一种优化系数获取方法、装置及相关波场模拟方法、装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种优化系数获取方法、装置及相关波场模拟方法、装置，由于本发明通过判断所述当前临时系数{Bn}控制的有限差分格式的离散变量Kx(i)从0到当前离散值是否均满足第一条件，筛选出符合条件的当前临时系数{Bn}加入待选结果；通过找到当前临时系数{Bn}控制的有限差分格式的离散变量Kx(i)从0到当前离散值均满足第一条件的最大当前离散值确定精度覆盖范围，又将精度覆盖范围最大的一组当前临时系数{Bn}作为第一类优化系数{bn}，从而，在随机产生的若干组当前临时系数{Bn}中，查询出一组精度覆盖范围最大的第一类优化系数{bn}作为控制有限差分格式的优化系数，提高了低阶有限差分格式的频率响应范围，使利用优化系数控制的有限差分格式对震源点进行的地震波场模拟效果大大提高。
【专利说明】一种优化系数获取方法、装置及相关波场模拟方法、装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及地球物理勘探领域，特别涉及一种优化系数获取方法、装置及相关波场模拟方法、装置。
【背景技术】
[0002]地震波在各个时间和空间上都是变化的，在野外环境下可通过检波器获得该环境下地震波的实测震动信号，例如，放炮或敲击产生初始激励信号，放炮或敲击位置就是震源点，在地表的一些空间点或者井孔侧壁上放置检波器，获得检波器所在位置的实测震动信号。利用地震波场模拟可以获得野外检波器相同位置的模拟记录，不断的改变地震波传播速度的空间分布，最终使地震波场模拟得到的模拟记录同实测震动信号相一致，实现通过在计算机上模拟震源点周围介质中的波动现象，了解实际地下介质的属性的目的。
[0003]可见，地震波场模拟对于与波动现象有关的地震学问题研究具有重要意义，在地震勘探和地震学各工作阶段中都有重要的作用，应用于地震资料采集、处理、解释和地下资源开发工程的各个环节。高精度的地震波场模拟，有助于人们提高复杂勘探目标中地震波传播规律的认识，解决地下矿产资源勘探、开发工作中的各种问题。
[0004]地震波场模拟包括以波动方程为基础的地震勘探逆时偏移成像、全波形反演、地震波模拟等等。有限差分法将波动方程中波场函数的空间偏导数和时间偏导数用相应空间和时间的差分来代替，是实现地震波场模拟的主要方法之一，例如:
[0005]以波动方程的二阶空间偏导数的有限差分离散为例，对某连续函数f(x)的二阶空间偏导数进行有限差分法离散，实际上是在X = ο位置进行如下的泰勒展开:
【权利要求】
1.一种优化系数获取方法，其特征在于，包括初始化步骤、计算步骤、检验步骤、获取步骤、干扰步骤和输出步骤:所述初始化步骤包括:设置误差限T的值；设置当前离散值的初值；设置优化系数输出条件；所述计算步骤包括:随机产生至少一组当前临时系数{BJ，其中劣< Bn<Bl次为Bn预设的浮动上限，《为8?预设的浮动下限，其中所述当前临时系数{Bn}中^的个数由有限差分格式具体采用的阶数N决定；所述检验步骤包括:判断所述当前临时系数{Bn}控制的有限差分格式的离散变量Kx(i)从0到当前离散值是否均满足第一条件；其中，所述第一条件具体为理想值与实际值之间的差值E小于或者等于预设的误差限T，所述理想值具体为第一类方程的空间偏导数的傅里叶变换的结果(jKx(i))c,所述实际值具体为所述第一类方程的空间偏导数在利用当前临时系数^控制的有限差分格式的傅里叶变换在离散变量Kx(i)取第i个离散值时的结果，所述离散变量&(1)的离散值的范围为O^Kx(i) < Ji，C为所述第一类方程的空间偏导数的阶数，= 为虚数单位；如果满足第一条件，进入所述获取步骤；如果不满足第一条件，进入所述干扰步骤；所述获取步骤包括:将所述当前临时系数{Βη}加入第一类待选结果；根据判断所述当前临时系数{Βη}控制的有限差分格式的离散变量Kx(i)从0到当前离散值是否均满足第一条件，获取所述当前临时系数{BJ的精度覆盖范围，所述精度覆盖范围具体为所述当前临时系数{BJ控制的有限差分格式的离散变量Kx(i)取所述精度覆盖范围内的任意离散值均满足第一条件的最大离散值；所述干扰步骤包括:判断优化系数输出条件是否满足；如果优化系数输出条件未满足，将所述当前临时系数{Bn}在当前基础上进行调整，所述当前临时系数{BJ调整后的值不超过{BJ预设的浮动上限和下限，更新所述当前临时系数{BJ为当前临时系数{BJ调整后的值，进入所述检验步骤；如果优化系数输出条件满足，进入所述输出步骤；所述输出步骤包括:将第一类待选结果中精度覆盖范围最大的当前临时系数{BJ作为第一类优化系数{bn}。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述计算步骤中随机产生一组当前临时系数{BJ ；在所述计算步骤之后，进入检验步骤之前，还包括:将当前临时系数{BJ的值在当前基础上进行调整，调整后的值不超过{BJ预设的浮动上限和下限，获得调整后临时系数{Bn/ };所述前一临时系数{Bn" }等于当前临时系数{BJ ；所述当前临时系数{Bn}等于所述调整后临时系数{Bn' }；在所述获取步骤中，还包括:所述前一临时系数{Bn" }等于当前临时系数{BJ ；所述初始化步骤还包括:设置温度初值A，设置降温速率α，设置温度最小值& ；所述检验步骤中，如果不满足第一条件，进入所述干扰步骤之前，还包括:判断接受当前解的概率
