声场层析重建反演方法
声场层析重建反演是指利用声场层析成像技术，对声场信息进行重建和反演的方法。
声场层析成像技术是指利用多个声源或声接收器，对声场进行测量，然后通过计算机处理和可视化，对声场的时空分布进行成像的技术。声场层析成像技术具有时空分辨率高、测量精度高、成像快速等优点，在声学、声场反演等领域中有着广泛的应用。
声场层析重建反演方法是基于声场层析成像技术的一种发展，主要用于对声场信息进行重建和反演。声场重建是指通过对声场信息的测量和处理，重新构建出声场的时空分布。声场反演是指通过对声场信息的测量和处理，推断出声场产生的原因，从而对声场进行分析和解释。
声场层析重建反演方法的具体步骤如下：
1.设计声场测量方案：根据需要测量的声场信息，设计测量所需的声源或声接
收器的位置和数量，
以及测量时的其他参数（如测量时间、测量频率、测量距离等）。
2.进行声场测量：按照设计的测量方案，进行声场测量。测量过程中，需要确
保测量设备的正常工作，并保证测量数据的准确性。
3.处理测量数据：对测量得到的声场数据进行处理，包括数据校正、数据转换
等。
4.进行声场重建或反演：根据需要，利用计算机进行声场重建或反演。在声场
重建过程中，可以利用声场层析成像技术对声场的时空分布进行可视化；在
声场反演过程中，可以利用声场反演算法推断出声场产生的原因。
5.分析结果并作出结论：对声场重建或反演的结果进行分析，得出结论。
层析技术基本原理 层析技术（tomographic imaging technique），又称断层成像技术，是一种通过多个不同角度的投影图像来还原物体内部的形态和密度分布的 成像方法。层析技术的基本原理源自于医学领域的X射线断层成像（CT） 技术，逐渐发展为包括电脑断层成像（CT）、正电子发射层析成像（PET）、单光子发射层析成像（SPECT）等在内的多种成像技术。它在医学、工业、地质、材料科学等领域中被广泛应用。 层析技术的基本原理包括投影、反投影和重建： 1.投影：层析技术首先通过不同角度上的射线或波束通过待测物体， 测量其在不同方向上的投影强度或相位信息。常用的投影方法有X射线投影、超声波投影、电磁波投影等。 2.反投影：反投影是将测量到的射线或波束从不同角度上回投到空间 中的每个点上，恢复每个点的强度或相位信息。反投影是层析技术的核心 步骤，通过将所有的射线或波束对应的投影反投影到三维空间，得到一个 反投影矩阵。 3.重建：重建是根据反投影矩阵，通过数学算法将多个投影的信息结 合起来，还原物体的密度或其他形态信息。常用的重建算法有直接切片法、滤波反投影法、迭代重建法等。 层析技术的基本原理可以简单归纳为：通过探测器接收到的投影信息，根据不同角度的投影进行反投影处理，并通过重建算法将反投影结果还原 成物体在空间中的形态分布图像。 层析技术的优势在于能够提供高分辨率的三维成像结果，并能够观察 物体的内部结构和密度分布，无需进行实质性的物体破坏。在医学领域中，
层析技术已成为临床诊断的重要手段，提供了一种无创、无痛、高精度的成像方式。在工业领域中，层析技术可用于检测金属、陶瓷、复合材料等的内部缺陷或结构，帮助提高产品质量和生产效率。在地质领域中，层析技术可用于勘探地下矿藏或油气资源，提供地下结构和密度信息。 总之，层析技术是一种基于多角度投影和反投影的成像技术，通过重建算法将反投影结果还原成物体的分布图像。它在医学、工业、地质等领域中具有广泛应用，并且不断发展和改进，提高成像质量和减少成本。
声场层析重建反演方法 声场层析重建反演方法，简称层析重建，是一种通过从材料外部获取的声场信息推断材料内部结构和性质的方法。它在材料科学、地质勘探和医学成像等领域中具有广泛的应用。本文将重点介绍声场层析重建反演方法的原理和常见的算法。 声场层析重建反演方法的基本原理是根据材料的声学特性，通过测量材料外部的声场信号来推断材料内部的声场分布。声场信号是由材料内部的声能散射、反射和传递所产生的，并且会受到材料内部结构和性质的影响。因此，通过分析和处理声场信号，可以获得材料内部结构和性质的信息。 首先，在预处理步骤中，需要将获取到的声场信号进行初步处理，以消除噪声和干扰。这通常包括滤波、峰值检测和信噪比提高等。预处理后的信号将用于后续的声场模拟和反演步骤。 接下来，在声场模拟步骤中，需要建立材料的声场模型，并模拟声场信号的传播和传递过程。主要有两种常见的模型：物理模型和数值模型。物理模型基于材料的声学特性和物理规律，通过求解声场方程来模拟声场信号的传播过程。数值模型则使用计算机仿真方法，通过数值计算来模拟声场信号的传播和传递。声场模拟的目的是通过模拟得到的声场信号与测量到的声场信号进行对比和匹配，从而获得材料内部结构和性质的信息。 然后，在反演步骤中，需要根据声场信号的模拟结果和测量结果，推断材料内部结构和性质。反演方法可以分为两大类：直接反演方法和间接反演方法。直接反演方法是通过建立声场信号与材料结构和性质之间的直接映射关系，来直接推断材料的参数。间接反演方法则是通过建立声场信
号与材料结构和性质之间的间接关系，通过迭代计算或优化算法来推断材料的参数。常见的反演方法有：迭代反演法、非线性反演法和正则化反演法等。 最后，在重建步骤中，需要将反演得到的结果进行处理和可视化。通常，需要将材料的内部结构和性质呈现为可视化图像或三维模型，以便进一步分析和应用。常见的重建方法有：层析图像重建、声场成像和声学全息等。 总结起来，声场层析重建反演方法是一种通过测量材料外部的声场信号来推断材料内部结构和性质的方法。它的基本原理是通过分析和处理声场信号，获取材料内部结构和性质的信息。常见的算法包括：预处理、声场模拟、反演和重建。声场层析重建反演方法在材料科学、地质勘探和医学成像等领域中具有广泛的应用前景，值得进一步研究和探索。
