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基于相位校正的探地雷达双参数全波形反演方法技术

技术编号:20913205 阅读:36 留言:0更新日期:2019-04-20 09:04
本发明专利技术涉及一种基于相位校正的探地雷达双参数全波形反演方法。是在现有探地雷达双参数反演基础上,针对探地雷达数据对介电常数和电导率的敏感度差异及二者在反演过程中所存在的耦合效应,从探地雷达记录层面出发,依据损耗正切公式进行相位校正,有效解决了反演过程中双参数梯度不一致的问题。对TE模式下多参数的同步重建进行了针对性改进,显著提高了探地雷达双参数全波形反演结果的分辨率和精确度,为双参数反演过程中进行记录层面的有效解耦提供了可能。对于具有相同结构的介电常数模型和电导率模型,经过对应记录的相位校正后所计算得到的梯度与正确梯度之间基本不存在相位差。

Two-parameter full waveform inversion method for Ground Penetrating Radar Based on phase correction

The present invention relates to a two-parameter full waveform inversion method of ground penetrating radar based on phase correction. Based on the existing two-parameter inversion of ground penetrating radar (GPR), in view of the difference of sensitivity of GPR data to dielectric constant and conductivity and the coupling effect between them in the inversion process, phase correction is carried out according to the loss tangent formula from the GPR recording level, which effectively solves the problem of inconsistency of two-parameter gradient in the inversion process. The synchronous reconstruction of multi-parameters in TE mode is improved, which improves the resolution and accuracy of GPR dual-parameter full-waveform inversion results significantly, and provides the possibility of effective decoupling at the recording level in the dual-parameter inversion process. For the dielectric constant model and conductivity model with the same structure, there is no phase difference between the calculated gradient and the correct gradient after phase correction of corresponding records.

