CN114002742B - 一种欧拉高斯束偏移成像方法及装置 - Google Patents

一种欧拉高斯束偏移成像方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种欧拉高斯束偏移成像方法及装置，该方法包括：获取炮集记录并进行成像处理；针对常规高斯束傍轴射线参数的来源为沿着射线的动力学射线追踪过程，初始动力学参数的选取缺乏理论指导，实际处理时只能通过反复试验来确定，必然会增加数倍的运算量的技术问题，本发明基于欧拉高斯束，其傍轴参数主要根据目标点周边的射线求解，欧拉高斯束的传播对射线初始参数的选取并不敏感；此外，欧拉高斯束依赖正向传播的下传射线与反向传播的正传射线交互求解，与仅利用正传射线的常规高斯束方法相比，其保证了用于模拟波场的射线密度始终处在较高的水平。

Description

一种欧拉高斯束偏移成像方法及装置
技术领域
本发明涉及地震资料数据处理技术，具体涉及一种欧拉高斯束偏移成像方法及装置。
背景技术
地震勘探中获得的原始资料难以用于地震地质解释，需要利用偏移成像技术将原始资料中的地震子波重新归位，形成如图1所示的地震地质剖面，地质解释人员根据剖面相关特征，对地下地质构造进行分析。
如图2所示高斯束方法于二十世纪八十年代从电磁学领域引入地球物理行业，用于研究地震波在地下介质中的传播特性。Hill将高斯束方法应用于叠后与叠前深度偏移，其综合应用高斯束运动学射线追踪(即求取中心射线的旅行时和路径)与复值动力学射线追踪(即求取高斯束能量以及形态)的信息，将经倾角叠加后的局部平面地震信息映射到成像点处。高斯束中的复值动力学参数保证了高斯束在焦散区处处正则，并且在射线通过焦散区之后，能够让高斯束获得相应的相位校正；利用能量分布有一定宽度的高斯束，又可以在一定程度上避免基于两点射线追踪的常规克希霍夫偏移走时单一与射线丢失问题。因此，自高斯束偏移方法提出伊始，业界便将高斯束偏移作为常规偏移方法的重要补充而给予了广泛关注。目前诸多学者已经尝试将高斯束深度偏移方法应用于实际资料的处理中，并获得了良好效果。
目前高斯束法存在的主要共性缺陷可概括为：1)高斯束初始宽度的选取缺乏理论指导，实际处理时只能通过反复试验来确定，这必然会增加数倍的运算量；2)射线追踪密度的选取及其均匀程度往往会影响到偏移成像的质量，尽管从理论上来讲成像质量应随着射线密度及均匀性的提高而改善，但由于实际复杂模型中多值及影区(绕射区域)等问题的存在，即使采用高密度的射线追踪也不一定保证射线分布的均匀性，且高密度的射线追踪必然将显著增加运算量。
发明内容
为了解决上述背景技术所存在的至少一技术问题，本发明提供一种欧拉高斯束偏移成像方法及装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种欧拉高斯束偏移成像方法，用于叠前地震深度偏移成像，包括：
获取炮集记录；
基于欧拉高斯束来对待成像的炮集记录进行偏移处理，得到地震偏移剖面。
进一步地，所述基于欧拉高斯束来对待成像的炮集记录进行偏移处理，得到地震偏移剖面包括如下步骤：
(1)根据输入的倾角叠加窗间隔参数，结合成像范围参数确定倾角叠加窗数量以及各窗中心位置；
(2)声明一个三维int型数组，第一维度为倾角叠加窗数量，第二与第三维度与每个倾角叠加窗对应的成像点横纵维度相同，该数组用于存储每个成像点有效的高斯束数量；
(3)声明一个4维int型数组，其前三维与第(2)步声明的数组维度相同，第四维用于存储有效成像的高斯束中心射线线号；
(4)声明两个4维float型数组，其维度与第(3)步声明的int型数组相同，用于存储相应的中心射线的虚实旅行时；
(5)设置每个倾角叠加窗中心进行射线追踪范围；
(6)根据该范围确定每个窗中心所对应的成像点号，
(7)根据倾角叠加窗中心所对应的成像点号确定成像点的横纵维度并申请步骤(2)、(3)、(4)所声明的相关内存
(8)针对每个倾角叠加窗中心基于发传射线来进行射线追踪与动力学射线追踪；
(9)确定成像点与射线节点的对应关系，将对成像点有贡献的高斯束数量存储于第(2)步所声明的指针对应的内存中，并将与之对应的高斯束中心射线号存储于第(3)步声明的指针对应的内存中；
(10)计算成像点相对于中心射线的虚实旅行时，将其存储于第(4)步声明的指针所对应的内存中；
(11)从炮点进行射线追踪步骤；
(12)针对每一炮，确定该炮范围内的高斯窗中心数量与坐标位置；
(13)对该炮范围内的高斯窗中心进行倾角叠加；
(14)由于现存两套局部成像范围，炮域成像范围和高斯窗中心成像范围，首先需要选取其个成像范围的交集；