地球物理学研究中的反演方法地球物理学研究是一门涉及地球内部结构和物质组成的学科， 从事这项研究需要掌握一定的物理知识和专业技能，而反演方法 则是地球物理学研究的重要工具之一。反演方法是指根据测量得 到的地球物理数据，推算出地球内部结构和物质组成的过程，是 一种重要的物理数学分析手段。在地球物理学研究中，常用的反 演方法包括地震层析成像、电磁场反演、地磁场反演、重力反演等。本文将就地球物理学研究中的反演方法进行阐述。 一、地震层析成像方法 地震层析成像方法是一种通过地震波传播路径来推断地球的三 维结构的方法。地震波可以沿着曲折的路径穿过地球中的各种物质，而当地震波沿着不同的路径传播时，它们会受到不同的影响，如反射、折射、散射、压缩等，根据这些影响就可以推断地球内 部横截面的结构。地震层析成像方法主要包括射线追踪、全波形 反演和双向波路径方法等。 二、电磁场反演方法
电磁场反演方法是一种通过测量地球表面或近表面电磁场的变化来推断地下物质电导率的分布状况的方法。电磁场反演方法主要包括电阻率层析成像、磁化率层析成像、电场、磁场重力反演等。 三、地磁场反演方法 地磁场反演方法是一种通过测量地球表面或近表面磁场的变化来推断地下物质磁性的分布状况的方法。地磁场反演方法主要包括磁性层析成像、重力反演等。 四、重力反演方法 重力反演方法是一种通过测量地球表面或近表面重力值的变化来推断地下物质密度分布状况的方法。重力反演方法主要包括引力异常反演、引力梯度反演、重力谱反演等。 总之，地球物理学研究中的反演方法是一个复杂的科学体系，需要将物理学、数学、计算机科学等多个学科融合在一起，才能够高效地推算出地球内部结构的分布情况。虽然反演方法在地球
层析的原理 层析（Tomography）是一种通过对物体进行多次扫描和重建来获取内部结构信息的方法。它在医学影像学、材料科学、地质勘探等领域都有广泛的应用。层析原理是基于射线穿过物体时的衰减和散射现象，通过对射线的测量和分析，可以得到物体内部的密度分布、成分组成等信息。 层析技术的基本原理是射线的穿透和衰减。在层析成像中，通常使用X射线或中子作为穿透物体的射线源。射线从不同方向通过物体，然后被探测器接收。当射线通过物体时，会与物体内部的不同组织结构相互作用，产生散射和吸收现象。探测器会记录射线的强度变化，并将这些数据传输到计算机中进行处理。 层析成像的核心是重建算法。通过对射线的测量数据进行处理，可以得到物体内部的密度分布图像。常用的重建算法有滤波反投影算法、迭代算法等。滤波反投影算法是一种最常用的层析重建算法，它将测量数据进行滤波处理，然后通过反投影来恢复物体内部的信息。迭代算法则是一种更加精确的重建方法，它通过多次迭代计算来逐步优化图像质量。 层析成像有许多优点。首先，它可以提供物体内部的详细结构信息，对于诊断疾病、研究材料性质等具有重要意义。其次，层析成像是一种非侵入性的检测方法，不需要对物体进行破坏性的处理。再次，
层析成像的分辨率相对较高，可以显示出物体内部微小的结构差异。此外，层析成像还可以进行多角度扫描，通过对多个角度的数据进行叠加，可以得到更全面的物体信息。 然而，层析成像也存在一些局限性。首先，层析成像的扫描时间较长，对于动态物体或需要快速诊断的情况不太适用。其次，层析成像的成本相对较高，需要昂贵的设备和专业技术人员来操作和解读图像。此外，射线的辐射对人体健康有一定的风险，需要严格的辐射防护措施。 未来，层析成像技术有望得到进一步发展。随着计算机处理能力的提高和重建算法的优化，层析成像的速度和精确度将得到提升。同时，新的射线源和探测器技术的出现，也将推动层析成像技术的发展。例如，近年来出现的光学层析成像、声波层析成像等新技术，为层析成像领域带来了新的可能性。 层析的原理是通过射线的穿透和衰减现象来获取物体内部结构信息的方法。层析成像技术在医学、材料科学、地质勘探等领域具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展和创新，层析成像将在未来发挥更加重要的作用，为人们提供更准确、便捷的检测手段。
基于地震数据的地球物理反演方法及其地质 意义 地震是地球上普遍存在的自然现象之一，地震数据的地球物理反演方法可以为我们提供有关地球内部结构和地质条件的重要信息。通过对地震数据进行分析和解释，可以了解地球的物质组成、地下构造和地壳运动等重要信息。 地球物理反演方法是利用地震波传播规律和地球内部各种物理参数之间的相互关系，通过计算和模拟的手段，从地震观测数据中恢复出地球内部物理参数的一种方法。常用的地球物理反演方法包括层析成像、声波反射法、地磁法和重力法等。 其中，层析成像是一种基于地震波传播规律的重要地球物理反演方法。它通过测量不同地点上的地震波传播时间和振幅来重建地下的速度分布情况。地震波在地下传播时会受到不同岩石、矿床或构造界面的影响，从而产生不同的传播速度。通过层析成像，可以重建出不同深度下的速度分布图像，进而揭示地球内部的结构特征，比如岩石层次、构造界面和矿床分布等。 声波反射法是利用地震波在岩石和介质中反射和折射的特性，通过检测和分析地震波与反射界面之间的反射信号来研究地下构造的方法。反射地震资料记录了地震波在地下反射界面上发生反射的能量和时间，通过反演方法可以得到地下界面的几何形态和地层速度信息。声波反射法广泛应用于勘探石油、煤矿和地质灾害等领域，对矿床和构造的识别、地质灾害的预测和石油、天然气勘探起到重要作用。 除了层析成像和声波反射法之外，地磁法和重力法也是常用的地球物理反演方法。地磁法通过测量地球磁场的强度和方向来研究地球内部的磁性物质分布和构造特征。重力法是通过测量地球引力场的变化来推断地下不同密度物质的分布情况。这两种方法在勘探矿产资源和研究地球内部结构方面具有重要意义。
