一种基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法

1.本发明属于地震勘探技术领域，具体涉及一种震源子波和地下介质速度的交错迭代反演方法，以在地下速度模型不准情况下开展高精度震源子波估计的方法。


背景技术：

2.震源子波估计是地震数据反演、成像和解释等阶段的关键环节之一。常规震源子波估计方法基于褶积模型，即将地震记录看作是震源子波与地下反射系数序列的褶积，通过线性反演或统计学方法可以获得震源子波估计。但是，基于褶积模型的震源子波估计仅适用于叠后地震数据，且忽略了多次波等复杂反射信息。因此，得到的震源子波对于基于波动方程的反演和成像来说，并不十分适用。
3.震源子波是波动方程正演模拟的初始条件，其准确性直接影响反演与成像的最终结果。当前，在进行全波形反演与逆时偏移成像等基于波动方程的处理时，通常是根据直达波或反射格林函数等估计震源子波。利用直达波估计震源子波的主要优势是计算量小，且对近道数据拟合很好。但是，当浅层速度不准时，基于直达波全波形反演的震源子波估计方法将导致明显的误差。基于此，急需研发一种在速度误差情况下仍然能获得高精度震源子波估计的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于，提供一种利用近道直达波数据进行高精度震源子波估计的方法，以解决在速度误差情况下仍然能获得高精度震源子波估计的问题。以近道直达波全波形信息拟合作为目标函数，开展震源子波和地下介质速度参数的交错迭代全波形反演更新，实现在速度模型存在误差情况下的高精度震源子波估计。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.首先，对地震数据进行必要的预处理，确定反演使用的初始震源子波和初始速度模型；然后，利用当前震源子波和速度模型进行正演模拟，获取当前迭代的模拟直达波数据，并计算当前迭代的目标函数；计算震源子波反演的伴随源和伴随波场，获得震源子波反演的梯度；选择合适的步长，对震源子波进行更新；判断震源子波更新停止条件，如果满足则更新速度，如果不满足，则继续更新子波；使用当前震源子波和当前速度模型，计算模拟直达波数据，并计算目标函数值；计算速度反演的伴随源和伴随波场，计算速度反演的梯度；选择合适的更新步长，对速度模型进行更新；判断速度反演停止条件，如果满足则进行下一步判断，如果不满足，则继续更新速度模型；进行整体迭代停止条件判断，如果满足，则输出震源子波估计结果，如果不满足，则继续开始更新震源子波。
7.一种基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法，包括以下步骤：
8.a、对原始地震数据进行规则化、去噪、直达波截取等预处理；
9.b、确定反演所用的初始速度模型，选择零向量作为初始震源子波；
10.c、公式(2)所示目标函数为震源子波反演和速度反演的公共目标函数
[0011][0012]
其中，σ为目标函数值，ns和nr分别为震源和检波点总数，u和d分别表示模拟直达波数据和观测直达波数据；
[0013]
d、在当前速度模型上，利用当前震源子波计算模拟直达波数据，根据公式(2)计算当前迭代的目标函数；
[0014]
e、根据公式(3)计算震源子波反演的伴随源，根据公式(4)计算震源子波反演的梯度；
[0015]
a＝u-d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0016][0017]
其中，a表示伴随源，s表示震源函数，s表示震源矩阵，上角标t表示转置，l表示波动方程正演算子，其逆l-1
表示波动方程反传算子；
[0018]
f、选择合适的更新步长，对震源子波进行更新；
[0019]
g、判断震源子波更新停止条件，如果满足，则执行第h步；如果不满足，则执行第d步；
[0020]
h、使用当前震源子波，在当前速度模型上计算模拟直达波数据，根据公式(1)计算速度反演的目标函数值；
[0021]
i、根据公式(3)计算速度反演的伴随源，根据公式(5)计算速度反演的梯度；
[0022][0023]
其中，v代表速度，v0代表背景速度，u代表震源正传波场，t表示时间；
[0024]
j、选择合适的更新步长，对速度模型进行更新；
[0025]
k、判断速度反演停止条件，如果满足，则执行第l步；如果不满足，则执行第h步；
[0026]
l、判断整体迭代停止条件，如果满足，则输出震源子波估计结果；如果不满足，则执行第d步。
[0027]
进一步地，步骤b，所述初始速度模型的表达式可以写为(1)式
[0028]
v0(i)＝v
min
+(i-1)*(v
max-v
min
)/(n-1)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0029]
其中，v0为初始速度模型值，v
min
和v
max
分别为速度分析得到的最小和最大速度，i为模型纵向网格坐标，n为模型纵向最大网格点数。选择零向量作为初始震源子波。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0031]
本发明在直达波全波形反演框架下实现了震源子波和速度模型的迭代更新，解决了速度模型不准情况下的高精度震源子波估计问题。直达波全波形反演充分利用了地震波场的运动学和动力学信息，保证了高分辨率的震源子波估计；在反演过程中不断进行基于直达波全波形反演的速度更新，有效校正了速度不准对震源子波估计的影响；震源子波和速度模型的交替全波形反演可以实现在初始速度模型不准情况下的高精度震源子波估计。
[0032]
本发明有以下特点：
[0033]
1、本方法只用到了近道直达波地震数据，所需反演的记录时间短且模型深度小，
算法整体具有较高计算效率；
[0034]
2、本方法采用震源子波反演和速度反演交替进行，可以在初始速度模型不准情况下实现高精度的震源子波估计；
[0035]
3、本方法在全波形反演框架下进行震源子波估计，充分利用了波场的运动学和动力学信息，保证了反演结果的精度和分辨率；
[0036]
4、本方法无需震源子波先验信息，在反演中实质上以逆时传播震源子波估计作为初始子波，可以稳健地实现高精度震源子波估计。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