(15)针对每个成像点，直接根据求取的总实值旅行时以及接收器所对应的倾高斯束号，将倾角叠加道对应位置的能量叠加在成像点中；
(16)释放震源射线与成像参数，并进入下一炮的成像流程。
第二方面，本发明提供一种欧拉高斯束偏移成像装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
针对现有高斯束初始宽度的选取缺乏理论指导，实际处理时只能通过反复试验来确定，这必然会增加数倍的运算量的技术问题，本申请基于欧拉高斯束，常规高斯束傍轴射线参数的来源为沿着射线的动力学射线追踪过程，而欧拉高斯束的傍轴参数主要根据目标点周边的射线求解，欧拉高斯束的传播对射线初始参数的选取并不敏感；此外，欧拉高斯束依赖正向传播的下传射线与反向传播的正传射线交互求解，这样保证了用于模拟波长的射线密度始终处在较高的水平，而避免了单向射线追踪所带来的射线密度随着传播过程逐渐降低的问题。
附图说明
图1为一个典型的地震偏移剖面；
图2为高斯束展布规律及其渐近线图；
图3为一组震源射线与检波点射线偏移成像区域示意图；
图4为常规高斯束多射线偏移方法示意图；
图5为欧拉高斯束多射线偏移过程示意图；
图6为本发明实施例1提供的欧拉高斯束偏移成像方法流程图；
图7为原始地震记录图；
图8为经处理之后待偏移成像的地震记录图；
图9为本发明实施例2提供的欧拉高斯束偏移成像装置组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1：
常规高斯束在成像过程中最核心的工具就是高斯束基本函数,笛卡尔坐标系内的高斯束有如下形式
uGB＝AGBexp(iωTGB) (0.1)
其中，为虚数单位，ω表示角频率，AGB为高斯束振幅将在下述详细给予推导，而TGB为旅行时有
在二阶傍轴旅行时的计算过程中，使用的是全局笛卡尔坐标系中的Hessian矩阵参数M(x)，与常规高斯束方法相同M(x)依然可以使用动力学射线参数P(x)与Q(x)求取
M(x)＝P(x)Q(x)-1 (0.3)
P(x)与Q(x)为笛卡尔坐标系中高斯束的动力学参数，满足
而P(x)与Q(x)的计算满足以下全局笛卡尔坐标系中的动力学射线追踪方程组
其中为初始Hessian矩阵，在地震勘探中一般选取/>而μ表示射线参数，/> 和/>可由以下公式求得：
将程函方程的Hamilton形式代入0.5可得笛卡尔坐标系下的动力学射线追踪方程组
式(0.6)是一个典型的常微分方程组，需要在给定了初始值以后对其进行求解。然而在理论上，尚未有对其初值选取的理论研究。其选择往往依赖成像过程中的试验，而地震偏移成像的运算量极大，针对动力学参数的试算势必引起不必要的资源消耗。
与此同时，从以上的理论推导可以看出，高斯束方法在实际操作过程中，一般由震源点与成像点按照相等的角度(或慢度)间隔将射线射出，并在模型中完成射线追踪。若初始射线密度不足，势必会造成模型中远离震源的区域射线密度过低从而成像失败，若初始射线密度过高，又会极大提高运算量，因此除非进行耗时的参数测试，否则很难恰到好处把握初始射线的密度。
如图3所示，高斯束GS从震源S出发，粉色区域表示震源高斯束的影响范围；射线GR从检波点R出发，蓝色区域表示其高斯束范围。粉色区域与蓝色区域相交的部分用绿色表示。绿色区域即为一组震源与检波点射线对相交形成的成像区域。
而在高斯束波长求取的过程中，常规高斯束的解决方案为如图4所示的单向传播模式，如上所述，这种单向传播模式有两个固有问题：即高斯束精度严重依赖初始参数和高斯束中心射线间距随着与震源距离的变远而逐渐增大。
而在如图5所示的欧拉高斯束多射线偏移过程示意图中，欧拉高斯束相关参数的计算依赖于反传射线，而在偏移成像的过程中，又可以充分利用反传射线信息以提高成像精度，因此欧拉高斯束成像可以有效解决以上高斯束成像问题。
为此，本实施例提供了一种欧拉高斯束偏移成像方法，用于叠前地震深度偏移成像，如图6所示，包括如下步骤：
S101、获取炮集记录；
在实际地震资料处理过程中，野外采集到的炮集记录(通常由几百上千炮组成)，如图7所示为一个典型的原始炮几记录
S102、基于欧拉高斯束来对待成像的炮集记录进行偏移处理，具体如图8所示，最终得到地震偏移剖面。
如此，针对现有高斯束初始宽度的选取缺乏理论指导，实际处理时只能通过反复试验来确定，这必然会增加数倍的运算量的技术问题，本申请基于欧拉高斯束，常规高斯束傍轴射线参数的来源为沿着射线的动力学射线追踪过程，而欧拉高斯束的傍轴参数主要根据目标点周边的射线求解，欧拉高斯束的传播对射线初始参数的选取并不敏感；此外，欧拉高斯束依赖正向传播的下传射线与反向传播的正传射线交互求解，这样保证了用于模拟波长的射线密度始终处在较高的水平，而避免了单向射线追踪所带来的射线密度随着传播过程逐渐降低的问题。