浅海环境参数尤其是海底地声参数（包括海底的声速、密度、衰减系数和分层特征等）的获取，除采用海底采样、钻孔等方法进行局部测量外，利用声学方法进行海底参数遥感（地声反演），具有成本低、速度快、范围广等优点。 在深海，反演常通过多径传播的到达时间不同来进行，而在浅海，由于声信号与海水边界作用，使得传播变得十分复杂，通过多径到达结构来进行反演己不太合适。比较可行的方法是通过阵列获取声信号在时域、频域、空域的幅度和相位信息，并通过有效的寻优过程，得到与接收数据匹配的环境信息。因此，很多研究者将目光投向了匹配场处理研究。 1973年，Ingenito （1973）进行了模式分离实验，其在浅海中使用垂直阵对简正波模式进行分离和识别，同时利用模式衰减与海底沉积层衰减特性相联系的理论，通过简单的数据拟合确定了海底吸收系数，这是首次将匹配场处理理论应用于海底参数的反演。而利用声场确定海洋声速的海洋声层析概念，首先是由Munk 和Wunsch（1979）提出的，他们考察了水声信号到达时间与传播路径声速分布的关系。 进入上世纪80年代以后，反演理论有了快速的发展，各种研究成果和实验结果不断涌现。Rubano（1980）利用不同位置的爆炸声源测量了群速分布、模式形状和传播损失，并通过匹配方法得到了三层海底地声模型的参数。Zhou （1985）采用与Rubano类似的实验情况，通过群速分布特性和简正波测量结果（80-120Hz）得到了远黄海局部海域的地声参数。Rajan等（1987）和Lynch 1991）采用群速度分布曲线来反演海底地声属性，并采用线性扰动反演技术比较了窄带和宽带（20-120Hz）反演结果。Tolsoty等（1991）利用模拟数据，考虑全三维海洋变化性，提出并设计了一种海洋声层析的新方法，即沿感兴趣的海洋体积周围从飞机上投放爆炸物（低频宽带声源），用傅里叶分量与波动方程的解相匹配进行反演。Diachok等（1995）将宽带全场反演的其它方法和实验处理结果收集在关于海洋环境参数反演的专著中。Gerstoft等（1996）采用多频数据和线性匹配场处理器对意大利Elba岛北部海域环境参数进行了反演。Hermand等（1996）进行了地中海西部海域的宽带匹配场反演，他利用同时发射的7 个单频信号 （200-800Hz）,对水平变化的浅海环境进行了反演，得到了十分稳健的结果，与底质测量基本一致。Potty等（2000）利用不同频率不同模式的到达时间不同的原理，对新英格兰跨大陆架海域进行了水平不变和水平变化的环境参数反演。Holland等
层析技术的原理和应用范围 一、层析技术的原理 层析技术是一种通过利用物体在不同介质中吸收、散射射线的不同特性来获取 物体内部结构信息的成像技术。它基于X射线或其他形式的辐射束与物体之间的 相互作用，利用多个角度或位置的投射和检测数据来解析物体内部的信息。 层析技术的工作原理如下： 1. 投射：层析技术通过将射线或波束从不同方向或 位置投射到物体中，使射线或波束与物体相互作用。 2. 散射和吸收：射线或波束 在物体内部经历散射和吸收，不同物质对射线或波束有不同的散射和吸收特性。 3. 检测：通过探测器记录从物体中散射或传递的射线或波束，获取物体内部的密度和组织结构信息。 4. 重建：利用多个投射和检测的数据，采用数学算法进行反演和 图像重建，生成具有空间分辨能力的层析图像。 二、层析技术的应用范围 层析技术在医学、材料科学、工业检测等领域有着广泛的应用。 2.1 医学应用 层析技术在医学影像学中有着重要的应用，可以用于： - X射线计算机断层扫 描（CT）：层析技术的最典型应用就是医学CT扫描，能够获得人体的横截面图像，并提供高分辨率的器官结构信息，用于疾病的诊断和手术规划。 - 正电子发射断层 扫描（PET）：层析技术结合正电子发射技术，能够提供生物体的代谢和功能信息，用于癌症、神经系统疾病等疾病的诊断和治疗。 - 磁共振成像（MRI）：层析技术 在MRI中的应用，可以提高图像分辨率和对比度，改善病灶的可见性。 2.2 材料科学应用 层析技术在材料科学中的应用范围也很广泛，可以用于： - 材料成像：层析技 术可以非破坏性地检测和成像材料的内部结构和缺陷，用于质量控制和材料性能的评估。 - 晶体学和结晶学：层析技术可以观察和分析晶体的结构和缺陷，用于材料 的生长、结晶过程的研究和优化。 2.3 工业检测应用 层析技术在工业检测中有着重要的应用，可以用于： - 金属检测：层析技术可 以检测金属制品的内部结构和缺陷，如焊接缺陷、气孔等。 - 包装检测：层析技术 可以检测包装材料内部的气体、液体和固体等异物，用于食品、药品等行业的生产质量控制。
南海北部内波活动下的声速剖面重构方法研究 叶思雨;屈科;马皓天 【摘要】在内波条件下,水声信道稳定性变差,声速剖面的重构具有一定难度.与其他方法相比,经验正交分解法优点在于能用少量参数进行重构,而不需要引入大量的参数.利用南海北部陆坡测量的温度链数据,采用经验正交分解法对声速剖面进行重构.结果表明:在内波剧烈的南海北部海域,通过经验正交分解法重构声速剖面具有可行性,其前3个模态累计贡献率达到96.7％.分析样本的周期覆盖率对重构结果的影响后发现,当样本覆盖完整的海洋潮汐活动周期时,基于EOF分析对本组声速剖面的重构均方根误差小于1.1 m/s,重构声速剖面结果理想;而当采集的样本不能覆盖完整周期时,误差较大. 【期刊名称】《海洋技术》 【年(卷),期】2018(037)002 【总页数】5页(P30-34) 【关键词】经验正交函数;声速剖面重构;内波;周期性 【作者】叶思雨;屈科;马皓天 【作者单位】广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江524088;广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江524088;广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江524088 【正文语种】中文 【中图分类】TB566
