CN109655882A - 基于高斯束波场模拟的地震波正演方法和装置 - Google Patents

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蔡杰雄
倪瑶
王守进
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Abstract

本发明公开了基于高斯束波场模拟的地震波正演方法和装置。所述方法包括：从震源点出发，以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立；使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场；将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。应用本发明，能获取干净准确的模拟波场，非常适用于地震成像波场分析。

Description

基于高斯束波场模拟的地震波正演方法和装置
技术领域
本发明涉及地震波正演领域，更具体地，涉及基于高斯束波场模拟的地震波正演方法和装置。
背景技术
地震波数值正演模拟的一个主要应用是服务于地震成像进行波场分析。服务于地震成像的地震波场数值正演仅需要模拟透射波，其计算方法包括：声波方程全波场有限差分法可以处理复杂速度模型但十分耗时，且全波场的模拟包含了所有波至使得难以去除不需要的直达波、多次波及转换波等；单程波算子仅模拟透射波，具有较高的效率，适合处理大规模数据，但最大的缺点是对陡倾角的限制，不能模拟大角度及回转波场。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了基于高斯射线束波场模拟的地震波正演方法和装置。
根据本发明的一方面，提出了一种基于高斯束波场模拟的地震波正演方法，所述方法包括：从震源点出发，以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立；使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场；将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。
根据本发明的另一方面，提出了一种基于高斯束波场模拟的地震波正演装置，所述装置包括：高斯束模拟模块，用于从震源点出发、以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立；频率域高斯束模拟波场获取模块，使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场；时频转换模块，用于将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。
根据本发明的各个方面基于高斯束进行波场正演。与常规射线相比，本发明的方案克服了焦散问题及两点射线追踪问题；与声波方程全波场有限差分相比，本发明的方案非常高效和灵活，且仅模拟成像所需的透射波；与单程波相比，本发明的方案没有倾角限制且可以模拟回转波。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于高斯射线束波场模拟的地震波正演方法的流程图。
图2示出了射线中心坐标系的示例性示意图。
图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的频率域单个高斯束的波场示意图。
图4示出了地震Rick子波的示意图。
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的所有高斯束的波场叠加结果示意图。
图6示出了一个简单模型示意图。
图7示出了根据本发明的一个示例性实施例针对图6所示模型得到的波前快照示意图。
图8示出了根据本发明的一个示例性实施例针对图6所示模型得到的单炮记录示意图。
图9示出了一个复杂模型示意图。
图10(1)和图10(2)示出了针对图9所示模型分别采用常规单程波和根据本发明的高斯束模拟得到的波前快照对比示意图。
图11(1)和图11(2)示出了针对图9所示模型分别采用常规单程波和根据本发明的高斯束模拟得到的单炮记录对比示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于高斯射线束波场模拟的地震波正演方法的流程图，该方法包括：
步骤101，从震源点出发，以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立；
步骤102，使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场；
步骤103，将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。
本实施例通过基于高斯束进行波场正演，与常规射线相比，本实施例克服了焦散问题及两点射线追踪问题；与声波方程全波场有限差分相比，本发明的方案非常高效和灵活，且仅模拟成像所需的透射波；与单程波相比，本发明的方案没有倾角限制且可以模拟回转波。
以下对根据本发明的示例性实施例进行介绍。
(1)从震源点出发，以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立。
在一个示例性实施例中，以多个出射角度分别进行高斯束模拟包括：按照出射角度进行运动学射线追踪和动力学射线追踪，以模拟高斯束。
在一个示例中，按照出射角度进行运动学射线追踪包括：
以震源点为原点，建立笛卡尔坐标系，采用以下公式计算高斯束中心射线的运动学参量：
其中，x,z为中心射线的追踪坐标；θ为出射角度，即中心射线在原点处的出射方向与z轴正向的夹角；v(s)为中心射线的速度；s表示中心射线的弧长。
在一个示例中，按照出射角度进行动力学射线追踪包括：
以震源点为起点，以高斯束中心射线为中心建立射线中心坐标系，图2示出了射线中心坐标系的示例性示意图，并采用以下公式计算高斯束中心射线的动力学参量：
其中，p(s)和q(s)为沿中心射线变化的动力学参数，p(s)决定高斯射线束传播的宽度，q(s)决定高斯射线束的波前曲率；v(s)为中心射线的速度；va(s)是所述射线中心坐标系下速度场的二阶导数；s表示中心射线的弧长。
在一个示例中，模拟的单个高斯束在空间的波场为：
