一种基于局部归一化最小平方的记录残差求取方法
【专利摘要】一种基于局部归一化最小平方的记录残差求取方法，属于地震波形反演领域，具体包括以下步骤：在基于海上单边观测系统数据实现相位编码全波形反演的过程中，对于每次迭代时求取的模拟超级记录和实际超级记录，首先在引入滑动时窗的基础上计算记录中每道每个采样点的基于局部归一化最小平方的记录残差加权值，然后利用这些加权值求取记录中各点的记录残差；模型实验结果表明本方法可有效细化每个时窗内各个模拟道与实际记录道的相关度，有效压制残差记录中的观测残差，使得残差记录能更精确地反映速度模型扰动产生的波场变化。
【专利说明】
一种基于局部归一化最小平方的记录残差求取方法
技术领域
[0001] 本发明属于地震波形反演领域，具体涉及一种应用于单边观测地震数据的相位编 码全波形反演中求取记录残差的方法。
【背景技术】
[0002] 上世纪八十年代，Tarantola等人首先基于最小平方理论提出了时间域全波形反 演方法，该方法充分利用实测地震记录的走时、振幅以及相位等信息来重建地下介质的速 度结构，理论上对于理想观测系统其精度可达到波长数量级，因此全波形反演被认为是能 够进一步提升地震勘探的油气勘探能力的重要方法，有望在未来的油气勘探中发挥重要作 用。
[0003] 经过几十年来的发展，时间域全波形反演方法在理论上和应用上都取得了长足的 进步，但超大的计算量阻碍了其在实际生产中的应用。为了提高时间域全波形反演的计算 效率，2009年，Krebs提出了基于相位编码技术的全波形反演方法，其利用相位编码技术将 所有炮合成一个超级炮集，由于应用一个超级炮集进行反演计算，因此大大提高了时间域 全波形反演的计算效率。
[0004] 相对而言，应用相位编码技术进行全波形反演（以下简称相位编码全波形反演)是 目前提升全波形反演计算效率的最为经济有效的手段，但相位编码全波形反演更适应于全 排列观测系统（即炮移动而接收道不动的采集方式），而对于海上常规拖缆式单边观测地震 数据，相位编码全波形反演会受到因观测系统差异导致的残差记录（以下简称观测残差）的 影响而变得不收敛或降低反演精度。鉴于此，近年来Routh等、Choi等通过修改反演目标函 数，提出并实现了基于归一化全局互相关法算法的相位编码全波形反演，大大提高了海上 单边观测地震数据的相位编码的稳定性和反演精度。RouthXhoi等提出的基于全局互相关 算法的相位编码全波形反演是通过应用归一化全局互相关算法求取出每一道的模拟记录 和实际记录互相关值，并以此计算得到相位编码全波形反演的残差记录，其可在一定程度 上弱化观测残差，但应用归一化全局互相关算法求取的各道每个采样点的互相关值均相 同，其忽视了各道不同时窗的信息差异，导致参与反演计算的残差记录中依然存在部分观 测残差，降低了反演的精度，因此，研究一种可以考虑各道不同时窗信息差异的方法对于压 制观测残差、提尚反演精度具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题在于提供一种基于局部归一化最小平方的记录残差求 取方法。在基于海上单边观测系统数据实现相位编码全波形反演的过程中，对于每次迭代 时求取的模拟超级记录和实际超级记录，首先在引入滑动时窗的基础上计算记录中每一道 每个采样点的局部归一化最小平方的记录残差加权值，然后利用这些加权值求取记录中各 点的记录残差，从而精确地反映速度模型扰动产生的波场变化。
[0006] 本发明采取以下技术方案：
[0007] 一种基于局部归一化最小平方的记录残差求取方法，具体包括以下步骤：
[0008] (1)假设模拟超级地震记录为U1^观测超级地震记录为du，其中i和j分别为地震 道号和时间采样点号;假定地震道数为Sn，记录长度为TN，则1〈5^_〈1^基于以上假设条件， 给定时窗长度IV，则可基于局部归一化最小平方理论，按以下步骤计算每道每个采样点的 记录残差加权值：
[0009] ①在第一个Tw时窗内，基于式（1)计算出模拟超级记录和实际超级记录的记录残 差加权值/说,4),
