[发明专利]一种边缘引导和结构约束的全波形反演快速方法

说明书

技术领域

本发明涉及地震成像及全波形反演技术领域，尤其是一种基于canny边缘检测算子和双边滤波的边缘引导和结构约束的全波形反演快速方法，其中canny边缘检测是John F.Canny于1986年开发出来的一个多级边缘检测算法。

背景技术

地震反演问题是利用观测到的地震数据确定地下的结构，是和地震正问题紧密相关的。根据反演时使用信息的不同，反演方法可以分为走时反演、振幅反演、全波形反演三大类。利用波场运动学信息反演出来的结果反映的是较大尺度地下速度模型的宏观特征，对于理想观测系统，它的分辨率可达到菲涅耳带(Fresnel zone)数量级。利用完整波场信息反演的方法则具有精确刻画模型细节的潜力，对于理想观测系统，反演结果的分辨率可达到波长数量级。

全波形反演方法利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构，具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力，其分辨率比传统基于射线的反演高。与走时反演相比，全波形反演由于能拟合波形记录的振幅/相位信息，因此能得到一个更准确更精细的速度模型。通常全波形反演包含两部分：波形的正演和反演。正演通过有限差分，有限元的数学方法解声波或弹性波方程得到波形记录。对于全波形反演，通过共轭梯度，高斯牛顿等非线性反演算法逐步迭代更新速度模型。

根据研究需要，全波形反演既可在时间域也可在频率域实现。频率域相对于时间域反演具有计算高效、数据选择灵活等优势。国内频率域全波形反演理论研究起步相对较晚，反演理论研究程度较低，尚未充分挖掘其应用潜力。频率域全波形反演方法具有计算高效、反演频率选择灵活等优点。目前频率域波形反演理论在波场正演方法、反演频率选择策略、目标 函数设置方式、震源子波处理方式、梯度预处理方法等方面已取得了可喜的进展，提高了全波形反演方法的实用性。理论模型试验和实际井间地震、广角地震以及垂直地震剖面(VSP)资料的反演结果初步展示了该方法的应用潜力。多波多分量数据和三维短偏移距反射地震资料的应用研究将是频率域全波形反演的下一个重要突破方向(卞爱飞，2010)。相比于走时成像，全波形反演具有更强的非线性，因此需要一个较为准确的初始速度模型。因此在进行全波形反演之前，通常需要利用走时成像获得初始的速度模型。另外对于波形数据，也需要进行必要的预处理。频率域波形反演的预处理主要包括选择波形反演的时间窗，通过F-K滤波去除面波，去除S波和去掉噪音，对数据进行重采样，振幅矫正和振幅归一化。

现有技术中的全波形反演主要存在如下缺陷；(1)反演解非唯一性、易陷入周波跃迁和局部极值；(2)强烈依赖初始模型、需要低频分量和初始速度模型很好的耦合；(3)对噪声敏感以及计算量大等问题；而且，在数学上它是一个高度病态的非线性问题，需要解决其多解性及收敛性问题。

为了克服这些问题的影响，国内外发展出了基于偏移图像引导的全波形算法(Ma and Hale，2011)和基于偏移的全波形反演算法。偏移是提高成像质量的有效手段，其挑战主要表现在成像算法、高精度的速度模型、计算效率等方面。全波形反演本身是一个高花费的反演过程，偏移过程也同样如此。因此，基于偏移的全波形花费会更加巨大。界面信息是全波形反演研究中非常重要的信息，界面中包含着地下介质结构等构造信息，这决定着后续的结果如地震偏移等是否准确。界面的信息主要包含在数据的高频成分里面，其对全波形反演结构准确与否有着重要的指导意义。现有的常规全波形反演是仅仅反演速度模型，没有考虑结构和边界的影响，并且在每次迭代中对速度模型进行了大量的平滑，这对去除噪声有一定的抑制，却丧失了地下模型的界面和边界信息。

因此，需要探索一种新方法解决上述问题，以提高全波形反演的速度结构和界面的准确度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种快速和有效的基于canny边缘检测算子和双边滤波的边缘引导和结构约束的全波形反演方法，以解决常规全波形反演方法存在的边缘信息和结构信息模糊的问题，克服去噪过程对模型结果和边界的损坏，增强反演结果结构和边界信息。

(二)技术方案