相位编码多次波逆时偏移成像_张延保.pdf
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1、第 卷 第期 年月地球物理学报 ,张延保,刘伊克,易佳 相位编码多次波逆时偏移成像地球物理学报,():,:,.(),():,:相位编码多次波逆时偏移成像张延保,刘伊克,易佳中国地震局地球物理研究所,北京 中国科学院地质与地球物理研究所,北京 中国地震灾害防御中心,北京 摘要随着勘探地质体复杂度日益增大,反射波成像面临诸多挑战,作为有潜力提升成像精度的重要补充或替代手段的多次波成像愈发受到重视然而,串扰噪声的产生阻碍了多次波成像的实际应用近年来,作为压制串扰噪声的有效技术之一,可控阶多次波成像取得了较大研究进展,但因其需重复计算各阶多次波成像结果,计算成本昂贵为此,本文引入随机相位编码技术,并与
2、多次波分阶思想结合,提出相位编码多次波逆时偏移方法:首先,对各阶多次波进行随机相位编码(含随机时间延迟与极性反转);其次,叠加编码后的各阶多次波,产生多次波超道集;最后,以编码后至()阶多次波组成的超道集为虚拟震源进行正向延拓,同时反传编码后至阶多次波所组成的超道集,并进行互相关,得到各阶多次波联合成像结果 本文所提方法能够同步使用各阶多次波,实现各阶多次波联合成像,避免各阶多次波单独进行成像,从而成倍提升计算效率 本文用两套模拟数据与一套实际数据算例对所提方法进行了测试,成像结果验证了该方法的可行性、有效性与应用前景关键词多次波成像;逆时偏移;随机相位编码 :中图分类号 收稿日期 ,收修定稿
3、基金项目国家自然科学基金项目(,)资助第一作者简介张延保,男,年生,博士,助理研究员,主要从事地震多次波成像与反演研究 :,()(),(),期张延保等:相位编码多次波逆时偏移成像 ,;引言由于存在较大波阻抗差界面,诸如海水面、海底或盐丘边界等,海上地震资料往往包含着强能量的多次波 常规偏移算法都是基于地震记录中仅含有反射波的假设,将多次波视为数据噪声,在偏移前将其压制去除(,;李鹏等,;石颖和王维红,;刘伊克等,;孙维蔷和王华忠,;,)与反射波相比,多次波沿着不同且更长的路径传播,反射角度更小,可提供额外的地下构造信息 在最近的研究中,诸多地球物理学家打破常规,将多次波视为成像有效信息,并提出
4、多种多次波成像反演方法(,;,;,;,;,;,;,;,)和 ()将原始数据看作多次波的二次震源,并在检波器处正传原始数据、反传多次波,实现了多次波的偏移 基于该成像理论,()和叶月明等()利用单程波动方程对多次波实现了偏移,而 等()实现了多次波的克希霍夫偏移 不同于上述两类偏移方法,等()将基于双程波动方程的逆时偏移引入到多次波成像,实现多次波在地下的有效归位,同时也继承了逆时偏移在复杂构造上的成像优势 进一步地,刘学建和刘伊克()实现了多次波的最小二乘逆时偏移 与上述直接利用多 次 波 进 行 偏 移 的 方 法 不 同,和 ()结合多道加权互相关与表面多次波去除算法(,)(,)将多次波转
5、换为反射波,再利用常规反射波成像方法实现了多次波偏移(刘学建等,)值得注意的是,多次波成像的研究主要聚焦于表面多次波,相关的研究理论也较为完善,而由于层间多次波传播机制极其复杂,预测与提取较为困难,目前针对其成像的研究较少 ()提出全波场偏移算法,将全波数据视为地震数据,并利用伴随方法实现了层间多次波的成像;等()提 出 针 对 层 间 多 次 波 的 成像理论;等()将逆散射级数方法预测的层间多次波当作逆时偏移的反传数据,并结合波场分离实现了层间多次波的偏移;黄建东等()对单程波偏移方法进行了拓展,提出层间多次波傅里叶有限差分偏移在利用多次波进行成像时,不相关多次波相互作用会引入大量的串扰噪
6、声(,),遮挡有效地层成像 为此,国内外研究学者提出多种多次波串扰噪声压制算法(,;,;,;,;,)最小二乘偏移算法通过将成像看作一个线性反问题,迭代更新近似正演算子的逆,以压制噪声、均衡成像轴能量、提升分辨率等(,;,)在完成多次波波恩模拟算子构建后,最小二乘偏移也可用来压制多次波成像产生的串扰噪声(,;,;,)然而,串扰噪声的产生机制特别复杂,常规多次波最小二乘逆时偏移并未对其进行特别处理,导致严重的反演多解性(,),因此,串扰噪声的压制效果并不理想(,;刘伊克等,)此外,在实施最小二乘偏移算法时,需进行多次偏移与反偏移,计算量数倍甚至数十倍于常规偏移 通过对串扰噪声的产生机制进行分析并分
