一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法技术

本发明专利技术公开了一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法。本发明专利技术根据野外地震炮集记录获取研究区的实测面波频散曲线，结合地质资料建立反演初始模型，利用实测面波频散曲线确定面波行列式失配函数并作为目标函数，对目标函数进行反演并利用小生境粒子群算法搜寻局部最优值和全局最优值，输出每次反演的个体最优解组成模型解集后，确定理论面波频散曲线，并根据最短距离适配函数对模型解集进行筛选和升序排序，基于改进的基本顺序算法对筛选后模型解集进行聚类分析，根据给定的容许误差统计分析各聚类中的个体最优解，获取多个反演结果。本发明专利技术避免了对面波频散曲线的模式判断和求根计算，获取了面波反演的多解特征，具有良好的鲁棒性和适用性。良好的鲁棒性和适用性。良好的鲁棒性和适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法


[0001]本专利技术属于地震勘探
，具体涉及一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法。

技术介绍

[0002]层状介质中面波频散曲线具有多模性，面波频散曲线的高阶模式更加敏感，同时，相同波长时面波频散曲线高阶模式的探测深度相比于面波频散曲线的基阶模式的探测深度更深，利用多阶模式数据的联合反演能够提高横波速度模型的准确度和精度，保证反演过程的稳定性。但是，现实应用过程中，面波频散能量呈现出多模式现象，有时甚至无法正确判断基阶和高阶模式，从而为后续的反演带来了挑战。
[0003]粒子群算法作为一种通过模拟鸟群社会行为而发展起来的一种基于群体协作的随机搜索方法，已广泛应用于不同工程领域优化问题的有效搜索中。粒子群算法的基本思想是粒子群中的每个粒子将个体极值与粒子群中的其他粒子共享，寻求最优粒子个体的极值作为整个粒子群当前的全局最优解，使得粒子群的所有粒子根据当前自身的极值和粒子群共享的当前全局最优解调整自身的速度和位置，利用局部最优值引导粒子群中粒子的搜索方向，增强粒子群中粒子的精细搜索能力。
[0004]因此，亟需通过优化粒子群算法的基本顺序对面波行列式失配函数的反演结果进行聚类分析，提出一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法，从多个局部极小值中寻找与实测频散曲线最接近的模型空间解。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决因层状介质中面波频散曲线具有多模性导致其反演困难的问题，提出了一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法，以频散函数为反演目标函数，有效避免了对面波频散曲线的模式判断和面波频散曲线求根计算，提高了多模式面波反演的反演速度，获取了面波反演的多解特征，具有良好的鲁棒性和适用性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法，具体包括以下步骤：
[0008]步骤1，选取研究区，根据研究区的野外地震炮集记录获取实测面波频散曲线；
[0009]步骤2，建立反演初始模型，反演初始模型设置为多层弹性水平层状介质，根据研究区的地质资料，设置反演初始模型中各弹性水平层状介质的密度和泊松比，再根据反演初始模型和实测面波频散曲线确定面波行列式失配函数并作为目标函数，如公式(1)所示：
[0010][0011]式中，obj(m)为弹性水平层状介质反演参数的观测值，m为弹性水平层状介质的模型参数，包括横波速度V
S
、纵波速度V
P
、密度ρ和地层厚度h，其中，、密度ρ和地层厚度h，其中，为第
i个观测点相速度的观测值，f
iobs
为第i个观测点频率的观测值，w
i
为第i个观测点的权重，N为观测点的数量；
[0012]步骤3，对目标函数进行多次反演，每次反演过程中利用小生境粒子群算法搜寻目标函数的局部最优值和全局最优值，得到目标函数的多个局部最优值和多个全局最优值，输出每次反演计算小生境粒子群中各粒子的个体最优解，得到目标函数的模型解集；
[0013]步骤4，根据实测面波频散曲线和反演模型解集的理论面波频散曲线计算最短距离适配函数，并基于最短距离适配函数对目标函数模型解集中的个体最优解进行筛选和排序，得到筛选后的模型解集；
[0014]步骤5，基于改进的基本顺序算法对筛选后模型解集中的个体最优解进行聚类分析，将筛选后模型解集中的个体最优解划分为多个聚类，结合预设的容许误差值，获取各聚类内小于容许误差值的个体最优解并计算平均值和方差，输出多个面波反演结果。
[0015]优选地，所述步骤2中，分别针对反演初始模型的各弹性水平层状介质层建立传播矩阵，如公式(2)所示：
[0016][0017]其中，
[0018][0019][0020][0021]式中，T
m
为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第一子传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第二子传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第三子传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第四子传播矩阵，ρ
m
为第m层弹性水平层状介质层的密度，V
Sm
为第m层弹性水平层状介质层中的横波速度，V
Pm
为第m层弹性水平层状介质层中的纵波速度，k为波数，f为频率；
[0022]通过引入第m层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵S
m
和辅助刚度矩阵建立递推关系式为：
[0023][0024]式中，为第m层弹性水平层状介质层的辅助刚度矩阵如公式(7)所示：
[0025][0026]其中，
[0027][0028]式中，S
m+1
为反演初始模型中第m+1层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵S
m+1
，I为单位矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的下行波数项矩阵，如公式(9)所示：
