ON OBTAINING INITIAL APPROXIMATION FOR FULL WAVE INVERSION PROBLEM USING CONVOLUTIONAL NEURAL NETWORK

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper considers the problem of choosing the initial approximation when using gradient optimization methods for solving the inverse problem of restoring the distribution of velocities in a heterogeneous continuous medium. A system of acoustic equations is used to describe the behavior of the medium, and a finite-difference scheme is used to solve the direct problem. L-BFGS-B is used as a gradient optimization method. Adjoint state method is used to calculate the gradient of the error functional with respect to the medium parameters. The initial approximation for the gradient method is obtained using a convolutional neural network. The network is trained to predict the distribution of velocities in the medium from the wave response from it. The paper shows that a neural network trained on responses from simple layered structures can be successfully used to solve the inverse problem for a complex Marmousi model.

About the authors

I. B. Petrov

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Author for correspondence.
Email: petrov@mipt.ru
Russian Federation, Moscow region, Dolgoprudny

A. S. Stankevich

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: a.vasyukov@phystech.edu
Russian Federation, Moscow region, Dolgoprudny

A. V. Vasyukov

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Author for correspondence.
Email: a.vasyukov@phystech.edu
Russian Federation, Moscow region, Dolgoprudny

References

  1. Tarantola A. Inversion of seismic reflection data in the acoustic approximation // Geophysics. 1984. V. 49. № 8. P. 1259–1266.
  2. Ovcharenko O., Kazei V., Peter D., Alkhalifah T. Variance-based model interpolation for improved full-waveform inversion in the presence of salt bodies // Geophysics. 2018. V. 83. № 5. P. R541–R551.
  3. Sun H., Demanet L. Extrapolated full-waveform inversion with deep learning EFWI-CNN // Geophysics. 2020. V. 85. № 3. P. R275–R288.
  4. Li H., Schwab J., Antholzer S., Haltmeier M. NETT: solving inverse problems with deep neural networks // Inverse Problems. 2020. V. 36. № 6. P. 065005.
  5. Kothari K., de Hoop M., Dokmani’c I. Learning the Geometry of Wave-Based Imaging // Advances in Neural Information Processing Systems. 2020. V. 33. P. 8318–8329.
  6. Gahlmann T., Tassin P. Deep neural networks for the prediction of the optical properties and the free-form inverse design of metamaterials // Phys. Rev. B. 2022. V. 106. № 8. P. 085408.
  7. Adler A., Araya-Polo M., Poggio T. Deep Learning for Seismic Inverse Problems: Toward the Acceleration of Geophysical Analysis Workflows // IEEE Signal Processing Magazine. 2021. V. 38. № 2. P. 89–119.
  8. Yang F., Ma J. Deep-learning inversion: a next generation seismic velocity-model building method // Geophysics. 2019. V. 84. № 4. P. R583–R599.
  9. Mast T.D., Hinkelman L.M., Metlay L.A., Orr M.J., Waag R.C. Simulation of ultrasonic pulse propagation, distortion, and attenuation in the human chest wall // Journal of the Acoustical Society of America. 1999. V. 6. P. 3665–3677.
  10. Golubev V., Shevchenko A., Khokhlov N., Petrov I., Malovichko M. Characteristic Scheme for the Acoustic System with the Piece-Wise Constant Coefficients // International Journal of Applied Mechanics. 2022. V. 14. № 2. P. 2250002.
  11. Levander A.R. Fourth-order finite-difference P-SV seismograms // Geophysics. 1988. V. 53. № 11. P. 1425–1436.
  12. Martin R., Komatitsch D., Ezziani A. An unsplit convolutional perfectly matched layer improved at grazing incidence for seismic wave propagation in poroelastic media // Geophysics. 2008. V. 73. № 4. P. T51–T61.
  13. Paszke A., Gross S., Massa F., Lerer A., Bradbury J., Chanan G., Killeen T., Lin Z., Gimelshein N., Antiga L., Desmaison A., Kopf A., Yang E., DeVito Z., Raison M., Tejani A., Chilamkurthy S., Steiner B., Fang L., Bai J., Chintala S. PyTorch: An Imperative Style, High-Performance Deep Learning Library // Advances in Neural Information Processing Systems 32. 2019. P. 8024–8035.
  14. Li D., Xu K., Harris J.M., Darve E. Coupled Time-lapse Full Waveform Inversion for Subsurface Flow Problems using Intrusive Automatic Differentiation // 2019. arXiv: 1912.07552.
  15. Xu K., Li D., Darve E., Harris J.M. Learning Hidden Dynamics using Intelligent Automatic Differentiation // 2019. arXiv: 1912.07547.
  16. Byrd R.H., Nocedal J., Schnabel R.B. Representations of quasi-Newton matrices and their use in limited memory methods // Mathematical Programming. 1994. V. 63. № 1. P. 129–156.
  17. Plessix R.-E. A review of the adjoint-state method for computing the gradient of a functional with geophysical applications // Geophysical Journal International. 2006. V. 167. № 2. P. 495–503.
  18. Ronneberger O., Fischer P., Brox T. U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation // CoRR. 2015. V. abs/1505.04597. arXiv: 1505.04597.
  19. Vasyukov A.V., Nikitin I.S., Stankevich A.S., Golubev V.I. Deep convolutional neural networks in Seismic Exploration problems // Interfacial Phenomena and Heat Transfer. 2022. V. 10. № 3. P. 61–74.
  20. Brougois A., Bourget M., Lailly P., Poulet M., Ricarte P., Versteeg R. Marmousi, model and data // EAEG Workshop – Practical Aspects of Seismic Data Inversion. 1990.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (631KB)
3.

Download (830KB)
4.

Download (514KB)
5.

Download (57KB)
6.

Download (1MB)

Copyright (c) 2023 И.Б. Петров, А.С. Станкевич, А.В. Васюков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».