一种克服全波形反演中周期跳跃的方法技术

本发明专利技术涉及一种克服全波形反演中周期跳跃的方法，其特征在于，包括以下步骤：得到全波形反演的半个周期值；分别拾取每道观测数据和每道预测数据的初至；获取每道预测数据的初至与对应观测数据的初至之间的时移量；将每道预测数据向对应观测数据移动，并对应产生中间过渡数据；得到每道预测数据对应的时窗函数；建立目标函数，通过最小化目标函数实现对模型的更新；根据更新后的模型重新产生预测数据，并重复步骤2)～6)，直至每道观测数据的初至与新预测数据的初至之间的时移量均小于全波形反演的半个周期。此时得到已克服周期跳跃的新模型，本发明专利技术可广泛用于地震数据反演技术领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种克服全波形反演中周期跳跃的方法
本专利技术是关于一种克服全波形反演中周期跳跃的方法。
技术介绍
全波形反演通过最优化受波动方程约束的目标函数来恢复地球内部的模型，包括P波速度、各向异性参数以及密度等。现在全波形反演已经被广泛地应用于油气勘探领域，然而，目标函数的非线性是制约这项技术发展的一项重要因素。除此之外，由于模型和数据的维度非常大，现有的计算机处理能力限制只能采用局部最小化反演算法，因此如果初始模型对应的目标函数值处于目标函数局部极小值而非全局最小值所在的凸域，那么全波形反演将收敛到局部极小值，使得最后恢复的模型与真实模型偏差较大，甚至比初始模型还差。全波形反演非线性的一个显著表现就是周期跳跃，即当预测数据偏离相应的观测数据超过半个周期的距离就会发生周期跳跃。因此，周期跳跃会导致全波形反演收敛到一个局部极小值从而给出错误的反演模型。为了克服周期跳跃问题，目前应用最广泛的方法是多尺度策略，由于频率越低，半周期越大，因此，如果从观测数据的最低频率开始反演，然后逐步增加反演频率，将最大可能地避免周期跳跃。另一方面，针对周期跳跃，学者们提出了基于扩展域的目标函数来克服这一问题。相对基于余量的L2范数为目标函数的传统全波形反演，这类基于扩展域的目标函数方法的根本机制是在全局最小值的周围建立比传统全波形反演更大范围的凸区域。不同于数据余量，地震道包络的L2范数在全局最小值的周围具有更大范围的凸区域，因此，即使在初始模型误差较大的情形下也很有可能收敛到全局最小值。这类扩展域的目标函数也可以通过加权预测地震道和观测地震道之间的互相关函数或者Wiener滤波器实现。这种目标函数可以在全局极小值附近产生一个非常大的凸区域来避免周期跳跃现象。除以上提及的方法之外，还有一些目标函数来减轻周期跳跃带来的影响，例如全走时反演和自适应全波形反演等。然而，上述的三类方法都存在着一些缺点：1)多尺度策略，这种方法需要观测数据包括低频信息，如果数据中的最低频率仍存在周期跳跃，那么这个方法就不能克服周期跳跃，从而导致反演收敛到局部最小点，反演失败。2)扩展域目标函数，在实际测试中，这种方法的稳定性和鲁棒性非常不理想，导致反演的成功性随反演的数据和模型不同而变化，其根本原因有待进一步调查。3)其它方法，如全走时反演和自适应全波形反演，类似于扩展域目标函数方法，这类方法也存在稳定性和鲁棒性的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种反演能够收敛到全局最小点且稳定性和鲁棒性良好的克服全波形反演中周期跳跃的方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种克服全波形反演中周期跳跃的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：根据全波形反演的频率和震源子波，得到全波形反演的半个周期；步骤2)：分别拾取每道观测数据和每道预测数据的初至；步骤3)：获取每道预测数据的初至与对应观测数据的初至之间的时移量；步骤4)：根据得到的时移量和全波形反演的半个周期值，将每道预测数据向对应观测数据移动，并对应产生中间过渡数据；步骤5)：根据每道预测数据的初至，得到每道预测数据对应的时窗函数；步骤6)：根据每道预测数据，及其对应的时窗函数和中间过渡数据，建立新的目标函数，并最小化此目标函数对模型进行更新；步骤7)：根据更新后的模型重新产生预测数据，并重复步骤2)～6)，直至每道观测数据的初至与新预测数据的初至之间的时移量均小于全波形反演的半个周期，此时得到已克服周期跳跃的新模型。进一步，所述步骤1)中根据全波形反演的频率和震源子波，估算全波形反演的半个周期，具体过程为：对震源子波进行滤波，并保留全波形反演的频率；计算滤波后震源子波的自相关函数；测量滤波后震源子波的自相关函数中距离零延迟最近的极值与零延迟之间的时移量，该时移量即为全波形反演半个周期的长度。进一步，所述步骤4)中根据得到的时移量和全波形反演的半个周期值，将每道预测数据向对应观测数据移动，并对应产生中间过渡数据，具体为：某一道预测数据的初至与对应观测数据的初至之间的时移量为Δt0，将该预测数据向对应观测数据移动Δts，Δts是介于时移量Δt0与全波形反演的半个周期值之间的时移量，称移动后的该预测数据为中间过渡数据。进一步，所述步骤5)中的时窗函数为高斯窗或余弦平方窗，时窗函数的值在对应预测数据的初至处为1，越远离对应预测数据的初至则时窗函数的值越小，并逐渐减小到零。进一步，所述步骤6)中全波形反演的目标函数为：其中，W表示时窗函数，P表示在检波点位置提取震源波场的拾取算子，u表示预测数据，di表示中间过渡数据。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本专利技术通过设定中间过渡数据，该中间过渡数据包含了预测数据相对于观测数据缺失的信息，同时与预测数据的时移量没有超过全波形反演的半个周期值，从而反演中间过渡数据可以产生没有周期跳跃的正确的地球物理模型，可以有效地克服全波形反演中的周期跳跃问题，正确地恢复背景速度，为传统波形反演更好地恢复中频和高频速度成分提供基础，可以广泛应用于地震数据反演
