Estratégia Híbrida De Otimização Sem Derivadas Para a Inversão Completa Da Forma Da Onda

Abstract

RESUMONa exploração sísmica, investiga-se as características de subsuperfície usando técnicas de inversão completa, da forma da onda (Full Waveform Inversion -FWI), a qual foi abordada como um problema de otimização não linear. A técnica FWI, tradicionalmente, usa métodos matemáticos baseados em derivadas e, portanto, falha quando a função objetiva é não diferenciável. Ademais, isso acarreta um alto custo computacional e uma precisão limitada a mínimos locais. Portanto, neste trabalho foi adotada uma metodologia sem derivadas, Derivative-Free Optimization (DFO), para encontrar o mínimo global. Neste tipo de abordagem, utiliza-se as técnicas Salto Aleatório (RJT), Busca Aleatória Controlada (CRS) e Simplex Adaptativo de Nelder-Mead (ANMS). Desenvolveu-se um algoritmo, FWI-DFO, que resolve numericamente a equação da onda acústica 2D pelo Método das Diferenças Finitas (FDM) e se utiliza de um método híbrido RJT-CRS-ANMS como técnica de otimização para a inversão sísmica. A estratégia é balancear automaticamente as buscas globais e locais iterativamente pelo CRS e ANMS, respectivamente. Aplicou-se a metodologia em cinco modelos reais de subsuperfície. Os resultados mostraram uma concordância significativa com os modelos reais. O tempo computacional apresentou valores razoáveis e a função objetivo mostrou ser bastante sensível a pequenas alterações nos parâmetros do modelo para os casos aqui analisados. Em síntese, a metodologia, FWI-DFO, empregada mostrou-se bastante promissora na inversão sísmica. DERIVATIVE-FREE OPTIMIZATION HYBRID STRATEGY FOR FULL WAVEFORM INVERSION ABSTRACTIn the seismic exploration, the subsurface characteristics have been investigated using Full Waveform Inversion (FWI) techniques which was approached as a nonlinear optimization problem. The FWI technique traditionally uses mathematical methods based on derivatives and therefore fails when an objective function is non differentiable. In addition, this entails a high computational cost and a precision limited to local minimum. Therefore, in this work, a Derivative-Free Optimization (DFO) methodology was adopted to find the global minimum. In this type of approach, the Random Jump (RJT), Controlled Random Search (CRS) and Adaptive Nelder-Mead Simplex (ANMS) techniques were used. A FWI-DFO algorithm which numerically solves the 2D acoustic wave equation by the Finite Differences Method (FDM) and uses a hybrid method RJT-CRS-ANMS as the optimization technique for the seismic inversion was developed. The strategy is to automatically balance global and local searches iteratively by CRS and ANMS, respectively. The methodology to five real subsurface models was applied. The results showed a significative agreement with the real models. The computational time presented reasonable values and the objective function showed to be very sensitive to small changes in the model parameters for the cases analyzed here. In summary, the FWI-DFO methodology proved to be very promising in the seismic inversion. KEYWORDS: