该方法用于实际资料算例,结果表明,衰减强弱与储层的吸收有较好的对应关系.     

地震包络反演对局部极小值的抑制特性

为了实现包络反演,需要通过一种非线性运算来提取信号包络.这种非线性的包络提取过程可以将信号包络中所包含的对介质扰动的大尺度响应从原始地震信号中分离出来,从而抑制反演中的局部极小值,能够在缺乏低频信息的情况下,为全波形反演提供一个良好的初始模型.本文研究包络反演对局部极小值的抑制作用,并通过目标函数形态的对比来展现这一特性.对Marmousi速度模型和Overthrust速度模型做了反演,证明了该方法的有效性.     

基于相似性重构低频数据的金属矿频域全波形反演

由于深部金属矿埋深和自身的复杂性,利用重、磁、电方法和一般的地震方法很难有效地对其进行高精度定位.全波形反演通过最小化模拟数据与观测数据的差异使深部金属矿的高精度探测成为可能,但全波形反演是一个局部优化过程,需要准确的低频数据作为起始,而这在一般的地震数据采集中难以做到.本文先在频域中使用伴随状态震源函数反演方法,通过震源附近的直达波能精确地反演出震源函数的形态.然后利用得到的高精度震源子波结合褶积与反褶积思想及相似性现象重构含有低频成分的自激自收数据.将该数据应用到全波形反演中,有效缓减了反演过程中出现的周波跳跃现象,并提高了模型反演的正确性.Marmousi模型和金属矿模型的数值模拟实验证明了新方法改善了在没有低频数据时的全波形反演结果,并有较好抗噪性.     

地震反演成像中的Hessian算子研究

总结了牛顿类地震反演方法中Hessian算子的作用,对其在地震反演成像中的数学物理含义进行了分析.Hessian算子是误差泛函对模型参数的二阶导数,反映了误差泛函对模型变化的二次型特征.分析声波方程下的Hessian算子的格林函数表达形式,发现其表达了整个观测系统和子波频带等因素对地震数据空间到模型空间投影过程的影响.提出了两种分别适用于最小二乘偏移和全波形反演的Hessian算子简化格式.平面波Hessian算子应用于最小二乘偏移能够得到相对保真的成像结果,改善了地震偏移成像的精度.地下偏移距Hessian算子应用于全波形反演能够加快反演迭代的计算效率.最后,对Hessian算子在地震反演成像中的价值进行了讨论和评价.     

时域全波形反演影响因素分析及井数据约束探索

以声波时域全波形反演原理为基础,分析了数据完备性、数据噪声、正问题(包括正问题表征、震源子波、边界及频散等)、初始模型、正则化以及多尺度等因素对时域全波形反演的影响,并提出了相应的实用化建议;探索了加入井数据约束的反演策略,给出了相应的井约束全波形反演误差泛函与梯度计算公式以及CPU并行实现流程,利用复杂地震地质模型分析验证了方法的正确性.     

不依赖源子波的跨孔雷达时间域波形反演

波形反演是近年来较热门的反演方法,其分辨率可以达到亚波长级别.在波形反演的实际应用中,源子波的估计十分重要.传统方法使用反褶积来估计源子波并随着反演过程更新,该方法在合成数据波形反演中效果较好,但在实际数据反演过程中存在一系列的问题.由于实际数据信噪比较低,在源子波估计过程中需要大量的人为干涉,且结果并不一定可靠.本文使用一种基于褶积波场的新型目标函数,令反演过程不再依赖源子波.详细推导了针对跨孔雷达波形反演的梯度及步长公式,实现介电常数和电导率的同步反演.针对一个合成数据模型同时反演介电常数和电导率,结果表明该方法能够反演出亚波长尺寸异常体的形状和位置.接着,将该方法应用到两组实际数据中,并与基于估计源子波的时间域波形反演结果进行比较.结果表明不依赖源子波的时间域波形反演结果分辨率更高,也更准确.     