附图说明图1是本专利技术中产生中间过渡数据的示意图；图2是本专利技术实施例中真实速度模型与初始速度模型的对比图，其中，图2(a)为真实速度模型，图2(b)为初始速度模型；图3是本专利技术实施例中产生的中间过渡数据克服周期跳跃的示意图，其中，图3(a)为由图2(b)的初始速度模型和图2(a)的真实速度模型产生的一炮数据，图3(b)为由初始速度模型产生的一炮预测数据与中间过渡数据示意图，图3(c)为采用余弦平方加权函数将反演限定于初至波的示意图，图3(d)为由反演速度模型产生的一炮预测数据与观测数据；图4是传统全波形反演与本专利技术方法的梯度对比示意图，其中，图4(a)为传统全波形反演的梯度示意图，图4(b)为采用本专利技术方法的中间过渡数据产生的第一次迭代的梯度示意图；图5是传统全波形反演与本专利技术方法的反演结果对比示意图，其中，图5(a)为以图2(b)为对初始速度模型进行传统全波形反演的反演结果示意图，图5(b)为以图2(b)为对初始速度模型进行本专利技术方法的反演结果示意图，图5(c)为以图5(b)为初始速度模型进行传统全波形反演的反演结果示意图。具体实施方式以下结合附图来对本专利技术进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本专利技术，它们不应该理解成对本专利技术的限制。全波形反演的目标函数应用最广泛的是观测数据和预测数据之差的2范数平方，即：受约束于：Au＝s(2)其中，P表示在检波点位置提取震源波场的拾取算子；u表示预测数据；d表示观测数据；A表示波动方程算子；s表示震源子波。A和u均为关于模型参数m的函数。通常情况下，模型参数m的元素个数可以达到百万量级，此外，数值求解波动方程的计算量也是相当巨大的。因此，最小化全波形反演的目标函数的方法基本是基于梯度的局部反演算法，如最速下降法和共轭梯度法。然而，目标函数关于模型参数m是非线性的，当初始速度模型与真实模型的误差较大时，预测数据与观测数据之间可能会相差半个周期以上，这种现象称为周期跳跃，它可能使全波形反演的目标函数收敛到局部最小值而非全局最小值。为了处理周期跳跃现象，提出产生介于预测数据和观测数据之间的中间过渡数据，如图1所示，粗实曲线表示观测数据，细实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种克服全波形反演中周期跳跃的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：根据全波形反演的频率和震源子波，得到全波形反演的半个周期值；步骤2)：分别拾取每道观测数据和每道预测数据的初至；步骤3)：获取每道预测数据的初至与对应观测数据的初至之间的时移量；步骤4)：根据得到的时移量和全波形反演的半个周期值，将每道预测数据向对应观测数据移动，并对应产生中间过渡数据；步骤5)：根据每道预测数据的初至，得到每道预测数据对应的时窗函数；步骤6)：根据每道预测数据，及其对应的时窗函数和中间过渡数据，建立新的目标函数，并最小化此目标函数对模型进行更新；步骤7)：根据更新后的模型重新产生预测数据，并重复步骤2)～6)，直至每道观测数据的初至与新预测数据的初至之间的时移量均小于全波形反演的半个周期。此时得到已克服周期跳跃的新模型。

【技术特征摘要】
1.一种克服全波形反演中周期跳跃的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：根据全波形反演的频率和震源子波，得到全波形反演的半个周期值；步骤2)：分别拾取每道观测数据和每道预测数据的初至；步骤3)：获取每道预测数据的初至与对应观测数据的初至之间的时移量；步骤4)：根据得到的时移量和全波形反演的半个周期值，将每道预测数据向对应观测数据移动，并对应产生中间过渡数据；步骤5)：根据每道预测数据的初至，得到每道预测数据对应的时窗函数；步骤6)：根据每道预测数据，及其对应的时窗函数和中间过渡数据，建立新的目标函数，并最小化此目标函数对模型进行更新；步骤7)：根据更新后的模型重新产生预测数据，并重复步骤2)～6)，直至每道观测数据的初至与新预测数据的初至之间的时移量均小于全波形反演的半个周期。此时得到已克服周期跳跃的新模型。2.如权利要求1所述的一种克服全波形反演中周期跳跃的方法，其特征在于，所述步骤1)中根据全波形反演的频率和震源子波，估算全波形反演的半个周期值，具体过程为：对震源子波进行滤波，并保留全波形反演的频率；计算滤波后震源子波...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚刚，吴迪，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11