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    基于Huber函數(shù)的頻率域全波形反演

    2013-12-01 09:07:08呂曉春顧漢明成景旺
    石油物探 2013年5期
    關(guān)鍵詞:方法模型

    呂曉春,顧漢明,成景旺

    (1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北武漢430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074)

    利用人工地震獲取的地震波信息反演地下介質(zhì)物性參數(shù)是地球物理學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。地震波場(chǎng)反演方法很多,如相位反演成像、振幅反演成像以及全波形反演成像等等。其中全波形反演不同于走時(shí)反演、振幅反演等傳統(tǒng)的成像方法,它利用地震記錄的整體信息來(lái)進(jìn)行反演,是一種高精度的成像方法。20世紀(jì)80年代,直接通過(guò)求取模型參數(shù)擾動(dòng)計(jì)算Frechet導(dǎo)數(shù)的做法工作量極為龐大,使全波形反演局限于一維模型或簡(jiǎn)單模型。Tarantola[1]借鑒逆時(shí)偏移的思想,利用正向傳播波場(chǎng)與殘差波場(chǎng)的互相關(guān)求取梯度方向,進(jìn)行了時(shí)間域的全波形反演研究。Pratt等[2-4]將全波形反演引入到頻率域中,根據(jù)炮點(diǎn)和接收點(diǎn)可互易性原理,導(dǎo)出了求解目標(biāo)函數(shù)梯度的高效算法,并利用高斯牛頓法對(duì)非均勻介質(zhì)的速度進(jìn)行了全波形反演。至此,地球物理學(xué)者開(kāi)始對(duì)全波形反演開(kāi)展更深入的研究。國(guó)外近十年中頻率域全波形反演已被廣 泛 應(yīng) 用 于 建 立 高 分 辨 率 的 速 度 模 型[5-7]。Virieux[8]總結(jié)了當(dāng)前全波形反演所取得的一些成果和認(rèn)識(shí),指出了該方法所面對(duì)的難點(diǎn)以及下一步研究方向和趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也做了大量的研究工作,吳國(guó)忱等[9-10]以及殷文等[11]對(duì)頻率域的聲波和彈性波有限差分正演模擬做了很詳細(xì)的研究,為頻率域反演提供了前提手段;許焜等[12-13]基于頻域率有限元方法進(jìn)行了反演研究;龍桂華等[14]對(duì)粘彈聲波介質(zhì)進(jìn)行了頻率域反演;卞愛(ài)飛等[15]提出了自適應(yīng)剝層法全波形反演。

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以及地震處理要求的提高,全波形反演方法的高分辨率特性引起了人們的注意。然而,實(shí)際地震信號(hào)的低頻缺失以及噪聲的存在制約著全波形反演的應(yīng)用,其中噪聲的存在是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題,因此有必要找到一個(gè)合適的目標(biāo)函數(shù)。L1范數(shù)相對(duì)于L2范數(shù)抗噪性強(qiáng)[16-17],但數(shù)據(jù)誤差接近于零時(shí),L1范數(shù)準(zhǔn)則求取的目標(biāo)函數(shù)梯度會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性,而L2范數(shù)則比較穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。Guitton[18]在使用擬牛頓法進(jìn)行地震反演時(shí),通過(guò)求取一個(gè)實(shí)數(shù)型的Huber目標(biāo)函數(shù)的梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ha等[19]基于Huber函數(shù)構(gòu)建反演目標(biāo)函數(shù)來(lái)提高算法的抗噪性和穩(wěn)定性。韓淼等[20]也進(jìn)行了反演目標(biāo)函數(shù)的幾種范數(shù)準(zhǔn)則的對(duì)比研究。

    為了既滿足穩(wěn)定性,又滿足抗噪性,我們將L1范數(shù)和L2范數(shù)結(jié)合來(lái)建立目標(biāo)函數(shù),提出一種基于Huber函數(shù)的頻率域全波形反演新方法。頻率域全波形反演是在復(fù)數(shù)域進(jìn)行的,因此引入了復(fù)數(shù)形式的Huber函數(shù),并推導(dǎo)了基于Huber準(zhǔn)則的目標(biāo)函數(shù)的梯度表達(dá)式。通過(guò)在幾個(gè)簡(jiǎn)單的合成記錄中加入隨機(jī)脈沖噪聲、高斯噪聲和連續(xù)噪聲,驗(yàn)證了該方法的應(yīng)用效果。

    1 復(fù)數(shù)形式的Huber函數(shù)

    Huber[21]給出實(shí)數(shù)形式的Huber函數(shù)表達(dá)式:

