[论文解读] Reciprocity-gap misfit functional for Distributed Acoustic Sensing, combining data from passive and active sources

Florian Faucher, Maarten V. de Hoop+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

Seismic Imaging and Inversion Techniques参考文献 97被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于分布式声学传感（DAS）数据的弹性全波形反演新型互易间隙目标泛函，结合了被动源（如区域地震）和主动源（如勘探）数据。通过利用观测数据与模拟数据之间位移和应变的互相关性，该方法可在无需事先知晓源位置或特性的前提下，实现多分辨率地下结构重建，显著提升低波数模型恢复能力，并缓解周期跳跃问题。

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.

研究动机与目标

• 解决由于主动源勘探数据中低频成分有限而导致全波形反演中出现周期跳跃的问题。
• 实现被动源数据（如区域地震）与主动源DAS数据的融合，以提升多分辨率地下成像效果。
• 开发一种对源位置和特性等先验知识要求极少的目标泛函。
• 证明在弹性介质中，利用应变与位移互相关性构建互易间隙框架的可行性。
• 为一种适用于真实世界DAS数据采集配置的新型全互易间隙波形反演（FRgWI）方法奠定基础。

提出的方法

• 该方法提出一种基于观测数据与模拟数据之间位移和法向应力（或应变）时间相关性的互易间隙目标泛函。
• 目标泛函通过接收器表面的积分形式表达，适用于具有Lipschitz边界且地形复杂的区域。
• 该泛函以应变形式表达，替代法向应力，以更好地匹配光纤光缆上DAS测量的应变数据。
• 方法在频域中运行，支持高效计算并降低内存占用，尽管可通过频率延拓方式实现时域扩展。
• 计算源可任意布置，支持炮叠加与灵活的采集建模。
• 该方法基于hawen代码库实现，结果可通过公开归档的数据集与脚本复现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种互易间隙目标泛函，以有效结合弹性全波形反演中的被动源与主动源？
• RQ2 当主动数据缺乏低频成分时，被动源数据（如区域地震）在恢复低波数地下结构方面能达到何种程度？
• RQ3 在缺乏对源位置或波形先验知识的情况下，所提出的泛函性能如何？
• RQ4 使用DAS测量的应变数据对弹性参数重建的精度与稳定性有何影响？
• RQ5 与传统的最小二乘目标泛函相比，互易间隙泛函是否能更有效地缓解全波形反演中的周期跳跃问题？

主要发现

• 所提出的全互易间隙波形反演（FRgWI）方法即使在源信息极少的情况下，也能成功利用被动与主动DAS数据重建弹性地下参数。
• 该方法通过先利用区域地震数据恢复长波长结构，再利用勘探数据恢复高波数细节，实现了有效的多分辨率成像。
• 初步实验表明，该方法在处理多样化采集几何与源配置方面具有高度灵活性与鲁棒性。
• 互易间隙目标泛函不依赖于源位置或波形知识，适用于源位置或特性不确定或未知的真实DAS部署场景。
• 该方法可扩展至各向异性和衰减介质，且在频域中可直接整合复数弹性张量。
• 该实现支持炮叠加，并可适应时域或混合域公式，提升三维应用的可扩展性。