【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法和系统，属于陆地勘探。
技术介绍
1、地震面波反演成像是人类认识地球浅层速度结构的重要方法，在工程地质勘探、石油勘探以及壳幔尺度成像中有广泛的应用。目前面波成像方法主要是利用计算得到的频散曲线及其与速度模型的对应关系估计相应的地下速度结构。该方法需假设地下介质为均匀层状结构，利用地震面波解析解计算得到对应模型的频散曲线，通过与观测数据中提取的频散曲线对比来得到最优的一维速度模型。常用的频散方程求解方法有广义反射-透射系数法和快速标量法等，常用的面波频散曲线提取方法主要有双台法和面波多道分析方法等。随着地震高密度采集的普及，多道面波分析方法是目前面波成像的主流方法。但值得注意的是，目前面波频散曲线反演方法假设地下速度结构横向均匀、需要人工拾取频散曲线，反演得到的是测线下方速度的平均情况，不适合复杂构造和大规模地震数据处理。
2、目前最先进的弹性波面波全波形反演方法通过比较预测地震波形与观测波形来迭代更新速度模型，理论上可以对任意复杂构造实现高精度地震成像。然而在实际应用中，由于频散面波波形十分复杂，使用波形相减作为目标函数的反演方法容易陷入局部极值。更为先进的目标函数如自适应波形反演、最优输送波形反演、走时差波形反演等强调匹配地震波的相位信息，对具有简单波形的体波适用性较好，难以用于具有频散特性的面波处理。地震面波全波形反演技术由于非线性强、计算量大等劣势，目前仍处于研究初期阶段尚未应用于大规模地震数据的实际处理。
技术实现思路b>
1、针对上述问题，本专利技术的目的是提供了一种波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法和系统，其由于使用面波频散谱作为反演数据，避免了人工拾取频散曲线，减小了人为误差，提高了大规模地震资料处理效率。
2、为实现上述目的，本专利技术提出了以下技术方案：一种波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，包括以下步骤：采集目标区域的数据采集信息，并将所述数据采集信息输入网格剖分模型获得观测面波地面采集系统；求解弹性波波动方程，获得所述地面采集系统中模拟面波数据；根据观测面波数据和所述模拟面波数据计算伴随震源；对实际震源的正传波场与所述伴随震源的反传波场进行互相关，以计算地震波速度模型更新的梯度，并根据所述模型更新梯度更新所述网络剖分模型；将待测数据输入更新后的网格剖分模型，获得波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像结果。
3、进一步，所述网格剖分模型是根据目标区域震源和检波器排布、地表起伏的情况，建立的综合观测系统信息和地震波速度的有限元离散网格模型。
4、进一步，所述弹性波波动方程为：
5、
6、其中，ψ＝(v1，v2,v3,σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,σ6)为含有三个粒子速度和六个应力的矢量，t是转置矩阵，c为刚度矩阵，e为空间差分矩阵，f为震源矢量，ρ为密度，i3是单位矩阵。
7、进一步，根据观测面波数据和所述模拟面波数据计算伴随震源的方法为：通过线性拉东变换，将观测面波数据和所述模拟面波数据变换到频率-相慢度域，并计算所述观测面波数据和模拟面波的频率-相慢度谱的最优传输距离，根据所述最优传输距离确定所述伴随震源。
8、进一步，将观测面波数据和所述模拟面波数据变换到频率-相慢度域的方法为：通过线性拉东变换，对共炮点道集进行时间傅里叶变换；对经过时间傅里叶变换的共炮点道集中每一个频率成分沿空间二维相慢度方向进行积分，所述积分的公式为：
9、
10、其中，d(f,x,y)为原始共炮点道集的时间域傅里叶变换，c(f,sx,sy)是计算得到的面波频率-相慢度谱，f是频率，sx是x方向震源位置，sy是y方向震源位置，x是空间x方向，y是空间y方向，xmin是x方向最小炮检距，xmax是x方向最大炮检距，ymin是y方向最小炮检距，ymax是y方向最大炮检距。
11、进一步，所述伴随震源的计算公式为：
12、
13、其中，φ(m)是基于互相关的频散谱误差，m是横波速度模型，dp(m)是正演地震波场，是取实部，ifft是傅里叶逆变换；adj是伴随拉东变换；cp(m)是预测面波频散谱，co是观测面波频散谱。
14、进一步，所述基于互相关的频散谱误差的计算公式为：
15、φ(m)＝-<|cp(m,f，sx)|,|co(f,sx)|>
16、其中，|cp(m,f,sx)|为预测面波频率-相慢度谱归一化的后的振幅谱；|co(f,sx)|为观测面波频率-相慢度谱归一化的后的振幅谱。
