混合網(wǎng)最小走時(shí)射線追蹤層析成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混合網(wǎng)最小走時(shí)射線追蹤層析成像方法，它是將二維復(fù)雜外部幾何邊界及內(nèi)部復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的成像區(qū)域，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)分解成規(guī)則矩形子域和不規(guī)則子域，對(duì)規(guī)則矩形子域采用矩形網(wǎng)格剖分，對(duì)不規(guī)則區(qū)域則采用三角網(wǎng)格剖分；采用混合網(wǎng)波行面擴(kuò)展法計(jì)算聲波初至走時(shí)，追蹤出任意接收點(diǎn)至激發(fā)點(diǎn)處的射線路徑；將射線路徑信息形成矩陣方程；再采用外推序列加速代數(shù)重構(gòu)技術(shù)求解矩陣方程得到模型的速度分布，最終形成規(guī)則的網(wǎng)格成像數(shù)據(jù)。本發(fā)明有效解決單種網(wǎng)格剖分存在的問題以及正演模擬時(shí)存儲(chǔ)量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、正演模擬難度增大、效率低、層析反演時(shí)方程性態(tài)差、求解困難問題。
【專利說明】混合網(wǎng)最小走時(shí)射線追蹤層析成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地學(xué)層析成像技術(shù)，主要應(yīng)用于巖體工程地質(zhì)聲波探測(cè)、孔間地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)及各種人工結(jié)構(gòu)體缺陷檢測(cè)中的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)圖像處理。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，地學(xué)層析成像技術(shù)以射線代數(shù)重建法為主，稱為射線層析成像方法。
[0003]具體方法是，在地層中打兩孔，一孔設(shè)有信號(hào)激發(fā)裝置，另一孔設(shè)有信號(hào)接收裝置(單道或多道)，形成扇形觀測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量探測(cè)區(qū)域介質(zhì)速度。通過改變激發(fā)點(diǎn)和接收排列的位置，組成密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò)，然后根據(jù)射線的疏密程度及成像精度劃分規(guī)則的成像單元，運(yùn)用射線追蹤理論，采用反演計(jì)算方法形成被測(cè)區(qū)域的聲波波速圖像。根據(jù)射線理論，初至旅行時(shí)t與探測(cè)區(qū)域介質(zhì)速度V (X，z)有下列關(guān)系
【權(quán)利要求】
1.一種混合網(wǎng)最小走時(shí)射線追蹤層析成像方法，是采用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的，其特征在于，它是將二維復(fù)雜外部幾何邊界及內(nèi)部復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的成像區(qū)域，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)分解成規(guī)則矩形子域和不規(guī)則子域，對(duì)規(guī)則矩形子域采用矩形網(wǎng)格剖分，而對(duì)不規(guī)則區(qū)域則采用三角網(wǎng)格剖分，從而將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)格剖分成包括矩形網(wǎng)和三角網(wǎng)的混合網(wǎng)；采用混合網(wǎng)波行面擴(kuò)展法計(jì)算聲波初至走時(shí)，追蹤出任意接收點(diǎn)至激發(fā)點(diǎn)處的射線路徑，射線路徑包含了從接收點(diǎn)至源點(diǎn)的坐標(biāo)、所在網(wǎng)格單元信息；將射線路徑信息形成矩陣方程，則區(qū)域?qū)游龀上駝t歸結(jié)為求解大型病態(tài)線性方程組；再采用外推序列加速代數(shù)重構(gòu)技術(shù)求解矩陣方程，得到模型的速度分布，即最終形成規(guī)則的網(wǎng)格成像數(shù)據(jù)；詳細(xì)步驟如下: 第I步、數(shù)據(jù)采集，即拾取各震源至接收換能器的初至走時(shí)tm ； 第2步:建立成像區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)； 根據(jù)邊界幾何特征、先驗(yàn)信息等建立成像區(qū)域的背景網(wǎng)，包括初始網(wǎng)格密度的設(shè)置，為混合網(wǎng)剖分打下基礎(chǔ)，同時(shí)建立成像區(qū)域的相三維對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)； 第3步:建立成像區(qū)域初至走時(shí)信息； 初至走時(shí)信息包括:每一震源點(diǎn)坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)每一震源點(diǎn)接收排列的三維坐標(biāo)和走時(shí)tm； 第4步:將第2步成像區(qū)域的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換和切面投影，以利于二維成像操作； 第5步:建立混合型區(qū)域網(wǎng)格； 