7、类,等()结合多次波成像与分阶思想,提出可控阶多次波成像算法:在成像前将不同阶数多次波提取出来,并将阶、阶多次波分别当作虚震源与地震记录,应用成像条件获取阶多次波的成像结果,随后叠加各阶多次波成像结果获取最终偏移结果(地 球 物 理 学 报()卷 ,;,;,)该算法通过对正反传波场进行简化,有效地压制大部分强能量串扰噪声,然而,可控阶多次波成像技术无法实现各阶多次波联合成像,需要分别计算并进行叠加,计算效率较低 可控阶多次波成像所消耗的计算时长数倍于传统多次波成像,增加的计算量取决于偏移所考虑的多次波的最大阶数(,)此外,在获得各阶多次波成像结果后,对成像结果进行归一化叠加,一定程度上会掩盖高
8、阶多次波成像结果的细节,呈现出类似一阶多次波的最终成像结果 在可控阶多次波成像的基础上,等()进一步提取了海底相关多次波,并对其进行成像,获取了噪声压制效果更好的成像结果偏移成像的计算量与炮数呈线性关系,因此,将多个炮集组合成一个超道集,能够有效减少计算单元,成倍提升计算效率 然而,在对超道集进行偏移成像时,非相干震源波场与接收波场的相互作用会引入串扰噪声,严重降低成像结果的信噪比 为压制串扰噪声,等()在偏移成像过程中引入相位编码技术,并给出了多种编码方法 在常用的编码方法中,随机相位编码技术将随机时间延迟与随机极性反转相结合,通过挪移和离散串扰噪声,使其在成像剖面中随机展布,从而获得较好的
9、噪声压制效果(,;,;,)值得注意的是,在一般情况下随机相位编码技术的应用都限于全排列观测系统(检 波 器 固 定)(,;,),如 (垂直地震剖面)、(海底节点)对于单炮数据中的各阶多次波来讲,低阶多次波在多次波成像中被视为高阶多次波的二次震源,并且各阶多次波共用一套检波器,很自然地满足了全排列观测系统,因此,随机相位编码技术能够与多次波的分阶思想很好地结合 经研究发现,利用随机相位编码技术将各阶多次波组合成多次波超道集,然后对多次波超道集进行偏移,可同时使用各阶多次波,不但成倍提升可控阶多次波成像的计算效率,而且可以解决可控阶多次波成像所面临的成像后叠加这一难题,进而实现各阶多次波的联合成像
10、本文首先回顾了传统多次波逆时偏移的成像原理,并对串扰噪声进行了分析,然后阐述了可控阶多次波成像的基本原理以及各阶多次波的分离策略,随后介绍了多次波超道集的构建方案以及超道集逆时偏移,最后利用层状模型、模型以及实际数据算例验证了所提方法的有效性及可行性基本原理 多次波逆时偏移及串扰噪声分析与反射波逆时偏移相比,多次波逆时偏移首先将含有反射波与多次波的炮集记录替代子波震源进行正向延拓,然后用多次波替代反射波进行反传,最后互相关延拓波场,产生多次波偏移结果 上述步骤依次如公式()()所示:()(,;)(,;)(,;)(,;)(,;),()()(,;)(,;)(,;)(,;),()()(,;)(,;)
11、,()其中,表示检波器位置;表示偏移所用的总炮数;表示炮号;表示记录的最大时长;表示拉普拉斯算子;()表示偏移速度;(,;)和(,;)分别表示正向传播原始地震记录(含反射波(,;)和多次波(,;)与反向延拓多次波(,;)所产生的二次虚拟震源波场与检波点端波场;()表示在地下点处的成像结果 如图所示,在处正传反射波且在处反传一阶多次波,对延拓的两个波场进行互相关便可产生成像点;同理,在()点处,正向延拓()处所接收到的一阶(二阶)多次波,并在()处对接收到的二阶(三阶)多次波进行反传,随后应用互相关,便可进行成像图多次波逆时偏移成像原理图 在多次波逆时偏移的成像结果中,仅有正向传播的阶多次波与反
12、向传播的阶多次波的互期张延保等:相位编码多次波逆时偏移成像相关才能对多次波成像做出有效的贡献(,;,)本文将反射波视为阶多次波,并将多次波波场分解为不同阶次的多次波波场,我们可以对公式()进行展开:()(,;)(,;)(,;)(,;),(,;)(,;)(,;)(,;)(,;)(,;),()其中,表示多次波最大阶数 在公式()的求和项中,有且仅有第一个求和项才能产生有效的成像结果,其余三项求和项只形成串扰噪声(,),因此,公式()便可被分解为公式()、()两部分:()(,;)(,;),()(),(,;)(,;)(,;)(,;)(,;)(,;).()在本文中,串扰噪声被归纳为两大类,即阶数相关与同
