探地雷达衰减补偿逆时偏移成像方法

探地雷达信号在地下介质中传播时易受到电导率所产生的衰减影响,从而使得传统偏移成像结果在高衰减区域变得模糊.本文提出了衰减补偿的逆时偏移方法来消除电导率的影响.该方法基于麦克斯韦方程组实现电磁波的正演模拟和逆时传播.通过改变衰减项的正负号,保证了逆时传播的时间对称性,从而能够重构出原始波场,实现衰减补偿.数值实验比较了传统逆时偏移方法和衰减补偿逆时偏移方法在存在高导异常区域情况下的成像效果,结果证明了衰减补偿逆时偏移方法能够很好地恢复由电导率造成的信号衰减,从而提高探地雷达剖面的分辨率.     

探地雷达逆时偏移成像方法研究现状及进展

基于双程波动方程的逆时偏移相比于传统的单程波偏移,具有原理简单、成像精确且无倾角限制、适应任意复杂速度模型等诸多优点,在探地雷达(GPR)高精度成像领域得到广泛关注.本文首先回顾和总结了逆时偏移方法在GPR成像领域的研究现状及其存在的问题.然后,分别从多偏移距GPR数据的快速采集,复杂介质的GPR逆时偏移成像、成像条件的稳定性、成像效果的改善、计算效率的提高等方面介绍了GPR逆时偏移成像研究的最新进展及其具体的应用效果.最后对GPR逆时偏移成像的发展趋势进行了总结.     

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.     

基于电磁波衰减补偿的探地雷达三维逆时偏移成像

常规探地雷达（GPR）逆时偏移大都未考虑高频电磁波在地下高电导率介质中传播的强衰减特性,致使高衰减区域的成像质量低;实际地下结构呈三维空间分布,二维GPR逆时偏移难以将反射波准确归位和绕射波完全收敛于真实位置.为此,本文构建了一种基于电磁波衰减补偿的三维GPR逆时偏移算法.该算法采用三维时域有限差分法计算正传和反传电磁波场,并通过改变反传电磁波方程中包含电导率的衰减项的正负号,人为保持反传时的时间对称性和反转不变性,以补偿正传时衰减的能量;零时刻成像条件用于获取地下三维结构的成像结果.数值试验结果表明：相比于常规GPR逆时偏移算法,基于电磁波衰减补偿的三维GPR逆时偏移可精确补偿电磁波在地下高电导率介质中正传衰减的能量,高电导率区域的成像精度更高,分辨率更好,抗干扰能力更强,其结果更有利于指导后续雷达剖面的解译.

     

基于激发振幅成像条件的探地雷达逆时偏移成像

针对基于互相关成像条件的探地雷达（GPR）逆时偏移计算效率低、存储量大及易产生低频假象的不足,本文将激发振幅成像条件应用于GPR逆时偏移成像中.通过在源点电磁波场正向传播过程计算每个网格点的能量密度,并保存最大能量密度的时刻和相应的电磁波场值;在接收点电磁波场逆向传播过程提取每个网格点最大能量密度时刻及对应的电磁波场值,并利用保存的最大能量源点电磁波场及走时做归一化,从而获得了依赖反射系数成像剖面,避免了源点正向传播电磁波场的存储和重建.此外,为了提高电磁波场的模拟精度,采用了基于三角形剖分的时间域有限单元法（FETD）计算电磁波正向和逆向传播过程.最后通过模型试算表明：激发振幅成像条件相比于归一化互相关成像条件,成像结果低频噪声更弱,空间分辨率更高,计算效率提高了近2倍.

     

机载探地雷达数值模拟及逆时偏移成像

机载探地雷达可以用于人类无法到达的危险地区、植被严重覆盖的地下目标体探测,然而由于机载探地雷达的特殊性,影响机载探地雷达探测效果的因素包括天线的极化方向、天线的飞行高度以及地表粗糙度等.为了研究这些影响因素与探测效果之间的关系,用三维时间域有限差分模拟电磁波的传播过程,以沙漠地区地下空洞掩体的机载探地雷达探测为实例,分别模拟了不同天线极化方向、天线高度及地表粗糙度情况下的机载探地雷达剖面,分析了各因素对机载探地雷达探测地下空洞目标体的影响.天线极化方向与目标体走向垂直更有利于地下目标体探测;天线距离地表越近,可以获得更高分辨率的雷达剖面;沙漠地表起伏越大,雷达剖面中的散射杂波能量越强,浅部地下目标体信号容易被掩盖.为了消除起伏地形造成的散射杂波,提出用逆时偏移成像技术对共炮集机载探地雷达数据进行偏移成像,成像结果优于基尔霍夫偏移成像结果.     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.

