局部平面波域弹性波成像方法及装置

技术领域

本发明涉及石油地球物理勘探地震数据成像技术领域，尤指一种局部平面波域弹性波成像方法及装置。

背景技术

高斯束偏移作为一种灵活、准确、高效的深度域偏移成像方法，兼具射线类和波动方程类偏移成像的优势，适用于复杂地质构造，特别是三维陡倾构造的成像。然而，传统高斯束偏移成像技术，由于偏移算子仅仅是正演算子的共轭转置，不是它的逆算子，因此成像模糊，无法实现地层高保真度的成像。随着计算机技术的飞速发展和对复杂构造油气藏精确成像的需求，最小二乘偏移成为保幅偏移成像的一种新的思路，该方法将成像问题作为一个反问题处理，在最小二乘目标函数的约束下，反演地层真实的反射率。

目前最小二乘高斯束偏移成像技术主要限于声波方面，针对各向同性和各向异性介质弹性波高斯束最小二乘偏移方法的讨论非常少。最小二乘偏移通常采用梯度引导的方法迭代求解，每一次迭代都包含一次从震源到地下散射点的正向传播，和一次来自接收点位置的反向传播，因此需要很大的计算量。并且，对于三维最小二乘偏移成像的应用，计算量更是成倍地增加。另外，该反演方法存在不适定性，原因包含震源子波的频率范围有限、实际地震观测数据中通常包含一定程度的噪声和非一次反射波等因素。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种局部平面波域弹性波成像方法及装置，实现灵活、高效的弹性波高斯束最小二乘偏移成像，得到振幅准确、分辨率高的弹性波成像剖面。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种局部平面波域弹性波成像方法，所述方法包括：

根据速度扰动公式得到弹性波的反射率；

利用所述弹性波的反射率，根据Born近似理论，输入光滑的弹性波速度模型及弹性波反射率模型，计算得到弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据，将所述弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据作为反演观测数据；

利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，得到正演模拟局部平面波数据；

根据所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据，在多波型局部平面波域构建目标函数，利用共轭梯度算法对所述目标函数进行迭代求解，将所述目标函数的极小值对应的解作为弹性波成像结果。

可选的，在本发明一实施例中，所述利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，得到正演模拟局部平面波数据包括：利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，确定基于弹性波高斯束叠加的Born正演模拟的地震波场表达式；根据所述地震波场表达式，得到正演模拟局部平面波数据。

可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据，在多波型局部平面波域构建目标函数包括：在多波型局部平面波域，确定所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据的数据残差，将所述数据残差的二范数作为所述目标函数。

可选的，在本发明一实施例中，所述利用共轭梯度算法对所述目标函数进行迭代求解，将所述目标函数的极小值对应的解作为弹性波成像结果包括：对所述目标函数中数据残差做偏移，根据数据残差的偏移，利用共轭梯度算法进行迭代求解，得到所述目标函数的极小值对应的解，并将其作为弹性波成像结果。

本发明实施例还提供一种局部平面波域弹性波成像装置，所述装置包括：

反射率模块，用于根据速度扰动公式得到弹性波的反射率；

观测数据模块，用于利用所述弹性波的反射率，根据Born近似理论，输入光滑的弹性波速度模型及弹性波反射率模型，计算得到弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据，将所述弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据作为反演观测数据；

模拟数据模块，用于利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，得到正演模拟局部平面波数据；

成像结果模块，用于根据所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据，在多波型局部平面波域构建目标函数，利用共轭梯度算法对所述目标函数进行迭代求解，将所述目标函数的极小值对应的解作为弹性波成像结果。

可选的，在本发明一实施例中，所述模拟数据模块包括：地震波场单元，用于利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，确定基于弹性波高斯束叠加的Born正演模拟的地震波场表达式；模拟数据单元，用于根据所述地震波场表达式，得到正演模拟局部平面波数据。

可选的，在本发明一实施例中，所述成像结果模块具体用于在多波型局部平面波域，确定所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据的数据残差，将所述数据残差的二范数作为所述目标函数。

可选的，在本发明一实施例中，所述成像结果模块还具体用于对所述目标函数中数据残差做偏移，根据数据残差的偏移，利用共轭梯度算法进行迭代求解，得到所述目标函数的极小值对应的解，并将其作为弹性波成像结果。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明在最小二乘偏移框架下，迭代更新弹性波成像剖面，使成像振幅趋近于地层真实的反射率，达到保幅成像的目的，并且随着迭代次数的增加，成像分辨率得到提高，串扰噪声得到压制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例一种局部平面波域弹性波成像方法的流程图；