    其中,r為計(jì)算值與觀測(cè)值的誤差,是一個(gè)實(shí)數(shù)變量;ε是一個(gè)閾值,用來(lái)判定不同大小的誤差所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式(圖1)。類(lèi)似實(shí)數(shù)域的Huber函數(shù),對(duì)于復(fù)數(shù)r=a+bi,我們定義兩種不同的范數(shù),其中L1范數(shù)計(jì)算表達(dá)式為,L2范數(shù)計(jì)算表達(dá)式為,就可以得到復(fù)數(shù)域的Huber函數(shù)表達(dá)式:

    圖1 Huber函數(shù)示意

    從公式(2)中可以看出,在誤差大于閾值ε時(shí),目標(biāo)函數(shù)選取L1范數(shù)準(zhǔn)則。我們知道L1范數(shù)是所有范數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)加權(quán)最小的[22],如果數(shù)據(jù)非常精確,那么某一預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)離其觀測(cè)值的地方便是重要的影響因素,這時(shí)應(yīng)選擇L2范數(shù),因?yàn)樗鼘?duì)較大的誤差加權(quán)也大。而對(duì)于包含噪聲的合成記錄來(lái)說(shuō),噪聲的存在使得數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確,應(yīng)使用L1范數(shù)來(lái)減小這部分較大誤差的權(quán)值。由于L1范數(shù)總是大于L2范數(shù),故(2)式還可以改寫(xiě)成本文反演中采用公式(3)來(lái)建立目標(biāo)函數(shù),其中的閾值ε的選取非常關(guān)鍵,我們采用Bube等[23]提出的方法,閾值ε的大小取為計(jì)算值與觀測(cè)值誤差數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)差的0.6倍。

    2 頻域率全波形反演基本理論

    2.1 頻率域波動(dòng)方程正演計(jì)算

    頻率域聲波波動(dòng)方程可以表示為

    式中:ρ(x)為密度;k(x)為體變模量;ω 為角頻率;u(x,ω)和s(x,ω)分別為波場(chǎng)壓力值與震源。將方程(4)加入PML邊界條件后采用有限差分算子將其離散,則(4)式可簡(jiǎn)單表示為

    式中:A(ω)為與頻率和介質(zhì)速度有關(guān)的阻抗矩陣。假如模型空間網(wǎng)格數(shù)為(Nx,Nz),那么A(ω)是一個(gè)(Nx×Nz)×(Nx×Nz)的有限差分算子矩陣。該系數(shù)矩陣為大型稀疏矩陣,其非零元素對(duì)稱(chēng)地分布在對(duì)角線上,但是它并非對(duì)稱(chēng)矩陣,其值的大小是不一樣的。求解該大型稀疏矩陣方程組常用的方法有迭代法和直接分解法。對(duì)于多震源問(wèn)題,我們采用直接分解(如LU分解)來(lái)求解,因?yàn)橄禂?shù)矩陣A(ω)只需分解一次,其LU分解結(jié)果就可以用于更多的新的震源求解,可以大量節(jié)省計(jì)算量,而且在全波形反演中的迭代反演上更為重要,因?yàn)槠溆写罅康恼鹪匆约疤撜鹪辞蠼?,每一次迭代過(guò)程中系數(shù)矩陣A(ω)不變,其LU分解可以多次重復(fù)使用。

    2.2 目標(biāo)函數(shù)的建立以及梯度的求解

    反問(wèn)題的求解在數(shù)學(xué)上其實(shí)是一個(gè)最優(yōu)化求解問(wèn)題,其中目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造是一個(gè)關(guān)鍵。根據(jù)上述復(fù)數(shù)形式的Huber表達(dá)式,我們構(gòu)造如下的目標(biāo)函數(shù):

    式中:p為模型變量;Ns為炮點(diǎn)數(shù);Nr為接收點(diǎn)數(shù);rs,r為計(jì)算波場(chǎng)與觀測(cè)波場(chǎng)的殘差:

    結(jié)合(8)式和(9)式,我們將基于 Huber函數(shù)得到的目標(biāo)函數(shù)梯度表達(dá)式統(tǒng)一表示為

    式中:r=(r1,r2,…,rNr),

    從(10)式中我們看到梯度求解的關(guān)鍵在于Jacobin矩陣的求解。對(duì)(5)式兩邊參數(shù)pk進(jìn)行求導(dǎo),有

    由于(13)式和(5)式的形式一樣,而且它的阻抗矩陣也一樣,故可以直接利用正演的LU分解結(jié)果求解偏導(dǎo)數(shù)波場(chǎng)。將(13)式代入(10)式可得

