三维层状介质中基于走时梯度的多次波射线追踪

本文结合分区多步思想改进初至波走时梯度射线追踪算法(MTG),使之能适用于三维层状介质中多次波射线追踪计算。在计算过程中按照射线类型和速度分界面将三维模型分为不同的计算区域,根据多次波的传播顺序从震源开始在对应的区域内采用网格剖分线性插值法计算波前走时场。然后从检波点开始根据多次波的类型在对应的计算区域内沿走时梯度方向分步追踪多次波射线路径。在计算多次波波前走时场的过程中,为提高计算效率加入了逐次网格剖分技术,使分界面上波前新的震源位置更加精确;在多次波射线追踪的过程中根据走时梯度方向追踪射线路径,在速度分界面区域内采用局部追踪策略求取下一个追踪点以提高多次波的射线精度。本文在多层层状介质模型及扩展到三维的Marmousi模型中进行试验,计算结果表明,改进的MTG算法结合分区多步技术计算多次波时具有常规MTG法计算初至波时的优点,计算精度高、算法简单、计算效率高,验证了MTG算法在复杂的三维模型中计算多次波的有效性。     

平面波射线追踪与面炮波场时间滞后深度成像

面炮(Arealshot)偏移技术是对实际炮集数据按照不同方向传播的平面波进行时间延迟分解并合成组合炮记录,分别进行组合震源下行波的向下波场外推和组合记录上行波的向下波场延拓,在相遇深度得到该方向平面波的反射波成像。本文基于面炮深度偏移技术,充分利用射线追踪计算量小和波动方程波场延拓的良好振幅特性,提出了用平面波射线追踪法计算平面波组合震源下行波前走时和面炮波场滞后时间成像的深度偏移方法,并着重讨论了程函方程有限差分法计算平面波传播时间和组合记录上行波场时间滞后的深度成像方法。通过对Marmousi模型数据的成像检验,表明该法要比积分法偏移效果优越。     

一种新的基于多模板快速推进算法和最速下降法的射线追踪方法

本文提出了一种新的射线追踪方法,该方法将射线追踪分为两个过程:首先使用多模板快速推进算法(MSFM)从源点开始计算已知速度场各网格节点的波前传播时间;然后使用最速下降方法从接收点开始向源点沿旅行时梯度最快下降方向追踪射线路径。与传统的快速推进方法(FMM)及其改进算法相比,多模板快速推进算法(MSFM)使用两个模板计算邻点旅行时,同时考虑了水平、垂直及对角线方向上的信息,能大大提高旅行时的计算精度和计算效率。为了验证新射线追踪方法的计算精度和计算效率,本文对两个速度模型进行了数值模拟,并将模拟结果与基于FMM和高精度快速推进方法(HAFMM)的最速下降射线追踪方法计算结果进行对比。对比结果表明,本文方法是一种有效的射线追踪方法,并且在计算精度和计算效率上都优于基于FMM和HAFMM的射线追踪方法。     

平面波射线追踪与面炮波场滞后时间成像

面炮(Arealshot)偏移技术是对实际炮集数据按照不同方向传播的平面波进行时间延迟并形成组合炮记录,然后分别作组合震源下行波的向下波场外推和组合记录上行波的向下波场延拓,在相遇深度得到该方向平面波成像的技术。本文基于面炮深度偏移技术,充分利用射线追踪计算量小和波动方程波场延拓具有良好振幅的特性,提出了用平面波射线追踪计算平面波组合震源下行波前走时和面炮波场滞后时间成像的深度偏移方法,着重讨论了有限差分程函方程(Eikonalequation)计算平面波传播时间和组合记录上行波场的滞后时间成像。     

二维粘弹介质中完全波场正演模拟

本文给出一种实现二维粘滞介质完全波场模型计算的方法，该方法的独到之处在于把传播时间分解成了水平时间分量和垂直时间分量两部分，在线源入射的基础上，无需繁杂的射线追踪，只考虑入射角随偏移距的变化情况便可得包括反射纵波，转换波，多次波，折射波及面波等在内的多波场的时间－空间道集的正演模拟记录，而且还能灵活地模拟井间和ＶＳＰ地震剖面。     

基于直达波偏振分析的三分量检波器定向方法

本文提出一种基于三分量地震记录直达波偏振分析的三分量检波器定向方法。该方法首先利用三分量地震记录的直达波振幅构造协方差矩阵,然后通过求解该协方差矩阵的主特征向量得到直达波的偏振方向,再根据炮点和接收点的位置计算直达波的传播方向,在此基础上,利用直达波的偏振方向和传播方向的差异最终确定三分量检波器与设计方向的水平和垂直偏角。利用估算的三分量检波器的水平和垂直偏角,通过三分量旋转技术实现三分量地震记录的重定向,进而消除由于三分量检波器放置方向的误差对波场带来的影响。模型和实际数据试算结果表明,该方法具有很高的计算精度和很好的应用效果。     

