基于能量密度的自解耦互相关成像条件

基于能量密度构建的弹性波能量成像条件,可以准确提取弹性波场的能量信息,并可以有效压制背向散射.但是该成像条件得到的成像结果将所有弹性波场能量信息耦合在一起,难以区分纯波模式的能量信息.为此,我们从势能及动能两方面将能量场解耦,得到纯纵波（PP）、纯横波（SS）、转换波（C）能量场.根据能量守恒定律,基于Helmholtz原理对位移场的空间导数进行因式分解,将弹性势能自解耦得到纯纵波、纯横波及转换波势能;引入体应力构建得到P波及S波速度,将弹性动能分解为纯纵波、纯横波和转换波动能.从而,构建基于能量密度自解耦得到纯波能量互相关成像条件.数值实验表明自解耦成像条件可实现弹性波场能量的分解,并得到背向散射压制、振幅有效保持的PP波、SS波和C波成像结果.     

基于波场分离的弹性波逆时偏移

尽管叠前逆时偏移成像精度高,但仅针对单一纵波的成像也可能形成地下介质成像盲区,由于基于弹性波方程的逆时偏移成像可形成多波模式的成像数据,因此弹性波逆时偏移成像可提供更为丰富的地下构造信息.本文依据各向同性介质的一阶速度-应力方程组构建震源和检波点矢量波场,再利用Helmholtz分解提取纯纵波和纯横波波场,使用震源归一化的互相关成像条件获得纯波成像,避免了直接使用坐标分量成像而引起的纵横波串扰问题.针对转换波成像的极性反转问题,文中提出一种共炮域极性校正方法.为有效节约存储成本,也提出一种适用于弹性波逆时偏移的震源波场逆时重建方法,在震源波场正传过程中,仅保存PML边界内若干层的速度分量波场,进而逆时重建出所有分量的震源波场.本文分别对地堑模型和Marmousi2模型进行了弹性波逆时偏移成像测试,结果表明:所提出的共炮域极性校正方法正确有效,基于波场分离的弹性波逆时偏移成像的纯波数据能够对复杂地下构造准确成像.     

起伏层状介质中曲线交错网格有限差分弹性波逆时偏移成像

采用曲线网格有限差分法描述复杂起伏地形(或不规则波阻抗界面)时,波场正演中可以避免因阶梯近似导致的虚假散射,进而波场逆时偏移可对起伏地表模型进行准确成像.文中以弹性波逆时偏移理论为基础,求解一阶速度-应力方程,推导出了弹性波正向传播和逆时传播的曲线网格差分格式,使用完全匹配吸收边界压制边界反射,采用互相关成像条件,实现了起伏层状介质中的波场逆时偏移.三层起伏、尖灭模型,以及起伏地表条件下的部分盐丘模型结果表明:曲线网格有限差分法逆时偏移法是一种高效、准确的逆时偏移法.     

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.     

基于应力偏量的横波纯应力逆时偏移成像方法

基于弹性波解耦延拓方程的波场分离方法不仅可以得到解耦的纵、横波质点振动速度场,还可以获得纵、横波应力场.针对横波纯应力场在利用单一分量成像时不具有明确物理意义的问题,本文将应力偏张量引入到横波应力场中,基于应力偏量第二不变量构建得到横波应力不变量并将其用于应力场的逆时偏移成像中,获得了可完整表征横波应力场的成像结果.模型试算表明,本文构建的横波应力不变量可以有效利用横波应力张量中的波场信息,并得到准确的弹性逆时偏移成像结果.     

一种全局优化的隐式交错网格有限差分算法及其在弹性波数值模拟中的应用

在数值模拟中,隐式有限差分具有较高的精度和稳定性.然而,传统隐式有限差分算法大多由于需要求解大型矩阵方程而存在计算效率偏低的局限性.本文针对一阶速度-应力弹性波方程,构建了一种优化隐式交错网格有限差分格式,然后将改进格式由时间-空间域转换为时间-波数域,利用二范数原理建立目标函数,再利用模拟退火法求取优化系数.通过对均匀模型以及复杂介质模型进行一阶速度-应力弹性波方程数值模拟所得单炮记录、波场快照分析表明:这种优化隐式交错网格差分算法与传统的几种显式和隐式交错网格有限差分算法相比不但降低了计算量,而且能有效的压制网格频散,使弹性波数值模拟的精度得到有效的提高.     