[0038]
图1本发明所述的基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法的流程图；
[0039]
图2a真实速度模型；
[0040]
图2b初始速度模型。
[0041]
图3a真实震源子波；
[0042]
图3b初始震源子波；
[0043]
图4a震源子波直接反演结果；
[0044]
图4b第1次交错迭代震源子波反演结果；
[0045]
图4c第2次交错迭代震源子波反演结果；
[0046]
图4d第3次交错迭代震源子波反演结果；
[0047]
图4e第4次交错迭代震源子波反演结果；
[0048]
图5a直接反演震源子波抽炮归一化显示；
[0049]
图5b交错迭代震源子波反演抽炮归一化显示。
具体实施方式
[0050]
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
[0051]
本发明所述的基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法是通过matlab平台实现的，本发明基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法，包括以下步骤：
[0052]
1、在win7或linux系统下安装matlab软件平台，要求采用matlab r2016a及以上版本。并且已配备并行工具包(parallel computing toolbox)。
[0053]
2、进行数据预处理。对原始背景噪声数据进行规则化、去噪、直达波截取等预处理。
[0054]
3、通过速度分析，得到模型速度的最大和最小值，生成一个在速度范围内，随深度逐渐递增的线性梯度模型，作为反演的初始速度模型。初始速度模型的表达式可以写为(1)式
[0055]
v0(i)＝v
min
+(i-1)*(v
max-v
min
)/(n-1)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0056]
其中，v0为初始速度模型值，v
min
和v
max
分别为速度分析得到的最小和最大速度，i
为模型纵向网格坐标，n为模型纵向最大网格点数。选择零向量作为初始震源子波。
[0057]
4、公式(2)所示目标函数为震源子波反演和速度反演的公共目标函数
[0058][0059]
其中，σ为目标函数值，ns和nr分别为震源和检波点总数，u和d分别表示模拟直达波数据和观测直达波数据。
[0060]
5、在当前速度模型上，利用当前震源子波计算模拟直达波数据，根据公式(2)计算当前迭代的目标函数。
[0061]
6、根据公式(3)计算震源子波反演的伴随源，根据公式(4)计算震源子波反演的梯度；
[0062]
a＝u-d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0063][0064]
其中，a表示伴随源，s表示震源函数，s表示震源矩阵，上角标t表示转置，l表示波动方程正演算子，其逆l-1
表示波动方程反传算子。
[0065]
7、选择合适的更新步长，对震源子波进行更新。
[0066]
8、判断震源子波更新停止条件，如果满足，则执行第9步；如果不满足，则执行第5步。
[0067]
9、使用当前震源子波，在当前速度模型上计算模拟直达波数据，根据公式(2)计算速度反演的目标函数值。
[0068]
10、根据公式(3)计算速度反演的伴随源；根据公式(5)计算速度反演的梯度，即速度反演梯度为震源正传波场与伴随源反传波场的零延迟互相关；
[0069][0070]
其中，v代表速度，v0代表背景速度，u代表震源正传波场，t表示时间。
[0071]
11、选择合适的更新步长，对速度模型进行更新。
[0072]
12、判断速度反演停止条件，如果满足，则执行第13步；如果不满足，则执行第9步。
[0073]
13、判断整体迭代停止条件，如果满足，则输出震源子波估计结果；如果不满足，则执行第5步。
[0074]
实施例1
[0075]
本发明的整体流程如图1所示。
[0076]
采用的真实速度模型如图2a所示，为marmousi速度模型，地表没有水层，以模拟陆地采集情况下的速度模型；采用的初始速度模型为真实速度模型的平滑结果，在模型浅部初始速度与真实速度具有明显差异，便于验证本发明方法的有效性。采用的真实震源子波如图3a所示，为10hz主频雷克子波；采用的初始震源子波如图3b所示，为零向量。总共采用48个震源均匀分布于模型表面，每个真实震源都具有相同的震源函数，如图3a所示。
[0077]
首先，利用直达波全波形反演直接对震源子波进行反演，结果如图4a所示。可见，反演获得的48个震源函数横向存在明显变化，这种横向不一致是由于速度误差导致的震源
子波估计误差。然后，采用本发明提出的震源子波和速度的交错迭代反演，第1次、第2次、第3次、第4次交错迭代反演结果分别如图4b、图4c、图4d和图4e所示，可见，随着交错迭代进行，震源子波反演结果的横向一致性越来越好，这说明速度误差的影响在逐步被校正。对反演结果进行抽炮归一化显示，如5a和图5b分别为直接反演震源子波的一炮结果和交错迭代震源子波反演的一炮结果，蓝线和红线分别表示真实震源子波和子波估计结果。可见，本发明提出反演方法能够得到振幅和相位更为准确的震源子波估计结果。因此，本发明方法可以在地下速度模型存在误差条件下获得震源子波的高精度反演结果。
[0078]
本发明一种基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法，核心步骤是在直达波全波形反演框架下进行震源子波和地下速度的交错迭代反演。利用直达波全波形反演降低了反演的非线性程度，且保证了算法整体的高效性；在全波形反演框架下进行震源子波反演，能够充分利用波场的运动学和动力学信息，保证反演结果的精度和分辨率；采用震源子波和地下速度交错反演，可以在反演中校正速度误差对震源子波估计的影响，从而在初始速度模型存在误差情况下实现高精度的震源子波估计。
[0079]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