-种改进的双线性插值射线追踪方法

线性插值射线追踪是-种具有全局搜索能力且计算效率相对较高的射线追踪技术。为了克服该方法线性假设导致在近场处的旅行时计算精度差、射线路径不合理等问题,本文提出-种改进的双线性插值算法,应用优化扫描法确定波前面和传播方向,追踪最短射线路径;采用动态变密度网格剖分方式,有效地提高了旅行时精度,特别是近场旅行时的计算精度;同时采用快速判定条件和简化计算公式,有效地降低了计算量,提高了计算效率。理论模型测试显示了该方法的有效性。     

高斯射线束法地震记录合成系统的研究与开发

高斯射线束法是一种快速的地震记录合成方法,通过该方法合成的波场记录不仅能反映波的运动学特征,也能反映高频动力学特征。该方法将波动方程和射线理论紧密结合起来,通过运动学射线追踪获取射线轨迹,通过动力学追踪来获取中心射线附近的高频能量分布,因而既能反映波的运动学特征,又能表现波的动力学特点,并且具有运算速度快、精度高等优点。介绍了高斯射线束的基本原理,对基于高斯射线地震记录合成软件的研发进行了系统论述,重点介绍了模型编辑、运动学射线追踪、动力学射线追踪和地震记录合成等重要模块的实现方法,通过几个地质模型合成记录的算例,说明了高斯射线束法对复杂地层模型和奇异区域都具有较好的效果,是一种高效实用的地震记录合成方法。     

基于波前构建法的TTI介质射线追踪

射线(群速度)方向与旅行时梯度(相速度)方向不一致,使得TTI介质的射线追踪变得非常困难。传统的以弹性参数表示的各向异性射线追踪系统比各向同性条件下要复杂得多,而且在每一步都要求通过解特征值问题来计算极化矢量,使得整个射线追踪过程相当耗时。鉴于此,本文引入一种用相速度和群速度重构的射线追踪系统,该射线追踪系统与各向同性条件下的完全相似,从而简化了TTI介质的射线追踪问题。在综合考虑多种走时计算方法的优劣后,选择波前构建法进行射线追踪和波前传播的计算。将简化的射线追踪系统与波前构建法的优势相结合,得到了简单、高效的TTI介质射线追踪方法,并通过模型试算验证了此法的可行性。     

波场分解算法与逆时偏移角道集

逆时偏移生成的角度域共成像点道集(ADCIGs)有利于提高成像质量,可用于偏移速度分析和AVA/AVO研究等。使用Poynting矢量估计波传播方向可以快速生成角道集,但当模型和波场比较复杂时,不同方向传播的波场分量相互重叠,无法准确计算波的传播方向。波场分解可以提高Poynting矢量的准确性。为此,研究了波场分解算法,在计算Poynting矢量之前先将波场分解成不同方向传播的分量,用于生成角道集。为解决传统的傅里叶变换在频率-波数域进行波场分解时计算量大的问题,对波场分解算法进行了优化,并提出了SSE(单指令多数据流扩展)向量化和多线程并行计算实现算法,从而提高了计算效率。理论和数值计算结果表明:使用波场分解可以显著提高逆时偏移角道集的质量,此优化算法能够得到与传统方法一致的结果并且提高了计算效率。二维Sigsbee2A模型和三维SEAM TTI模型的数值计算也证明了该算法用于生成高质量角道集和逆时偏移图像的有效性和稳定性。优化后的波场分解算法并不局限于上、下行波分解,可容易地拓展到其它方向的波场分解,也可应用于最小二乘偏移和全波形反演,以消除成像噪声,提高成像质量。     

二维复杂介质声波波场的射线解

从声波波动方程出发，在波动理论的高频近似下，导出了有限差分射线走时计算方法，并利用声传播的可逆性和费马原理建立射线路径，充分考虑实际激发的声波具有有限带宽的特点，用“波径”来描述射线，考虑到复杂介质易出现焦散现象，采用了在相空间中计算波场。该方法可以克服常规射线方法在介质复杂时易出现焦散和射线阴影区的缺陷，经理论模型验证，证明了该方法的正确有效性。另外，该方法计算精度较高，计算速度较快，可用于波场的模拟和格林函数计算，有实际价值。     

基于旅行时线性插值的地震射线追踪算法

本文介绍并实现了一种由Ａｓａｋａｗａ提出的基于旅行时线性插值的地震射线追踪算法（简称ＬＴＩ算法），并在此基础上提出了反射波ＬＴＩ算法。ＬＴＩ算法基于网格单元模型，适用于任意变速介质，可以追踪包括直达波、折射波、透射波等多种射线路径。原ＬＴＩ算法处理初至类型的地震波，而本文将其推广到反射波情况，使其可以应用于计算地震反射波的旅行时及追踪反射波射线路径。通过计算试验及与物理模型实验结果对比表明，用该算     

