CN111722273B - 一种模拟退火虚反射压制的方法、海上地震勘探系统 - Google Patents

一种模拟退火虚反射压制的方法、海上地震勘探系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于虚反射压制技术领域，公开了一种模拟退火虚反射压制的方法、海上地震勘探系统，给定R、Δts和Δtr三个参数的初始解组、约束数组，给定一个初始温度T和终止温度Tj以及迭代次数L；采用经过优化后的模拟退火算法，分别给出衰减函数参数α、超快速退火参数C和淬火因子Q的值；每进行一次迭代就会产生一组新解，通过比较新解和旧解得到的地震记录和原始记录误差的L1范数来逐步逼近寻找最优解组；L1范数小的一组解会被保留并参与下一次的迭代而L1范数大的解组会被舍弃，以此寻找最优参数解；通过虚反射压制处理来验证方法有效性。本发明能有效地对虚反射进行压制、准确求解鬼波算子的参数；分段退火的方式能保证温度均匀下降，提高反演效率和精度。

Description

一种模拟退火虚反射压制的方法、海上地震勘探系统
技术领域
本发明属于虚反射压制技术领域，尤其涉及一种模拟退火虚反射压制的方法、海上地震勘探系统。
背景技术
目前，最接近的现有技术：在海上地震勘探过程中，为了减少接收到的海面风浪噪音，提高震源子波的频率，抑制气枪震源的气泡效应的需要，震源和检波器都沉放在海水面以下一定深度。海面是一个强反射界面，震源激发产生的地震波直接传播到海面或海底反射回来的地震波传播到海面时，会被海面反射并被检波器接收，这个被海面反射回来的波就是虚反射。震源激发后地震波向四周传播，由海底反射界面反射到检波点的是一次反射波，称为有效波；而虚反射则是干扰波，它的存在严重干扰地震资料的分辨率，造成资料频带宽度变窄，虚反射可以被分为以下三种：
(1)第一种虚反射是在震源激发后，由于震源沉放到海水面以下一定深度，波先向上传播到海面并被反射，然后被海底反射界面反射到检波器的波称为激发虚反射，也叫震源虚反射。
(2)检波器也放置在海面以下的一定深度。震源激发后，波先向下传播至海底界面并被反射至海面，再被海面反射回检波器的波称为接收虚反射，也称为检波器虚反射。
(3)震源激发以后，波先向上传播被海面反射至海底，被海底界面反射回海面，再被海面反射回检波器的波称为激发-接收虚反射，也叫震源-检波器虚反射。
其中，激发虚反射和接收虚反射由于只被海面反射过一次，所以其极性与一次波极性相反，而激发-接收虚反射经过两次海面反射，其极性与一次波极性相同。
近年来，学者们提出了很多虚反射压制方法。从叠前记录到叠后记录、从频率域到τ-p域，变化多样、算法繁多，但是现有方法都无法做到减少域的变化带来的误差，无法恢复有效信号、压制虚反射，使虚反射同相轴尽可能地减弱甚至是消失。模拟退火是一种全局寻优的反演方法，可以对鬼波算子的参数进行全局寻优，通过不断迭代来减小误差，最终找到最优参数。因此，亟需一种新的将模拟退火应用到虚反射压制中的方法以解决现有技术中存在的上述技术问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有方法都无法做到减少域的变化带来的误差，无法恢复有效信号、压制虚反射，使虚反射同相轴尽可能地减弱甚至是消失。
解决上述技术问题的难度：
(1)模拟退火反演算法的改进：降温过程以及新解产生方式的优化。
(2)利用模拟退火算法计算地震记录中虚反射的鬼波算子。
解决上述技术问题的意义：
已知在频率域中，含有虚反射的地震记录是一次反射波与鬼波算子的乘积。利用模拟退火非线性反演算法与以上结论结合，可以得到精确度很高的鬼波算子，使用该鬼波算子对虚反射进行压制达到提高信噪比的目的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟退火虚反射压制的方法，利用模拟退火算法对鬼波算子参数进行最优化计算，当震源和检波器均在海面以下时，鬼波算子有三个参数：R、Δts和Δtr，这三个参数就是需要反演求解对的参数。
本发明是这样实现的，一种模拟退火虚反射压制的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一，给定R、Δts和Δtr三个参数的初始值即初始解组、这三个参数的约束范围即约束数组，给定一个初始温度T和终止温度Tj以及迭代次数L(即链长)。