声速在海洋环境中是一个非常重要的参数，传统方法声速剖面的重构都对样本数量有一定要求。浅海中易因阳光、大气温度等外界因素形成热对流，引起海温的剧变，进而引起声速剖面的剧变。而当内波存在时，即使在很短的时间内，声速剖面也会因此发生较为剧烈的变化，这对该时间段内海洋环境参数的样本数量提出了更高的要求，使得在内波环境下通过传统方法重构声速剖面存在困难。 利用声场反演声速剖面首先是Munk和Wunsch[1-2]提出来的。LeBlanc等[3]的研究表明，经验正交函数（EOF,Empirical Orthogonal Function）是描述声速剖面最有效的基函数。很多学者在研究中都证明了这种方法的可行性[4-7]。2002年，沈远海[8]验证了在浅海用经验正交函数描述声速剖面的可行性。Park等[9]的研究表明，即使对于与平均剖面存在显著差异的声速场，最多也只需要5个经验正交 函数就可足够精确的表达[9]。哈尔滨工程大学唐俊峰[10]利用实测数据由声信号 的传播时间反演海水中的声速剖面，用经验正交函数表示声速剖面，根据选取的代价函数应用遗传算法搜索最优解。为了提高反演算法的性能，快速反演获得海水中的声速剖面，在射线声学理论下，改进了传播时间的计算方法，有效降低了算法的计算量。利用海上实验的实际数据反演获得的声速剖面与实验时直接测量获得的声速剖面相比较，误差小于2%，反演结果与实测结果基本相符。马远良等[11]通过对比实测南海浅海声速剖面与经验正交法重构的声速剖面，证明了南海浅海声速剖面用经验正交函数表示的实用性与可行性。张震迈、李整林等[12]也尝试了在深海中用经验正交函数表示了声速剖面并重构声速。所以用经验正交函数重构声速剖面是完全可行的。该方法的优点在于只需要反演各阶经验正交函数的系数，可大幅减少计算量[13]，且在声速剖面变化剧烈的前提下依然有效。 综上所述，用EOF方法描述内波声速剖面是有效的。但是，作为一种数值方法， 该方法的效率严重依赖样本质量。本文通过南海北部陆坡下的内波声速剖面重构，
声场全息重构方法与实验研究 戚茜;陈航;杨虎 【摘要】声场全息重构是通过近场声全息重构声源的声辐射特性的一种声场反演方法,是近年来的研究热点问题.基于近场声全息声场重构模型,研究声场全息重构方法;再运用LabVIEW虚拟仪器软件平台,开展了传声器阵列各通道标定校准、数据采集、全息面复声压的获取和声场可视化等声场全息重构实验研究.实验结果表明,声场全息重构实验具有较高的定位精度,同时也验证了声场全息重构方法的有效性和实用性. 【期刊名称】《电声技术》 【年(卷),期】2016(040)005 【总页数】4页(P59-62) 【关键词】声场重构;近场声全息;LabVIEW 【作者】戚茜;陈航;杨虎 【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072 【正文语种】中文 【中图分类】TB52;O422.2 噪声源识别方法属于声学逆问题。所谓声学正问题是给定产生声场的声源求声场的预报，而声学逆问题是根据声场分布的信息反推声源的特征量及其有关物性[1]。噪声源定位识别技术就是根据已知的声场分布信息，通过适当的计算方法对其进行
声场反演，从而获得噪声源的位置信息、空间分布以及结构振动特征等物理特性。随着噪声源识别技术的不断提高，人们不仅能“听”到声音，而且可以直接“看”到声音，噪声源的声场实现可视化。近场声全息(Nearfield Acoustic Holography：NAH)[2-3]作为可视化噪声源识别的有效声场处理技术，为噪声源识别、定位和声场可视化技术提供了有力的工具，属于声学逆问题。 近场声全息技术完全建立在声辐射理论基础上的一种重要的声源定位和声场可视化技术，通过测量近场声场信息，重构声场中其他位置声学量，从而预测声源面噪声源位置及噪声源辐射特性，它可以获得高分辨率的重建图像和丰富的声场信息。声全息技术已经广泛应用于声源的定位与识别、噪声源预报[4]、目标散射场[5]、结构振动的声辐射以及结构模态振动[6]等方面的研究。 近场声全息技术两个不可或缺的组成部分是全息面上复声压的获取和全息重建，全息面上复声压的测量是实现该技术的基础，而全息重建是该技术的最终目的。本文基于NAH声场重构模型，研究通过近场声全息重构声源的声辐射特性的声场反演方法；再运用LabVIEW虚拟仪器软件平台[7]，进行声场全息重构的实验研究。实现了传声器阵列各通道标定校准、数据采集、全息面复声压的获取、全息重构数据分析和声场的可视化。 1.1 基于NAH声场重构模型 在开阔空间内的有限结构表面振动与外部辐射声场的Helmholtz积分方程[8]为由Dirichlet边界可得 ∬SPp(rS)gD(r,rS)dS 即 gD(x-xS,y-yS,z-zS)dxSdyS 根据二维傅氏变换理论，两个连续函数实空间域中的卷积对应着它们在k-空间域傅氏变换的乘积，即
基于声波方程的有限频伴随状态法初至波旅行时层析 谢春;刘玉柱;董良国;杨积忠 【摘要】根据有限频理论,对于特定震相的观测信息,不仅射线路径上的介质对该信息具有影响,路径以外的其它区域对接收信息也具有影响,这种影响可以用核函数来表达.传统核函数的计算是基于“波路径”的,计算繁琐且效率低.而基于射线理论的伴随状态法虽然可以在很大程度上提高反演效率,却没有考虑地震波传播的有限频特性,这就导致了反演过程中低波数信息的缺失.本文基于伴随状态法,同时考虑地震波传播的有限频特性,研究并实现了基于声波方程的有限频伴随状态法初至波旅行时层析成像.将该方法应用于表层速度结构反演,理论模型实验表明,该方法比传统非线性射线旅行时层析成像具有更高的反演精度. 【期刊名称】《石油地球物理勘探》 【年(卷),期】2015(050)002 【总页数】9页(P274-282) 【关键词】有限频;伴随状态法;初至波旅行时层析;波路径;核函数 【作者】谢春;刘玉柱;董良国;杨积忠 【作者单位】同济大学海洋地质国家重点实验室,上海200092;同济大学海洋地质国家重点实验室,上海200092;同济大学海洋地质国家重点实验室,上海200092;同济大学海洋地质国家重点实验室,上海200092 【正文语种】中文 【中图分类】P631