图2为本发明实施例中弹性波高斯束叠加的Born正演模拟流程图；

图3为本发明一具体实施例中局部平面波域弹性波高斯束最小二乘偏移方法的流程图；

图4A-图4F为本发明实施例中包含洼陷构造的简单模型的PP/PS速度场、PP/PS光滑速度场和PP/PS反射率模型的示意图；

图5A-图5D为本发明实施例中传统的弹性波高斯束偏移PP/PS成像剖面和局部平面波域弹性波高斯束最小二乘偏移PP/PS成像剖面的示意图；

图6A-图6F为本发明实施例中迭代1次、5次和10次后PP/PS波型局部平面波域数据残差的示意图；

图7A-图7B为本发明实施例中1次迭代和10次迭代后的PP/PS成像振幅与地层真实的PP/PS反射率振幅对比的示意图；

图8为本发明实施例一种局部平面波域弹性波成像装置的结构示意图；

图9为本发明实施例中模拟数据模块的结构示意图；

图10为本发明一实施例所提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种局部平面波域弹性波成像方法及装置。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示为本发明实施例一种局部平面波域弹性波成像方法的流程图，图中所示方法包括：

步骤S1，根据速度扰动公式得到弹性波的反射率。

其中，采用现有的速度扰动公式，得到弹性介质的PP和PS反射率。

步骤S2，利用所述弹性波的反射率，根据Born近似理论，输入光滑的弹性波速度模型及弹性波反射率模型，计算得到弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据，将所述弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据作为反演观测数据。

其中，利用弹性波的反射率，并基于一阶Born近似理论，输入光滑的PP、PS速度模型，和PP、PS反射率模型，计算弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据，作为反演的观测数据。

步骤S3，利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，得到正演模拟局部平面波数据。

其中，弹性波高斯束叠加的Born正演模拟过程具体为：基于弹性波高斯束叠加的Born正演模拟的地震波场表示为：

u

其中，u

在地震波场高频近似的假设前提下，格林函数可表示为高斯束叠加的形式：

其中，

在地表稀疏高斯束中心位置，对不同平面波慢度分量的局部平面波进行叠加，得到模拟的多波型局部平面波数据：

其中，Φ表示系数，

步骤S4，根据所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据，在多波型局部平面波域构建目标函数，利用共轭梯度算法对所述目标函数进行迭代求解，将所述目标函数的极小值对应的解作为弹性波成像结果。

其中，在多波型局部平面波域构建目标函数，采用最小二乘偏移方法迭代求解。多波型局部平面波域构建的最小二乘目标函数表示为：

φ(m)＝||D

其中，D

求解目标函数φ(m)的极小值，依据高斯束Born正演的模拟数据与实际观测数据的数据残差对成像进行修正。采用共轭梯度算法迭代求解最小二乘偏移PP和PS成像剖面，迭代算法表示为：

m

其中，α表示步长，s

s

其中，g

弹性波高斯束偏移公式表示为正演公式的共轭，因此，弹性波高斯束偏移的表达式为：

其中，上标符号*表示复数共轭。

作为本发明的一个实施例，如图2所示，利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，得到正演模拟局部平面波数据包括：

步骤S21，利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，确定基于弹性波高斯束叠加的Born正演模拟的地震波场表达式；

步骤S22，根据所述地震波场表达式，得到正演模拟局部平面波数据。

作为本发明的一个实施例，根据所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据，在多波型局部平面波域构建目标函数包括：在多波型局部平面波域，确定所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据的数据残差，将所述数据残差的二范数作为所述目标函数。

在本实施例中，利用共轭梯度算法对所述目标函数进行迭代求解，将所述目标函数的极小值对应的解作为弹性波成像结果包括：对所述目标函数中数据残差做偏移，根据数据残差的偏移，利用共轭梯度算法进行迭代求解，得到所述目标函数的极小值对应的解，并将其作为弹性波成像结果。

在本发明一具体实施例中，如图3所示本发明一具体实施例中局部平面波域弹性波高斯束最小二乘偏移方法的流程图。在多波型局部平面波域构建目标函数，即正演模拟局部平面波数据与实际局部平面波数据残差的二范数：

φ(m)＝||D

其中，D

(1)式中，Lm表示弹性波高斯束Born正演模拟地震波场的过程，基于弹性波高斯束叠加的Born正演模拟的地震波场表示为：

u

其中，u

在地震波场高频近似的假设前提下，格林函数可表示为高斯束叠加的形式：

其中，

在地表稀疏高斯束中心位置，对不同平面波慢度分量的局部平面波进行叠加，得到模拟的多波型局部平面波数据：

其中，Φ表示系数，

采用共轭梯度算法求解(1)式中数据残差的二范数最小，共轭梯度迭代格式为：

m

其中，α表示步长，s

s

其中，g

其中，上标符号*表示复数共轭。

由于高斯束Born正演和偏移过程都需要将数据叠加到多波型的局部平面波域，并且局部平面波数据更具有稀疏性。因此，本发明提出的在多波型局部平面波域构建目标泛函的弹性波高斯束最小二乘偏移成像方法，可以使反演结果更稳定、更精确。并且，在迭代过程中，节省了多波型局部平面波域数据和多分量数据间的相互转换，对于三维弹性波高斯束最小二乘偏移成像方法，可有效提高工作效率。

本发明以一个合成的包含洼陷构造的简单模型为实施例来验证本发明方法的有效性和可行性，纵波和横波速度模型如图4A和图4B所示，其中横波速度模型由公式

传统的弹性波高斯束偏移，即1次迭代的PP成像和PS成像如图5A及图5C所示，可以看出，成像分辨率比较低，虽然能够给出地层构造信息，但是成像的保幅性不佳。图5B及图5D分别为局部平面波域弹性波高斯束最小二乘偏移PP成像和PS成像，与图5A及图5C比较发现，迭代后的成像结果分辨率提高，地下照明增强，成像振幅趋近于地层真实的反射率，而且成像噪声得到压制，成像质量良好。