13、相轴相关的串扰噪声(张延保,)阶数相关的串扰噪声是由反传阶多次波(检波点端)与正传阶多次波(虚拟震源端)相互作用所致,其中,也就是公式()所示的 ().如图 所示,正传处接收的反射波(阶多次波)、反传处接收的二阶多次波,其中,阶数差为,两个波场互相关导致阶数相关的串扰噪声;同理,串扰噪声是由一阶多次波(处正传)与三阶多次波(处反传)相互作用而产生的 在公式()中,最终成像结果由连续阶数多次波(正传的阶多次波与反传的阶多次波)相互作用产生,进一步地,我们可以将正、反向延拓的多次波(阶数差为)分为相干与非相干多次波成像对在相干多次波成像对中,低阶多次波经地表反射、在地下介质中传播后被检波器所记录,
14、形成相干的高阶多次波,也就是说,将阶多次波当作二次震源,经地下构造反射后,阶数升一并在地表被记录,即为相干的阶多次波 在非相干多次波成像对中,正传的低阶多次波与反传的高阶多次波传播路径未完全重合,没有因果关系 只有当相干多次波成像对在地下互相关时,才能形成准确且不含噪声的成像结果,而非相干多次波成像对的相互作用只会在成像结果中引入同相轴相关的串扰噪声,因此,()包含了准确的地下构造成像结果、同相轴相关的串扰噪声(,)如图 所示,当形成一阶多次波成像结果(反射波正传、一阶多次波反传)时,处反传的一阶多次波与处正传的反射波是相干的,两者形成准确的成像点,而其与 处正传的反射波为非相干的,两者相互作
15、用会在最终的成像结果中引入同相轴相关的串扰噪声图多次波逆时偏移中的()阶数相关与()同相轴相关的串扰噪声示意图 ()()可控阶多次波成像及多次波分阶策略串扰噪声会覆盖准确的地下构造成像结果,降低多次波成像质量,对其进行有效的压制是多次波成像走向实际应用必须解决的关键科学问题为此,等()结合多次波成像与分阶思想,提出可控阶多次波逆时偏移 在该算法中,首先,在偏移前将各阶多次波分离;随后,进行阶多次波成像地 球 物 理 学 报()卷结果的获取(阶多次波正传、阶多次波反传,);最后,叠加各阶多次波成像获取最终成像结果 对比多次波成像与可控阶多次波的成像流程,可控阶多次波成像算法仅保留了 ,即:()(
16、)(,;)(,;).()通过在成像条件中移除 ()项,可控阶多次波成像算法能够对阶数相关的串扰噪声进行有效地压制,但其仍无法避免引入同相轴相关的串扰噪声(图)该残留的串扰噪声可通过最小二乘迭代优化算法(,)或海底相关多次波成像算法(,)来进行压制可控阶多次波成像的有效实施依赖于各阶多次波的有效分离 利用常规 可以分离多次波与反射波,其在频率域中可以表示为,()其中,、表示原始地震记录、反射波、多次波矩阵;表示地表算子;,表示多次波阶数,则表示第阶多次波 常规 仅能够将反射波与所有阶多次波分离,无法提取单阶次多次波 为此,我们将 进行了拓展:?,()其中,?表示阶数的多次波数据;表示匹配滤波器
17、以一阶多次波的提取为例,首先将反射波矩阵与多次波矩阵()相乘(时间域则为褶积),获取?,随后便可将?从中匹配相减来提取一阶多次波通过重复公式()中的循环,可提取更高阶的单阶次多次波利用 对反射波和多次波进行分离是海上地震勘探重要处理流程之一 方法需要严格的炮检重合,而利用海上拖缆采集的数据中,近偏数据是缺失的,因此,需要对采集数据进行合理的数据重建与规则化(白兰淑等,)在三维数据规则化方面,由于横向上的采集数据一般比较稀疏,规则化的难度较二维数据更大(,)此外,三维 需要耗费巨大的存储量与计算量 在利用拓展的 进行各阶多次波提取时(重复公式(),匹配相减这一步骤会导致与多次波重叠在一起的反射波
18、波发生畸变或者能量损耗,进而引入累计误差,该误差会随着原始数据的信噪比变低而增大 多次波超道集构建及相位编码多次波逆时偏移虽然可控阶多次波成像能够显著地消除串扰噪声,但由于其需要单独对各阶多次波进行偏移并叠加,导致该算法的计算效率极低 为解决这一难题,本文将随机相位编码技术(,)与多次波分阶思想(,)相结合,提出相位编码多次波逆时偏移算法 随机相位编码技术的常规用法是,对多个炮集数据进行随机相位编码(随机时间延迟与极性反转)组合成一个超道集,对超道集进行处理,提升计算效率 在提取各阶多次波的基础上,本文对提取的各阶多次波进行了随机相位编码,并叠加组合成多次波超道集 具体的多次波相位编码方式如下
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