点源弹性波海底反射系数的计算方法、存储介质和设备与流程

1.本发明属于地球物理探测、声学探测领域。具体地涉及一种点源弹性波海底反射系数的计算方法、存储介质和设备。


背景技术：

2.海底弹性波反射系数蕴含了丰富的地震波场（或声场）与海底沉积物弹性参数信息，海底反射系数的计算是海底反射波场分析与海底弹性参数反演的基础。目前，海底反射系数的计算方法大多以平面波假设为基础，而震源（声源）大多以等效点源为主；这使得以平面波为基础的计算方法只能在远场、高频、小入射角时对海底反射系数进行较为准确地描述。平面波假设无法准确描述海底反射系数的频变与相位特征，同时也无法恰当给出大入射角情况下的反射系数振幅信息。平面波反射系数虽计算复杂度低，但平面波假设的局限性限制了其在上述场景下的适用性。点源反射系数计算方法虽能够规避平面波假设的局限性，但其计算过程复杂度较高、效率低下，这阻碍了点源反射系数的实际应用。因此，需针对点源海底反射系数计算复杂且效率低下的问题，对原有计算方法进行改进。在保证计算精度的前提下给出简洁、高效的点源弹性波海底反射系数计算方法，以满足海底反射波场分析与海底弹性参数反演的需求。


