一种用于进行表面多次波正演的方法和装置与流程

本公开涉及地震勘探领域，更具体地，涉及一种用于进行表面多次波正演的方法和一种用于进行表面多次波正演的装置。
背景技术：
：在地震勘探中，一次反射波在遇到某些反射系数较大的界面时会被再次反射，从而可形成多次波。在诸如海上地震勘探的一些勘探过程中，上行波经表面(例如海面)反射产生的表面多次波的能量非常强，常常和一次反射波(可简称为一次波)叠合在一起，严重影响了一次波成像的精度和地震解释工作。然而近些年来，随着技术的发展，多次波自身携带的一些地质元素信息逐渐被挖掘出来，在某些情况下多次波可以提供常规一次波信号所缺乏的信息，并作为一次反射波的补充。例如，近些年提出的多次波成像技术就是利用多次波的这种特性来改善成像质量以及扩大照明范围。多次波正演模拟方法有助于更好地认识多次波的传播特性，用于解决地球物理勘探中的多次波问题。通过常规正演方法获得的波场信息中通常包括一次波和多次波，需要使用复杂的波场分离技术才能将多次波从中分离出来。因此，学者们尝试着寻找一种能直接正演得到多次波的方法。有人基于波前重构的思路，利用修改的程函方程对鬼波和层间多次波进行正演，实现复杂且无法应用于表面多次波的计算；有人通过引入非线性褶积模型以实现一维情况下层间多次波的正演；还有人对多次波射线路径进行分析以实现多次波的振幅特征模拟等等。上述方法基本都是基于高频射线理论，仅适用于简单的速度模型，难以应用于较为复杂的速度模型。对于一些较为复杂的速度模型(例如海底以下地层复杂变化的速度模型)，目前通常是先基于该速度模型进行正演以得到含有一次波和多次波的数据，然 后改变模型的约束条件再次进行正演以得到不含表面多次波的数据，将两次得到的数据相减其残差即为表面多次波。这种分步正演法可用于计算复杂速度模型下的表面多次波，但其需要进行两次正演再相减，计算量较大，实现过程复杂。发明人意识到，得到一种较为方便地能直接得到表面多次波的方法是非常有必要的。技术实现要素：本公开提出了一种能够应用于复杂速度模型的直接得到表面多次波的方法。本公开还提出了相应的装置。根据本公开的一方面，提出了一种用于进行表面多次波正演的方法，该方法包括：确定第一速度模型；将第一速度模型中从第一边界至第一边界一侧的预定界面的部分以镜像对称的方式延拓至该第一边界的另一侧，延拓部分具有与所述预定界面相对于第一边界镜像对称的第二边界，并且延拓部分与初始的第一速度模型一起构成第二速度模型；设置第二边界的边界条件；以及基于第二速度模型和所述边界条件进行正演以得到第一速度模型中的表面多次波，其中，第一速度模型中的第一边界和所述预定界面之间的表面多次波以镜像对称的方式映射到第二速度模型中的一次波的传播路径上。根据本公开的另一方面，提出了一种用于进行表面多次波正演的装置，该装置包括：第一模型单元，用于确定第一速度模型；第二模型单元，用于将第一速度模型中从第一边界至第一边界一侧的预定界面的部分以镜像对称的方式延拓至该第一边界的另一侧，延拓部分具有与所述预定界面相对于第一边界镜像对称的第二边界，并且延拓部分与初始的第一速度模型一起构成第二速度模型；边界条件单元，用于设置第二边界的边界条件；以及正演单元，用于基于第二速度模型和所述边界条件进行正演以得到第一速度模型中的表面多次波，其中，第一速度模型中的第一边界和所述预定界面之间的表面多次波以镜像对 称的方式映射到第二速度模型中的一次波的传播路径上。通过本公开的各方面，可对初始速度模型(第一速度模型)中表面多次波的传播区域以该初始速度模型的边界为对称面进行镜像对称延拓，并且根据需要设置延拓后的新的速度模型(第二速度模型)的边界的边界条件，由于初始速度模型中的表面多次波可被等效为第二速度模型中的一次波，因此可基于该新的速度模型进行正演而直接得到表面多次波信息。本公开所公开的方法和装置适用于多种速度模型(例如，较为复杂的速度模型)。附图说明通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。图1示出了根据本公开的一个实施例的用于进行表面多次波正演的方法的示意图。图2示出了根据本公开的一个实施例进行模型延拓的示意图。图3示出了基于初始速度模型的正演结果和基于本公开的一个示例性实施例的正演结果的对比图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。