步骤二，采用经过优化后的模拟退火算法：整个退火过程分为衰减、超快速退火以及淬火过程，分别给出衰减函数参数α、超快速退火参数C和淬火因子Q的值。
步骤三，每进行一次迭代就会产生一组新解，通过比较新解和旧解得到的地震记录和原始记录误差的L1范数来逐步逼近寻找最优解组。
步骤四，L1范数小的一组解会被保留并参与下一次的迭代而L1范数大的解组会被舍弃，以这种方式寻找到约束范围内的最优参数解。
步骤五，反演出最优的参数解组，得到鬼波算子；通过对涌浪背景起伏海面条件下的单层模型和多层模型进行虚反射压制处理，验证方法有效性。
进一步，在反演过程中使用分段退火的方式，高温时采用线性降温公式，确保温度缓慢降低，如式(1-2)，式中的α是温度衰减参数，这里取0.9。
Tk+1＝αTk，k＝0，1，2… (1-2)
经过第一次降温后，温度降低了许多，这时使用超快速退火，如式(1-3)
Figure GDA0003279971970000031
K是迭代次数；C是自定常数，此处取3；N是参与反演的变量数量。
经过第二次降温后，温度更低了，这时采用快速淬火，如式(1-4)
Figure GDA0003279971970000032
式中，Q是淬火因子，用于控制温度曲线，这里取Q＝1.3。
反演过程中，新解的产生方式如式(1-5)：
Figure GDA0003279971970000033
式中，mi是第i个变量，u是0和1之间的随机数，Ai和Bi分别是变量mi的取值下限和上限。
反演过程中，通过式(1-5)不断产生新解，以L1范数作为目标函数，对解进行约束和筛选。
进一步，步骤五中，所述虚反射压制处理具体包括以下步骤：
1)对单层模型的模拟数据进行方法的验证，分别对水平缆接收和斜缆接收的资料进行虚反射压制处理；并取前100道地震记录，进行虚反射压制处理结果的前后对比。
2)对起伏海面条件下水平缆和斜缆的多层模型正演得到的前100道原始地震记录进行虚反射压制处理，并对虚反射压制处理前后的结果进行对比。
模拟退火反演算法的基本原理是：将每个待反演的参数看作是被熔化物体的每个分子，并且将目标函数视为熔化物体的能量函数，通过缓慢减小温度控制参数实现降温冷却和迭代。该温度控制参数会随着迭代而发生变化，从而使目标函数能够最终达到全局极值，因此，该反演方法能够较准确求解鬼波算子的参数。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明对模拟退火参数反演虚反射压制算法的原理进行了详细的阐述，并用涌浪背景起伏海面条件下的水平拖缆以及斜缆资料进行模拟和处理。从模拟资料的分析上看，该方法对于虚反射压制有较好的效果，虚反射同相轴能量有明显的减弱，陷波点能量得到了恢复和补偿，进而验证了该方法对虚反射压制的有效性。
本发明充分分析虚反射压制模型试算结果：
(1)模拟退火参数反演的方法通过对鬼波算子参数进行非线性反演，可以自动寻找最优的参数，该方法可以有效地对虚反射进行压制，在地震记录上能够明显看到虚反射同相轴能量的减弱，陷波点也得到了补偿，拓宽了频带。该方法同样不局限于海面情况，对于水平海面和起伏海面都适用；同时也不局限于水平缆的采集方式，对于变深缆采集方式也能起到较好的效果。
(2)模拟退火参数反演的效果好坏取决于迭代次数、参数的约束范围以及初始解组的设置，每次迭代产生一组随机的新解，通过对比新旧两组解的效果(L1范数)来逐步逼近最优解。在反演过程中使用分段退火的方式，该方式能够保证温度均匀下降，提高反演效率和精度。
本发明提供的模拟退火反演算法，将每个待反演的参数看作是被熔化物体的每个分子，并且将目标函数视为熔化物体的能量函数，通过缓慢减小温度控制参数实现降温冷却和迭代，该温度控制参数会随着迭代而发生变化，从而使目标函数能够最终达到全局极值。因此，本发明提供的反演方法能够较准确求解鬼波算子的参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的模拟退火虚反射压制的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面水平缆单层模型虚反射压制处理前后地震记录对比示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的结果；(b)是虚反射压制后的结果。
