新书出版：背景噪声被动源成像方法

本书是一本经典地震学教程,它系统地阐述了走时估计和背景噪声互相关成像的原理与方法,内容涵盖了格林函数估计的噪声互相关方法、走时估计的驻相法、传统检波器阵列成像方法、背景噪声反射体成像、背景噪声成像分辨率分析、弱散射介质中背景噪声走时估计、弱散射介质中背景噪声互相关成像、均匀介质中的虚源成像、散射介质中的虚源成像、光强度互相关成像、随机介质中波传播回顾及数值分析与概率论的基本理论等。

写在前面的话

检波器阵列所记录到的由随机源或背景噪声源产生的波,可用于对其穿过的介质进行成像。地震干涉测量研究取得了丰硕的成果,为声学、电磁学及光学研究开辟了新的领域。作者首次以专著的形式对基于互相关的背景噪声成像进行自洽而统一的描述。为了便于理解一些核心知识,作者在该书中介绍了大量与传统阵列成像、复杂介质中地震波传播及波传播的高频渐近分析有关的内容。本书写作采用了跨学科方式,采用的数学工具包括概率论、偏微分方程、渐近分析及其与波传播物理本质及数值模拟的结合。本书适用于应用数学及地球物理工作者,也可作为应用数学、物理学、工程学及地球物理学专业研究生和科研人员的重要参考。

若斯兰·加尼耶（Josselin Garnier）是法国巴黎狄德罗大学数学系教授。他的专业是应用概率论,在随机介质中地震波传播与成像领域具有多年的研究经验。他在2007年获得法国科学院的布莱斯帕斯卡奖（Blaise Pascal Prize）,在2008年获得欧洲数学学会的菲利克斯克莱恩奖（Felix Klein Prize）。

乔治·帕帕尼古劳（George Papanicolaou）是美国斯坦福大学数学系教授。他擅长于应用和计算数学、偏微分方程、随机过程研究。他在2006年获得了工业和应用数学学会颁发的约翰·冯·诺依曼奖,在2010年获得了应用数学领域的威廉本特奖（William Benter Prize）。他于2000年当选为美国科学院院士,并于2012年当选为美国数学学会会士。

原书序

阵列成像的目标就是利用地震波探测未知介质特性,实现这一目标需要两个步骤:数据采集与数据处理。在数据采集阶段,接收阵列记录由激发阵列发出且穿过介质到达接收阵列的波;而在数据处理阶段,则是从采集到的数据中提取关于介质特性的信息,比如介质中反射体的位置等。近期在复杂介质成像及被动源成像研究的进展中,背景噪声成像技术在许多不同的应用领域产生了深远的影响,恰恰是这些进展激起了我们写这本书的兴致。

长期以来,对复杂、散射介质中地震波传播的研究一直是一个活跃的领域。对介质进行成像研究的许多领域都与此有关,如利用地震成像方法探测地球岩石圈结构,对混凝土结构进行无损检测,利用医学CT检查病人身体,大气湍流的光学成像或利用声学成像方法对浅表水环境成像等。这些介质往往非常复杂,然而我们通常只是对介质的某些特定属性成像。事实证明,当背景介质存在散射时,本书中描述的已经确立的一些成像方法就不成立了。仅仅在最近,利用随机介质模拟地震波在复杂介质中的传播才得以成型,这为发展可以弱化随机散射效应的地震成像方法提供了一种可能的途径。

很长一段时间以来,人们在许多研究领域中对阵列成像方法进行了研究。传感器技术的进步、数据存储成本的降低,以及计算能力的提升使得人们可以布设大规模的地震阵列。尤其是,由于被动源阵列探测技术具有巨大的潜在应用市场,该项技术成为了近期研究的热点。这里被动源的意思是我们只利用接收器阵列,而不是传统意义上的激发源/检波器阵列,仅仅由未知的、不可控的、非同时发生的或随机源提供照明信息。这本书的主题就是背景噪声成像。当然,被动源阵列数据结构与主动源阵列迥异,这也需要发展新的成像技术。