1 引言 目前，地震层析成像技术主要分为旅行时层析和波形层析。旅行时层析是通过解释地震波旅行时来反演地下速度分布［1～3］，尤其是初至波旅行时层析在近地表 速度结构反演中得到了广泛应用。然而，传统的初至波旅行时层析成像方法基于高频射线理论，没有考虑地震波的不同频率成分，必然造成射线路径沿高速区域优势采样，导致反演精度不高［4］。为此，一些学者提出了“波路径”的概念，以替代传统旅行时层析成像中的“射线路径”。“波路径”考虑了地震波传播的有限频特征，更准确地描述了地震信号对介质速度的灵敏度。与传统射线路径相比，“波路径”对低速区域具有同样的敏感性，改善了高频射线路径对高、低速区域采样的差异所产生的问题。但它需要计算地震波的正向传播波场与反向传播波场，计算效率非常低，严重制约了有限频层析在实际地震反演中的应用［5］。 为了解决传统射线层析和有限频层析中的上述问题，许多学者一直在研究新的层析成像方法。Chavent［6］将源于控制理论的伴随状态法引入地震反演中，随后， 该方法被广泛应用于地震偏移成像和波形反演［7，8］、速度建模［9，10］与 旅行时层析［11，12］等。Tromp等［13］将伴随状态法应用于时空域波动方 程旅行时层析，通过反传伴随震源直接获得了层析成像目标函数的梯度，避免了 Fréchet导数的计算，提高了计算效率。该旅行时层析方法既继承了传统旅行时层析的稳健性，又克服了常规射线层析的高频假设，相较于传统的非伴随状态法有限频层析其计算效率也得到了很大提高，并将该方法应用于天然地震学全球层析反演，取得了较好的效果。但是，在合成目标函数梯度时，该方法采用谱元法（Pseudospectral Method）［14］进行正演，该正演方法目前主要应用于天然地震学中，没有被广泛应用于勘探地震学研究中。因此，本文采用比较常用的声波方程有限差分法进行正演，实现有限频伴随状态法旅行时层析成像。
高精度深度域层析速度反演方法 徐嘉亮;周东红;贺电波;王军;边立恩 【摘要】深度域层速度场是叠前深度偏移最重要的参数,直接决定了偏移成像的精度.传统层析速度建模方法由三部分组成,首先利用Dix公式或基于层位约束的Dix 公式生成初始层速度模型,然后利用炮检距域道集对初始速度模型进行层析迭代,最后利用网格层析方法局部修饰速度模型.本文改进了传统层析速度建模流程:首先利用炮域波动方程相干反演方法建立初始速度模型,再利用角度域共成像点道集进行层析迭代,最后利用基于层位约束的网格层析方法局部修饰速度模型.渤海M区块三维实际数据试算证明本文对层析速度建模流程的改进是有效的,改进后的新流程可以大幅提高层速度场的精度. 【期刊名称】《石油地球物理勘探》 【年(卷),期】2018(053)004 【总页数】8页(P737-744) 【关键词】层速度场;偏移成像;相干反演;角度域共成像点道集;网格层析 【作者】徐嘉亮;周东红;贺电波;王军;边立恩 【作者单位】中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院,天津300451;中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院,天津300451;中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院,天津300451;中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院,天津300451;中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院,天津300451 【正文语种】中文
【中图分类】P631 1 引言 深度域偏移速度模型的建立是叠前深度偏移的重点和难点，其精度直接决定偏移成像的质量。Dix[1]最早利用Dix公式将叠加速度转化为深度域层速度，但公式是建立在水平均匀层状介质基础上，所以对于真实复杂地质构造，误差较大，但开创了层速度场模型建立的先河。针对以叠加速度为自变量的算法，Clapp等[2]针对 Dix公式的假设条件，提出了改进的层速度Dix约束反演方法，突破了水平层状介质的限制，但是对于横向速度剧烈变化的介质误差依然无法避免。Landa等[3]提 出了一种CMP道集射线追踪速度相干反演方法，该方法不以双曲近似或者叠前旅行时拾取为基础，而是通过射线追踪方法计算旅行时曲线，在沿旅行时曲线的有效时窗内使叠前道集的相干达到极大而计算地层层速度。该方法完全由地震数据驱动，地震资料的信噪比及分辨率极大程度上决定了方法的精度，开辟了初始层速度场建模的全新思路[4]。目前应用Dix公式或Dix约束反演方法得到的层速度常常被当 作层析成像的初始速度模型。经常使用的两种层析速度建模方法为深度聚焦分析方法[5]和剩余曲率分析方法，其中后者应用最为广泛。Al-Yahya[6]基于偏移后的共炮检距域道集拉平准则建立了剩余曲率层析速度建模方法，该方法最先应用偏移结果有效迭代更新速度模型。在此基础之上，Lee等[7]提出了含倾角校正的剩余曲 率迭代公式，从而将该方法从水平层状介质推广到小倾角地层。Prucha等[8]提出适用于三维反演偏移速度梯度变化的两步法速度修正公式，该方法不再受地层倾角的限制。Sava等[9，10]提出利用傅里叶变换及波场传播理论提取角度域共成像点道集的思路。 Rickett等[11]对角度域共成像点道集的动力学和运动学特征进行了分析，用角度 域共成像点道集迭代更新深度域层速度模型，从而大大提高了层析速度建模的精度