基于Student′s t分布的不依赖子波最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移(Least-Squares Reverse Time Migration,LSRTM)与常规偏移相比具有更高的成像分辨率、振幅保真性及均衡性等优势,是当前研究的热点之一.震源子波的估计直接影响LSRTM结果的好坏,在实际情况下考虑到震源子波的空变特性,其估计十分困难.为了消除子波对LSRTM结果的影响,本文发展了基于卷积目标泛函的不依赖子波LSRTM算法.目标泛函由观测记录卷积模拟记录的参考道以及模拟记录卷积观测记录的参考道组成,由于观测子波和模拟子波在目标泛函的两项中同时存在,从而消除了子波的影响.此外,常用的基于L2范数拟合的LSRTM算法对噪声非常敏感,尤其是当地震数据中含有异常值时,常规LSRTM无法得到满意的结果.Student′s t分布相比L2范数具有更好的稳健性,本文将其推广到不依赖子波LSRTM中,提升了算法的稳健性,最后通过理论模型及实际资料试算验证了算法的有效性和对复杂模型的适应性.     

Source-independent waveform inversion for attenuation estimation in anisotropic media

In previous publications, we presented a waveform-inversion algorithm for attenuation analysis in heterogeneous anisotropic media. However, waveform inversion requires an accurate estimate of the source wavelet, which is often difficult to obtain from field data. To address this problem, here we adopt a source-independent waveform-inversion algorithm that obviates the need for joint estimation of the source signal and attenuation coefficients. The key operations in that algorithm are the convolutions (1) of the observed wavefield with a reference trace from the modelled data and (2) of the modelled wavefield with a reference trace from the observed data. The influence of the source signature on attenuation estimation is mitigated by defining the objective function as the ℓ₂-norm of the difference between the two convolved data sets. The inversion gradients for the medium parameters are similar to those for conventional waveform-inversion techniques, with the exception of the adjoint sources computed by convolution and cross-correlation operations. To make the source-independent inversion methodology more stable in the presence of velocity errors, we combine it with the local-similarity technique. The proposed algorithm is validated using transmission tests for a homogeneous transversely isotropic model with a vertical symmetry axis that contains a Gaussian anomaly in the shear-wave vertical attenuation coefficient. Then the method is applied to the inversion of reflection data for a modified transversely isotropic model from Hess. It should be noted that due to the increased nonlinearity of the inverse problem, the source-independent algorithm requires a more accurate initial model to obtain inversion results comparable to those produced by conventional waveform inversion with the actual wavelet.     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

基于弹性波全波形反演的主被动源多分量混采地震数据速度建模

在常规地震采集中,被动源地震波场往往被视为噪声而去除,这就造成了部分有用信息的丢失.在目标区进行主动源和被动源弹性波地震数据的多分量混合采集,并对两种数据进行联合应用,使其在照明和频带上优势互补,能显著提高成像和反演的质量.本文针对两种不同类型的主被动源混采地震数据,分别提出了相应的联合全波形反演方法.首先,针对主动源与瞬态被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源对深部照明的优势,同时有效压制被动震源点附近的成像异常值,提出了基于动态随机组合的弹性波被动源照明补偿反演策略.然后,针对低频缺失主动源与背景噪声型被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源波场携带的低频信息,并避免对被动源的定位和子波估计,提出了基于地震干涉与不依赖子波算法的弹性波主被动源串联反演策略.最后,分别将两种方法在Marmousi模型上进行反演测试.结果说明,综合利用主动源和被动源弹性波混采地震数据,不仅能增强深部弹性参数反演效果,还能更好地构建弹性参数模型的宏观结构,并有助于缓解常规弹性波全波形反演的跳周问题.     

一种基于高效迭代解法的频率域全波形反演

巨大的计算量是制约全波形反演（FWI）生产实用化的难题之一.为此,本文提出了一种高效的波场迭代解法,将其应用于频率域常密度声波方程FWI,并给出了详细的反演流程.通过建立用于波场迭代的目标函数,推导相应梯度、步长公式,新方法将反演中波场正传和残差波场反传过程转化为无约束优化问题,从理论上分析了新方法的计算效率显著高于常规FWI.在数值试验中,本文方法通过几次迭代便能获得高精度的正传、残差反传波场,收敛速度明显高于未经预处理的GMRES方法.进一步引入高效编码策略,新方法的计算时间约为常规编码FWI的1/8,与理论分析结果吻合（波场迭代次数为8,模型未知量个数约为7万）,且波场迭代次数为6时,反演效果已与常规编码FWI相近.     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.