本公开公开了一种用于进行表面多次波正演的方法，该方法包括：确定第一速度模型；将第一速度模型中从第一边界至第一边界一侧的预定界面的部分 以镜像对称的方式延拓至该第一边界的另一侧，延拓部分具有与所述预定界面相对于第一边界镜像对称的第二边界，并且延拓部分与初始的第一速度模型一起构成第二速度模型；设置第二边界的边界条件；以及基于第二速度模型和所述边界条件进行正演以得到第一速度模型中的表面多次波，其中，第一速度模型中的第一边界和所述预定界面之间的表面多次波以镜像对称的方式映射到第二速度模型中的一次波的传播路径上。图1示出了根据本公开的一个实施例的用于进行表面多次波正演的方法的示意图，该方法可包括：S101，确定第一速度模型。可采用本领域技术人员所知的任何适合用于待研究对象的速度模型作为第一速度模型。例如，对于海面多次波，可采用国际常用的SMAART速度模型。S102，以镜像对称的方式延拓第一速度模型以得到第二速度模型。延拓可以通过以下方式来实现：将第一速度模型中从第一边界至第一边界一侧的预定界面的部分以镜像对称的方式延拓至该第一边界的另一侧，延拓部分具有与预定界面相对于第一边界镜像对称的第二边界，并且延拓部分与初始的第一速度模型一起构成第二速度模型。此处将参考图2所示的示例对本公开中的模型延拓进行介绍。需要说明的是，图2所示的示例仅用于进行示例性说明以使描述更为简要，该示例不用于以任何方式对本公开进行限制。图2中界面L1下方的速度模型可被视为所确定的第一速度模型，界面L1为第一速度模型的边界(第一边界)。感兴趣的表面多次波可以在界面L1和界面L2之间传播。例如，在海上地震勘探中，通常可以将海面作为界面L1，将海底作为界面(预定界面)L2，根据海底之下的地质构造可设置相应的界面L3、L4等。为了便于操作和观测，可将震源P布置在界面L1上，将检波点D1布置在界面L2上。可以以界面L1为对称面，将从界面L1至界面L2的部分以镜像对称的方式 延拓到界面L1的另一侧(如图2中长虚线所示部分)。本领域技术人员应当理解的是，本公开中的镜像对称不仅包括对位置信息的镜像对称，还包括对属性信息的镜像对称，即位于镜像对称位置的介质具有相同的属性参数，例如，位于镜像对称位置的介质可具有相同的弹性参数、密度参数等。延拓部分具有与界面L2互为镜像对称的界面L0(第二边界)。延拓部分和初始的第一速度模型一起构成第二速度模型，界面L0为第二速度模型的边界。回到图1，S103，设置第二边界的边界条件。本领域技术人员可根据需要设置第二边界的边界条件。例如，通常分析中只关心能量较强的表面二次波，而忽略能量远小于表面二次波的三次波、四次波等，因此可将边界L0的边界条件设置为吸收边界条件(例如完全匹配层(PML)吸收边界条件)以便于计算。L0的边界条件也可被设置为本领域技术人员认为适用的其他任何类型的边界条件(例如反射边界条件等)。S104，基于第二速度模型和所设置的边界条件进行正演，以直接得到第一速度模型中的表面多次波，其中第一速度模型中的第一边界和所述预定界面之间的表面多次波以镜像对称的方式映射到第二速度模型中的一次波的传播路径上。继续以图2为示例进行介绍，在该示例性示例中，震源P可布置于界面L1上，检波点D1可布置于界面L2上。震源P发出的波到达界面L3的Q点后被反射回L1的M点，然后再次反射至界面L2的检波点D1处，从而形成从界面L1至界面L2的表面多次波(MD1)。由于该模型中，从界面L1至界面L0的部分与从界面L1至界面L2的部分是相对于界面L1镜像对称的，因此可将第一速度模型中从界面L1至界面L2的表面多次波(例如，MD1)以镜像对称的方式映射到第二速度模型中从界面L3至界面L0的一次波(QD1’)的路径上(例如，映射为从M至D1’)。因此，该表面多次波(例如MD1)可被视为虚拟检波点D1’所接收的一次波，而基于延拓后的第二速度模型进行正演即可直接得到该一次波的信息。例如，当边界L0被设置为吸收边界时，可认为虚拟检波点D1’所接收的信息仅包括直达波和一次波，如本领域技术人员所公知的，直达波可 以被很方便地去除，从而可直接得到第二速度模型中的一次波(即第一速度模型中的表面多次波)的信息。可构建针对第二速度模型的联合方程组，该联合方程组可包括波动方程以及用于表示界面L0的边界条件的方程，然后求解该联合方程组以进行正演。例如，所采用的波动方程可以是速度-应力形式的声波方程，也可以是本领域技术人员认为适合用于此处的其他形式的波动方程。本领域技术人员还可根据需要采用除波动方程外的其他适用的方程来表示例如波的传播路径等的信息。本公开还公开了一种用于进行表面多次波正演的装置。