其中，p(s)和q(s)为沿中心射线变化的动力学参数，p(s)决定高斯射线束传播的宽度，q(s)决定高斯射线束的波前曲率；s表示中心射线的弧长；n是空间中任意一点与中心射线间的距离；ω表示频率；v(s)为中心射线的速度；τ(s)表示中心射线从震源点出发沿中心射线至弧长s处的时间。
图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的频率域单个高斯束的波场示意图。
(2)使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场。
在一个示例性实施例中，通过下式得到空间的频率域高斯束模拟波场：
其中，F(ω)代表子波，和表示积分角度范围。
图4示出了Rick子波的示意图。图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的所有高斯束的波场叠加结果示意图。
(3)将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。
在一个示例性实施例中，通过下式将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域：
在t固定为t0的情况下，u(x,z,t0)可以表示时刻的波场传播快照。
在z固定为z0的情况下，u(x,z0,t)可以表示在深度z0接收到的单炮记录。
图6示出了一个简单模型示意图。图7示出了根据本发明的一个示例性实施例针对图6所示模型得到的波前快照示意图。图8示出了根据本发明的一个示例性实施例针对图6所示模型得到的单炮记录示意图。从图中可以看出，根据本发明得到的模拟波场干净准确。
图9示出了一个复杂模型示意图。图10(1)和图10(2)示出了针对图9所示模型分别采用常规单程波和根据本发明的高斯束模拟得到的波前快照对比示意图。其中，图10(1)为采用常规单程波得到的波前快照示意图；图10(2)为根据本发明得到的波前快照示意图。图11(1)和图11(2)示出了针对图9所示模型分别采用常规单程波和根据本发明的高斯束模拟得到的单炮记录对比示意图。其中，图11(1)为采用常规单程波得到的单炮记录示意图；图11(2)为根据本发明得到的单炮记录示意图。从图中可以看出，根据本发明进行地震波正演时，没有焦散问题及两点射线追踪问题，也没有传播倾角限制。所模拟波场仅包含透射波，能输出波前快照和单炮记录，其实现过程简单高效，模拟波场干净准确，非常适用于地震成像波场分析。
根据本发明的另一方面，还公开了一种基于高斯束波场模拟的地震波正演装置，所述装置包括：高斯束模拟模块，用于从震源点出发、以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立；频率域高斯束模拟波场获取模块，使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场；时频转换模块，用于将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。
所述装置的细节可参见上文针对基于高斯束波场模拟的地震波正演方法的介绍，在此不再一一赘述。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于高斯束波场模拟的地震波正演方法，其特征在于，所述方法包括：
从震源点出发，以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立；
使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场；
将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以多个出射角度分别进行高斯束模拟包括：
按照出射角度进行运动学射线追踪和动力学射线追踪，以模拟高斯束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，按照出射角度进行运动学射线追踪包括：
以震源点为原点，建立笛卡尔坐标系，采用以下公式计算高斯束中心射线的运动学参量：
其中，x,z为中心射线的追踪坐标；θ为出射角度，即中心射线在原点处的出射方向与z轴正向的夹角；v(s)为中心射线的速度；s表示中心射线的弧长。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照出射角度进行动力学射线追踪包括：
以震源点为起点，以高斯束中心射线为中心建立射线中心坐标系，采用以下公式计算高斯束中心射线的动力学参量：
其中，p(s)和q(s)为沿中心射线变化的动力学参数，p(s)决定高斯射线束传播的宽度，q(s)决定高斯射线束的波前曲率；v(s)为中心射线的速度；va(s)是所述射线中心坐标系下速度场的二阶导数；s表示中心射线的弧长。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，模拟的单个高斯束在空间的波场为：
其中，p(s)和q(s)为沿中心射线变化的动力学参数，p(s)决定高斯射线束传播的宽度，q(s)决定高斯射线束的波前曲率；s表示中心射线的弧长；n是空间中任意一点与中心射线间的距离；ω表示频率；v(s)为中心射线的速度；τ(s)表示中心射线从震源点出发沿中心射线至弧长s处的时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过下式得到空间的频率域高斯束模拟波场：
其中，F(ω)代表子波，和表示积分角度范围。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过下式将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
在t固定为t0的情况下，u(x,z,t0)表示t0时刻的波场传播快照。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
在z固定为z0的情况下，u(x,z0,t)表示在深度z0接收到的单炮记录。
10.一种基于高斯束波场模拟的地震波正演装置，其特征在于，所述装置包括：
高斯束模拟模块，用于从震源点出发、以多个出射角度分别进行高斯束模拟，不同出射角度的高斯束彼此独立；
频率域高斯束模拟波场获取模块，使用高斯束积分以对所有高斯束波场进行叠加，并将叠加结果乘以子波函数，得到空间的频率域高斯束模拟波场；
时频转换模块，用于将所述频率域高斯束模拟波场变换到时间域，得到波场传播快照和单炮记录。
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