混合网最小走时射线追踪层析成像方法

摘要

本发明公开了一种混合网最小走时射线追踪层析成像方法，它是将二维复杂外部几何边界及内部复杂空间结构的成像区域，根据其几何结构分解成规则矩形子域和不规则子域，对规则矩形子域采用矩形网格剖分，对不规则区域则采用三角网格剖分；采用混合网波行面扩展法计算声波初至走时，追踪出任意接收点至激发点处的射线路径；将射线路径信息形成矩阵方程；再采用外推序列加速代数重构技术求解矩阵方程得到模型的速度分布，最终形成规则的网格成像数据。本发明有效解决单种网格剖分存在的问题以及正演模拟时存储量大、计算时间长、正演模拟难度增大、效率低、层析反演时方程性态差、求解困难问题。

主权项

一种混合网最小走时射线追踪层析成像方法，是采用计算机程序实现的，其特征在于，它是将二维复杂外部几何边界及内部复杂空间结构的成像区域，根据其几何结构分解成规则矩形子域和不规则子域，对规则矩形子域采用矩形网格剖分，而对不规则区域则采用三角网格剖分，从而将整个区域网格剖分成包括矩形网和三角网的混合网；采用混合网波行面扩展法计算声波初至走时，追踪出任意接收点至激发点处的射线路径，射线路径包含了从接收点至源点的坐标、所在网格单元信息；将射线路径信息形成矩阵方程，则区域层析成像则归结为求解大型病态线性方程组；再采用外推序列加速代数重构技术求解矩阵方程，得到模型的速度分布，即最终形成规则的网格成像数据；详细步骤如下：第1步、数据采集，即拾取各震源至接收换能器的初至走时tm；第2步：建立成像区域几何结构；根据边界几何特征、先验信息等建立成像区域的背景网，包括初始网格密度的设置，为混合网剖分打下基础，同时建立成像区域的相三维对坐标系统；第3步：建立成像区域初至走时信息；初至走时信息包括：每一震源点坐标、对应每一震源点接收排列的三维坐标和走时tm；第4步：将第2步成像区域的相对坐标系统进行旋转变换和切面投影，以利于二维成像操作；第5步：建立混合型区域网格；首先对二维复杂外部几何边界的地学层析成像区域，以及内部复杂空间结构的地学层析成像区域的几何结构进行分解，分解成规则矩形子域和不规则子域，对规则矩形子域采用矩形网格剖分，对不规则区域则采用三角网格剖分，从而使整个成像区域网格成为矩形网和三角网混合组成的区域网格；按背景网及当前速度模型设置的网格密度函数值进行剖分，形成网格单元 节点坐标数据文件；第6步：建立网格各节点的拓扑关系，为射线追踪打下基础；上述的网格各节点包括：源节点、接收节点、网格单元顶点节点、网格边插入节点；第7步：初始速度模型输入；当已知先验速度，应首先输入先验速度信息建立初始速度模型；否则，按均匀速度信息建立初始速度模型；第8步：对每个源点进行射线追踪，得到相应源点下各节点的次级源及次级源所在的网格单元；射线追踪步骤如下：第8.1步：波行面扩展从震源或一个相对最小走时波前点出发，确定这一节点的当前最小走时单元；先计算当前最小走时单元节点的最小旅行走时，再计算该单元相邻单元节点旅行走时；将当前单元和相邻单元节点的旅行走时相比较，如果旅行走时无变化时，对当前这一最小走时单元作出休眠标志，再寻找下一个最小走时单元作为当前单元，以此类推，遍历所有单元；在上述遍历所有单元过程中，把遍历单元作为一个波行平面，当该波行平面遇回转波时，先前已经休眠的单元将通过单元之间的传递而激活，再次成为当前最小走时单元；当所有波行面的节点走时都不再变化、且波行平面中所有的单元均处于休眠状态时，波行面扩展完毕；第8.2步：利用计算出的各节点的旅行时和方向信息确定射线路径，从接收点开始，根据各节点走时及次级源信息，进行向源检索，拾取从接收点到源点的射线路径；第9步：设置成像反演迭代的终止条件，终止条件可以是迭代次数，也可以是预先设置走时残差；第10步：接收点的向源检索；对每个源点对应的接收点进行向源检索，得到射线路径，射线路径包含了从接收点至源点的坐标和所在网格单元信息，所在网格单元信息包括网格单元的编号、次级源节点坐标和射线长度，据此形成Jacobi矩阵A；由于Jacobi矩阵A为一稀疏矩阵，采用压缩存储，只需记录射线所经历的网格单元及在此网格单元的长度即可；判断成像反演迭代终止条件，若满足终止条件，则转下一步；否则转第8步；若想根据射线密度、速度分布信息重新对成像区域离散化时，则转第5步；如此反复进行，直至满足设置的终止条件；第11步：反演求解根据第10步形成的Jacobi矩阵A，计算理论走时tc和走时残差，走时残差δt＝tm‑tc；建立反演方程Aδv＝δt；采用外推加速代数重建反演算法解方程求取δv，修改模型v＝v0+δv；终止条件是迭代次数或预先设置的走时残差；第12步：成像结果输出对于规则网格成像结果输出时，只需输出网格各单元中心坐标及单元的速度值即可；对于不规则网格成像结果输出时，采用采样输出的办法；即在不规则网格单元的横向和纵向上等间距的设置多个采样点，输出采样点的坐标及单元的速度值，最终形成规则网格成像数据。