在一具体实施例中，上述步骤S102包括：
(1)根据输入的倾角叠加窗间隔参数，结合成像范围参数确定倾角叠加窗数量以及各窗中心位置；
(2)声明一个三维int型数组，第一维度为倾角叠加窗数量，第二与第三维度与每个倾角叠加窗对应的成像点横纵维度相同，该数组用于存储每个成像点有效的高斯束数量；
(3)声明一个4维int型数组，其前三维与第(2)步声明的数组维度相同，第四维用于存储有效成像的高斯束中心射线线号；
(4)声明两个4维float型数组，其维度与第(3)步声明的int型数组相同，用于存储相应的中心射线的虚实旅行时；
(5)设置每个倾角叠加窗中心进行射线追踪范围；
(6)根据该范围确定每个窗中心所对应的成像点号，
(7)根据倾角叠加窗中心所对应的成像点号确定成像点的横纵维度并申请步骤(2)、(3)、(4)所声明的相关内存；
(8)针对每个倾角叠加窗中心基于发传射线来进行射线追踪与动力学射线追踪；即利用反传射线在有效提高射线密度的同时，充分利用反传射线提供的信息完成欧拉高斯束的动力学射线追踪；
(9)确定成像点与射线节点的对应关系，将对成像点有贡献的高斯束数量存储于第(2)步所声明的指针对应的内存中，并将与之对应的高斯束中心射线号存储于第(3)步声明的指针对应的内存中；
(10)计算成像点相对于中心射线的虚实旅行时，将其存储于第(4)步声明的指针所对应的内存中；
(11)从炮点进行射线追踪步骤；
(12)针对每一炮，确定该炮范围内的高斯窗中心数量与坐标位置；
(13)对该炮范围内的高斯窗中心进行倾角叠加；
(14)由于现存两套局部成像范围，炮域成像范围和高斯窗中心成像范围，首先需要选取其个成像范围的交集；
(15)针对每个成像点，直接根据求取的总实值旅行时以及接收器所对应的倾高斯束号，将倾角叠加道对应位置的能量叠加在成像点中；
(16)释放震源射线与成像参数，并进入下一炮的成像流程。
如此，通过上述步骤可以有效地提高成像精度。
具体地，欧拉高斯束其与笛卡尔坐标系中的高斯束具有相似的形式
uEGB＝AEGBexp(iωTEGB) (0.7)
AEGB为高斯束振幅，TEGB为旅行时，AEGB与TEGB满足
其中ME为欧拉高斯束的时间场Hessian矩阵。为了求取该矩阵首先需应用水平集方法求解Hamilton方程，Shi等最先将水平集方法应用于Hamilton-Jacobi方程的求解中，针对静态Hamilton-Jacobi方程
H(x1,x2,L,xd,p1,p2,L,pd)＝0 (0.9)
引入一系列水平集函数
令满足当
p＝p(t,x) (0.11)
时
对x求梯度
程函方程的Hamilton函数对x求梯度:
因为
将方程(0.15)左右两边乘以水平集函数的空间梯度最终化简可得
方程(0.16)可记作该式与静态Hamilton系统下刘维尔定理数学表达式相同。在分析力学中，刘维尔定理的物理意义为在相空间中的能量密度在沿着系统的特征轨迹运动时，其值不变。与分析力学中刘维尔定理的物理意义相似，方程(0.16)的物理意义为，水平集函数/>在沿着特征线运动时，值不变。
更进一步的，考虑到相流应该满足连续性方程，则方程(0.16)可化为
与常规高斯束方法相比较，欧拉高斯束不但需要进行射线追踪与动力学射线追踪，还需要针对空间中任意一点进行水平集值的运算。为了解决这个问题Shi等于2008年提出针对薛定谔方程的水平集值求取高斯束时间场Hessian矩阵的方法，避免了欧拉高斯束方法中动力学射线追踪过程。本申请借鉴其思路，创新性得推导了能用于偏移成像的声波方程的Hessian矩阵求解公式，首先，对方程(0.16)分别针对x与p求梯度，有：
为了运算简便，令水平集函数为x与p的一阶线性函数，则可将方程(0.18)化简为：
将式(0.19)展开成每个方向分量的形式，并与常规高斯束的动力学射线参数与对比，则可令
根据常规高斯束方法Hessian矩阵的计算公式有
考虑到动力学矩阵P与Q的初值为：
因此可以考虑水平集函数的初值为
本申请沿用Gray&Bleistein于2009年给出的保幅叠前深度偏移初始参数：
实施例2：
参阅图9所示，本实施例提供的欧拉高斯束偏移成像装置包括处理器901、存储器902以及存储在该存储器902中并可在所述处理器901上运行的计算机程序903，例如欧拉高斯束偏移成像程序。该处理器901执行所述计算机程序903时实现上述实施例1步骤。