技术特征：
1.一种基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法，其特征在于，包括以下步骤：a、对原始地震数据进行规则化、去噪、直达波截取预处理；b、确定反演所用的初始速度模型，选择零向量作为初始震源子波；c、公式(2)所示目标函数为震源子波反演和速度反演的公共目标函数其中，σ为目标函数值，ns和nr分别为震源和检波点总数，u和d分别表示模拟直达波数据和观测直达波数据；d、在当前速度模型上，利用当前震源子波计算模拟直达波数据，根据公式(2)计算当前迭代的目标函数；e、根据公式(3)计算震源子波反演的伴随源，根据公式(4)计算震源子波反演的梯度；a＝u-d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，a表示伴随源，s表示震源函数，s表示震源矩阵，上角标t表示转置，l表示波动方程正演算子，其逆l-1
表示波动方程反传算子；f、选择合适的更新步长，对震源子波进行更新；g、判断震源子波更新停止条件，如果满足，则执行第h步；如果不满足，则执行第d步；h、使用当前震源子波，在当前速度模型上计算模拟直达波数据，根据公式(1)计算速度反演的目标函数值；i、根据公式(3)计算速度反演的伴随源，根据公式(5)计算速度反演的梯度；其中，v代表速度，v0代表背景速度，u代表震源正传波场，t表示时间；j、选择合适的更新步长，对速度模型进行更新；k、判断速度反演停止条件，如果满足，则执行第l步；如果不满足，则执行第h步；l、判断整体迭代停止条件，如果满足，则输出震源子波估计结果；如果不满足，则执行第d步。2.根据权利要求1所述的一种基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法，其特征在于：步骤b，所述初始速度模型的表达式可以写为(1)式v0(i)＝v
min
+(i-1)*(v
max-v
min
)/(n-1)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，v0为初始速度模型值，v
min
和v
max
分别为速度分析得到的最小和最大速度，i为模型纵向网格坐标，n为模型纵向最大网格点数。选择零向量作为初始震源子波。

技术总结
本发明涉及一种基于全波形反演的地震数据震源子波估计方法，该方法在直达波全波形反演框架下，通过震源子波反演与速度反演的交错进行，实现高精度的震源子波估计。在全波形反演框架下开展技术，充分考虑了波场的运动学和动力学特征，保证了反演结果的精度与分辨率；利用直达波信息，降低了反演的非线性，且保证了反演算法的计算效率；将震源子波与速度交错反演作为核心环节，有效避免了速度误差对震源子波估计的影响。本发明方法可以在浅层速度存在误差情况下，利用直达波全波形反演对震源子波进行高效高精度估计。波进行高效高精度估计。波进行高效高精度估计。


技术研发人员：张盼 张栋浩 韩立国 孙章庆 钟国梁
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/25