17、进一步，所述计算模型迭代的梯度，并根据所述模型迭代梯度更新所述网络剖分模型的方法为：将所述伴随震源作为输入，使用谱元法对伴随波场进行反传；在零时刻，将所述伴随波场的反传波场与实际震源的正传波场互相关得到模型迭代的梯度；通过lbfgs方法迭代更新网格剖分模型，模型更新的公式为：m＝m0-λh-1g其中，λ为更新步长，h为近似求得的hessian矩阵，m是更新后的地震波速度模型；m0是初始地震波速度模型；g是地震波速度模型更新梯度；迭代更新网格剖分模型，直至满足收敛条件，输出最终的网络剖分模型。
18、本专利技术还公开了一种波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像系统，包括：实际观测面波模块，用于采集目标区域的数据采集信息，并将所述数据采集信息输入网格剖分模型获得地震面波地面观测系统；模拟面波模块，用于求解弹性波波动方程，获得所述地面采集系统中模拟面波数据；伴随震源生成模块，用于根据观测面波数据和所述模拟面波数据计算伴随震源；网络剖分模型更新模块，用于对实际震源的正传波场与所述伴随震源的反传波场进行互相关，以计算模型迭代的梯度，并根据所述模型迭代梯度更新所述网络剖分模型；结果输出模块，用于将待测数据输入更新后的网格剖分模型，获得波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像结果。
19、本专利技术还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述任一项所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法。
20、本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
21、1、本专利技术由于使用面波频散谱作为反演数据，避免了人工拾取频散曲线，减小了人为误差，提高了大规模地震资料处理效率。
22、2、本专利技术由于使用谱元法进行地震波波场模拟，适用于任意复杂介质的成像，避免了常规一维反演方法对速度模型的横向平均作用。
23、3、本专利技术提出了最优输送频散谱目标函数，降低了反演过程对初始速度模型的依赖，提高了反演的稳定性。
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1.一种波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，所述网格剖分模型是根据目标区域震源和检波器排布、地表起伏的情况，建立的综合观测系统信息和地震波速度的有限元离散网格模型。
3.如权利要求1所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，所述弹性波波动方程为：
4.如权利要求1所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，根据观测面波数据和所述模拟面波数据计算伴随震源的方法为：
5.如权利要求4所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，将观测面波数据和所述模拟面波数据变换到频率-相慢度域的方法为：
6.如权利要求4所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，所述伴随震源的计算公式为：
7.如权利要求6所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，所述基于互相关的频散谱误差的计算公式为：
8.如权利要求1所述的波
9.一种波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像系统，其特征在于，包括：
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-8任一项所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法。
...【技术特征摘要】
1.一种波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，所述网格剖分模型是根据目标区域震源和检波器排布、地表起伏的情况，建立的综合观测系统信息和地震波速度的有限元离散网格模型。
3.如权利要求1所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，所述弹性波波动方程为：
4.如权利要求1所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，根据观测面波数据和所述模拟面波数据计算伴随震源的方法为：
5.如权利要求4所述的波动方程地震面波全频散谱反演近地表成像方法，其特征在于，将观测面波数据和所述模拟面波数据变换到频率-相慢度域的方法为：...
【专利技术属性】
技术研发人员：张振东，刘伊克，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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