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算步骤还包括:设置当前离散值为无解状态；所述获取步骤还包括:设置当前离散值为有解状态，判断是否所述当前离散值< η，如果是，将所述当前离散值增加一个离散间隔作为当前离散值，重新进入所述计算步骤，如果否，进入所述输出步骤；所述干扰步骤中，如果优化系数输出条件满足，进入所述输出步骤之前还包括:如果所述Α小于等于&，则判断是否所述当前离散值< π，如果所述当前离散值< π，并且当前离散值为有解状态，则将所述当前离散值增加一个离散间隔作为当前离散值，重新进入所述计算步骤；如果所述当前离散值> η或者当前离散值为无解状态，进入所述输出步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括:通过计算所述第一类方程的空间偏导数的傅里叶变换的结果(jKx(i))e与所述第一类待选结果中每个当前临时系数{BJ控制的有限差分格式的傅里叶变换在离散变量Kx(i)取精度覆盖范围内每个离散值时的结果之差，获得第一类待选结果中每个当前临时系数{Bn}控制的有限差分格式的傅里叶变换在离散变量Kx(i)取精度覆盖范围内每个离散值时的误差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将第一类待选结果中精度覆盖范围最大的当前临时系数{Bn}作为第一类优化系数{bn}，具体为将第一类待选结果中精度覆盖范围最大，且误差和最小的当前临时系数{BJ作为第一类优化系数{bn}；所述当前临时系数{Bn}的误差和通过计算所述第一类待选结果中每个当前临时系数{BJ控制的有限差分格式的傅里叶变换在离散变量Kx(i)取精度覆盖范围内每个离散值时的误差之和获得。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括:当所述第一类方程为一阶偏微分方程，所述有限差分格式不是交错网格有限差分时，限定第一类优化系数{bn}满足优化条件，所述优化条件包括:限定所述当前临时系数{BJ包括第一类临时系数{B_m}、中间临时系数仏和第二类临时系数{BJ， 其中m>0 ;限定所述第一类临时系数{B_m}和第二类临时系数{BJ以中间临时系数仏为中心奇对称；限定所述第一类临时系数{B_m}和第二类临时系数{BJ中，相邻系数相乘结果为负数；限定所述当前临时系数{Bn}的总和为0 ;限定所述第一类临时系数{B_m}和第二类临时系数{BJ中，越邻近中间临时系数仏的系数的绝对值越大；当所述第一类方程为二阶偏微分方程，所述有限差分格式不是交错网格有限差分时，限定第一类优化系数{bn}满足优化条件，所述优化条件包括:限定所述当前临时系数{BJ包括第一类临时系数{B_m}、中间临时系数仏和第二类临时系数{Bm}，其中m>0 ;限定所述第一类临时系数{B_m}和第二类临时系数{BJ以中间临时系数仏为中心偶对称；限定所述第一类临时系数{B_m}和第二类临时系数{BJ中，相邻系数相乘结果为负数；限定所述当前临时系数{Bn}的总和为0 ;限定所述第一类临时系数{B_m}和第二类临时系数{BJ中，越邻近中间临时系数仏的系数的绝对值越大。当所述第一类方程为一阶偏微分方程，所述有限差分格式是交错网格有限差分时，限定第一类优化系数{bn}满足优化条件，所述优化条件包括:限定所述当前临时系数{BJ包括第一类临时系数{B_m+1}、中间临时系数&和第二类临时系数{BJ，其中m> 1 ；限定所述第一类临时系数{B_m+1}和第二类临时系数{BJ以中间临时系数&为中心奇对称；限定所述第一类临时系数{B_m+1}和第二类临时系数{BJ中，相邻系数相乘结果为负数；限定所述第一类临时系数{B_m+1}和第二类临时系数{BJ中，越邻近中间临时系数&的系数的绝对值越大。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述第一类方程为一阶或二阶偏微分方程，所述有限差分格式不是交错网格有限差分时，所述计算步骤的随机产生至少一组当前临时系数{Bn}，具体通过以下步骤产生:对应每个待求的第二类临时系数Bm各分配一个第一类随机数rm，其中1 ；根据
8.根据权利要求1到7任意所述的方法，其特征在于，所述优化系数输出条件具体为重新进入干扰步骤的次数超过预设的干扰次数阀值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限差分格式不是交错网格有限差分时，所述预设的误差限τ具体为0.0001。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限差分是交错网格有限差分时，所述预设的误差限τ具体为0.00005。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第一类方程为一阶偏微分方程，所述有限差分格式不是交错网格有限差分时，所述判断当前临时系数{Bn}控制的有限差分格式的离散变量Kx(i)从0到当前离散值，是否均满足第一条件，具体利用以下目标函数进行判断:
