本發明涉及地震物理勘探，尤其涉及一種基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法及系統。

背景技術：

1、全波形反演理論自上世紀80年代初由laily(1983)和tarantola(1984)提出以來，便在油氣和礦產資源勘探開發等多個領域得到廣泛的研究。全波形反演方法通過一系列迭代過程，不斷迭代更新地下速度模型，旨在最小化地震模擬數據與實際地震觀測數據之間的差異。通過反復迭代，使得模擬的地震波場逐漸逼近實際地震觀測波場，從而實現對地下真實物理參數(如波速、密度等)的高精度重建。相較于傳統的地震成像方法，全波形反演能夠更精細地刻畫地下結構特征。但該方法的計算量和存儲需求巨大，在實際應用中仍面臨一定的限制和挑戰。

技術實現思路

1、本發明提供一種基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，能夠有效降低全波形反演過程中的計算與存儲需求，從而提高反演效率。

2、本說明書實施例的目的是提供一種基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，該方法包括：

3、構建初始地質速度模型，并獲取地震波參數信息；

4、根據所述初始地質速度模型和所述地震波參數信息進行正演模擬，得到地震模擬數據和正傳震源波場數據；

5、獲取待測地質模型的實際地震觀測數據，并根據所述實際地震觀測數據和所述地震模擬數據，構建目標函數；

6、根據所述正傳震源波場數據，對目標區域波場數據進行重采樣；運用插值方法將重采樣的目標區域波場數據恢復至原始數據狀態，而后對所述正傳震源波場進行重構；

7、根據重構后的正傳震源波場和反傳殘差波場進行零延遲互相關求取梯度；采用梯度類優化算法對所述目標函數實施迭代更新，直至輸出最終地質速度模型；所述最終地質速度模型即為反演結果。

8、優選的，進行所述正演模擬的方法包括：根據所述初始地質速度模型和所述地震波參數信息，進行一階應力-聲波波動方程，表達式包括：

9、

10、其中，p表示應力；vx、vz分別表示x和z方向上的質點速度分量；v表示縱波速度；s表示震源；ρ表示密度；t表示時間；x、z表示網格x、z坐標值。

11、優選的，根據所述實際地震觀測數據和所述地震模擬數據，構建的目標函數為殘差二范數目標函數：

12、

13、其中，d表示觀測目標區域；usyn和uobs分別表示地震模擬數據和實際地震觀測數據；δ(x-xr)表示單位脈沖函數；tmax表示最大時間地震記錄；m表示速度模型參數；xr表示檢波器的位置。

14、優選的，在根據所述正傳震源波場，對目標區域波場數據進行重采樣時，根據奈奎斯特采樣定理求出采樣間隔公式，表達式包括：

15、

16、其中，t為根據奈奎斯特采樣定理求出的采樣間隔，fmax為當前采樣的最大頻率。

17、運用插值方法將重采樣的波場數據恢復至原始數據狀態，步驟包括：

18、

19、其中，t為時間，p(x,t)代表通過插值方法在特定空間位置x和時間t上的波場信息。p(x,t0)為t0時刻上重采樣后的波場數據，作為插值過程的左端點；p(x,t1)為在t1時刻上同樣經過重采樣處理的波場數據，作為插值過程的右端點；x(x,z)為在x方向和z方向的空間位置。

20、優選的，根據所述實際地震觀測數據和所述地震模擬數據的差異，計算所述反傳殘差波場，步驟包括：

21、根據lagrange原理，對殘差二范數目標函數施加一階聲波方程約束：

22、

23、

24、將約束項加入到殘差二范數目標函數中，將目標函數改為：

25、

26、其中，λ(x,t)表示伴隨波場向量，也稱為lagrange乘子；e(m)＝0為上述一階聲波方程；

27、根據上述公式求導，得到伴隨方程，震源為殘差波場的逆時反傳方程，公式包括：

28、

29、其中，sλp表示伴隨源，是地震模擬記錄和實際地震觀測記錄的差值。λvx表示x方向的拉格朗日乘子，λvz表示z方向的拉格朗日乘子，λp表示伴隨波場。

30、優選的，根據所述反傳殘差波場以及所述重構震源波場進行互相關，來求取目標函數梯度，包括：

31、速度v的梯度計算公式為：

32、

33、其中，表示h2函數對v的梯度；表示h2函數對體積模量的梯度。

34、優選的，利用梯度類優化算法對所述初始地質速度模型進行更新，得到最終速度模型，包括：

35、根據所述求取梯度，確定地質速度模型的更新方向；

36、根據所述地質速度模型的更新方向，對所述初始地質速度模型進行更新，得到最終速度模型。

37、本發明還提供了一種基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演系統，所述系統用于實現上述方法，包括：構建模塊、第一計算模塊、第二計算模塊、第三計算模塊和更新模塊；