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.     

逆时偏移震源子波影响分析

逆时偏移作为一种先进的地震偏移成像方法,其成像结果的好坏取决于很多因素,其中成像奈件是关键的一个因素.成像条件一般采用互相关成像条件,它是将源波场沿时间进行正推,接收波场沿时间进行逆推,然后将源波场和接收波场进行互相关,从而得到偏移成像结果.源波场正推和接收波场逆推都是采用同一个波动方程,这里采用波动方程一阶应力-速度形式,数值计算方法采用交错网格有限差分方法.采用振幅补偿拉普拉斯滤波方法压制逆时偏移成像中的低频噪声.采用三次样条插值方法解决逆时偏移成像中的波形不光滑问题.在接收波场逆推过程中,是将地震记录作为边界条件.而在源波场正推过程中,需要给定震源子波作为初值条件.理论上来讲,震源子波为脉冲时是最佳的,但在实际当中难以实现.在源波场正推时,一般采用子波函数.子波函数形式非常多,最常用的是雷克子波.不同主频震源子波产生的源波场频率也不同,从而导致逆时偏移互相关成像效果也不同.那么震源子波主频对逆时偏移成像影响到底有多大呢?为了简便,本文基于不同主频雷克子波,初步分析了相应的逆时偏移成像效果,同时对速度模型存在不同误差时的情形也进行了试验分析.结果 表明:在不同速度误差情况下,震源子波主频越低,成像同相轴连续性越好,散射点聚焦能量越强;震源子波主频越高,虽然分辨率提高,但成像同相轴连续性变差,散射点聚焦能量变弱,同时背景噪声增强.本文研究结果对逆时偏移成像技术在实践中的应用具有一定的参考价值.     

多波多分量高斯束叠前深度偏移

本文对基于弹性波动理论的多波多分量高斯束偏移进行了完整且详细的分析和公式推导,实现了3D空间多分量(矢量)波场的直接成像.由于当前多数基于弹性波动方程的偏移方法只是假设应力边界条件为自由地表边界条件,这种假设不符合垂直地震剖面(VSP)和海底电缆(OBC)等地震数据.为此本文详细分析了实际应用中常见的三种弹性各向同性介质模型的应力边界条件:自由空间、海底和自由地表模型.在上行传播假设情况下,获得了应力边界条件与位移边界条件的关系式.在此基础上,准确推导了3D多波多分量高斯束波场延拓和偏移成像公式,并在偏移过程中实现了完整的多波型自动分离.由于常规的互相关成像条件不适用于矢量波场成像,本文引用了散度/旋度互相关成像条件.通过约定PS转换波的正向旋转方向解决了3D空间PS成像极性翻转问题.利用2D和3D模型数据偏移成像验证了我们所提出的多波多分量高斯束偏移方法的可行性.     

隧道工程勘察中的超前预报成像方法研究

针对地下工程领域隧道超前预报地震波波场传播与成像中存在的问题,通过数值模拟,构建二维含低速异常的隧道介质模型,研究隧道弹性波场传播规律和异常体边界成像准确性.首先,利用一阶速度-应力波动方程和高阶交错网格有限差分计算方法,导出隧道超前预报数值模拟的稳定性条件和边界条件,对上述隧道模型进行数值模拟,识别波场特征;其次,利用叠前逆时偏移成像方法,对压制噪音干扰后的波场在互相关成像条件下,对隧道模型中的异常体边界进行逆时偏移成像.研究结果表明：采用高阶交错网格有限差分正演获得异常体边界清晰的反射波和角点产生的散射波;逆时偏移算法获得隧道内异常体准确成像结果,从而大大提高隧道超前预报的分辨率与准确性;靠近掌子面单一震源、多道接收观测系统对异常体成像效果最佳,为隧道内高效数据采集提供理论依据.     