技术实现要素：

3.为解决上述点源海底弹性波反射系数计算过程复杂度较高、效率低下的问题，本发明提出了一种点源弹性波海底反射系数的计算方法、存储介质和设备，所述方法将点源海底反射系数的求解转化为等效方程待定系数的求解，通过预先对等效方程待定系数求解获得简洁的点源海底反射系数表达式，进而利用该表达式进行高效的点源弹性波海底反射系数计算。
4.本发明是通过如下技术方案实现的：一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，所述方法具体包含以下步骤：第一步、初始化海底反射系数的计算精度与计算范围；第二步、对参数空间进行离散化并获取点源弹性波海底反射系数；第三步、联立等效方程与传统点源弹性波海底反射系数计算方程；第四步、对第三步中等效方程待定系数进行求解；第五步、得到第一步精度下的点源海底反射系数的简洁表达式；第六步、利用第五步得到的表达式，在第一步给定的计算精度范围内进行点源弹性波海底反射系数计算。
5.进一步地，第二步中对参数空间进行离散化得到，对应的点源弹性波海底反射系数记为；为各参数的离散点，以第一步设定的精度为间隔均匀分布于初始化的参数空间计算范围内；为由传统点源弹性波海底反射
系数计算方法得到的海底反射系数。传统点源弹性波海底反射系数计算方法包括反射球面波积分法、波动方程法、反射率计算法。
6.进一步地，第三步中等效方程与传统点源弹性波海底反射系数计算方程通过下式进行联立：进行联立：；式（1）中表示等效方程表达式，为等效方程待定系数，为海底反射系数， 表示对变量进行赋值，为由传统点源弹性波海底反射系数计算方法得到的海底反射系数；在参数空间范围内进行联立，得到：底反射系数；在参数空间范围内进行联立，得到：；r为点源弹性波海底反射系数记。
7.进一步地，第四步中对等效方程待定系数进行求解，通过以下算式完成：进行求解，通过以下算式完成：；式中，为由高斯核函数构成的对称方阵，其中，r为点源弹性波海底反射系数记。
8.进一步地，第五步中得到点源海底反射系数的简洁表达式如下：进一步地，第五步中得到点源海底反射系数的简洁表达式如下：；式中，，为等效方程待定系数。
9.本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适用于由处理器加载并执行所述点源弹性波海底反射系数的计算方法。
10.一种计算机设备，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，运行所述点源弹性波海底反射系数的计算方法。
11.本发明与现有技术相比本发明的有益效果：本发明提出一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，将点源海底反射系数的求解转化为等效方程待定系数的求解，通过预先对等效方程待定系数求解获得简洁的点源海底反射系数表达式，本发明计算方法所需计算时间大幅缩短，极大提高了计算效率，在保证计算精度的前提下规避了点源海底弹性波反射系数计算过程复杂度较高、效率低下的问题，推动了点源反射系数的实际应用。
附图说明
12.图1为本发明计算方法流程图；图2为离散化参数图；图3为海底反射系数的振幅图；图4为海底反射系数的相位图；图5为等效方程待定系数的振幅图；图6为等效方程待定系数的相位图；
图7为不同纵波速度情况下的反射系数图，其中，a为振幅图，b为相位图；图8为不同横波速度情况下的反射系数图，其中，a为振幅图，b为相位图；图9为不同密度情况下的反射系数图，其中，a为振幅图，b为相位图；图10为不同频率情况下的反射系数，其中，a为振幅图，b为相位图；图11 为不同传播距离情况下的反射系数，其中，a为振幅图，b为相位图。
具体实施方式
13.下面对本发明作进一步详细描述，所提出的实施例仅是本技术的一部分方案而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，相关技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例都属于本发明的保护范围。
14.一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，如图1所示，主要包括以下步骤：第一步、初始化海底反射系数的计算精度与计算范围。
15.本实施例中通过对输入参数（包括：海底弹性参数、频率、传播距离）进行初始化来约束海底反射系数的计算精度与计算范围。参数空间计算范围用表示，，计算精度用表示，。其中，分别表示海底纵波速度、海底横波速度、海底密度、频率和传播距离，各变量均采用国际单位制。
16.第二步、对参数空间进行离散化并获取点源弹性波海底反射系数。
17.按照步骤1）的初始化参数对输入参数进行离散化，得到，显然，本实施例中离散样点数，参数空间包含海底纵波速度、海底横波速度、海底密度、频率和传播距离。本实施例离散参数如图2所示，图中横坐标范围为1~675表示离散样点编号，与右侧坐标轴1450~1550的数值范围对应的粗黑实线表示海底纵波速度，与右侧坐标轴1500~1600的数值范围对应的虚线表示海底密度，与左侧坐标轴100~200的数值范围对应的点划线表示海底横波速度，与左侧坐标轴90~110的数值范围对应的细实线表示传播距离，与左侧坐标轴40~60的数值范围对应的虚线表示频率。
18.利用上述离散化参数，由传统点源弹性波海底反射系数计算方法可得到的海底反射系数，传统点源弹性波海底反射系数计算方法包括反射球面波积分法、波动方程法、反射率计算法，各种方法得到的计算结果是相互吻合的。本实施例在0
°
~70
°
的入射角范围内，得到的与上述离散化参数对应的海底反射系数见图3、图4；图3表示海底反射系数的模，图4表示海底反射系数的相位。
19.第三步、联立等效方程与传统点源弹性波海底反射系数计算方程；通过变量赋值将传统点源弹性波海底反射系数计算方程与等效方程进行联立：通过变量赋值将传统点源弹性波海底反射系数计算方程与等效方程进行联立：；式（5）中表示等效方程表达式，为等效方程待定系数，为海底反射
系数， 表示对变量进行赋值。在参数空间范围内进行联立，得到：表示对变量进行赋值。在参数空间范围内进行联立，得到：；本实施例将式写为，其中为由高斯核函数构成的对称方阵，其中。
20.第四步、对步骤3）中等效方程待定系数进行求解，得到等效方程待定系数，本实施例计算得到的等效方程待定系数如图5、图6所示，其中图5表示等效方程待定系数的模，图6表示等效方程待定系数的相位。
21.第五步、得到第一步精度下的点源海底反射系数的简洁表达式：第五步、得到第一步精度下的点源海底反射系数的简洁表达式：；式中，，为高斯函数。
22.第六步、利用第五步得到的简洁表达式，在第一步给定的计算精度范围内进行点源弹性波海底反射系数计算。
23.如表1所示，本实施例对计算范围中心值（数值1）及中心偏离值（数值2、数值3）进行点源弹性波海底反射系数计算，计算结果见图7~图11，图中虚线表示平面波计算结果，实线表示传统点源弹性波海底反射系数计算方法的计算结果，“+”表示本发明计算方法的计算结果。图7为不同纵波速度情况下的反射系数，即纵波速度分别为“数值1”、“数值2”、“数值3”，其它参数均为“数值1”时的计算结果；图8为不同横波速度情况下的反射系数，即横波速度分别为“数值1”、“数值2”、“数值3”，其它参数均为“数值1”时的计算结果；图9~图11依次类推。显然，本发明计算结果与传统点源弹性波海底反射系数计算方法的计算结果相吻合；同时平面波计算结果具有较大误差，无法准确描述海底反射系数的频变与相位特征，同时也无法恰当给出大入射角情况下的反射系数振幅信息。平面波假设对比式（7）和反射球面波积分法计算时间发现，本发明计算方法所需计算时间大幅缩短，极大提高了计算效率。
24.从上述结果可以看出，本发明所提出的点源弹性波海底反射系数的高效计算方法不仅具有更低的计算复杂度，更高的计算效率，还可达到与现有计算方法等同的精度，避免了平面波计算误差带来的局限性，推动了点源反射系数的实际应用。
25.表1 输入参数表。