[0029][0030]通过将反演初始模型中第m+1层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵S
m+1
代入公式(7)和公式(8)中，计算得到第m层弹性水平层状介质层的辅助刚度矩阵再将第m层弹性水平层状介质层的辅助刚度矩阵代入递推关系式中，结合在半空间中依次递推计算得到反演初始模型中各弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵，得到反演初始模型的面波频散函数F(f,v,m)，如公式(10)所示：
[0031]F(f,v,m)＝|det(S1(f,v,m))|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0032]式中，S1为反演初始模型中首层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵，v为相速度，m为弹性水平层状介质的模型参数。
[0033]优选地，所述步骤3中，具体包括以下子步骤：
[0034]步骤3.1，设置反演次数M和小生境粒子群的种群数N；
[0035]步骤3.2，在搜索空间中对小生境粒子群中各粒子进行初始化，随机设置小生境粒子群中各粒子的速度值；
[0036]步骤3.3，基于小生境粒子群算法对目标函数进行M次独立反演，每次反演过程中小生境粒子群中的各粒子在搜索空间中进行搜寻获取局部最优值并共享在小生境粒子群中，根据各粒子搜寻到的局部最优值确定当前小生境粒子群搜寻到的全局最优值，小生境粒子群中的各粒子根据自身搜寻到的局部最优值和小生境粒子群中共享的全局最优值，更新粒子自身的位置和速度，得到小生境粒子群中各粒子的个体最优解；
[0037]小生境粒子群中粒子的位置更新公式为：
[0038][0039]式中，为更新后粒子的位置，为更新前粒子的位置，V
id
为更新前粒子的速度，d为粒子所含反演参数的维度；
[0040]小生境粒子群中粒子的速度更新公式为：
[0041][0042]其中，
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，选取研究区，根据研究区的野外地震炮集记录获取实测面波频散曲线；步骤2，建立反演初始模型，反演初始模型设置为多层弹性水平层状介质，根据研究区的地质资料，设置反演初始模型中各弹性水平层状介质的密度和泊松比，再根据反演初始模型和实测面波频散曲线确定面波行列式失配函数并作为目标函数，如公式(1)所示：式中，obj(m)为弹性水平层状介质反演参数的观测值，m为弹性水平层状介质的模型参数，包括横波速度V
S
、纵波速度V
P
、密度ρ和地层厚度h，其中，、密度ρ和地层厚度h，其中，为第i个观测点相速度的观测值，f
iobs
为第i个观测点频率的观测值，w
i
为第i个观测点的权重，N为观测点的数量；步骤3，对目标函数进行多次反演，每次反演过程中利用小生境粒子群算法搜寻目标函数的局部最优值和全局最优值，得到目标函数的多个局部最优值和多个全局最优值，输出每次反演计算小生境粒子群中各粒子的个体最优解，得到目标函数的模型解集；步骤4，根据实测面波频散曲线和反演模型解集的理论面波频散曲线计算最短距离适配函数，并基于最短距离适配函数对目标函数模型解集中的个体最优解进行筛选和排序，得到筛选后的模型解集；步骤5，基于改进的基本顺序算法对筛选后模型解集中的个体最优解进行聚类分析，将筛选后模型解集中的个体最优解划分为多个聚类，结合预设的容许误差值，获取各聚类内小于容许误差值的个体最优解并计算平均值和方差，输出多个面波反演结果。2.根据权利要求1所述的一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法，其特征在于，所述步骤2中，分别针对反演初始模型的各弹性水平层状介质层建立传播矩阵，如公式(2)所示：其中，其中，其中，
式中，T
m
为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第一子传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第二子传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第三子传播矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的第四子传播矩阵，ρ
m
为第m层弹性水平层状介质层的密度，V
Sm
为第m层弹性水平层状介质层中的横波速度，V
Pm
为第m层弹性水平层状介质层中的纵波速度，k为波数，f为频率；通过引入第m层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵S
m
和辅助刚度矩阵建立递推关系式为：式中，为第m层弹性水平层状介质层的辅助刚度矩阵如公式(7)所示：其中，式中，S
m+1
为反演初始模型中第m+1层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵S
m+1
，I为单位矩阵，为反演初始模型中第m层弹性水平层状介质层的下行波数项矩阵，如公式(9)所示：通过将反演初始模型中第m+1层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵S
m+1
代入公式(7)和公式(8)中，计算得到第m层弹性水平层状介质层的辅助刚度矩阵再将第m层弹性水平层状介质层的辅助刚度矩阵代入递推关系式中，结合在半空间中依次递推计算得到反演初始模型中各弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵，得到反演初始模型的面波频散函数F(f,v,m)，如公式(10)所示：F(f,v,m)＝|det(S1(f,v,m))|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中，S1为反演初始模型中首层弹性水平层状介质层的界面刚度矩阵，v为相速度，m为弹性水平层状介质的模型参数。3.根据权利要求1所述的一种无需模式识别的小生境粒子群面波反演方法，其特征在于，所述步骤3中，具体包括以下子步骤：步骤3.1，设置反演次数M和小生境粒子群的种群数N...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，姜春香，王小江，王凯，李培，
申请(专利权)人：中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，
类型：发明
国别省市：