基于波场传播方向的波动方程偏移有效去噪方法(英文)

本文研究分析了双程波波动方程偏移成像中广泛存在的三种主要噪声,特别是针对过去研究中没能很好解决的存在于高速盐丘悬垂边界附近的射线状噪声,提出了基于优化成像条件的有效去噪方法。射线状噪声主要来自于震源一侧波场的下行透射波分量和接收阵列一侧波场的上行散射波互相关成像。这一部分能量具有较强的互相关性,但并不携带真实的反射面信息。它广泛存在叠前偏移成像中,与信号在强度上同量级。多数情况下偏移成像中的相关噪声由方向性传播的波场能量产生。利用波场梯度得到的波场传播角度,可以分离出噪声对应的波场能量,并在成像条件中减去。采用这一方法可以有效地去除多种噪声,包括直达波噪声、散射波噪声和射线状噪声。该去噪方法不依赖波场外推算子,在需要时可以方便地运用到几乎所有的波动方程偏移中去。并且该去噪方法针对噪声的物理根源,对信号的损害很小。对去噪后的偏移成像结果额外地进行波数域滤波处理,可以进一步提高叠加图像的质量。这一去噪方法在超广角单程波偏移成像中取得良好效果,我们同时期待其在其他双程波波动方程偏移特别是逆时偏移(RTM)中的成功运用。     

基于时空域自适应高阶有限差分的声波叠前逆时偏移

叠前逆时偏移在理论上是现行偏移方法中最为精确的一种成像方法,其实现过程中的核心步骤之一是波动方程的波场延拓,而波场延拓的本质是求解波动方程,所以精确、快速地求解波动方程对逆时偏移至关重要.本文采用一种基于时空域频散关系的有限差分方法来求解声波方程,分析其频散和稳定性,实现波场数值模拟,并将分析和模拟结果与传统有限差分法进行对比.分析结果和模型数值模拟结果都表明时空域有限差分法模拟精度更高、稳定性更好.将时空域高阶有限差分法应用到叠前逆时偏移波场延拓的方程求解中,然后再利用归一化互相关成像条件成像,理论模型数据偏移处理获得了精度更高的成像.同时,在逆时偏移波场延拓的实现中,采用自适应变长度的空间差分算子求解空间导数的有限差分策略,在不影响数值模拟和成像精度的前提下,有效地提高了计算效率.     

Prestack shot-gather depth migration by a rigid flow of Gaussian wave packets

We introduce a new method for prestack depth migration of seismic common-shot gathers. The computational procedure follows standard steps of the reverse-time migration, i.e., downward continuation of the source and the receiver wavefields, followed by application of an imaging condition (e.g. zero-lag cross-correlation of these fields). In our method we first find a sparse data representation with a small number of Gaussian wave packets. We then approximate the downward wavefield propagation (for the source and the receiver fields) by a rigid flow of these wave packets along seismic rays. In this case, the wave packets are simply translated and rotated according to the ray geometry. One advantage of using Gaussian wave packets is that analytic formulas can be used for translation, rotation, and the application of the cross-correlation imaging condition. Moreover, they allow more sparse representations than competing methods. Finally we formulate a computationally and memory efficient migration procedure, as only few rays have to be traced, and since it is cheap to compute the cross-correlation for the intersecting rays.     

基于解析时间波场外推与波场分解的逆时偏移方法研究

双程波方程逆时深度偏移是复杂介质高精度成像的有效技术,但其结果中通常包含成像方法引起的噪音和假象,一般的滤波方法会破坏成像剖面上的振幅,其中的假象也会给后续地质解释带来困扰.将波场进行方向分解然后实现入射波与反射波的相关成像能够有效地消除这类成像噪音,并提高逆时偏移成像质量.波传播方向的分解通常在频率波数域实现,它会占用大量的存储和计算资源,不便于在沿时间外推的逆时深度偏移中应用.本文提出解析时间波场外推方法,可以在时间外推的每个时间片上实现波传播方向的显式分解,逆时深度偏移中利用分解后的炮检波场进行对应的相关运算,实现成像噪音和成像信号的分离.在模型和实际数据上的测试表明,相比于常规互相关逆时偏移成像结果,本文方法能够有效地消除低频成像噪音和特殊地质构造导致的成像假象.     