图3是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面水平缆单层模型虚反射压制前后地震记录的f-k谱示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的f-k谱；(b)是虚反射压制后的f-k谱。
图4是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面斜缆单层模型虚反射压制处理前后地震记录示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的结果；(b)是虚反射压制后的结果。
图5是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面斜缆单层模型虚反射压制前后地震记录的f-k谱示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的f-k谱；(b)是虚反射压制后的f-k谱。
图6是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面水平缆多层模型虚反射压制处理前后地震记录对比示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的结果；(b)是虚反射压制后的结果。
图7是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面水平缆多层模型虚反射压制前后地震记录的f-k谱示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的f-k谱；(b)是虚反射压制后的f-k谱。
图8是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面斜缆多层模型虚反射压制处理前后地震记录示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的结果；(b)是虚反射压制后的结果。
图9是本发明实施例提供的涌浪背景起伏海面斜缆多层模型虚反射压制前后地震记录的f-k谱示意图；
图中：(a)是虚反射压制前的f-k谱；(b)是虚反射压制后的f-k谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟退火虚反射压制的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的模拟退火虚反射压制的方法包括以下步骤：
S101：给定R、Δts和Δtr三个参数的初始值即初始解组、这三个参数的约束范围即约束数组，给定一个初始温度T和终止温度Tj以及迭代次数L(即链长)。
S102：采用经过优化后的模拟退火算法：整个退火过程分为衰减、超快速退火以及淬火过程，分别给出衰减函数参数α、超快速退火参数C和淬火因子Q的值。
S103：每进行一次迭代就会产生一组新解，通过比较新解和旧解得到的地震记录和原始记录误差的L1范数来逐步逼近寻找最优解组。
S104：L1范数小的一组解会被保留并参与下一次的迭代而L1范数大的解组会被舍弃，以这种方式寻找到约束范围内的最优参数解。
S105：反演出最优的参数解组，得到鬼波算子；通过对涌浪背景起伏海面条件下的单层模型和多层模型进行虚反射压制处理，验证方法有效性。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
1、模拟退火参数反演原理
非线性反演方法不依赖初始模型选取的好坏，可以逐渐寻找到全局极值而不会陷入局部极值。因此，本发明选用模拟退火算法进行鬼波算子参数的最优化计算。
模拟退火反演算法的基本原理是：将每个待反演的参数看作是被熔化物体的每个分子，并且将目标函数视为熔化物体的能量函数，通过缓慢减小温度控制参数实现降温冷却和迭代。该温度控制参数会随着迭代而发生变化，从而使目标函数能够最终达到全局极值，因此，可以认为该反演方法能够较准确求解鬼波算子的参数。
为了更精确的求出鬼波算子的参数，将模拟退火反演方法运用到鬼波算子的计算中，在给定范围内使用模拟退火法反演鬼波算子的参数，寻找参数范围内的全局最优解得到较准确的鬼波算子，根据式(1-1)可以对虚反射进行压制。
