[发明专利]三维频率域全声波成像方法及装置

说明书

本说明书一个或多个实施例公开了一种三维频率域全波形声波成像方法及装置，用以解决现有全波形声波成像方法中频率域正演模拟时常用差分方法存在的严重数值频散问题，以及全波形反演时容易陷入局部极小值的问题。所述方法包括：确定三维均匀介质下的频率域声波方程；频率域声波方程包含以下参数：频率域波场、声波传播的角频率、空间位置坐标、频率域震源及声波传播速度；获取对频率域声波进行全声波反演的初始模型，根据初始模型确定所述全声波反演的目标函数；根据频率域声波方程以及利用近似解析离散化NAD方法对频率域声波方程对应的真实模型的正演结果，对目标函数进行反演，得到目标模型参数；根据目标模型参数确定目标反演模型。

技术领域

本说明书涉及地震勘探技术领域，尤其涉及一种三维频率域全声波成像方法及装置。

背景技术

计算地球物理是一门研究对象为生物生存的地球及其空间的学科，它涉及数学、物理、地质、大气科学、海洋科学和天文等。和数学联系比较密切的方向有地震波传播正演方法及其波场模拟、含流体多孔隙介质中的波传播理论和数值计算方法、地震各向异性理论、地震勘探中的信号处理、地震层析成像、地震偏移及其应用研究、偏微分方程数值求解及其应用、最优化理论和数据挖掘等。其中地球物理反演问题是指在收集得到的各种地球物理观测数据的基础上，反推地球内部结构、物质组成成分的理论和方法。例如，全波形反演就是利用地震波在不同位置处的波场数据和最优化理论优化真实数据及合成数据之间的残差，从而实现对地球地下的结构进行成像，并能够定量计算相关参数，如速度、衰减系数、反射系数等。

全波形反演是一种高精度、高分辨率、但计算量大的地震层析成像方法，使用该方法可以反演获得高分辨率的地下速度结构、高精度地下介质参数等，相比射线追踪、偏移成像等传统成像方法，其特点在于分辨率高、细部特征精确等。但是全波形反演需要以正演(Forward modeling)为基础反复迭代求解波动方程，在反演过程中，需要不断重复正演波场传播模拟，会消耗大量的计算资源，如存储量、计算量等很大，这也是限制全波形反演发展的重要原因之一。

近年来，随着高性能计算机技术的不断发展，计算能力不断上升、内存存储的价格不断下降、以及高效率正演波场模拟方法的不断发展，使得全波形反演成像得以快速发展，成为了计算地球物理研究领域的热点和前沿，也成为了当前和未来高分辨率地球内部结构成像的最重要发展方向。由于时间域地震波场经过傅里叶变换后可得到频率域波场，因此，全波形反演既能够以时间域地震波场为基础进行成像，也可以在频率域进行成像。与时间域成像方法相比，频率域成像有许多优势，如可以根据灵活需要选择反演频率，不同震源及频率之间的互相独立(或称为解耦)，易于并行，正演中避免累计误差，易于添加吸收边界条件来处理衰减和压制频散等。

全波形反演包括两个过程：波场正演模拟和反演求解。全波形反演过程中需要多次迭代优化模型参数以降低模型误差，每个反演内迭代必须进行一次甚至多次模型正演模拟，所以波动方程正演算法的效率和准确性会直接决定全波形反演的可行性及效果。因此，寻找高效率、高精度的正演方法是全波形反演问题的关键。几十年来，人们发展了许多种正演模拟方法，这些正演方法主要分为：有限差分法、有限元法、伪谱法、谱元法等。不同正演方法都有其不同的优缺点，它们在某些方面都具有优越性，但在其它方面往往都存在不足。例如高精度谱类方法在求解波动方程时，对复杂地下介质问题，由于其网格剖分比较灵活，能够获得高精确的数值结果，但是内存存储及计算时间比较大。有限差分类方法由于编程实现简单、相同网格数条件下计算效率高、占用内存小等优点得以广泛应用，但粗网格条件下存在数值频散、网格剖分不太灵活的问题。

发明内容

本说明书一个或多个实施例的目的是提供一种三维频率域全波形声波成像方法及装置，用以解决现有全波形声波成像方法中频率域正演模拟时常用差分方法存在的严重数值频散(伪波动)问题，以及全波形反演时容易陷入局部极小值的问题。

为解决上述技术问题，本说明书一个或多个实施例是这样实现的：

一方面，本说明书一个或多个实施例提供一种三维频率域全声波成像方法，包括：