基于一阶速度-应力方程的多震源最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移(Least-Square Reverse Time Migration,LSRTM)相比于常规偏移具有更高的成像分辨率、振幅保幅性及均衡性等优势,是当前研究的热点之一.然而,目前LSRTM算法大多是基于二阶常密度标量声波方程建立的,忽略了密度变化对振幅的影响,因而基于振幅匹配策略的常规LSRTM很难在变密度介质下取得保真的成像结果.一阶速度-应力方程能够很好地处理变密度介质,但简单地将一阶速度-应力方程应用到LSRTM中缺乏理论基础.为此,本文从LSRTM的正问题入手,提出了基于交错网格的一阶速度-应力方程LSRTM理论方法.首先将一阶波动方程线性化,建立了一阶方程LSRTM的目标泛函,随后推导其伴随方程,并借助伴随状态法给出了迭代更新流程,最终建立了基于一阶速度-应力方程LSRTM的理论框架.进一步,通过在相位编码LSRTM中引入随机最优化思想,极大地减小了计算量、提高了计算效率.最后,通过模型试算验证了本算法的正确性和有效性.     

各向异性双相介质弹性波场褶积算法数值模拟

从各向同性介质中波场数值模拟的褶积微分算子法出发,推导出了各向异性双相介质中波场传播数值计算的褶积新算法.将常见的二阶微分Biot波动方程用等效的一阶速度—应力双曲方程表示,其中未知的波场向量包括固相和流体的速度分量和应力分量,由此对方程的时间项使用交错网格差分方法计算,而对空间项则采用褶积微分算法进行求解.对各向异性双相介质在单层介质模型和双层介质模型中的波场特征进行了研究.研究的结果显示,在两层介质分界面上当地震波产生反射时能观测到两类纵波和横波,并且在衰减系数大的介质里慢纵波很难见到.     

Elastic wave mode separation for tilted transverse isotropy media

Seismic waves propagate through the earth as a superposition of different wave modes. Seismic imaging in areas characterized by complex geology requires techniques based on accurate reconstruction of the seismic wavefields. A crucial component of the methods in this category, collectively known as wave‐equation migration, is the imaging condition that extracts information about the discontinuities of physical properties from the reconstructed wavefields at every location in space. Conventional acoustic migration techniques image a scalar wavefield representing the P‐wave mode, in contrast to elastic migration techniques, which image a vector wavefield representing both the P‐ and S‐waves. For elastic imaging, it is desirable that the reconstructed vector fields are decomposed into pure wave modes, such that the imaging condition produces interpretable images, characterizing, for example, PP or PS reflectivity. In anisotropic media, wave mode separation can be achieved by projection of the reconstructed vector fields on the polarization vectors characterizing various wave modes. For heterogeneous media, because polarization directions change with position, wave mode separation needs to be implemented using space‐domain filters. For transversely isotropic media with a tilted symmetry axis, the polarization vectors depend on the elastic material parameters, including the tilt angles. Using these parameters, we separate the wave modes by constructing nine filters corresponding to the nine Cartesian components of the three polarization directions at every grid point. Since the S polarization vectors in transverse isotropic media are not defined in the singular directions, e.g., along the symmetry axes, we construct these vectors by exploiting the orthogonality between the SV and SH polarization vectors, as well as their orthogonality with the P polarization vector. This procedure allows one to separate all three modes, with better preserved P‐wave amplitudes than S‐wave amplitudes. Realistic synthetic examples show that this wave mode separation is effective for both 2D and 3D models with strong heterogeneity and anisotropy.