[0010]
(1)
[0011] 式中，!^和心分别为时窗的起始时间，
记录道中各采样点的残差平方的最大值，并将该值作为时窗中心点IV/2的记录残差加权 值，对于t〈Tw/2的时间采样点，令f (t) = f (IV/2);
[0012] ②将时窗向下滑动一个采样点，并重复①操作，从而得到第二个时窗中心点的记 录残差加权值；
[0013] ③随着时窗不断向下滑动，最终可得到Tw/2至Tn-Tw/2范围内所有点的记录残差加 权值；
[0014] ④对于t>TN-Tw/2的时间采样点，令f (t) = f (Tn-Tw/2 )，这样即可得到该道每个采 样点的记录残差加权值；
[0015] (2)根据步骤（1)对每一道都进行局部归一化最小平方的记录残差加权值的求取， 即可得到模拟超级地震记录和观测超级地震记录每道每个采样点的记录残差加权值 /@,4),在此基础上可根据式(2)计算出记录残差I。
[0016]
(2)
[0017] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0018] 本发明提出的一种基于局部归一化最小平方的记录残差求取方法，在引入滑动时 窗的基础上计算记录中每道每个采样点的局部归一化最小平方的记录残差加权值，然后利 用这些加权值求取记录中各点的记录残差。相比于传统全波形反演的残差记录求取方法以 及归一化全局互相关算法，基于局部归一化最小平方的记录残差求取算法可更有效压制残 差记录中的观测残差，从而使残差记录能够更精确地反映速度模型扰动产生的波场变化， 可有效提升单边观测系统地震数据其相位编码全波形反演的精度，并有望在实际数据的全 波形反演中发挥重要作用。
【附图说明】
[0019]图 I Marmousi速度模型；
[0020] 图2第200炮地震记录；
[0021] 图3初始速度模型；
[0022] 图4实际记录的相位编码超级炮集；
[0023] 图5模拟的超级记录；
[0024] 图6局部归一化最小平方的残差记录；
[0025] 图7基于局部归一化最小平方的记录残差求取流程图；
[0026]图8传统全波形反演的残差记录；
[0027]图9归一化全局互相关法的残差记录。
【具体实施方式】
[0028]本发明提出的一种基于局部归一化最小平方的记录残差求取方法，具体的实施过 程主要分为以下三步：（1)基于观测地震记录计算得到实际超级地震记录，基于超级震源模 拟得到模拟超级地震记录；（2)对求取的模拟超级地震记录和实际超级地震记录，在滑动时 窗内计算每道每个采样点的记录残差加权值；（3)在得到模拟超级地震记录和观测超级地 震记录每道每个采样点的记录残差加权值的基础上，根据公式计算得出最终的记录残差。 [0029] Marmousi模型是一个测试地震数据处理、反演方法准确性的著名模型，模型横向 长9200m、纵向深3000m，共有160层，含有大量的反射界面、陡倾角和强烈的横向、纵向的速 度变化，现已成为偏移、反演算法和速度分析方法的标准检测数据集。图1为扩展的 Marmousi模型，是在Marmousi速度模型的基础上左边扩展4.5km，右边扩展2km，扩展出的部 分其速度值与原始模型的左右边界值相同，这里仅显示模型4.5km~13.7km区域。
[0030] 基于该扩展的Marmousi模型，采用右边放炮、左边接收的单边观测方式，模拟得到 共561炮地震记录(第200炮地震记录如图2所示)作为反演的观测地震记录。该炮集记录每 炮为220道接收，最小偏移距为120m，炮间隔和道间隔均为20m，炮点深度和接收点深度也均 为 20m。
[0031] 对真实模型进行100000次平滑处理，并以此作为反演的初始模型进行相位编码全 波形反演实验(初始模型如图3所示）。为降低相位编码全波形反演的串扰影响，每次迭代时 本文采用随机炮分组方式将所有炮分为四组进行相位编码全波形反演计算，下面将详细阐 述本发明的具体实施过程：