基于特征波属性参数的立体层析速度反演方法研究 洪瑛;韩文功;孙小东;李振春;李芳 【摘要】研究了利用法向入射点波(NIP波)的运动学属性,实现立体层析速度反演的方法.对这些运动学参数做层析反演,以得到用于深度域偏移成像的横向非均质平滑速度模型.多次迭代过程中,沿法向射线进行动力学射线追踪获得正演参数,且拾取的参数和正演参数误差达到最小,进而得到最佳速度模型.在正演模拟过程中,利用射线扰动理论计算出Frechet导数,使得目标函数梯度最小化.该方法拾取方便、易于实现,尤其适用于低信噪比的地区.将该方法应用于二维模型数据,收到了预期的效果.%In this paper investigation is conducted to implement stereo-tomography using kinematic attributes of eigen-wave which is so called normal incidence point (NIP) wave.These kinematic parameters are utilized in tomography to achieve smooth and lateral homogenous velocity model which can be applied to migration in depth domain.Multiple iteration are carried out to minimize the picked parameters and simulated ones through which optimal velocity model can be derived.During iteration, simulated parameters are obtained from dynamic ray tracing.Subsequently Frechet derivatives of tomography matrix are calculated via ray perturbation theory to minimize the objective function.This method is facilitated to operate with the advantage of convenient picking particularly applicable to low S/N ratio area.In this paper 2D model test shows expected and promising results using this approach. 【期刊名称】《物探化探计算技术》
基于改进时间反演算法的感应式磁声成像图像重建研究 张帅;李文龙;张雪莹;李子秀;赵明康;崔琨;史勋;徐桂芝 【摘要】Objective To develop a new algorithm to reconstruct the distribution of acoustic sources of magnetoacoustic tomography with magnetic induction(MAT-MI)in the acoustic inhomogeneous media,which is developed on the basis of generalized finite element method (GFEM) and modified time inversion algorithm. Methods The acoustic and acoustic coupling theory and the basic equations of acoustics were used to study the forward and inverse problems of the acoustic inhomogeneous concentric sphere magneticacoustic coupling model. The solution of acoustic non-uniform media wave equation based on GFEM was proposed.The method solved the problem of acoustically inhomogeneous media sound source reconstruction and conductivity reconstruction.At the same time,the distribution of velocity was reconstructed by rotating the pairs of transducers and the time reversal algorithm. Results The proposed algorithm could accurately reconstruct the acoustic source distribution in acoustic inhomogeneous media,and could obtain the distribution of sound velocity during the reconstruction of sound source and recover the image well. Conclusion The proposed algorithm had its feasibility and effectiveness verified,and gains advantages in MAT-MI reconstruction of acoustic inhomogeneous media.%目的:在广义有限元法和时间反演算法理论的基础上研究一种新型的算法,以重建声学非均匀介质中的声源分布.方法:通过磁声耦合理论,结合声学的基本方程研究声学非均匀同心球模型感应式磁声成像
