本申請屬于地震勘探，具體地而言為一種正則化地震全波形反演方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、地震全波形反演（full?waveform?inversion,?fwi）是一種重要的地震勘探技術(shù)，旨在通過最小化觀測地震數(shù)據(jù)與模擬地震數(shù)據(jù)之間的差異，反演地下介質(zhì)的物理參數(shù)。由于其能夠提供高分辨率的地下結(jié)構(gòu)成像，fwi在石油天然氣勘探、地殼動力學(xué)研究和地震災(zāi)害預(yù)測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，fwi是一個高度非線性和不適定的反問題，主要面臨以下幾個挑戰(zhàn)：

2、fwi是一個典型的非線性優(yōu)化問題，容易陷入局部極小值，尤其是在初始模型準確度較低時。此外，地震數(shù)據(jù)中的低頻信息通常不足，導(dǎo)致對長波長結(jié)構(gòu)的恢復(fù)存在困難，加劇了模型收斂難度。

3、fwi的計算量巨大，尤其是在三維復(fù)雜介質(zhì)中，需要求解大量正演和伴隨問題。hessian矩陣的高維計算需求（尤其在三維場景下）使得傳統(tǒng)牛頓類算法難以實際應(yīng)用，而梯度類方法（如共軛梯度法）收斂速度慢，需多次迭代。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請實施例第一方面提供一種正則化地震全波形反演方法，解決全波形反演方法受限于梯度類反演方法普遍存在的強非線性導(dǎo)致反演結(jié)果不準確以及難以適應(yīng)實際數(shù)據(jù)計算需求量大的問題。

2、本申請實施例第一方面提供一種正則化地震全波形反演系統(tǒng)。

3、本申請是這樣實現(xiàn)的，

4、本申請實施例第一方面提供一種則化地震全波形反演方法，包括：

5、根據(jù)地震觀測記錄的走時信息，建立走時層析速度模型作為反演的速度參數(shù)模型的初始速度模型；

6、從單炮地震記錄中提取分頻帶地震數(shù)據(jù)；

7、根據(jù)速度參數(shù)模型與實際的地震觀測系統(tǒng)，獲取地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集；

8、構(gòu)建正則化目標函數(shù)，所述正則化目標函數(shù)包括數(shù)據(jù)擬合項和模型擬合項，所述數(shù)據(jù)擬合項通過地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集與實際觀測地震數(shù)據(jù)集的殘差構(gòu)建得到，所述模型擬合項采用最小支持速度參數(shù)模型擬合算子；求解正則化目標函數(shù)的正則梯度和正則化目標函數(shù)的正則hessian矩陣得到速度參數(shù)模型的更新量，并更新速度參數(shù)模型，用于下一個頻率的計算；

9、歷遍分頻帶地震數(shù)據(jù)的頻率范圍內(nèi)所有整數(shù)頻率后得到的速度參數(shù)模型即反演結(jié)果。

10、進一步地，所述根據(jù)速度參數(shù)模型與實際的地震觀測系統(tǒng)，獲取地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集，包括：

11、將計算介質(zhì)分為背景介質(zhì)以及擾動介質(zhì)，并將計算介質(zhì)產(chǎn)生的地震波場分為背景波場與擾動波場；

12、利用子波主頻生成震源函數(shù)，通過震源函數(shù)模擬地震波場，并通過背景介質(zhì)格林函數(shù)計算背景波場；

13、利用計算區(qū)域中兩個點之間的背景介質(zhì)格林函數(shù)與目標點的速度參數(shù)模型在作用域內(nèi)相互作用進行積分計算得到擾動波場；

14、將背景波場和擾動波場相疊加獲取地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集。

15、進一步地，為所述模型擬合項設(shè)置一個正則化參數(shù)，在每次迭代中對所述正則化參數(shù)進行更新，正則化參數(shù)的初始值設(shè)定為初始速度模型下的數(shù)據(jù)擬合項與模型擬合項之間的比值。

16、進一步地，數(shù)據(jù)擬合項采用殘差的二范數(shù)衡量擬合度。

17、進一步地，正則化目標函數(shù)表示為：，

18、為地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集，為實際觀測地震數(shù)據(jù)，表示更新后的速度參數(shù)模型，表示當(dāng)前頻率下的初始速度參數(shù)模型，表示正則化目標函數(shù)，表示穩(wěn)定化參數(shù)，用于衡量更新后的速度參數(shù)模型與前一次的速度參數(shù)模型之間的差異調(diào)節(jié)模型的更新方向。

19、進一步地，所述求解正則化目標函數(shù)的正則梯度和正則化目標函數(shù)的hessian矩陣得到速度參數(shù)模型的更新量包括：

20、通過數(shù)據(jù)擬合項得到數(shù)據(jù)擬合項的梯度，并通過實際觀測地震數(shù)據(jù)集關(guān)于速度參數(shù)模型的任意震源-檢波器對的敏感性核與敏感性核的共軛轉(zhuǎn)置得到數(shù)據(jù)擬合項的hessian矩陣；

