FULL WAVEFORM INVERSION USING AN EFFICIENT PRECONDITIONING METHOD FOR THE GRADIENT VECTOR APPLIED FOR DIFFERENT SOURCE SIGNATURES

Abstract

ABSTRACT. Full-waveform inversion (FWI) is a efficient method and it has been used successfully to invert subsurface parameters. It consists basically on the minimization of the difference between the predicted and observed data. However, its application using finite-difference schemes is limited to low frequency content and the increase of the range of higher frequency will demand a high computational cost of the wavefield propagation procedure and also the whole inversion scheme. To overcome this problem, we apply the rapid expansionmethod (REM) for numerical wavefield extrapolation inside the FWI workflow thus increasing the frequency content of the inversion process. Besides that, an efficient preconditioningmethod using source-receiver illumination (PSRI) for computing the gradient vector in order to increase resolution of the models and better convergence of the objective function has also been proposed. Beyond that, we compared the performance of the preconditioning method with relation to conventional gradient method for two types of source signature. To test the efficiency of our proposed FWI approach, we apply it using a frequency multiscale scheme for a synthetic data set with a complex velocity model. The inversion results show satisfactory inverted velocity models which can be used to produce depth imaging of high quality. Thus we demonstrate the effectiveness and applicability of our FWI scheme using REM combined with a multiscale approach.

Keywords: full-waveform inversion, preconditioning method, rapid expansion method.

RESUMO. Inversão de forma de onda completa (FWI) é um método eficiente e tem sido utilizado com sucesso para inverter parâmetros de subsuperfície. Consiste basicamente na minimização da diferença entre os dados previstos e observados. No entanto, sua aplicação usando esquemas de diferenças finitas é limitada ao conteúdo de baixa frequência e ao aumento da banda incluindo mais altas frequências que demanda um alto custo computacional devido ao procedimento de propagação do campo de onda e também em todo o esquema de inversão. Para superar este problema, aplicamos o método de expansão rápida (REM) para a extrapolação numérica do campo de onda dentro do fluxo de trabalho da FWI, aumentando assim o conteúdo de frequência do processo de inversão. Além disso, também foi proposto um método eficiente de pré-condicionamento usando a iluminação da fonte e do receptor para o vetor gradiente que tem como objetivo aumentar a resolução dos modelos e a convergência da função objetivo. Dessa forma, comparamos o método de pré-condicionamento ao método gradiente convencional para dois tipos de assinatura da fonte. Para testar a eficiência de nossa abordagem de FWI proposta, utilizamos um esquema multiescala na frequência para um conjunto de dados sintéticos com um modelo complexo de velocidade. Os resultados da inversão mostram modelos de velocidades invertidos satisfatórios que podem ser utilizados para produzir imagens de profundidade de alta qualidade. Assim, demonstramos a eficácia e aplicabilidade do nosso esquema FWI usando REM combinado com uma abordagem multiescala.

Palavras-chave: inversão completa da forma de onda, método de pré-condicionamento, método de expansão rápida.