    其中A[]-1Tr*為殘差的反傳播場(chǎng),我們只需將各個(gè)接收點(diǎn)處的殘差組成新的震源再正演一次便可得到。從(14)式可以看出目標(biāo)函數(shù)對(duì)速度變量的梯度可以通過(guò)計(jì)算虛震源與殘差反傳播場(chǎng)的零延遲卷積得到。

    2.3 預(yù)梯度法反演

    地球物理反演通過(guò)求取目標(biāo)函數(shù)的最小值,不斷對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修改,求取滿足條件的最佳模型。本文反演過(guò)程中采用近似Hessian矩陣的對(duì)角線來(lái)做梯度的預(yù)條件算子[14],其模型更新量可以表示為:

    式中:α為待定的步長(zhǎng);diag(Ha)表示近似 Hessian矩陣Ha的對(duì)角線矩陣,用來(lái)對(duì)梯度進(jìn)行修正,以加快收斂速度;λ為可調(diào)節(jié)的正則化因子;I表示單位矩陣為目標(biāo)函數(shù)的梯度。其中Ha可以表示為

    從(16)式不難發(fā)現(xiàn)Hessian矩陣可以表示成偏導(dǎo)數(shù)的互相關(guān),根據(jù)(13)式可求出Hessian矩陣,令i=j(luò)就可求出它的對(duì)角元素。

    3 數(shù)值模型試算

    為了驗(yàn)證基于Huber函數(shù)的頻率域全波形反演方法的實(shí)用性以及正確性,在原始合成記錄上分別加入了隨機(jī)脈沖噪聲、連續(xù)噪聲和高斯噪聲來(lái)進(jìn)行模型試算。

    3.1 含隨機(jī)脈沖噪聲的數(shù)值試算

    通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型來(lái)進(jìn)行隨機(jī)脈沖噪聲的數(shù)值試算。模型計(jì)算范圍為5km×2km,一共有5層,中間有一個(gè)高速體(圖2)。原始合成記錄通過(guò)頻率域有限差分正演模擬得到,正演過(guò)程中采用主頻為10Hz的雷克子波,頻率間隔為0.24Hz,最大頻率為30Hz。共有51炮,炮間距100m。每炮有251道接收,道間距為20m。圖3a為炮點(diǎn)位置位于0處的原始合成記錄,圖3b為加了噪聲的記錄,其中有9個(gè)充零道和4個(gè)脈沖噪聲。

    圖2 簡(jiǎn)單模型

    圖3 震源位于0處的模擬炮集記錄

    圖4 含隨機(jī)脈沖噪聲數(shù)據(jù)反演結(jié)果

    分別采用基于L2范數(shù)的最小平方反演法和本文提出的Huber反演方法對(duì)不含噪聲和含噪聲的記錄進(jìn)行反演。反演過(guò)程中從2.4到20.0Hz共選取20個(gè)反演頻率,每個(gè)頻率反演40次。反演采用的初始模型為一個(gè)線性模型(圖4a),初始速度為1 500m/s,最深處的速度為3 000m/s,速度計(jì)算為v=1 500+kz,k為15m/s,z為網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)。圖4b和4c分別為采用最小平方法對(duì)原始合成記錄(圖3a)和含隨機(jī)噪聲數(shù)據(jù)(圖3b)的反演結(jié)果。由圖4b可以看到,最小平方法對(duì)沒(méi)有噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演可以得到較好的速度模型,根據(jù)Snell射線原理,高速體下方透射波較少,故該界面與理論有所差異,但模型的大部分層位都較好地反映出來(lái)。相對(duì)而言,對(duì)含有噪聲的數(shù)據(jù)最小平方法反演結(jié)果較差(圖4c),除了第一層較好地被反演出來(lái),其他各層的分界面都反演較差。圖4d為采用本文方法對(duì)含隨機(jī)噪聲數(shù)據(jù)的反演結(jié)果,對(duì)比圖4c和圖4d可看出,基于Huber函數(shù)的全波形反演受噪聲影響小,反演結(jié)果較好。

    3.2 含連續(xù)噪聲的數(shù)值試算

    采用和3.1節(jié)同樣的模型(圖2)、觀測(cè)系統(tǒng)以及正、反演參數(shù)。如圖5所示,在原始合成單炮記錄(圖5a)上加入了2個(gè)不同斜率的連續(xù)噪聲(圖5b和圖5c)。為了和原始記錄的頻譜相一致,連續(xù)噪聲同樣采用主頻為10Hz的雷克子波,其中連續(xù)噪聲的振幅值隨著偏移距而改變[24]。