[0032] (1)基于观测地震记录计算得到实际超级地震记录(如图4所示），记录长度为4s;
[0033] (2)基于超级震源模拟得到模拟超级地震记录(如图5所示），记录长度为4s;
[0034] (3)选定时窗长度为500ms，按以下步骤计算模拟超级地震记录和观测超级地震记 录中每一道每个采样点的记录残差加权值：
[0035] ①在第一个时窗0-500ms内，基于式(3)计算模拟超级记录和实际超级记录的记录 残差加权值，
[0036]
(3)
[0037]并将其作为时窗中心点250ms的记录残差加权值，对于t〈250ms的时间采样点，令f (t)=f(250)；
[0038]②将时窗向下滑动一个采样点，并重复①操作，从而得到第二个时窗中心点的记 录残差加权值；
[0039]③随着时窗不断向下滑动，最终可得到250-3750ms范围内所有点的记录残差加权 值；
[0040] ④对于t>3750ms的时间采样点，令f (t) = f (3750)，这样就得到该道每个采样点的 记录残差加权值。
[0041] (4)根据步骤(3)对每一道都进行记录残差加权值的求取，得到模拟超级地震记录 和观测超级地震记录每道每个采样点的记录残差加权值，在此基础上根据式(4)计算出记 录残差（Kl β 、
[0042] (4)
[0043] 以上步骤的流程图如图7所示。
[0044] 为了说明本发明所述方法的有效性，这里与基于传统全波形反演的残差记录(如 图8所示）和基于归一化全局互相关法的残差记录(如图9所示)进行了对比。由图8可知，由 于观测炮集记录采用单边观测系统，因而由其经相位编码技术得到的超级炮集记录仅由左 边接收的观测数据形成，而基于超级震源模拟得到的超级记录中却包含了左右两边接收的 地震数据，因此常规相位编码全波形反演的残差记录中包含了大量观测残差(如图8中箭头 所示）。相对而言，归一化全局互相关相位编码全波形反演其残差记录已经大大弱化观测残 差，但其依然可见部分残余（图9中箭头所示）；而对比图6和图9可知，在基于局部归一化最 小平方的残差记录中，观测残差的压制效果明显优于基于归一化全局互相关算法的相位编 码全波形反演。通过以上的对比分析，可以充分验证本发明所述方法在压制观测残差方面 的有效性。
【主权项】
1. 一种基于局部归一化最小平方的记录残差求取方法，其特征在于它具体包括W下步 骤： (1) 假设模拟超级地震记录为m J，观测超级地震记录为di J，其中i和j分别为地震道号 和时间采样点号;假定地震道数为Sn，记录长度为TN，则i<SN，j<TN;基于W上假设条件，给定 时窗长度村，则可基于局部归一化最小平方理论，按W下步骤计算每道每个采样点的记录 残差加权值： ① 在第一个Tw时窗内，基于式（1)计算出模拟超级记录和实际超级记录的记录残差加权 值 mi,.)，(1) 式中，Τι和T2分别为时窗的起始时间，为第i记录 道中各采样点的残差平方的最大值;并将该值作为时窗中屯、点Tw/2的记录残差加权值，对 于t<Tw/2的时间采样点，令f (t) = f (Tw/2); ② 将时窗向下滑动一个采样点，并重复①操作，从而得到第二个时窗中屯、点的记录残 差加权值； ③ 随着时窗不断向下滑动，最终可得到Tw/2至Tn-Tw^范围内所有点的记录残差加权 值； ④ 对于t〉TN-Tw/2的时间采样点，令f(t) = f(TN-Tw/2)，运样即可得到该道每个采样点的 记录残差加权值； (2) 根据步骤（1)对每一道都进行局部归一化最小平方的记录残差加权值的求取，即可 得到模拟超级地震记录和观测超级地震记录每道每个采样点的记录残差加权值/仙,，<)， 在此基础上可根据式(2)计算出记录残差气(2)
【文档编号】G01V1/28GK105842730SQ201610149669
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】宋鹏, 张晓波, 夏冬明, 李金山, 谭军, 姜秀萍, 赵波, 李沅衡, 李婧
【申请人】中国海洋大学