基于薄层模型的有限频率地震波射线追踪

基于Fermat原理的射线追踪方法都是假定地震波的频率为无限，从而求取最小旅行时所对应的路径。然而实际地震波的频率是有限的，地震波主要在Fresnel带内沿尽可能短的路径进行传播。为了使得到的射线路径更符合实际情况，在原弯曲射线法的目标函数中加入一项与射线长度有关的惩罚项，实现了基于薄层介质模型的有限频率地震射线近似追踪。理论例子表明，该方法简单，计算速度快，效果良好。     

波阻抗近似反演

本文在B0rn近似前提下,建立散射场（一次反射波场）与介质参数扰动的关系,用离散网格射线跟踪方法对变系数格林函数进行求解,导出了反射系数的近似计算公式。利用惠更斯与费马原理的离散网格化射线方法建立与之相应的射线模型,实现了反射系数的求解算法。并在常速扫描取得背景速度的基础上计算近似波阻抗。这种射线追踪方法不受维数、道集形式、叠前或叠后的影响,特别适合叠前数据和积分算法。     

TI介质带限射线束传播及偏移方法

地震数据是典型的带限信号，这限制了传统高频射线理论在其偏移处理中的应用。本文构建了一种适用于横向各向同性（TI）介质的带限射线束传播算子，并应用于射线束偏移。在局部平面波近似下构建了带限射线追踪算法，并将该算法扩展到TI介质。在带限中心射线基础上引入旁轴近似展开，构建适用于TI介质的带限射线束传播算子，将该带限射线束传播算子应用于各向异性介质射线束偏移。该传播算子在保持射线类方法高效灵活优点的基础上，兼具波动类波传播算子能够描述带限波场传播的特性。数值实验表明，各向异性带限射线束改善了盐丘等复杂构造与各向异性区域的照明，提高了偏移成像剖面和角度域共成像点道集的质量。     

单步波场延拓法单炮时间偏移

偏移算法可以分为波场和射线两种类型,其中叠前时间偏移主要使用射线法,而射线法难以达到最佳振幅响应特性,因此,波场法一直都是研究的目标。现有的波场法叠前时间偏移主要是共炮检距和共平面波两种F-K域实现方式。一般而言,单炮总是最适合的选择,它具有方程简单、操作方便和容易实现的特点。根据这个认识,本文通过相移加内插的方法实现单炮时间偏移,采用均方根速度进行单步波场延拓,从而取得良好的成像质量和振幅特性。     

三维最短路径法射线追踪及改进

射线追踪技术在地震学领域有着广泛的应用，其中以最短路径算法在复杂介质中走时计算稳定性最好。理论上最短路径法的误差来源为速度模型采样误差、空间离散化误差和角度离散化的误差，由此造成网格稀疏时射线路径呈之字形，计算走时比实际走时偏大。弯曲法追踪精度高，但是射线追踪速度受初始路径与真实射线路径逼近程度制约，在复杂介质中可能找不到全局最小走时路径。最短路径法追踪出来的网格射线路径，可以作为较理想的初始路径，供弯曲法迭代优化。将最短路径法和弯曲法结合，通过射线在初始路径附近的扰动得到Fermat原理约束下的最短路径。文章对常速模型的试算，显示了改进方法对射线路径优化的作用，在模型网格稀疏的情况下效果尤其明显。本算法适用于计算三维任意复杂介质中初至波走时和射线路径，可应用于三维走时层析成像等领域。     

多次回溯高精度快速射线追踪方法研究

射线追踪的速度和精度直接影响地震资料的静校正和偏移成像的质量。针对复杂构造和不均匀介质中的地震波传播问题,提出了多次回溯高精度快速射线追踪方法。该方法基于费马原理,首先从震源出发选择目标点,以目标点为中心选定矩形计算网格,计算各网格点到目标点的旅行时,选择震源到网格点再到目标点的最小旅行时作为该目标点的传播时间,同时记录该点前一节点的坐标,这样介质中各目标点均有一条指向震源的射线路径;然后对射线进行回溯,对射线上的任意节点根据追踪半径确定回溯网格,计算地震波从震源到回溯网格中任意网格点再到目标点的传播时间,如果该时间比原目标点的传播时间短,则用该网格点替代原节点。根据精度要求选择合适的回溯次数更新节点信息,获得地震波传播的射线路径。模型试算结果表明,多次回溯高精度快速射线追踪方法是一种有效的初至波射线追踪方法。     

最短射线路径追踪方法的优化

对求出的射线路径进行整体优化，以减小离散化所产生的误差，从而减小射线路径的误差。对射线路径优化过程进行了推导，并提出了最短射线路径的优化循环迭代算法，求出了优化的最短射线路径。应用理论模型验证了最短射线路径的优化循环迭代算法的可行性；相对于理论路径而言，优化最短射线路径法得到的射线路径误差较小。将该方法应用于最短射线路径追踪和折射波静校正等资料处理的过程中，可以减少运算量和运算时间。