【技术实现步骤摘要】
基于相位校正的探地雷达双参数全波形反演方法
:本专利技术涉及一种电磁领域中用于同时反演介电常数和电导率参数的时间域全波形成像方法。针对探地雷达数据对介电常数和电导率的敏感度差异及二者在反演过程中所存在的折中效应,依据损耗正切公式对电磁波记录进行相位校正,有效降低全波形反演中由双参数之间的耦合所带来的影响,从而提高了反演的精确度。
技术介绍
:全波形反演(FullWaveformInversion,FWI)作为一种高分辨率的反演成像方法,是近几十年来勘探地球物理界的研究热点。上世纪80年代,Lailly(1983.Theseismicinverseproblemasasequenceofbeforestackmigrations.CONFERENCEONINVERSESCATTERING,THEORYANDAPPLICATION,SOCIETYFORINDUSTRIALANDAPPLIEDMATHEMATICS,EXPANDEDABSTRACT.206-220)和Tarantola(1984.Inversionofseismicreflectiondataintheacousticapproximation.GEOPHYSICS49(8).1259-1266)首次提出时间域全波形反演策略。他们将Claerbout的偏移成像理论发展成为一种最小二乘局部优化问题,利用正向传播波场与后向传播波场的互相关计算梯度方向,避免了Frechet导数的直接计算。随后全波形反演在大尺度的地震勘探和浅层地震工程中均得到了广泛的发展和应用。近年来,国内外的专家学者始终致力于将地震全波形反演的核心技术引入到探地雷达(GroundPenetratingRadar,GPR)成像研究领域。在跨孔雷达全波形反演方面,Ernst等人(2007.Full-waveforminversionofcrossholeradardatabasedon2-Dfinite-differencetime-domainsolutionsofMaxwell'sequations.IEEETRANSACTIONONGEOSCIENCEANDREMOTESENSING45(9).2807-2828)采用级联更新的方式交替反演介电常数和电导率;Meles等人(2010.Anewvectorwaveforminversionalgorithmforsimultaneousupdatingofconductivityandpermittivityparametersfromcombinationcrosshole/borehole-to-surfaceGPRdata.IEEETRANSACTIONONGEOSCIENCEANDREMOTESENSING48(9).3391-3407)提出了一种新颖的矢量全波形反演技术,在反演过程中实现了介电常数和电导率的同时迭代更新。在地面探地雷达全波形反演研究方面,Lavou′e等人(2013.2DfullwaveforminversionofGPRsurfacedata:permittivityandconductivityimaging.7thINTERNATIONALWORKSHOPONADVANCEDGROUNDPENETRATINGRADAR.)提出了一种基于地面多偏移距数据的频率域全波形反演方法,用于同时重建二维介电常数和电导率参数。冯晅等人(2017.Jointacousticfull-waveforminversionofcrossholeseismicandground-penetratingradarinthefrequencydomain.GEOPHYSICS82(6).1-16)开展了基于探地雷达数据和地震数据的频率域交叉梯度联合全波形反演研究,实现了P波速度、介电常数和电导率的顺次更新。与跨孔雷达相比,地面雷达在地下深部的覆盖范围有限,从而增加了反演问题的不适定性。此外,地面雷达测量以较小的反射角照明地下目标,可以提供更高分辨率的图像。然而,由于低波数的缺乏使得对精确的初始模型具有高度依赖性。降低的照明度(单边照明模式)增加了反演过程中介电常数和电导率这两种参数之间的权衡与折中(tradeoff),使得多参数同步反演成像更具挑战性。此外,探地雷达数据表现出对介电常数和电导率具有不同灵敏度的特征。根据Lavou′e等人(2014.Two-dimensionalpermittivityandconductivityimagingbyfullwaveforminversionofmultioffsetGPRdata:afrequency-domainquasi-Newtonapproach.GeophysicalJournalInternational197.248-268)在频率域的散射场分析结果,首先,在相同频率和相同扰动量的条件下,介电常数对散射场振幅变化的影响要远大于电导率的影响,因此,探地雷达数据本质上对介电常数比对电导率更敏感。一般而言,两参数振幅比值取决于损耗角的正切值及各自相对扰动量的比值。其次,数据对电导率的灵敏度随频率的增加而降低,因此,关于低电导率差异的高频信息可能隐藏在噪声水平之下。最后,另一个重要特征是介电常数的散射场和电导率的散射场之间存在90度的相位差。针对开展全波形反演过程中,不同电参数之间所存在的量级和灵敏度差异,Meles等人(2010.Anewvectorwaveforminversionalgorithmforsimultaneousupdatingofconductivityandpermittivityparametersfromcombinationcrosshole/borehole-to-surfaceGPRdata.IEEETRANSACTIONONGEOSCIENCEANDREMOTESENSING48(9).3391-3407)通过在其算法中引入两个下降步长来处理这个问题。但是,这相当于将关于介电常数和电导率的优化分割为两个相对独立的问题,并且忽略了两种参数之间可能存在的折中。Lavou′e等人(2014.Two-dimensionalpermittivityandconductivityimagingbyfullwaveforminversionofmultioffsetGPRdata:afrequency-domainquasi-Newtonapproach.GeophysicalJournalInternational197.248-268)考虑了两参数同时反演过程中存在的折中关系,并采用准牛顿优化策略,用L-BFGS来近似Hassen矩阵的逆。然而,目前的探地雷达双参数反演研究中,在求取目标函数对模型参数的梯度时,都将观测记录与模拟记录的差值认为是受单一参数影响而得到的,这会导致得到的梯度与真实的梯度之间存在相位差。
技术实现思路
:本专利技术的目的就在于针对上述现有技术的缺陷,提供了一种基于相位校正的全波形反演方法,用于同步反演具有相同结构的介电常数与电导率参数。在常规探地雷达的双参数反演基础上,针对探地雷达数据对介电常数和电导率的敏感度差异及本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于相位校正的探地雷达双参数全波形反演方法,其特征在于包括以下步骤:a、输入多偏移距地面雷达观测记录、介电常数和电导率的初始模型以及子波;b、设定双参数同步反演的M个反演频率[f1,f2,...,fM]以及每个频率的迭代次数N;c、计算观测记录与只存在介电常数扰动的观测记录之间的相位差,以及观测记录与只存在电导率扰动的观测记录之间的相位差;d、利用步骤c中计算的两个相位差对观测记录进行两次相位校正,分别得到与只存在介电常数扰动的观测记录相位一致的观测记录,以及与只存在电导率扰动的观测记录相位一致的观测记录;e、利用当前的介电常数模型和电导率模型,进行电磁波TE模式的正演模拟,以获得模拟记录;f、利用步骤c中计算的两个相位差对模拟记录进行两次相位校正,分别得到与只存在介电常数扰动的模拟记录相位一致的模拟记录,以及与只存在电导率扰动的模拟记录相位一致的模拟记录;g、计算目标函数值,并利用伴随状态法求取目标函数值对介电常数和电导率的梯度;h、利用最速下降法与非精确线搜索确定模型更新的方向与步长,并更新模型;i、对每一个频率的每一次迭代都进行步骤c~h的处理,最终输出介电常数和电导率模型的反演结果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于相位校正的探地雷达双参数全波形反演方法,其特征在于包括以下步骤:a、输入多偏移距地面雷达观测记录、介电常数和电导率的初始模型以及子波;b、设定双参数同步反演的M个反演频率[f1,f2,...,fM]以及每个频率的迭代次数N;c、计算观测记录与只存在介电常数扰动的观测记录之间的相位差,以及观测记录与只存在电导率扰动的观测记录之间的相位差;d、利用步骤c中计算的两个相位差对观测记录进行两次相位校正,分别得到与只存在介电常数扰动的观测记录相位一致的观测记录,以及与只存在电导率扰动的观测记录相位一...

【专利技术属性】
技术研发人员:槐楠曾昭发
申请(专利权)人:吉林大学
类型:发明
国别省市:吉林,22

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