高精度地震波走时射线追踪方法技术

本发明专利技术公开了高精度地震波走时射线追踪方法，先计算得到整个区域网格节点上的走时；重新计算震源所在行网格上节点的走时，若比原来的小就替代；对于震源所在行之上的各行，先以网格下边界为插值线段，重新计算网格上边界上的2个节点的走时，若果比原来的小就替代；再以网格左边界为插值线段，重新计算网格右边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；再以网格右边界为插值线段，重新计算网格左边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；重复直至到达空间内的第一行。具有较强的适应性，网格节点走时计算精度得到提高，相应的射线路径也更加准确。

Ray tracing method for high precision seismic traveltime

The invention discloses a high precision seismic traveltime ray tracing method, to calculate the whole regional grid node on the traveltime; recalculate the hypocenter for grid nodes as if is smaller than that of the original replacement; for each source location above the line, first with the grid boundary line interpolation, re calculation grid 2 nodes on the boundary of the walk, if it is smaller than that of the original replacement; then left for the interpolation grid boundary line, re computing grid of 2 nodes on the boundary right away, if it is smaller than that of the original replacement; to the right boundary grid interpolation segment, recalculate the grid boundary node 2 left if the travel time is smaller than that of the original replacement; repeat until it reaches the first line in the space. The computing accuracy of the grid node is improved and the corresponding ray path is more accurate.

【技术实现步骤摘要】
高精度地震波走时射线追踪方法
本专利技术属于地震监测
，涉及一种高精度地震波走时射线追踪方法。
技术介绍
传统的射线追踪方法包括试射法和弯线法，试射法是从震源出发，以一定的角度射出一条射线，射线根据snell定律进行传播，然后根据射线在地面上的落点和实际接收点的情况不断调整初射角度，最后由最靠近接收点的两条射线走时差值求出接收点的走时和射线路径。弯线法是先假设震源和接收点之间存在一条初始的射线路径，然后根据费马原理对射线路径进行改动，从而求出接收点的最小走时和射线路径。这两种方法时常面临陷于局部解的困扰，有时候不能求得全局最小解。LTI算法是日本科学家Asakawa于1993年提出的一种射线追踪方法，该方法分为向前-向后计算2个基本步骤，并以线性插值为基本假设。向前计算的目的是为了得到各个网格节点上的最小走时，向后计算是在向前计算的基础上，由检波点根据走时最小的原理逐步追踪到炮点。射线追踪的基本理论是，在高频近似的条件下，地震波的主要能量沿着射线路径传播。而射线追踪的目的就是在给定速度模型(m行n列的网格，每个网格内的速度为常数，不同网格间的速度可能不一样)、震源点位置和接收点位置时，求出一条射线的传播路径，使得从震源点到接收点的传播时间(走时)最小。旅行时线性插值(LinearTraveltimeInterpolation，LTI)法射线追踪具有较高的计算精度和效率，常用于二维速度模型的射线追踪。然而，该方法在考虑射线的来向时只考虑了一个半平面，即炮点相对于网格节点所在的半平面，没有考虑出现回折波的可能；对于地质情况复杂时，不能适应复杂速度模型的射线追踪。下面通过建模来说明，给出一种速度模型，如图1所示，模型为1000m＊1000m的正方形，网格大小为10m＊10m，其中0～400m和600m～1000m深度上为1000m/s的低速体，中间400m～600m为1500m/s的高速体，该模型最先由Asakawa建立，用来验证射线追踪的准确性，本文称之为Asakawa模型。现在以(0，200)的位置为震源，(1000，0)、(1000,100)、……、(1000，900)的位置为接收点，得到的射线路径如图1中的曲线所示。需要注意的是射线3和射线4两条射线是经过高速体的折射后到达的。现在把模型顺时针旋转90°，震源和接收点相对于模型的位置不变，仍然用传统LTI算法进行射线追踪，结果如图2所示。对比图1和图2可以发现，射线3和射线4两条射线的路径不一样，图1中的两条射线是经过高速体的折射到达接收点的，而图2中的两条射线是直接由震源点到达接收点的。表1给出了图1和图2中射线走时的对比，可以看出，Asakawa模型旋转后射线3和射线4两条射线走时变大，说明传统LTI算法在面对复杂模型时计算精度不够。表1：图1和图2中射线走时对比
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种高精度地震波走时射线追踪方法，解决了现有技术中由于在考虑射线来向的问题上存在缺陷，算法的适应能力不强的问题。本专利技术所采用的技术方案是，高精度地震波走时射线追踪方法，按照以下步骤进行：步骤1，计算得到整个区域网格节点上的走时；步骤2，除震源所在网格外，重新计算震源所在行网格上节点的走时，若比原来的小就替代；步骤3，对于震源所在行之上的各行，先以网格下边界为插值线段，重新计算网格上边界上的2个节点的走时，若果比原来的小就替代；步骤4，再以网格左边界为插值线段，重新计算网格右边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；步骤5，再以网格右边界为插值线段，重新计算网格左边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；步骤6，重复步骤3-5，直至到达空间内的第一行。进一步的，所述步骤1中，计算得到整个区域网格节点上的走时具体按照以下步骤进行：步骤a，计算震源所在网格上4个节点的走时；步骤b，计算震源所在列网格上各节点的最小走时，包括以网格下边界为插值线段计算上方2个节点的最小走时，以及以网格上边界为插值线段计算下方2个节点的最小走时，以此类推，直到计算到第一行或最后一行；步骤c，计算炮点所在列右侧一列网格节点走时，以网格左边界为插值线段计算网格右方2个节点的最小走时，对于重复计算的节点，若计算所得值比原来的小就替代；步骤d，计算炮点所在列右侧一列网格节点走时，由下往上，以网格下边边界为插值线段，计算网格上方2个节点的最小走时，如果比原来的值小就替代；步骤e，计算炮点所在列右侧一列网格节点走时，由上往下，以网格上边界为插值线段计算网格下边界2个节点的最小走时，如果比原来的值小就替代；步骤f，重复步骤c-e，一直到最右边的一列网格；对于炮点左侧网格节点最小走时的计算，采用和右侧相对应的方式得到。本专利技术的有益效果是：在传统LTI算法的基础上进行了改进，考虑了网格节点射线从各个方向传来的可能，实验结果表明：改进后的LTI方法具有较强的适应性，网格节点走时计算精度得到提高，相应的射线路径也更加准确。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是Asakawa模型由传统LTI算法追踪出的射线路径图。图2是Asakawa模型旋转以后用传统LTI算法追踪出的射线路径图。图3是传统的旅行时线性插值(LTI)原理示意图。图4是向前计算确定各节点最小走时的实现过程图。图5是向后计算确定射线路径的过程图。图6是本专利技术实施例算法的实现过程图。图7是Asakawa模型旋转以后用本专利技术方法追踪出的射线路径。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。先详细介绍传统的LTI算法的基本原理：如图3所示，求某点P最小走时的问题可以作如下描述：假设A和B两点的坐标和走时已知，求经过线段AB上的某点C到达点P的最小走时。设A点为坐标原点，AB长度为L，AC长度为r，P点坐标为(x，y)，根据LTI的基本假设，C点的走时TC可以由A和B两点的走时TA和TB线性插值得到，即：则P点的走时为C点的走时加上CP线段所用的时间：式中：ΔT＝TB-TA，s为空间内的慢度。对TP求关于r的导数，并令其等于0可得：当时，当时，对一阶导数继续求导，可以得到TP关于r的二阶导数，可以看出二阶导数在这两个解处大于0，可见这两个解都是函数TP的极小值，而TP又是关于r的初等函数，在区间0≤r≤L内连续，对比这2个解以及AB两端点的值，就可以得出TP在0≤r≤L区间内的最小值。下面介绍LTI算法实现步骤LTI分为向前计算和向后计算两个基本步骤：向前计算是从炮点开始，由公式(4)求出空间内所有网格节点的最小走时；向后计算是从接收点开始，由公式(3)确定射线路径上与各个网格边界的交点。向前计算的步骤为：步骤1，计算震源所在网格上4个节点的走时，如图4(a)所示；步骤2，计算震源所在本文档来自技高网...

