[发明专利]不依赖震源子波的时间域单频波形走时反演方法

摘要

本发明涉及一种不依赖震源子波的时间域单频波形走时反演方法，针对地震数据缺失低频成分导致全波形反演周波跳跃现象：本发明提出时间域单频波形来进行波动方程走时反演，来为常规全波形反演构建一个高精度的初始速度模型，进而解决周波跳跃问题，最终得到高精度的全波形反演反演结果。本发明是为了降低全波形反演对低频成分的依赖性，同时避免震源子波的不准确导致的波形不匹配问题，并为全波形反演在实际应用提供更多的技术支持。该方法极大程度的缓解了全波形反演过程中的周波跳跃现象，改善了反演精度，并为常规全波形反演提供一个高精度初始速度模型。在解决全波形反演周波跳跃的同时，还能够避免震源子波不准确带来的影响。

主权项

1.一种不依赖震源子波的时间域单频波形走时反演方法，其特征在于，包括以下步骤：a、安装MATLAB2013a正版软件，并安装基于MATLAB语言编写的地震数据处理软件Crews工具包；b、对实际采集的地震数据进行预处理，并将观测数据和观测系统输入计算机准备进行不依赖震源子波的时间域单频波形走时反演；c、对观测数据进行傅里叶变换，在频率域挑选21个频率数据进行反演，从15Hz到25Hz，先利用低频的数据，再逐渐增加频率以实现多尺度的反演策略；d、建立线性递增初始速度模型，该速度模型作为反演的起始值，通过计算模型的更新方向，并加到初始速度模型上，来实现由线性初始速度模型逐渐向真实模型逼近的过程；e、利用输入的观测系统、震源子波和线性初始速度模型进行波动方程正演模拟，得到模拟数据，并提取模拟数据震源附近直达波波形，用于震源波形相位校正，消除震源子波对全波形反演的影响；f、将提取的观测数据直达波波形和模拟数据直达波波形进行傅里叶变换，并挑选对应的21个频率数据，求取这两个数据对应频率的相位差，并将求得的相位差用于单频观测数据的相位校正中；g、对相位校正以后的单频观测数据进行傅里叶逆变换，得到时间域的单频观测数据；h、对模拟数据和单频震源子波进行傅里叶变换，并提取对应21个频率数据，再对单频模拟数据和震源子波进行傅里叶逆变换，得到单频的时间域模拟数据和单频时间域震源子波；i、利用单频时间域震源子波和速度模型进行波动方程有限差分正演模拟，得到单频的正传波场，并对正传波场进行存储，用于后续的梯度计算；j、利用互相关方法计算单频观测数据和单频模拟数据的走时差；k、根据最小二乘原理构造走时差目标函数：其中Δτ表示单频观测数据与单频模拟数据存在的走时差，v表示速度值，s表示震源数目，r表示检波器数目，x_s表示震源位置，x_r表示检波器位置，在求目标函数的梯度过程中，对目标函数两端关于速度v求导，得到梯度表达式：则伪伴随震源的表达式可以表示为：其中u(f₀,t,x_s)_cal表示单频正传波场，u(f₀,x_r,t,x_s)_cal表示单频模拟数据，f₀表示反演频率，表示单频模拟数据对时间的一阶导数，d(f₀,x_r,t+Δτ,x_s)_obs表示单频观测数据，表示单频观测数据对时间的一阶导数，(L^‑1)^T表示对反传算子的转置；l、计算伪伴随震源，并利用反传算子将伪伴随震源反传到模型空间，得到反传波场；m、正传波场与反传残差波场做互相关得到模型更新梯度；n、利用L‑BFGS优化算法计算模型更新方向，并通过Wolfe收敛准则寻找最合适的步长，按照公式vk+1＝vk‑αkHkgk对速度模型进行更新，其中k表示迭代的次数，Hk表示当前步骤伪海森矩阵的逆，αk表示当前步骤的更新步长，gk表示当前步骤的更新梯度，vk表示当前步骤的速度模型，vk+1表示经过本次迭代以后的速度模型；o、判断是否满足终止条件，若满足则不依赖震源子波的时间域单频波形走时反演结果，若不满足终止条件，利用循环频率多尺度策略逐渐提高频率，将反演结果作为下一个循环的初始速度模型，返回e步骤；p、将上一步的输出结果作为常规时间域全波形反演的初始速度模型，然后进行常规时间域全波形反演，并输出最终反演结果。