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第一类方程具体为一阶偏微分方程，所述有限差分不是交错网格有限差分时，用于控制4阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_2，b_1; b0, b1； b2，其中0.083.4 ≤ b_2 ≤ 0.1985，-0.1985 ≤ b2 ≤-0.0834 ；用于控制6阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_3，b_2，b_1； b0, b1； b2，b3，其中-0.0357 ( b_3 ( -0.0167,0.1501 ( b_2 ( 0.2912，-0.2912 ≤ b2 ≤-0.1501，.0.0167 ≤ b3 ≤ 0.0357 ；用于控制8阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_4, b_3, b_2, b_1； b0, b1； b2, b3,b4，其中 0.0036 ( b_4 ( 0.0097,-0.0669 ( b_3 ( -0.0381,0.2001 ( b_2 ( 0.3698,-0.3698≤ b2 ≤-0.2001,0.0381 ≤ b3 ≤ 0.0669, -0.0097 ≤ b4 ≤-0.0036 ；用于控制10阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b3, b4, b5，其中-0.0078 ( b_5 ( _0.0008,0.01 ( b_4 ( 0.0299，_0.1337 ( b_3 ( _0.0596，0.2381 ^b_2^0.3325,-0.3325 ^ b2 ^-0.2381,0.0596 ^b3 ^0.1337,-0.0299 ^ b4 ^ -0.01，0.0008 ≤ b5 ≤ 0.0078 ；用于控制12阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_6, b_5, b_4, b_3, b_2, b_1； b0,bplvlvlvlvlv 其中 0.0001 ( b_6 ( 0.0071,-0.0148 ( b_5 ( -0.0026,0.0179 ( b_4 (0.0588,-0.1527 ( b_3 ( -0.0794，0.2679 ( b_2 ( 0.3766,-0.3766 ≤ b2 ≤-0.2679,0.0794≤ b3 ≤ 0.1527,-0.0588 ≤ b4 ≤ _0.0179,0.0026 ≤ b5 ≤ 0.0148,-0.0071 ≤ b6 ≤ _0.0001 ；当所述第一类方程具体为一阶偏微分方程，所述有限差分是交错网格有限差分时，用于控制4阶交错网格的有限差分格式的第一类优化系数bn具体为，其中0.04167 ( b_! ( 0.0913，-0.0913 ≤ b2 ≤-0.04167 ；用于控制6阶交错网格的有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_2，b_1; b1； b2，b3,其中-0.0761 ( b_2 ( -0.0047,0.0652 ( ( 0.1820，-0.1820 ≤ b2 ≤-0.0652，0.0047 ^ b3 ^ 0.0761 ；用于控制8阶交错网格的有限差分格式的第一类优化系数bn具体为bfbfb+bplvb3, b4，其中 0.0007 ( b_3 ( 0.0034，_0.0188 ( b_2 ( _0.0096,0.0798 ( ( 0.1465,-0.1465 ≤ b2 ≤-0.0798,0.0096 ≤ b3 ≤ 0.0188，-0.0034 ≤ b4 ≤-0.0007 ；用于控制10阶交错网格的有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_4，b_3，b_2，b_1;1^，132，133，134，135，其中-0.0088 ≤ b_4 ≤-ο.0002,0.0018 ≤ b_3 ≤ 0.0084,-0.0139 ^ b_2 ^-0.0298,0.0898 ( ( 0.1969,-0.1969 ≤ b2 ≤-0.0898,0.0139 ≤ b3 ≤ 0.0298,-0.0084 ( b4(-0.0018,0.0002 ^ b5 ^ 0.0088 ；用于控制12阶交错网格的有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_5，b_4，b_3，b_2，b_1,b1,b2,b3,b4,b5,b6,Jt^ 0.0002 ( b_5 ( 0.009,-0.0046 ( b_4 ( -0.0004,0.0030 ( b_3(0.0979,-0.0599 ( b_2 ( -0.0175,0.0970 ( ( 0.1953,-0.1953 ≤ b2 ≤-0.0970,0.0175 ≤ b3 ≤ 0.0599,-0.0979 ≤ b4 ≤-0.0030,0.0004 ≤ b5 ≤ 0.0046,-0.009 ≤ b6 ≤-0.0002 ；当所述第一类方程具体为二阶偏微分方程，，所述有限差分不是交错网格有限差分时，用于控制4阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_2，b_1; b0, b1； b2，其中-0.1648 ( b_2 ( -0.0834，-0.1648 ≤ b2 ≤-0.0834 ；用于控制6阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_3，b_2，b_1； b0, b1； b2，b3，其中 0.0112 ( b_3 ( 0.0373，-0.3018 ( b_2 ( -0.1510，-0.3018 ≤ b2 ≤-0.1510，0.0112 ≤ b3 ≤ 0.0373 ；用于控制8阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_4, b_3, b_2, b_1； b0, b1； b2, b3,b4，其中-0.0086 ^ b_4 ^ -0.0018,0.0254 ^ b_3 ^ 0.0585,-0.3855 ^ b_2 ^ -0.2001,-0.3855≤ b2 ≤-0.2001,0.0254 ≤ b3 ≤ 0.0585，-0.0086 ≤ b4 ≤-0.0018 ；用于控制10阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_5，b_4，b_3，b_2，b_1; b0, b1；b2，b3，b4，b5，其中 0.0004 ( b_5 ( 0.0038,-0.0188 ( b_4 ( -0.0050,0.0397 ( b_3 ( 0.083.7，-0.4826 ( b_2 ( -0.2384，-0.4826-0.2384，0.0397 ≤b3≤0.0837，-0.01880.0050,0.0004 ≤ b5 ≤ 0.0038 ；用于控制12阶有限差分格式的第一类优化系数bn具体为b_6, b_5, b_4, b_3, b_2, b_1； b0,1≤，132，133，134，135，136，其中-0.0037 ≤b_6≤-0.0007,0.0011 ≤ b_5<0.0077,-0.0327 ≤ b_4 ≤-0.0090,0.0530 ( b_3 ( 0.1128,-0.3927 ( b_2 ( -0.2679,-0.3927 ≤ b2 ≤ -0.2679,0.0530 ≤ b3 ≤ 0.1128, -0.0327 ≤ b4 ≤-0.0090,0.0011 ≤ b5 ( 0.0077, -0.0037 ≤ b6 ≤-0.0007。
13.一种优化系数获取装置，其特征在于，该装置包括:初始化单元:用于设置误差限T的值，设置当前离散值的初值，设置优化系数输出条件；计算单元:用于随机产生至少一组当前临时系数{BJ，其中祀,現为Bn预设的浮动上限，式为8?预设的浮动下限，其中所述当前临时系数{BJ中匕的个数由有限差分格式具体采用的阶数N决定；检验单元:用于判断所述当前临时系数{Bn}控制的有限差分格式的离散变量Kx(i)从0到当前离散值是否均满足第一条件；其中，所述第一条件具体为理想值与实际值之间的差值E小于或者等于预设的误差限T，所述理想值具体为所述第一类方程的空间偏导数的傅里叶变换的结果(jKx(i))c,所述实际值具体为所述第一类方程的空间偏导数在利用当前临时系数≤控制的有限差分格式的傅里叶变换在离散变量&(1)取第i个离散值时的结果，所述离散变量&(1)的离散值的范围为0≤Kx(i) < ji’C为所述第一类方程的空间偏导数的阶数，
14.一种基于优化系数的地震波场模拟方法，其特征在于，包括:获取震源点激发的波动数据，所述震源点激发的波动数据至少包括模型介质的波动速度、震源点空间坐标和震源点时间坐标；获取震源点激发的地震波场模拟涉及的第一类方程；将所述震源点激发的波动数据作为所述第一类方程的输入数据，应用如权利要求1到12所述一种优化系数获取方法获取的第一类优化系数{bn}控制有限差分格式对震源点激发的地震波场进行模拟。
15.一种基于优化系数的地震波场模拟装置，其特征在于，包括:预处理单元:用于获取震源点激发的波动数据，所述震源点激发的波动数据至少包括模型介质的波动速度、震源点空间坐标和震源点时间坐标；获取震源点激发的地震波场模拟涉及的第一类方程；模拟单元:用于将所述震源点激发的波动数据作为所述第一类方程的输入数据，应用如权利要求1到12所述一种优化系数获取方法获取的第一类优化系数{bn}控制有限差分格式对震源点激发的地震 波场进行模拟。
【文档编号】G01V1/28GK103675905SQ201210343161
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月14日 优先权日:2012年9月14日
【发明者】张金海, 姚振兴 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所