标量声波方程前向散射场的保相位理论及其线性化近似

传统的波动方程线性化近似理论,如一阶Born近似或Rytov近似等,均隐含“弱散射”假设,因此仅适用于弱扰动模型.为克服“弱散射”假设的制约并将波动方程线性化近似理论推广至强扰动模型中,提出了适用于预测前向散射波相位扰动的保相位理论.通过将标量声波方程Rytov变换得到的非线性Ricatti方程中关于未知解(即散射场复相位)的积分,在Wentzel-Kramers-Brillouin-Jeffreys(WKBJ)近似下转化为对散射角和模型扰动的积分,给出了前向散射场相位扰动的显式积分表达.理论推导表明:对于一维波传播问题,保相位理论可以精确预测任意速度扰动模型中前向散射波的相位扰动.对于小角度前向散射,保相位理论可以进行线性化近似,得到广义Rytov近似.数值实验表明,对于高维问题,相比于一阶Rytov近似,广义Rytov近似可以更好地预测前向小角度散射场的相位扰动,且适用于强速度扰动模型.广义Rytov近似拓展了Rytov近似的成立条件和适用范围,可以直接应用于地震层析成像及医学超声透射成像中,从而降低层析反问题对初始模型的依赖性并加速反演收敛.

广义Rytov近似有限频初至层析

在传统的有限频层析理论中,采用Born或Rytov近似推导地震波旅行时对模型参数的一阶Fréchet微商,隐含了弱散射近似假设。对于强速度扰动,有限频层析正问题的线性化近似不再成立。近年来发展的广义Rytov近似理论可以较为精确地预测散射波的相位扰动,因此更适用于有限频旅行时层析。为突破弱散射近似的限制,将广义Rytov近似应用于传统的有限频层析理论,导出了基于广义Rytov近似理论的有限频旅行时敏感度核函数。由数值试验可知,对于前向小角度散射,无论速度扰动强度如何,新的旅行时核函数均可较为准确地预测地震波的旅行时扰动。针对旅行时层析反问题,提出了一种基于隐式矩阵向量乘的高斯—牛顿反演算法,具有准二阶收敛速度且无需显式计算和存储Hessian矩阵。复杂模型数据测试结果表明,提出的广义Rytov近似旅行时层析可以建立高精度的近地表速度模型,且收敛速度较快。

波动方程角度域共成像道集

针对基于波场深度递推的波动方程叠前深度偏移成像方法难以准确地给出如Kirchhoff积分叠前深度偏移成像方法的偏移距域共成像道集的不足,在分析研究现有的各种波动方程偏移成像共成像道集方法的基础上,利用波场外推的单平方根算子和波场的窗口Fourier框架展开与重构方法,提出一种局部角度域共成像道集方法——成像点处反射角共成像道集方法.把这种角度域共成像道集方法应用于国际标准的Marmousi模型数据和一条实际二维地震数据都取得了理想的结果.提出的波动方程反射角度域共成像道集方法可为进一步的叠前偏移数据振幅随角度变化分析和偏移速度分析工作提供基础.

波动方程深度偏移的局部裂步Fourier传播算子

针对裂步Fourier传播算子在速度强横向变化介质中的不足,将算子的框架展开方法应用于Fourier传播算子中的相移算子,提出了一种波场传播的局部裂步Fourier传播算子,并把它应用于波动方程叠前深度偏移成像.这个局部裂步Fourier传播算子是由相空间(空间-波数)-频率域的相移算子和空间-频率域的窗口时移算子两部分组成.与波数-频率域的空间全局性相移算子不同,相空间-频率域的相移算子具有很好的空间局部性.通过在国际标准的SEG-EAGE二维盐丘模型的波动方程叠前深度偏移成像数值试验,证明局部Fourier传播算子不仅具有很好的稳定性,而且还特别适用于速度强横向变化介质.

波动方程角度域偏移成像

在共炮集数据的波动方程深度偏移成像中,利用常规的波场传播算子进行检波点波场和震源波场的向下传播,在各个深度层借助波场的窗口Fourier框架展开,得到局部角度域的检波点波场和震源波场,然后应用偏移成像原理,提出了共炮集数据的波动方程角度域偏移成像方法.通过角度域偏移成像,可以得到地下成像点处的角度域成像矩阵以及共地层倾角偏移成像剖面和共反射角偏移成像剖面.也可为基于偏移成像的后续处理方法技术,如振幅随角度变化分析处理、角度域共成像道集提取和角度域速度分析,提供基础资料.以陡倾角模型和国际标准的Marmousi模型为数值试验例子,验证了波动方程角度域偏移成像方法的正确性和有效性.