该装置可包括一种用于进行表面多次波正演的装置，该装置包括：第一模型单元，用于确定第一速度模型；第二模型单元，用于将第一速度模型中从第一边界至第一边界一侧的预定界面的部分以镜像对称的方式延拓至该第一边界的另一侧，延拓部分具有与所述预定界面相对于第一边界镜像对称的第二边界，并且延拓部分与初始的第一速度模型一起构成第二速度模型；边界条件单元，用于设置第二边界的边界条件；以及正演单元，用于基于第二速度模型和所述边界条件进行正演以得到第一速度模型中的表面多次波，其中，第一速度模型中的第一边界和所述预定界面之间的表面多次波以镜像对称的方式映射到第二速度模型中的一次波的传播路径上。例如，第一边界可以为海面，预定界面可以为海底。例如，为了便于操作和检测，震源可位于第一边界上，以及检波点可位于所述预定界面上。例如，基于第二速度模型和所述吸收边界条件进行正演可包括：可构建联合方程组，所述联合方程组可包括波动方程和用于表示所述第二边界的边界条件的方程；可求解所述联合方程组。例如，根据需要，所述波动方程可以为速度-应力形式的声波方程，所述边界条件可以为诸如完全匹配层吸收边界条件的吸收边界条件。应用示例为便于理解本公开实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本公开，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本公开。该示例用于在海上地震勘探中获得海面和海底之间的表面多次波的信息。可先确定适用于该系统的初始速度模型(即第一速度模型)。其中，海面可被视为初始速度模型的边界(即第一边界)，海底可被视为相应的预定界面。为便于操作和观测，可将震源布置在海面上，将检波器布置在海底。可将初始速度模型中从海面至海底的部分以镜像对称的方式延拓至海面的另一侧(与海底相反的另一侧)，延拓部分和初始速度模型一起构成新的速度模型，延拓得到的与海底镜像对称的界面可被视为新的边界。本示例中只关心表面二次波，因此新的边界的边界条件可被设置为PML吸收边界条件。可建立如下的速度-应力形式的声波方程：∂p∂t=K(∂vx∂x+∂vz∂z)∂vx∂t=1ρ·∂p∂x∂vz∂t=1ρ·∂p∂z,]]>其中P表示声压，K表示弹性参数，ρ表示密度，Vx、Vz分别表示速度在各个方向上的分量。PML吸收边界条件方程为：其中d(z)表示衰减因子。可采用有限差分算子对包括上述声波方程和PML吸收边界条件方程的联合方程组进行正演计算，具体计算格式为：{pi,jn+=pi,jn-+τ·Ki,j·[Lx-·Vxn(i+,j)+Lz-·Vzn(i,j+)]Vxn(i+,j)=Vxn-1(i+,j)+τρi+,j·Lx+(pi,jn+),]]>其中，时间域可采用二阶精度的中心差分；P和速度分量都处于不同的交错时间 点上，用角标n和n+表示；和表示交错网格下的差分格式：{Lx+·pi,jn+=1l·Σmcm·(pi+m+1,jn+-pi+m,jn+)Lx-·vxn(i+,j)=1l·Σmcm·[vxn(i++m,j)-vxn(i+-m-1,j)],]]>其中Cm表示差分系数，l表示网格步长，上述示例中，空间可采用4阶差分格式，C1＝0.6667，C2＝-0.0833，l＝10。本示例中，图3(a)为采用初始速度模型进行正演得到的结果。可以看出，其地震记录中包含直达波、一次波以及由于海面反射造成的强多次波(如黑色箭头所示)。图3(b)是采用延拓后的第二速度模型、并将延拓后的新的边界设置为PML吸收边界后正演得到的结果。利用该正演得到的结果可以直接获得第二速度模型中的直达波和一次波信息。如之前所分析的，第二速度模型中的一次波的传播路径可被视为与初始速度模型中多次波的传播路径一致，在图3(b)中第二速度模型中的一次波已被标记为“多次波”。对比图3(a)和图3(b)可以看出，基于本公开得到的多次波信息(例如走时特征)与基于初始速度模型得到的强多次波信息基本一致，而基于本公开得到多次波信息的过程显然更为简便和直接。本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压 缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方 框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的 情况下，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本
技术领域：
的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。当前第1页1 2 3