CN108957538A - 一种虚拟震源二维波前构建地震波走时计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种虚拟震源波前构建地震波走时计算方法，包括以下步骤：读入相关参数、速度模型；从震源沿着不同方向使用龙格库塔法追踪射线，并在射线追踪过程中依据相关判断条件插入新射线；通过相邻射线与相邻波前面上的离散点把计算空间划分为多个波前四边形；寻找出波前四边形内部网格点；通过虚拟震源法计算得出波前四边形内部网格点走时；完成所有波前四边形内部网格点走时计算。本发明通过采用虚拟震源法计算波前四边形内部网格点走时，提高了网格点走时计算精度，实现了一种高精度波前构建地震波走时计算方法。

Description

一种虚拟震源二维波前构建地震波走时计算方法
技术领域
本发明涉及地震波走时计算领域，特别是一种二维波前构建地震波走时计 算方法。
背景技术
《吉林大学学报》(地球科学版)2008年第2期公开了韩复兴等“基于二维 三次卷积插值算法的波前构建射线追踪”，介绍了一种改进的波前构建地震波走 时计算方法，将二维三次卷积插值方法应用到了网格点走时计算中，以此提高 了获得的地震波走时计算精度以及算法的计算效率。并且通过均匀介质对基于 二维三次卷积插值算法的波前构建方法进行了误差分析，分析结果得到了比较 好的效果。
《计算物理》2008年第2期公开了韩复兴等“不同插值算法在波前构建射 线追踪中的应用与对比”，对比分析了邻近域插值法、双线性插值发、分片性插 值法以及二维三次卷积插值法在波前构建射线追踪中的应用效果，模型计算结 果反映出二维三次卷积插值方法相对于其它三种方法可以得到更加准确的射线 路径。
《地球物理学进展》2009年第5期公开了韩复兴等“波前构建法中网格点 相对定位及属性计算研究”，介绍了如何使用矢量叉乘法判断矩形网格节点与非 规则波前四边形的相对位置关系，并根据网格点与非规则波前四边形的位置关 系，给出了相对应的插值方法计算网格点的属性信息。并且通过均匀模型和计 算实例对提出的方法进行了验证，取得了良好的计算结果。
通过以上例子可以看出，现有二维波前构建地震波走时计算方法在一定程 度上能够提升计算精度，但是其中的插值方法并没有考虑地震波的传播规律， 提升的计算精度也有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种虚拟震源波前构建地震波走时计算 方法，考虑了地震波在介质中的传播规律，在计算波前四边形内网格节点走时 过程中，使用了一种虚拟震源计算方法以代替原有的二维三次卷积插值方法， 提高了波前构建地震波走时计算方法的计算精度以及稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高精度波前构建地震波走时计算方法，包括以下步骤：
步骤1：读入相关参数文件、速度模型，其中，所述参数文件包含速度模型 的网格点数、网格间距、震源位置、追踪步长、射线角度范围、射线采样间隔；
步骤2：追踪射线，并在追踪过程中插入新射线以此来保证射线的覆盖率。 追踪射线的本质是使用龙格库塔法求解运动学射线追踪方程组，如下式所示：
其中，xi表示位置分量，pi表示慢度分量，τ表示地震波走时，v表示地震波 速度。
步骤3：通过计算获取的射线上离散点的空间位置信息将计算空间划分为多 个波前四边形；
步骤4：通过矢量乘积法判断网格点与波前四边形的位置关系，找到波前四 边形所包含的网格点；
步骤5：通过波前四边形顶点相关信息计算出各个点所对应的虚拟震源位置， 并基于这些虚拟震源位置计算出波前四边形所包含网格点的地震波走时；
步骤6：完成所有网格节点的走时计算，并输出最终的走时计算结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：考虑了地震波在介质中的传播规律， 采用了虚拟震源法计算波前四边形内部网格点走时，提高了网格点走时计算精 度，进而提高了波前构建地震波走时方法的计算精度。
附图说明
图1为本发明虚拟震源波前构建地震波走时计算方法流程图。
图2计算区域分割示意图。
图3为虚拟震源地震波走时计算示意图，A、B、C、D为波前四边形四个顶 点，OA、OB、OC、OD分别为A、B、C、D对应的虚拟震源位置，R为波前四 边形ABCD包含的一个网格点。
图4为均匀介质中常规波前构建法走时相对误差。
图5为均匀介质中虚拟震源波前构建地震波走时计算方法相对误差。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是虚拟震源波前构建地震波走时计算方法流程图，图中显示了本发明 方法的实现流程，具体如下：
1)读入相关参数文件、速度模型，其中，所述参数文件包含速度模型的网 格点数、网格间距、震源位置、追踪步长、射线角度范围、射线采样间隔；
2)追踪射线，并在追踪过程中插入新射线以此来保证射线的覆盖率。射线 发射角度范围为：-80°到+80°，采样间隔为3°到6°，射线追踪步长为2ms 到6ms。追踪射线的本质是使用龙格库塔法求解运动学射线追踪方程组，如下式 所示：
其中，xi表示位置分量，pi表示慢度分量，τ表示地震波走时，v表示地震波 速度；
3)通过计算获取的射线上离散点的空间位置信息，以相邻射线相邻波前面 上的四个点为波前四边形顶点，将计算空间划分为多个波前四边形(如图2所 示)；
4)通过波前四边形顶点位置首先大致筛选出可能位于其覆盖范围的网格点， 随后通过矢量乘积法判断出网格点与波前四边形的位置关系，确定波前四边形 所包含的网格点。
5)通过波前四边形顶点的射线方向、地震波走时、地震波速度等信息推算 出这些顶点对应虚拟震源的位置，如图3所示：假设某一波前四边形的四个顶 点分别为A、B、C、D，R为其内部的网格点。通过相关信息计算出A、B、C、D 对应的虚拟震源OA、OB、OC、OD位置后，R点的地震波走时表达式为：
其中|OBR|、|OBR|、|OCR|、|ODR|分别表示OA、OB、OC、OD到R点的距离， VR表示R点出的地震波速度。
6)完成所有网格节点的走时计算，并输出最终的走时计算结果。
下面通过均匀模型对本发明方法的计算精度进行分析验证。
图4、图5分别为常规波前构建法与虚拟震源波前构建法在均匀介质模型中 的绝对误差，模型横向网格点数为761，纵向网格点数为777，横向纵向网格间 距均为10m，速度为1000m/s，震源位于横向3800m处。从图中可以看出虚拟震 源波前构建地震波走时计算方法相对于常规波前构建法计算精度有了很大提高。
本发明通过采用虚拟震源法计算波前四边形内部网格点走时，提高了波前 四边形内部网格点走时计算精度，实现了一种高精度波前构建地震波走时计算 方法。