38、所述構建模塊用于構建初始地質速度模型，并獲取地震波參數信息；

39、所述第一計算模塊用于根據所述初始地質速度模型和所述地震波參數信息進行正演模擬，得到地震模擬數據和正傳震源波場數據；

40、所述第二計算模塊用于獲取待測地質模型的實際地震觀測數據，并根據所述實際地震觀測數據和所述地震模擬數據，構建目標函數；

41、所述第三計算模塊用于根據所述正傳震源波場數據，對目標區域波場數據進行重采樣；運用插值方法將重采樣的目標區域波場數據恢復至原始數據狀態，而后對所述正傳震源波場進行重構；

42、所述更新模塊用于根據重構后的正傳震源波場和反傳殘差波場進行零延遲互相關求取梯度；采用梯度類優化算法對所述目標函數實施迭代更新，直至輸出最終地質速度模型；所述最終地質速度模型即為反演結果。

43、與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

44、基于時間域聲波全波形反演，針對有效邊界存儲應用了基于奈奎斯特采樣定理的重采樣算法，旨在大幅度削減波場數據的存儲容量需求。經過重采樣處理的波場數據采用線性插值法進行恢復，以完成震源波場重構，并將其整合進時間域全波形反演的流程中。這一方案能夠顯著減輕數據存儲的壓力，進而加速了全波形反演的計算速度。

技術特征：

1.一種基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，其特征在于，步驟包括：

2.根據權利要求1所述的基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，其特征在于，進行所述正演模擬的方法包括：根據所述初始地質速度模型和所述地震波參數信息，進行一階應力-聲波波動方程，表達式包括：

3.根據權利要求1所述的基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，其特征在于，根據所述實際地震觀測數據和所述地震模擬數據，構建的目標函數為殘差二范數目標函數：

4.根據權利要求1所述的基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，其特征在于，在根據所述正傳震源波場，對目標區域波場數據進行重采樣時，根據奈奎斯特采樣定理求出采樣間隔公式，表達式包括：

5.根據權利要求3所述的基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，其特征在于，根據所述實際地震觀測數據和所述地震模擬數據的差異，計算所述反傳殘差波場，步驟包括：

6.根據權利要求5所述的基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，其特征在于，根據所述反傳殘差波場以及所述重構震源波場進行互相關，來求取目標函數梯度，包括：

7.根據權利要求5所述的基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法，其特征在于，根據所述求取梯度，利用梯度類優化算法對所述初始地質速度模型進行更新，得到最終速度模型，包括：

8.一種基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演系統，所述系統用于實現權利要求1-7任一項所述的方法，其特征在于，包括：構建模塊、第一計算模塊、第二計算模塊、第三計算模塊和更新模塊；

技術總結
本發明公開了一種基于優化有效邊界存儲的聲波全波形反演方法及系統，方法步驟包括：構建初始地質速度模型，并獲取地震波參數信息；根據初始地質速度模型和地震波參數信息進行正演模擬，得到地震模擬數據和正傳震源波場數據；獲取待測地質模型的實際地震觀測數據，并根據實際地震觀測數據和地震模擬數據，構建目標函數；根據正傳震源波場數據，對目標區域波場數據進行重采樣；運用插值方法將重采樣的目標區域波場數據恢復至原始數據狀態，而后對正傳震源波場進行重構；根據重構后的正傳震源波場震源波場和反傳殘差波場進行零延遲互相關求取梯度；采用梯度類優化算法對目標函數實施迭代更新，直至輸出最終地質速度模型。

技術研發人員：張紅靜,于浩依,楊瀚,郝亞炬
受保護的技術使用者：東華理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28