Figure GDA0003279971970000071
当震源和检波器均在海面以下时，鬼波算子有三个参数：R、Δts和Δtr，这三个参数就是需要反演求解对的参数。
给定这三个参数的初始值即初始解组、这三个参数的约束范围即约束数组，给定一个初始温度T和终止温度Tj以及迭代次数L(即链长)。采用经过优化后的模拟退火算法：整个退火过程分为衰减、超快速退火以及淬火过程，分别给出衰减函数参数α、超快速退火参数C和淬火因子Q的值。每进行一次迭代就会产生一组新解，通过比较新解和旧解得到的地震记录和原始记录误差的L1范数来逐步逼近寻找最优解组，L1范数小的一组解会被保留并参与下一次的迭代而L1范数大的解组会被舍弃，以这种方式寻找到约束范围内的最优参数解。反演出来最优的参数解组，能够得到鬼波算子，进而能够进行虚反射压制。
在反演过程中使用分段退火的方式，该方式能够保证温度均匀下降，提高反演效率和精度：
高温时采用线性降温公式，确保温度缓慢降低，如式(1-2)，式中的α是温度衰减参数，这里取0.9。
Tk+1＝αTk，k＝0，1，2… (1-2)
经过第一次降温后，温度降低了许多，这时使用超快速退火，如式(1-3)
Figure GDA0003279971970000081
K是迭代次数；C是自定常数，此处取3；N是参与反演的变量数量。
经过第二次降温后，温度更低了，这时采用快速淬火，如式(1-4)
Figure GDA0003279971970000082
式中，Q是淬火因子，用于控制温度曲线，这里取Q＝1.3。
反演过程中，新解的产生方式如式(1-5)：
Figure GDA0003279971970000083
式中，mi是第i个变量，u是0和1之间的随机数，Ai和Bi分别是变量mi的取值下限和上限。
反演过程中，通过式(1-5)不断产生新解，以L1范数作为目标函数，对解进行约束和筛选。
下面仅使用涌浪背景起伏海面条件下的单层模型和多层模型对该方法进行验证。
1.2单层模型模拟资料处理
用单层模型的模拟数据进行方法的验证，分别对水平缆接收和斜缆接收的资料进行虚反射压制处理。
首先，对起伏海面水平缆单层模型进行虚反射压制处理，取前100道地震记录，虚反射压制前后对比如图2所示。
图2(a)是1至100道虚反射压制之前的原始地震记录，图2(b)是该记录进行虚反射压制后的结果。从图2可以清楚地看出，虚反射同相轴能量有显著的减弱，并且一次反射波同相轴能量得到增强。图3(a)和3(b)分别是虚反射压制前后的f-k频谱，从图3(a)可以明显看到陷波效应带来的能量损失，在虚反射压制后的f-k频谱中可以看到该区域能量有所恢复，证实了该方法对虚反射压制的有效性。
对涌浪背景起伏海面条件下的单层模型斜缆原始地震记录进行模拟退火参数反演虚反射压制，虚反射压制前后的对比如图4和图5所示。
从图4中可以看出，虚反射同相轴能量有明显减弱，一次反射波同相轴能量有所增强。从图5所示的虚反射压制前后的f-k谱上看，可以明显看出虚反射压制后的频谱填补了虚反射压制前频谱中存在的能量缺失，补偿了陷波效应带来的损失。说明模拟退火参数反演虚反射压制方法对于涌浪背景起伏海面条件下的数据也有较好的压制效果。
1.3多层模型模拟资料处理
使用了单层模型(一个界面)对模拟退火参数反演虚反射压制方法进行处理试算，接下来使用多层模型(有多个界面)对该方法进行验证和计算。分别使用起伏海面条件下水平缆和斜缆的多层模型，水平缆的起伏海面多层模型正演得到的原始地震记录以及虚反射压制后的地震记录如图6(a)和图6(b)所示。
图6(a)是前100道有效反射部分虚反射压制前的原始地震记录，图6(b)是该部分记录虚反射压制后的结果。从中可以明显看出：虚反射同相轴的能量有明显的减弱甚至消失，同时一次反射能量显著增强。图7显示了虚反射压制前后的f-k频谱比较。可以看出：虚反射压制后恢复了陷波效应带来的能量损失。说明用模拟退火算法反演鬼波算子参数的方法对于虚反射的压制是有较好的效果的。
反射波部分虚反射压制前后的地震记录对比如图8所示，虚反射压制前后的f-k频谱对比如图9所示。