    從2個(gè)含連續(xù)噪聲數(shù)據(jù)的反演結(jié)果(圖6)來(lái)看,連續(xù)噪聲對(duì)反演結(jié)果的影響較大。第一種斜率噪聲存在的情況下,利用最小平方反演法(圖6a)沒(méi)有將高速體反演出來(lái),只反演出上界面,而且出現(xiàn)了假的層位;采用本文方法(圖6c)可以大致反演出高速體,而且下面也沒(méi)有出現(xiàn)假的層位。第二種噪聲存在的情況下,最小反演法反演(圖6b)的第一層的深度與理論不吻合,高速體同樣沒(méi)有反演出來(lái);而采用本文方法得到的反演結(jié)果(圖6d)第一層的埋深有所改善,且高速體也被反演出來(lái),但與不含噪聲反演結(jié)果(圖4b)相比,還有所差別。

    圖5 震源位于0處的模擬炮集記錄

    圖6 含連續(xù)噪聲數(shù)據(jù)反演結(jié)果

    3.3 含高斯噪聲的數(shù)值試算

    我們采用Marmousi模型(圖7)的合成記錄加入高斯噪聲來(lái)進(jìn)行反演測(cè)試。Marmousi模型計(jì)算范圍取為9.00km×3.18km,網(wǎng)格大小為451×159。原始合成記錄也是通過(guò)頻率域有限差分正演模擬得到的,正演過(guò)程中采用主頻為10Hz的雷克子波,頻率間隔為0.24Hz,正演最大頻率為30Hz。共有91炮,炮間距為100m。每一炮451道接收,道間距為20m。

    圖8分別給出了沒(méi)有加噪聲(圖8a)和加了信噪比為5dB的高斯噪聲(圖8b)的合成記錄。高斯噪聲的產(chǎn)生采用Box-Muller方法[25]。

    圖7 Marmousi模型

    圖8 震源位于3 100m處的模擬炮集記錄

    分別采用最小平方反演法和本文提出的Huber反演方法對(duì)圖8所示不含噪聲和含有噪聲的原始合成記錄進(jìn)行反演。反演過(guò)程中從2.4到20.0Hz共選取20個(gè)反演頻率,每個(gè)頻率反演40次。反演采用的初始模型為一個(gè)線性模型(圖9a),速度計(jì)算為v=1 500+kz,k為17m/s,z為網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)。圖9b和圖9c分別為采用最小平方法對(duì)原始合成記錄和含高斯噪聲數(shù)據(jù)的反演結(jié)果,圖9d為本文方法對(duì)含高斯噪聲數(shù)據(jù)的反演結(jié)果。從3種反演結(jié)果來(lái)看,最小平方法對(duì)高斯噪聲敏感度較低,合成記錄中加入高斯噪聲也可以得到好的反演結(jié)果。由此可以看出最小平方法和Huber函數(shù)反演法受高斯噪聲的影響都較小,除了速度模型光滑度較差外,各個(gè)層的分界面均可以較好地反演出來(lái)。

    圖9 含高斯噪聲數(shù)據(jù)反演結(jié)果

    4 結(jié)束語(yǔ)

    針對(duì)傳統(tǒng)的全波形反演采用L2范數(shù)準(zhǔn)則構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)抗噪性差和L1范數(shù)則可能導(dǎo)致反演不穩(wěn)定的問(wèn)題,我們引入復(fù)數(shù)形式的Huber函數(shù)準(zhǔn)則來(lái)建立目標(biāo)函數(shù),同時(shí)考慮L2范數(shù)和L1范數(shù)的優(yōu)勢(shì),提出了一種頻率域全波形反演新方法。通過(guò)以上理論研究以及加入不同噪聲的數(shù)值模型數(shù)據(jù)試算,可以得到以下認(rèn)識(shí):

    1)在頻率域全波形反演中,基于L2范數(shù)的最小平方法反演在無(wú)噪聲的情況下能夠得到精確的地下模型結(jié)構(gòu)。但是L2范數(shù)對(duì)噪聲的敏感度較高,在噪聲存在的情況下不能得到理想的反演結(jié)果。

    2)基于Huber函數(shù)準(zhǔn)則建立的目標(biāo)函數(shù),具有L1范數(shù)的抗噪性以及L2范數(shù)的穩(wěn)定性。在噪聲存在的情況下,依然能夠得到較好的反演結(jié)果。

    3)L2范數(shù)對(duì)隨機(jī)脈沖噪聲和連續(xù)噪聲敏感度較高,而對(duì)高斯噪聲的敏感度相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。因此,對(duì)加入高斯噪聲的合成記錄,基于L2范數(shù)和基于Huber函數(shù)的方法反演效果均不錯(cuò);而對(duì)加入隨機(jī)脈沖噪聲和連續(xù)噪聲的合成記錄,基于Huber函數(shù)反演要比基于L2范數(shù)反演效果好。

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