图6A-图6F给出了局部平面波域弹性波高斯束最小二乘偏移1次迭代、5次迭代和10次迭代后的局部平面波域数据残差，图6A-图6C为PP波型数据残差，图6D-图6F为PS波型数据残差。通过对比可以清楚地发现，10次迭代后的数据残差相比1次和5次迭代后的数据残差几乎为0，说明该反演方法稳定收敛。

分别抽取最小二乘偏移1次迭代和10次迭代PP和PS成像剖面中的一道，比较成像振幅与地层反射率振幅，抽取位置为横向2000m位置。从图7A及图7B中可以看出，10次迭代后的成像振幅几乎与地层真实的反射率完全一致，因此证明了弹性波高斯束最小二乘偏移可以反演地层真实的反射率。

本发明在最小二乘偏移框架下，迭代更新弹性波PP、PS成像剖面，使成像振幅趋近于地层真实的反射率，达到保幅成像的目的。并且随着迭代次数的增加，成像分辨率得到提高，串扰噪声得到压制。

如图8所示为本发明实施例一种局部平面波域弹性波成像装置的结构示意图，图中所示装置包括：

反射率模块10，用于根据速度扰动公式得到弹性波的反射率；

观测数据模块20，用于利用所述弹性波的反射率，根据Born近似理论，输入光滑的弹性波速度模型及弹性波反射率模型，计算得到弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据，将所述弹性波高斯束Born正演的多波型局部平面波数据作为反演观测数据；

模拟数据模块30，用于利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，得到正演模拟局部平面波数据；

成像结果模块40，用于根据所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据，在多波型局部平面波域构建目标函数，利用共轭梯度算法对所述目标函数进行迭代求解，将所述目标函数的极小值对应的解作为弹性波成像结果。

作为本发明的一个实施例，如图9所示，模拟数据模块30包括：

地震波场单元，用于利用弹性波高斯束叠加的Born正演模拟，确定基于弹性波高斯束叠加的Born正演模拟的地震波场表达式；

模拟数据单元，用于根据所述地震波场表达式，得到正演模拟局部平面波数据。

作为本发明的一个实施例，成像结果模块具体用于在多波型局部平面波域，确定所述反演观测数据及所述正演模拟局部平面波数据的数据残差，将所述数据残差的二范数作为所述目标函数。

在本实施例中，成像结果模块还具体用于对所述目标函数中数据残差做偏移，根据数据残差的偏移，利用共轭梯度算法进行迭代求解，得到所述目标函数的极小值对应的解，并将其作为弹性波成像结果。

基于与上述一种局部平面波域弹性波成像方法相同的申请构思，本发明还提供了上述一种局部平面波域弹性波成像装置。由于该一种局部平面波域弹性波成像装置解决问题的原理与一种局部平面波域弹性波成像方法相似，因此该一种局部平面波域弹性波成像装置的实施可以参见一种局部平面波域弹性波成像方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明在最小二乘偏移框架下，迭代更新弹性波成像剖面，使成像振幅趋近于地层真实的反射率，达到保幅成像的目的，并且随着迭代次数的增加，成像分辨率得到提高，串扰噪声得到压制。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

如图10所示，该电子设备600还可以包括：通信模块110、输入单元120、音频处理单元130、显示器160、电源170。值得注意的是，电子设备600也并不是必须要包括图10中所示的所有部件；此外，电子设备600还可以包括图10中没有示出的部件，可以参考现有技术。

如图10所示，中央处理器100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该中央处理器100接收输入并控制电子设备600的各个部件的操作。

其中，存储器140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且中央处理器100可执行该存储器140存储的该程序，以实现信息存储或处理等。

输入单元120向中央处理器100提供输入。该输入单元120例如为按键或触摸输入装置。电源170用于向电子设备600提供电力。显示器160用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为LCD显示器，但并不限于此。

该存储器140可以是固态存储器，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、SIM卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为EPROM等。存储器140还可以是某种其它类型的装置。存储器140包括缓冲存储器141(有时被称为缓冲器)。存储器140可以包括应用/功能存储部142，该应用/功能存储部142用于存储应用程序和功能程序或用于通过中央处理器100执行电子设备600的操作的流程。

存储器140还可以包括数据存储部143，该数据存储部143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由电子设备使用的数据。存储器140的驱动程序存储部144可以包括电子设备的用于通信功能和/或用于执行电子设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。

通信模块110即为经由天线111发送和接收信号的发送机/接收机110。通信模块(发送机/接收机)110耦合到中央处理器100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。

基于不同的通信技术，在同一电子设备中，可以设置有多个通信模块110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)110还经由音频处理器130耦合到扬声器131和麦克风132，以经由扬声器131提供音频输出，并接收来自麦克风132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器130还耦合到中央处理器100，从而使得可以通过麦克风132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器131来播放本机上存储的声音。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。