[논문 리뷰] Reciprocity-gap misfit functional for Distributed Acoustic Sensing, combining data from passive and active sources

Florian Faucher, Maarten V. de Hoop외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Seismic Imaging and Inversion Techniques참고 문헌 97인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 분포형 음향 센서(DAS) 데이터를 사용한 탄성 전파형 역산 문제를 위한 새로운 상호성 간격 오차 기능을 제안한다. 이 기능은 수동(예: 지역 지진) 및 능동(예: 탐사) 소스를 통합하여, 소스 위치나 특성에 대한 사전 지식이 거의 필요 없이 다중 해상도의 지하 구조 재구성 가능하게 한다. 특히 저주파 성분 부족으로 인한 사이클 스트래핑 문제를 완화하고 저파수 모델 복원 능력을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Quantitative imaging of sub-surface Earth's properties in elastic media is performed from Distributed Acoustic Sensing data. A new misfit functional based upon the reciprocity-gap is designed, taking cross-correlations of displacement and strain, and these products further associate an observation with a simulation. In comparison with other misfit functionals, this one has the advantage to only require little a-priori information on the exciting sources. In particular, the misfit criterion enables the use of data from regional earthquakes (teleseismic events can be included as well), followed by exploration data to perform a multi-resolution reconstruction. The data from regional earthquakes contain the low-frequency content which is missing in the exploration ones, allowing for the recovery of the long spatial wavelength, even with very few sources. These data are used to build prior models for the subsequent reconstruction from the higher-frequency exploration data. This gives the elastic Full Reciprocity-gap Waveform Inversion method, and we demonstrate its performance with a pilot experiment for elastic isotropic reconstruction.

연구 동기 및 목표

• 능동 탐사 데이터의 저주파 성분 부족으로 인한 전파형 역산 문제에서의 사이클 스트래핑 문제를 해결하기 위해.
• 지역 지진과 같은 수동 소스 데이터를 능동 소스 DAS 데이터와 통합하여 다중 해상도 지하 이미징을 향상시키기 위해.
• 소스 위치나 특성에 대한 사전 지식이 거의 필요 없는 오차 기능을 개발하기 위해.
• 탄성 매질에서 변형률과 변위의 상관관계를 상호성 간격 프레임워크에 적용함으로써 타당성을 입증하기 위해.
• 실제 DAS 데이터 수거 설정에 적용 가능한 새로운 전체 상호성 간격 파형 역산(FRgWI) 방법의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 관측된 데이터와 시뮬레이션된 데이터 간의 변위 및 법선 응력(또는 변형률) 간 시간 상관관계를 기반으로 한 상호성 간격 오차 기능을 도입한다.
• 수신기 표면에 대한 적분을 통해 오차를 정의함으로써 리프시츠 경계를 가진 지형이 복잡한 영역에도 적용 가능하게 한다.
• DAS가 섬유 광학 케이블을 따라 측정하는 변형률과 더 잘 일치시키기 위해 법선 응력을 변형률로 대체하여 기능을 표현한다.
• 주파수 도메인에서 작동하여 효율적인 계산과 낮은 메모리 사용을 가능하게 하며, 주파수 계속 기법을 통해 시간 도메인 확장도 가능하다.
• 계산용 소스를 임의의 위치에 놓을 수 있어 샷 스택 및 탄력적인 수거 모델링이 가능하다.
• hawen 코드베이스를 사용하여 구현되었으며, 공개된 데이터셋과 스크립트를 통해 결과 재현이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄성 전파형 역산에서 수동 및 능동 지진 소스를 효과적으로 통합할 수 있는 상호성 간격 오차 기능을 설계할 수 있는가?
• RQ2 능동 데이터가 저주파 성분을 부족할 경우, 수동 소스 데이터(예: 지역 지진)가 저파수 지하 구조를 얼마나 잘 복원할 수 있는가?
• RQ3 소스 위치나 파형에 대한 사전 지식이 없는 상황에서 제안된 오차 기능은 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 DAS에서 측정한 변형률을 사용할 경우, 탄성 매질의 재구성 정확도와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존의 최소 제곱 오차 기능보다 상호성 간격 기능이 전파형 역산에서 사이클 스트래핑 문제를 더 효과적으로 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 전체 상호성 간격 파형 역산(FRgWI) 방법은 소스 정보가 거의 없더라도 수동 및 능동 DAS 데이터를 통합하여 탄성 지하 매질 매개변수를 성공적으로 재구성한다.
• 지역 지진 데이터로부터 장파수 구조를 먼저 복원하고, 탐사 데이터로부터 고파수 세부 정보를 추출함으로써 효과적인 다중 해상도 이미징이 가능하다.
• 시범 실험을 통해 다양한 수거 기하학적 구조와 소스 구성에 대해 유연성과 강건성을 입증하였다.
• 상호성 간격 오차 기능은 소스 위치나 파형 지식에 의존하지 않아 실제 DAS 배치에서 소스가 불확실하거나 알려지지 않은 경우에도 적합하다.
• 이론적으로 비対칭성 및 감쇠 매질로의 확장이 가능하며, 주파수 도메인에서 복소수 탄성 텐서를 간편하게 통합할 수 있다.
• 이 구현은 샷 스택을 지원하며, 시간 도메인 또는 하이브리드 도메인 공식화로도 확장 가능하여 3D 응용에 대한 확장성 향상이 가능하다.