不论是在复杂介质波成像还是在基于背景噪声的被动源成像领域,理论分析表明记录信号的互相关分析均具有重要作用。这是因为互相关信号中不仅携带着波传播介质的重要信息,而且这种互相关还可降低伪噪声效应。干涉成像是另一个常用的相关成像术语。波场相关性研究是本书的核心内容。基于背景噪声的相关成像方法的出现对地震学研究产生了深远的影响。以往,对地球内部成像的唯一手段就是利用地震记录。借助于相关成像技术,由地表分布式地震台网记录到的视地震噪声可以提供有关地球内部结构的大量信息。除了地震学研究,相关成像方法还在许多新兴领域得到广泛应用。例如,被动源合成孔径雷达或通信领域的光色斑强度相关和成像,这些都将在本书的最后一章进行介绍。

本书是跨学科的,采用的数学工具包括概率论及随机过程、偏微分方程、渐近分析及其与复杂介质中波传播的物理本质和影像学模拟的结合。然而,本书的主要结果都可以在初级水平上通过多维驻相法获得。本书的读者群体广泛,包括对跨学科知识有兴趣的人员,尤其是从事波传播和传感器阵列有关研究的学生和科研工作者。

译者前言

地震干涉技术起源于20世纪50年代,该技术将光的干涉特性应用到地震波的研究中,被动源地震成像就是在干涉技术的基础上发展而来的一种新的地震成像方法。被动源是指地下存在的非人工激发的天然地震和微震等地质活动,由这些地质活动激发的震动不断地向地表传播,通过在地表接收这些振动响应,应用地震干涉技术,可以将地表检波器中的一个模拟成为虚拟震源,来合成反射波记录(又称虚炮集记录),该记录等价于地表地震剖面记录。同时由地质活动激发的震动在常规地震勘探中被视为噪声,应用地震干涉技术可以从噪声中提取有用信息。长期以来,对复杂、散射介质中的被动源成像研究一直是一个活跃的领域。仅仅在最近,利用随机介质模拟地震波在复杂介质中的传播才得以成型,这为发展可以弱化随机散射效应的地震成像方法提供了一种可能的途径。

Passive Imaging with Ambient Noise是一本经典地震学教程,它系统地阐述了走时估计和背景噪声互相关成像的原理与方法,内容涵盖了格林函数估计的噪声互相关方法、走时估计的驻相法、传统检波器阵列成像方法、背景噪声反射体成像、背景噪声成像分辨率分析、弱散射介质中背景噪声走时估计、弱散射介质中背景噪声互相关成像、均匀介质中的虚源成像、散射介质中的虚源成像、光强度互相关成像、随机介质中波传播回顾及数值分析与概率论的基本理论等。该书内容全面,深入浅出,既是地震科技工作者从事背景噪声互相关成像或面波成像基础知识和基本理论的理想教材,也是开展地震学研究的重要参考书。为尊重原著,本译著的变量及公式表述、参考文献格式均与原版书保持一致。

检波器阵列反射界点成像示意图

γ处点源发出短脉冲被环绕该源的检波器阵列记录[图 （ａ）]。逆时成像函数以数字形式反传逆时记录信号[图 （ｂ）]。逆时偏移图像是一个以原始源位置为中心、宽度为λ/２、sinc函数形式的峰[图 （ｃ）绘制了该成像函数的模，其中和是主波长λ的倍数]

均匀背景介质中差分互相关被动源成像示意图

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本书内容全面,深入浅出,既可以作为高校地震学专业研究生的教材,也可以作为地震科技工作者背景噪声互相关成像或面波成像基础知识和基本理论的理论教材,更是开展地震学研究的重要参考书。

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本文摘自科学出版社2024年11月出版《背景噪声被动源成像方法》一书，内容有删节。标题为编者所加。

（本文编辑：崔妍cuiyan@mail.sciencep.com）

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