【技术保护点】
高精度地震波走时射线追踪方法，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤1，计算得到整个区域网格节点上的走时；步骤2，除震源所在网格外，重新计算震源所在行网格上节点的走时，若比原来的小就替代；步骤3，对于震源所在行之上的各行，先以网格下边界为插值线段，重新计算网格上边界上的2个节点的走时，若果比原来的小就替代；步骤4，再以网格左边界为插值线段，重新计算网格右边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；步骤5，再以网格右边界为插值线段，重新计算网格左边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；步骤6，重复步骤3‑5，直至到达空间内的第一行。

【技术特征摘要】
1.高精度地震波走时射线追踪方法，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤1，计算得到整个区域网格节点上的走时；步骤2，除震源所在网格外，重新计算震源所在行网格上节点的走时，若比原来的小就替代；步骤3，对于震源所在行之上的各行，先以网格下边界为插值线段，重新计算网格上边界上的2个节点的走时，若果比原来的小就替代；步骤4，再以网格左边界为插值线段，重新计算网格右边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；步骤5，再以网格右边界为插值线段，重新计算网格左边界上2个节点的走时，若比原来的小就替代；步骤6，重复步骤3-5，直至到达空间内的第一行。2.根据权利要求1所述的高精度地震波走时射线追踪方法，其特征在于，所述步骤1中，计算得到整个区域网格节点上的走时具体按照以下步骤进行：步骤a，计算震源所在网格上4个节点的走时；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王忠成，童思友，葛林苡，李林伟，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37