21、通過模型擬合項得到模型擬合項的梯度和模型擬合項的hessian矩陣；

22、通過數(shù)據(jù)擬合項的梯度和模型擬合項的梯度疊加得到正則化目標函數(shù)的正則梯度；通過數(shù)據(jù)擬合項的hessian矩陣和模型擬合項的hessian矩陣的疊加得到正則化目標函數(shù)的正則hessian矩陣；

23、利用正則梯度和正則hessian矩陣得到速度參數(shù)模型的更新量。

24、進一步地，所述數(shù)據(jù)擬合項的梯度是對實際觀測地震數(shù)據(jù)關(guān)于速度參數(shù)模型的任意震源-檢波器對的敏感性核作用于實際觀測地震數(shù)據(jù)集與地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集殘差在所有震源和檢波器位置上的累加；所述數(shù)據(jù)擬合項的hessian?矩陣計算為敏感性核的共軛轉(zhuǎn)置與敏感性核自身的乘積。

25、進一步地，模型擬合項的梯度和模型擬合項的hessian矩陣分別通過對模型擬合項進行一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)求取。

26、本申請實施例第二方面，一種正則化地震全波形反演系統(tǒng)，包括：初始速度模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)地震觀測記錄的走時信息，建立走時層析速度模型作為反演的速度參數(shù)模型的初始速度模型；

27、分頻帶地震數(shù)據(jù)提取模塊，用于從單炮地震記錄中提取分頻帶地震數(shù)據(jù)；

28、模擬數(shù)據(jù)合成模塊，用于根據(jù)速度參數(shù)模型與實際的地震觀測系統(tǒng)，獲取地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集；

29、更新模塊，構(gòu)建正則化目標函數(shù)，所述正則化目標函數(shù)包括數(shù)據(jù)擬合項和模型擬合項，所述數(shù)據(jù)擬合項通過地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集與實際觀測地震數(shù)據(jù)集的殘差構(gòu)建得到，所述模型擬合項采用最小支持速度參數(shù)模型擬合算子；求解正則化目標函數(shù)的正則梯度和正則化目標函數(shù)的正則hessian矩陣得到速度參數(shù)模型的更新量，并更新速度參數(shù)模型，用于下一個頻率的計算；

30、反演模塊，采用歷遍分頻帶地震數(shù)據(jù)的頻率范圍內(nèi)所有整數(shù)頻率后得到的速度參數(shù)模型用于地震數(shù)據(jù)的全波形反演。

31、本申請中的上述一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下的有益效果：本申請實施例的方法提高了反演精度和收斂速度；所構(gòu)建的正則化目標函數(shù)，更好地擬合速度參數(shù)模型的更新量，增強了高波數(shù)分量的恢復(fù)能力，提升反演效果和穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，該方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，所述根據(jù)速度參數(shù)模型與實際的地震觀測系統(tǒng)，獲取地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，數(shù)據(jù)擬合項采用殘差的二范數(shù)衡量擬合度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，正則化目標函數(shù)表示為：，

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，所述求解正則化目標函數(shù)的正則梯度和正則化目標函數(shù)的hessian矩陣得到速度參數(shù)模型的更新量包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)擬合項的梯度是對實際觀測地震數(shù)據(jù)關(guān)于速度參數(shù)模型的任意震源-檢波器對的敏感性核作用于實際觀測地震數(shù)據(jù)集與地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集殘差在所有震源和檢波器位置上的累加；所述數(shù)據(jù)擬合項的hessian?矩陣計算為敏感性核的共軛轉(zhuǎn)置與敏感性核自身的乘積。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種正則化地震全波形反演方法，其特征在于，模型擬合項的梯度和模型擬合項的hessian矩陣分別通過對模型擬合項進行一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)求取。

9.一種正則化地震全波形反演系統(tǒng)，其特征在于，包括：初始速度模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)地震觀測記錄的走時信息，建立走時層析速度模型作為反演的速度參數(shù)模型的初始速度模型；

技術(shù)總結(jié)
本申請屬于地震勘探技術(shù)領(lǐng)域，為一種正則化地震全波形反演方法及系統(tǒng)，包括：根據(jù)地震觀測記錄的走時信息，建立走時層析速度模型作為反演的速度參數(shù)模型的初始速度模型；從單炮地震記錄中提取分頻帶地震數(shù)據(jù)；根據(jù)速度參數(shù)模型與實際的地震觀測系統(tǒng)，獲取地震正演模擬合成數(shù)據(jù)集；構(gòu)建正則化目標函數(shù)，求解正則化目標函數(shù)的正則梯度和正則化目標函數(shù)的正則Hessian矩陣得到速度參數(shù)模型的更新量，并更新速度參數(shù)模型，用于下一個頻率的計算；歷遍分頻帶地震數(shù)據(jù)的頻率范圍內(nèi)所有整數(shù)頻率后得到的速度參數(shù)模型即反演結(jié)果，提高了反演精度和收斂速度。

技術(shù)研發(fā)人員：黃興國,葉雯睿,韓麗
受保護的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15