     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

基于探地雷达的混凝土无损检测反演成像方法

本文针对水利水电工程中的混凝土构件无损探测问题,提出了一种新的反演成像方法.传统方法主要依赖人工经验观察偏移探测数据,精度无法保证.这种方法以Maxwell方程的TM问题为数学模型,在混凝土的表面放置发射源与接收器,根据探地雷达的接收数据,采用同伦优化方法结合收敛速度较快的阻尼高斯牛顿方法作为反演算法,其成像结果更具定量化和可视性.该成像方法克服了传统雷达剖面图只能近似地反映混凝土中埋藏物及缺陷的深度、大小等缺点,不仅能够探测混凝土内部异物的位置,而且能够比较准确地确定异物的大小及属性.通过计算机模拟以及对实际资料的处理,验证了该反演成像结果直观、可靠、具有一定的应用价值.     

基于Hilbert变换的全波场分离逆时偏移成像

逆时偏移方法利用双程波算子模拟波场的正向和反向传播,通常采用互相关成像条件获得偏移剖面,是一种高精度的成像方法.但是传统的互相关成像条件会在偏移结果中产生低频噪声;此外,如果偏移速度中存在剧烈速度变化还可能进一步产生偏移假象.为了提高逆时偏移的成像质量,可在成像过程中先对震源波场和检波点波场分别进行波场分离,然后选择合适的波场成分进行互相关成像.本文基于Hilbert变换,推导了可在偏移过程中进行上下行和左右行波场分离的高效波场分离公式以及相应的成像条件,结合Sigsbee 2B合成数据,给出了不同波场成分的互相关成像结果.数值算例结果表明,采用本文提出的高效波场分离算法以及合理的波场成分互相关成像条件可以获得高信噪比的成像结果.     

Reverse time migration of ground-penetrating radar with full wavefield decomposition based on the Hilbert transform

The conventional reverse time migration of ground-penetrating radar data is implemented with the two-way wave equation. The cross-correlation result contains low-frequency noise and false images caused by improper wave paths. To eliminate low-frequency noise and improve the quality of the migration image, we propose to separate the left-up-going, left-down-going, right-up-going and right-down-going wavefield components in the forward- and backward-propagated wavefields based on the Hilbert transform. By applying the reverse time migration of ground-penetrating radar data with full wavefield decomposition based on the Hilbert transform, we obtain the reverse time migration images of different wavefield components and combine correct imaging conditions to generate complete migration images. The proposed method is tested on the synthetic ground-penetrating radar data of a tilt-interface model and a complex model. The migration results show that the imaging condition of different wavefield components can highlight the desired structures. We further discuss the reasons for incomplete images by reverse time migration with partial wavefields. Compared with the conventional reverse time migration methods for ground-penetrating radar data, low-frequency noise can be eliminated in images generated by the reverse time migration method with full wavefield decomposition based on the Hilbert transform.     

多次波分阶逆时偏移成像

本文深入分析了多次波逆时偏移的成像原理和串扰假象产生机制,并提出了多次波分阶逆时偏移策略,即首先应用自由界面多次波衰减方法对原始炮集记录中的多次波进行剔除得到一次波记录,然后应用一次波记录预测获得各阶多次波记录,最后将各阶多次波记录分别进行逆时偏移成像.模型实验结果表明,多次波分阶逆时偏移其各阶多次波成像剖面均可对真实界面正确成像且其能够有效压制串扰假象,其中一阶多次波逆时偏移剖面的成像精度最高,其深层成像质量明显优于常规多次波逆时偏移.     

Acoustic full waveform inversion of synthetic land and marine data in the Laplace domain

Elastic waves, such as Rayleigh and mode‐converted waves, together with amplitude versus offset variations, serve as noise in full waveform inversion using the acoustic approximation. Heavy preprocessing must be applied to remove elastic effects to invert land or marine data using the acoustic inversion method in the time or frequency domains. Full waveform inversion using the elastic wave equation should be one alternative; however, multi‐parameter inversion is expensive and sensitive to the starting velocity model. We implement full acoustic waveform inversion of synthetic land and marine data in the Laplace domain with minimum preprocessing (i.e., muting) to remove elastic effects. The damping in the Laplace transform can be thought of as an automatic time windowing. Numerical examples show that Laplace‐domain acoustic inversion can yield correct smooth velocity models even with the noise originating from elastic waves. This offers the opportunity to develop an accurate smooth starting model for subsequent inversion in the frequency domain.     

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.     

基于各向异性全变分约束的多震源弹性波全波形反演

多震源编码技术可以提高全波形反演的计算效率,但同时会引入串扰噪声使反演结果质量降低. 全变分约束可以有效地压制层内噪声并突出模型界面,其与多震源技术的结合,能在大大提高弹性波全波形反演效率的同时提高反演质量. 本文提出了一种高效的动态多震源全波形反演策略,可以在离散串扰噪声的同时保证照明的均匀性. 根据残留串扰噪声的分布特征,构建了与之匹配的基于各向异性全变分约束的弹性波全波形反演方法. 为了减少周期跳跃效应,将基于稀疏约束的低频重构算法应用于弹性波地震记录,给出了利用快速梯度投影算法求解各向异性全变分约束的全波形反演流程. 模型数据测试结果表明本文的方法不仅能有效地抑制多震源方法导致的串扰噪声,同时也能降低观测数据中的噪声对反演结果的影响.

     

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.