目录
1背景和研究意义 当前，世界各军事强国将制海权放在相当重要的位置，他们投入了大量的人力物力财力研究海洋环境信息的获取方法，以充分保证其政治、经济和军事利益。而且，大约70%的地球表面被海洋覆盖。声波可以行驶穿越海洋的距离超过数百公里。因为它的相对易于传播，水下声音已被应用于各种用途的海洋的使用与探索[1]，如声场预报、声纳作用距离估算及目标定位等。因此，通过对海底沉积物的各种实验、观测手段，开展现场调查和实验、理论研究，建立起在不同区域适用的海底地声学模型，并确定海底沉积物声学参数和力学参数以及其他物理参数之间的内在关系，从而实现用声学方法对海底沉积物的地质构造及地质属性进行测绘和分类识别具有重大意义。 其中，由于海底的作用，浅海声场相比深海声场更加复杂，海底中的各类声学参数，如密度、声速与衰减等变化都将改变上层流体中声场的分布[2]，进而影响到水下声音的应用，所以研究海底参数是十分必要的。而我国的大部分海域为浅海，所以研究浅海声场参数具有重要的战略意义。 传统的海底表层参数测量方法多为采用海底采样实验室分析或将高频声学测量设备插入海底直接测量海底声速、衰减系数的原位测量方法。但是，一般情况下这两种方法获得的海底声学参数只能是局地的，而且起伏较大，不易确定沉积层的厚度，[3]并且要耗费大量的人力和物力，而且采集到的样品由于脱离了原生态的海底，它的压力、温度等物理力学等参数会发生变化。另一类常用的海底声学参数获取方法为地声反演，反演即是根据假设的模型，从测量得到的声场分布情况反推海底分层介质的特征。[4]通常是利用一艘船发射声信号、另一艘船吊放接收阵接收声信号的双船实验，或一艘船发射、浮潜标接收的方式实验，两者距离数公里到数十公里，通过比对理论计算与实验测量的声场传播损失、简正波模态、垂直阵或水平阵声场空间结构、混响信号、脉冲波形等方法确定海底声学参数[3]。反演获取的海底参数可以反映大距离尺度上的海底特征，是一个方便、经济、高效的途径 [5]。 一般而言，目前的反演办法多是多维反演，即反演出与地声模型相对应的一组多个海底参数。多维反演虽然能准确获得海底声参数，但也面临一些问题，例如它针对多个待反演参数的敏感度不同，对特定声信号影响微弱的参数容易被海洋中的不确定性所掩盖，针对这一问题国外提出了选取不同代价函数的解决办法，而国内学者提出了多种方法反演不同参数的联合反演思路，较好地解决了这一问题。除此以外，多维反演因为待求未知数多，自然需要更多求解条件，另外还会遇到海上待测物理量多且复杂以及反演声信号处理复杂等问题。当反演的目的为快捷地获得海底性质时，最大限度减少需要的参数数量是一种可行的思路。国外对于单个参数表示海底性质较早进行了研究，但是设计的反演方法报道较少。6目前反演方法主要有以下几种：匹配场法，垂直阵或水平阵声场法，空间结构法，环境噪声法，混响信号法，海底反射法，传播损失与波形匹配反演法，脉冲波形法，神经网络法，浅底层剖面声纳反演法，分步联合反演法。其中，匹配场处理方法发展最快，它得益于最大限度地利用水声信道模型等技术优势，成为了快速低成本获取局部海域环境参数的有效方法[7]7，已经取得了一系列具有实用价值的结果；而利用环境噪声反演地声参数，由于其不需要发射声源，易于实施等优点受到人们的青睐。[8]8地声参数的声学反演一般包括 (1)环境和可观测数据的表征 (2)前向模型 (3)优化算法 (4)反演结果的不确定性分析等环节。其中，优化算法是决定反演速度和精度的关键环节之一，也是近20年来水声学领域的研究热点之一。现有优化算法中以全局搜索算法应用最广，如模拟退火算法、遗传算法等。利用全局搜索算法可以获得某种目标函数极值意义下的最优解，但在实际应用中往往需要对海量数据进行分批分时处理，此时对每组数据(不同时刻或不同地点采集)应用全局搜索算法都需要重新搜索一次目标函数极值，并且在搜索过程中需要反复调用前向模型计算拷贝场，因此运算量很大、计算时间很长，难以满足工程上的实时反演要求。为解决海量数据处理的实时性问题，一些研究人员提出了基于BP， RBF神经网络的地声参数反演方法，通过对一个基于前向模型产生的拷贝场样本集的训练学习来近似估计地声参数反演算子。原则上，只要水听器阵列参数配置一定，在分批分时处理数据时仅需估计一次反演算子，此后直接把各组数据代入该反演算子计算即可，不必再调用前向模型重新估计，因此比全局搜索算法在计算速度方面具有更大的优势。但是，此类方法存在反演精度较低的不足，主要有两方面原因：(1)反演中仅利用了实测声场
频率域全波形反演方法简介 郑文怡 (地球物理11-1，资源与地球科学学院，中国矿业大学，徐州) 摘要:全波形反演直接利用振幅、走时和相位等地震波场运动学及动力学参数，其反演精度可达到波场数量级。频域的全波形反演相比时域的全波形反演而言，在运算速度上有所提高。不同频率数据对异常体反映能力不一，从不同频段反演，能够精细刻画地下速度体的细节部分。本文简单介绍了频域全波形反演的发展以及大体流程，列举一个实例，来展示频域全波形反演的特点。 