从图8可以看出，两个反射界面一次波同相轴能量增强，紧随其后的虚反射同相轴能量有明显减弱。特别是第二个界面的虚反射同相轴几乎是无法看到的。图9所示的是虚反射压制前后的f-k谱对比，从中可以看出，虚反射压制后的频谱得到了恢复，能量有所增强，该处能量损失是由于陷波效应引起的，虚反射压制后对陷波点能量有所补偿，该区域能量的到了一定的恢复。进一步验证了模拟退火参数反演对虚反射压制有着较好的效果。
本发明对模拟退火参数反演虚反射压制算法的原理进行了详细的阐述，并用涌浪背景起伏海面条件下的水平拖缆以及斜缆资料进行模拟和处理。从模拟资料的分析上看，该方法对于虚反射压制有较好的效果，虚反射同相轴能量有明显的减弱，陷波点能量得到了恢复和补偿，进而验证了该方法对虚反射压制的有效性。
充分分析虚反射压制模型试算结果：
(1)模拟退火参数反演的方法通过对鬼波算子参数进行非线性反演，可以自动寻找最优的参数，该方法可以有效地对虚反射进行压制，在地震记录上能够明显看到虚反射同相轴能量的减弱，陷波点也得到了补偿，拓宽了频带。该方法同样不局限于海面情况，对于水平海面和起伏海面都适用；同时也不局限于水平缆的采集方式，对于变深缆采集方式也能起到较好的效果。
(2)模拟退火参数反演的效果好坏取决于迭代次数、参数的约束范围以及初始解组的设置，每次迭代产生一组随机的新解，通过对比新旧两组解的效果(L1范数)逐步逼近最优解。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟退火虚反射压制的方法，其特征在于，所述模拟退火虚反射压制的方法包括以下步骤：
步骤一，给定R、Δts和Δtr三个参数的初始值即初始解组，三个参数的约束范围即约束数组，给定一个初始温度T和终止温度Tj以及迭代次数L，L为链长；
步骤二，采用优化后的模拟退火算法：整个退火过程分为衰减、超快速退火以及淬火过程，分别给出衰减函数参数α、超快速退火参数C和淬火因子Q的值；
步骤三，每进行一次迭代产生一组新解，通过比较新解和旧解得到的地震记录和原始记录误差的L1范数逐步逼近寻找最优解组；
步骤四，L1范数小的一组解被保留并参与下一次的迭代而L1范数大的解组会被舍弃，寻找到约束范围内的最优参数解；
步骤五，反演出最优的参数解组，得到鬼波算子；通过对涌浪背景起伏海面条件下的单层模型和多层模型进行虚反射压制处理，验证方法有效性。
2.如权利要求1所述的模拟退火虚反射压制的方法，其特征在于，在反演过程中使用分段退火的方式，高温时采用线性降温公式，式中的α是温度衰减参数，取0.9；
Tk+1＝αTk，k＝0,1,2…；
经过第一次降温后，使用超快速退火，如下式：
Figure FDA0003279971960000011
式中，K是迭代次数；C是自定常数，取3；N是参与反演的变量数量；
经过第二次降温后，采用快速淬火，如下式：
Figure FDA0003279971960000012
式中，Q是淬火因子，用于控制温度曲线，取Q＝1.3；
反演过程中，新解的产生方式如下式：
Figure FDA0003279971960000021
式中，mi是第i个变量，u是0和1之间的随机数，Ai和Bi分别是变量mi的取值下限和上限；
反演过程中，通过式
Figure FDA0003279971960000022
不断产生新解，以L1范数作为目标函数，对解进行约束和筛选。
3.如权利要求1所述的模拟退火虚反射压制的方法，其特征在于，步骤五中虚反射压制处理具体包括以下步骤：
1)对单层模型的模拟数据进行方法的验证，分别对水平缆接收和斜缆接收的资料进行虚反射压制处理；并取前100道地震记录，进行虚反射压制处理结果的前后对比；
2)对起伏海面条件下水平缆和斜缆的多层模型正演得到的前100道原始地震记录进行虚反射压制处理，并对虚反射压制处理前后的结果进行对比。
4.如权利要求1所述的模拟退火虚反射压制的方法，其特征在于，所述模拟退火反演算法是将每个待反演的参数看作是被熔化物体的每个分子，并且将目标函数视为熔化物体的能量函数，通过缓慢减小温度控制参数实现降温冷却和迭代；该温度控制参数会随着迭代而发生变化，使目标函数能够最终达到全局极值。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述模拟退火虚反射压制的方法的海上地震勘探系统。
6.一种如权利要求1～4任意一项所述模拟退火虚反射压制的方法在海上地震勘探中的应用。
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