首先對(duì)二維復(fù)雜外部幾何邊界的地學(xué)層析成像區(qū)域，以及內(nèi)部復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的地學(xué)層析成像區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，分解成規(guī)則矩形子域和不規(guī)則子域，對(duì)規(guī)則矩形子域采用矩形網(wǎng)格剖分，對(duì)不規(guī)則區(qū)域則采用三角網(wǎng)格剖分，從而使整個(gè)成像區(qū)域網(wǎng)格成為矩形網(wǎng)和三角網(wǎng)混合組成的區(qū)域網(wǎng)格； 按背景網(wǎng)及當(dāng)前速度模型設(shè)置的網(wǎng)格密度函數(shù)值進(jìn)行剖分，形成網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件； 第6步:建立網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，為射線追蹤打下基礎(chǔ)； 上述的網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)包括:源節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格單元頂點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格邊插入節(jié)點(diǎn)； 第7步:初始速度模型輸入； 當(dāng)已知先驗(yàn)速度，應(yīng)首先輸入先驗(yàn)速度信息建立初始速度模型；否則，按均勻速度信息建立初始速度模型； 第8步:對(duì)每個(gè)源點(diǎn)進(jìn)行射線追蹤，得到相應(yīng)源點(diǎn)下各節(jié)點(diǎn)的次級(jí)源及次級(jí)源所在的網(wǎng)格單元；射線追蹤步驟如下: 第8.1步:波行面擴(kuò)展 從震源或一個(gè)相對(duì)最小走時(shí)波前點(diǎn)出發(fā)，確定這一節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前最小走時(shí)單元； 先計(jì)算當(dāng)前最小走時(shí)單元節(jié)點(diǎn)的最小旅行走時(shí)，再計(jì)算該單元相鄰單元節(jié)點(diǎn)旅行走時(shí)；將當(dāng)前單元和相鄰單元節(jié)點(diǎn)的旅行走時(shí)相比較，如果旅行走時(shí)無變化時(shí)，對(duì)當(dāng)前這一最小走時(shí)單元作出休眠標(biāo)志，再尋找下一個(gè)最小走時(shí)單元作為當(dāng)前單元，以此類推，遍歷所有單元； 在上述遍歷所有單元過程中，把遍歷單元作為一個(gè)波行平面，當(dāng)該波行平面遇回轉(zhuǎn)波時(shí)，先前已經(jīng)休眠的單元將通過單元之間的傳遞而激活，再次成為當(dāng)前最小走時(shí)單元；當(dāng)所有波行面的節(jié)點(diǎn)走時(shí)都不再變化、且波行平面中所有的單元均處于休眠狀態(tài)時(shí)，波行面擴(kuò)展完畢； 第8.2步:利用計(jì)算出的各節(jié)點(diǎn)的旅行時(shí)和方向信息確定射線路徑，從接收點(diǎn)開始，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)走時(shí)及次級(jí)源信息，進(jìn)行向源檢索，拾取從接收點(diǎn)到源點(diǎn)的射線路徑； 第9步:設(shè)置成像反演迭代的終止條件，終止條件可以是迭代次數(shù)，也可以是預(yù)先設(shè)置走時(shí)殘差； 第10步:接收點(diǎn)的向源檢索； 對(duì)每個(gè)源點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)進(jìn)行向源檢索，得到射線路徑，射線路徑包含了從接收點(diǎn)至源點(diǎn)的坐標(biāo)和所在網(wǎng)格單元信息，所在網(wǎng)格單元信息包括網(wǎng)格單元的編號(hào)、次級(jí)源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和射線長(zhǎng)度，據(jù)此形成Jacobi矩陣A ； 由于Jacobi矩陣A為一稀疏矩陣，采用壓縮存儲(chǔ)，只需記錄射線所經(jīng)歷的網(wǎng)格單元及在此網(wǎng)格單元的長(zhǎng)度即可； 判斷成像反演迭代終止條件，若滿足終止條件，則轉(zhuǎn)下一步；否則轉(zhuǎn)第8步； 若想根據(jù)射線密度、速度分布信息重新對(duì)成像區(qū)域離散化時(shí)，則轉(zhuǎn)第5步；如此反復(fù)進(jìn)行，直至滿足設(shè)置的終止條件； 第11步:反演求解 根據(jù)第10步形成的Jacobi矩陣A,計(jì)算理論走時(shí)t。和走時(shí)殘差,走時(shí)殘差St = tm~tc ；建立反演方程Αδν= δ t ;采用外推加速代數(shù)重建反演算法解方程求取δ V，修改模型V =V0+ δ V ;終止條件是迭代次數(shù) 或預(yù)先設(shè)置的走時(shí)殘差； 第12步:成像結(jié)果輸出 對(duì)于規(guī)則網(wǎng)格成像結(jié)果輸出時(shí)，只需輸出網(wǎng)格各單元中心坐標(biāo)及單元的速度值即可；對(duì)于不規(guī)則網(wǎng)格成像結(jié)果輸出時(shí)，采用采樣輸出的辦法；即在不規(guī)則網(wǎng)格單元的橫向和縱向上等間距的設(shè)置多個(gè)采樣點(diǎn)，輸出采樣點(diǎn)的坐標(biāo)及單元的速度值，最終形成規(guī)則網(wǎng)格成像數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01V1/28GK103698810SQ201310670731
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】于師建 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)