关键字：频率域全波形反演，速度模型 Brief Introduction of Frequency-domain Full Waveform Inversion ZHENG Wenyi (Class 11-1 in Geophysics, School of Resources and Earth Science, CUMT, Xuzhou) Abstract: The full waveform inversion (FWI) method directly utilizes the kinematic and dynamic information of the seismic wave field like the amplitude, travel time, phase, etc. The inversion precision can reach the magnitude of wave field. Compared with the FWI in time domain, FWI in frequency domain is improved on the operation speed. Different data have different capabilities in reflecting the abnormal body. When inversing from different frequencies, WFI can finely describe the details of the underground velocity body. This paper simply introduce the development of frequency-domain WFI inversion and its general process. An example is cited to show the characteristics of frequency-domain WFI inversion. Keywords:frequency-domain full waveform inversion, velocity model 1国内外研究现状 地球物理学的基本方法是通过研究各种地球物理场的特征来揭示地球内部复杂的结构和构造。地球物理反演问题就是根据各种地球物理观测数据推测地球内部的结构形态及物质成分，定量计算各种相关的地球物理参数。过去几十年中，反演理论在全球地球物理学界获得了广泛应用。利用人工地震获取的地震波信息反演地下介质物性参数是地球物理学的重要研究内容。地震波场反演方法很多，如走时/相位反演、振幅反演以及全波形反演等等。其中全波形反演不同于走时反演、振幅反演等传统方法，它可以描述为一个基于地震全波场模拟的数据拟合过程，利用地震记录的整体信息来进行反演，而不像其它传统的方法仅使用地震波形中的部分信息。 20世纪80 年代Tarantola等人提出了基于广义最小二乘反演理论的时间域全波形反演方法，对近20 多年多维地震反演理论的发展产生了深远的影响。为提高计算效率，80年代末90年代初Pratt等人将全波形反演理论推广到频率域，形成了频率域全波形反演方法，也称波形层析成像方法。了避免反演陷入局部极小，全波形反演方法对初始模型精度要求严格。针对地震数据频带宽度有限、反演初始速度模型获取困难等问题，Shin提出利用阻尼波场零频分量反演低频模型作为频率域波形反演的初始模型，即Laplace域全波形反演方法，为全波形反演理论与应用研究注入了新的活力。近几年来国外频率域全波形反演方法应用研究发展迅速，为区域深部构造及演化分析、浅表层环境调查、宏观速度场建模与成像、岩性参数反演提供了新的有力手段。
第一章绪论 1.1概述 声全息场变换是一种利用声场空间某一区域已知的声场分布,如复声压、复振速分布来预报另一区域声场特性，包括声源表面、近场及远场的各种声学标量场和向量场的分布的技术。它可以解决一些利用常规的理论和实验方法不便或尚难解决的问题。 本文讨论的就是一种主动声全息技术：利用SFT（空间傅立叶变换）进行任意角度下声反射系数的反演，以及对利用这一理论进行的一次原理实验的分析。 1.2 一种任意入射角反射系数反演技术]4[ 声学材料的声特性测量主要包括声管中的小样测量和自由场中的大样测量两种。前者给出小样材料的法向反声特性。经过几十年的努力，这方面的测量技术已经基本成熟，并已形成了有关的测量标准。而后者不仅能够给出大样材料或声反射面的法向反声特性，更重要的是，自由场测量还可以给出测向特性，这在实际工作中是很需要的。 关于自由场中任意入射角反射系数的测量方法已经不少了。大致可归纳为以下几类]2[： （1）表面声压法：在待测材料表面上测得其复声压，再与位于空间同一点上全反射材料上测得的声压相比较。 （2）干涉图法：应用几何反射理论，可以通过位于待测材料前的声波干涉图得到反射系数。 （3）信号分离法：使用脉冲或相关技术，测量一待测材料表面上对一测试信号的响应声压，再分离入射和反射信号以 - 1 -
- 2 - 得到反射系数。 （4） 双微音器法： 通过置于待测材料表面附近的两个微音器 之间的一个传播方程来测量，可计算得反射系数。 随着信号处理计算机应用技术的迅速发展，使近场声全息技术应用于声学材料或声反射面的反声特性的测量成为可能。 Tamura 首先引用了这种技术，提出了一种新的测量方法，即利用SFT （Spatial Fourier Transform 空间傅立叶变换）来测量任意角的反射系数。这种方法需要测量两个声全息面上的复声压，再利用ＳＦＴ将每个全息面上的复声压分解为平面波成分。而待测材料上的入射与反射平面波可利用平面波传播理论通过计算分离开。这样就可以得到材料表面的声反射系数了。 与一般的自由场方法比较，其优点在于：（1）不同入射角[ 90,0]的反射系数可以通过一次测量全部获得；（2）半无界空间反射面反射系数的常规测量中，“平面波”近似与“球面波”近似以及有关的修正在这里不必要了。因为通过声场空间变换技术，已将入射波分解成了不同入射方向的“纯”平面波分量。 1.3 原理实验简介 本文所介绍的实验是利用这一理论进行的一次原理实验。本次实验是在哈尔滨工程大学水声工程学院水池，利用现有设备进行的。 本实验的测量目标是水池的池壁。 实验系统发射部分由惠普33120脉冲发生器、B&K2713功率放大器和2号圆筒发射换能器组成。接收部分由B&K 标准水听器、前置放大器、滤波器、数据采集器和示波器组成。 本文对实验中出现的一些现象和实验结果进行了分析，为进一步的研究积累了经验。