示例性的，所述计算机程序903可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器902中，并由所述处理器901执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序903在所述欧拉高斯束偏移成像装置中的执行过程。
所述欧拉高斯束偏移成像装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述欧拉高斯束偏移成像装置可包括，但不仅限于，处理器901、存储器902。本领域技术人员可以理解，图9仅仅是欧拉高斯束偏移成像装置的示例，并不构成欧拉高斯束偏移成像装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述欧拉高斯束偏移成像装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器901可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器902可以是所述欧拉高斯束偏移成像装置的内部存储元，例如欧拉高斯束偏移成像装置的硬盘或内存。所述存储器902也可以是所述欧拉高斯束偏移成像装置的外部存储设备，例如所述欧拉高斯束偏移成像装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器902还可以既包括所述欧拉高斯束偏移成像装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器902用于存储所述计算机程序以及所述欧拉高斯束偏移成像装置所需的其他程序和数据。所述存储器902还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
实施例3：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
所示计算机可读介质可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理再以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种欧拉高斯束偏移成像方法，用于叠前地震深度偏移成像，其特征在于，包括：
获取炮集记录；
基于欧拉高斯束来对待成像的炮集记录进行偏移处理，得到地震偏移剖面；
所述基于欧拉高斯束来对待成像的炮集记录进行偏移处理，得到地震偏移剖面包括如下步骤：
(1)根据输入的倾角叠加窗间隔参数，结合成像范围参数确定倾角叠加窗数量以及各窗中心位置；
(2)声明一个三维int型数组，第一维度为倾角叠加窗数量，第二与第三维度与每个倾角叠加窗对应的成像点横纵维度相同，该数组用于存储每个成像点有效的高斯束数量；
(3)声明一个四维int型数组，其前三维与第(2)步声明的数组维度相同，第四维用于存储有效成像的高斯束中心射线线号；
(4)声明两个四维float型数组，其维度与第(3)步声明的int型数组相同，用于存储相应的中心射线的虚实旅行时；
(5)设置每个倾角叠加窗中心进行射线追踪范围；
(6)根据该范围确定每个窗中心所对应的成像点号；
(7)根据倾角叠加窗中心所对应的成像点号确定成像点的横纵维度并申请步骤(2)、(3)、(4)所声明的相关内存；
(8)针对每个倾角叠加窗中心基于发传射线来进行射线追踪与动力学射线追踪；
(9)确定成像点与射线节点的对应关系，将对成像点有贡献的高斯束数量存储于第(2)步所声明的指针对应的内存中，并将与之对应的高斯束中心射线号存储于第(3)步声明的指针对应的内存中；
(10)计算成像点相对于中心射线的虚实旅行时，将其存储于第(4)步声明的指针所对应的内存中；
(11)从炮点进行射线追踪步骤；
(12)针对每一炮，确定该炮范围内的高斯窗中心数量与坐标位置；
(13)对该炮范围内的高斯窗中心进行倾角叠加；
(14)由于现存两套局部成像范围，炮域成像范围和高斯窗中心成像范围，首先需要选取两个成像范围的交集；
(15)针对每个成像点，直接根据求取的总实值旅行时以及接收器所对应的倾高斯束号，将倾角叠加道对应位置的能量叠加在成像点中；
(16)释放震源射线与成像参数，并进入下一炮的成像流程。
2.一种欧拉高斯束偏移成像装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。
3.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
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