Claims (2)

1.一种虚拟震源二维波前构建地震波走时计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：读入相关参数文件、速度模型，其中，所述参数文件包含速度模型的网格点数、网格间距、震源位置、追踪步长、射线角度范围、射线采样间隔；
步骤2：追踪射线，并在追踪过程中插入新射线以此来保证射线的覆盖率。追踪射线的本质是使用龙格库塔法求解运动学射线追踪方程组，如下式所示：
其中，xi表示位置分量，pi表示慢度分量，τ表示地震波走时，v表示地震波速度。
步骤3：通过计算获取的射线上离散点的空间位置信息将计算空间划分为多个波前四边形；
步骤4：通过矢量乘积法判断网格点与波前四边形的位置关系，找到波前四边形所包含的网格点；
步骤5：通过波前四边形顶点相关信息计算出各个点所对应的虚拟震源位置，并基于这些虚拟震源位置计算出波前四边形所包含网格点的地震波走时；
步骤6：完成所有网格节点的走时计算，并输出最终的走时计算结果。
2.如权利要求1所述的一种虚拟震源二维波前构建地震波走时计算方法，其特征在于，在步骤5中，通过虚拟震源法计算出波前四边形所包含网格点的地震波走时。假设某一波前四边形的四个顶点分别为A、B、C、D，R为其内部的网格点。通过相关信息计算出A、B、C、D对应的虚拟震源OA、OB、OC、OD位置后，R点的地震波走时表达式为：
其中|OBR|、|OBR|、|OCR|、|ODR|分别表示OA、OB、OC、OD到R点的距离，VR表示R点出的地震波速度。
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