技术特征：
1.一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，其特征在于，所述方法具体包含以下步骤：第一步、初始化海底反射系数的计算精度与计算范围；第二步、对参数空间进行离散化并获取点源弹性波海底反射系数；第三步、联立等效方程与传统点源弹性波海底反射系数计算方程；第四步、对第三步中等效方程待定系数进行求解；第五步、得到第一步精度下的点源海底反射系数的简洁表达式；第六步、利用第五步得到的表达式，在第一步给定的计算精度范围内进行点源弹性波海底反射系数计算。2.根据权利要求1所述的一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，其特征在于，第二步中对参数空间进行离散化得到，对应的点源弹性波海底反射系数记为；为各参数的离散点，以第一步设定的精度为间隔均匀分布于初始化的参数空间计算范围内；为由传统点源弹性波海底反射系数计算方法得到的海底反射系数。3.根据权利要求2所述的一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，其特征在于，第三步中等效方程与传统点源弹性波海底反射系数计算方程通过下式进行联立：步中等效方程与传统点源弹性波海底反射系数计算方程通过下式进行联立：式（1）中表示等效方程表达式，为等效方程待定系数，为海底反射系数， 表示对变量进行赋值，为由传统点源弹性波海底反射系数计算方法得到的海底反射系数；在参数空间范围内进行联立，得到：算方法得到的海底反射系数；在参数空间范围内进行联立，得到：式中，r为点源弹性波海底反射系数记。4.根据权利要求3所述的一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，其特征在于第四步中对等效方程待定系数进行求解，通过以下算式完成：进行求解，通过以下算式完成：式中，为由高斯核函数构成的对称方阵，其中，r为点源弹性波海底反射系数记。5.根据权利要求4所述的一种点源弹性波海底反射系数的计算方法，其特征在于第五步中得到点源海底反射系数的简洁表达式如下：步中得到点源海底反射系数的简洁表达式如下：式中，，为等效方程待定系数。6.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序适用于由处理器加载并执行权利要求1-5任何一项所述点源弹性波海底反射系数的计算方法。7.一种计算机设备，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，运行权利要求1-5任何一项所述点源弹性波海底反射系数的计算方法。

技术总结
本发明涉及一种点源弹性波海底反射系数的计算方法、存储介质和设备，属于地球物理探测、声学探测领域，所述方法包括初始化海底反射系数的计算精度与计算范围；对参数空间进行离散化并获取点源弹性波海底反射系数；联立等效方程与传统点源弹性波海底反射系数计算方程；对等效方程待定系数进行求解；得到第一步精度下的点源海底反射系数的简洁表达式；利用得到的表达式，在给定的计算精度范围内进行点源弹性波海底反射系数计算。本发明方法在保证计算精度的前提下，规避了传统点源海底弹性波反射系数计算过程复杂度较高、效率低下的问题，实现了点源反射系数的简洁、高效计算，推动了点源反射系数的实际应用。了点源反射系数的实际应用。了点源反射系数的实际应用。


技术研发人员：刘洋廷
受保护的技术使用者：自然资源部第一海洋研究所
技术研发日：2023.09.06
技术公布日：2023/10/15