Waveform inversion is concerned with estimating a heterogeneous medium, modeled by variable coefficients of wave equations, using sources that emit probing signals and receivers that record the generated waves. It is an old and intensively studied inverse problem with a wide range of applications, but the existing inversion methodologies are still far from satisfactory. The typical mathematical formulation is a nonlinear least squares data fit optimization and the difficulty stems from the non-convexity of the objective function that displays numerous local minima at which local optimization approaches stagnate. This pathological behavior has at least three unavoidable causes: (1) The mapping from the unknown coefficients to the wave field is nonlinear and complicated. (2) The sources and receivers typically lie on a single side of the medium, so only backscattered waves are measured. (3) The probing signals are band limited and with high frequency content. There is a lot of activity in the computational science and engineering communities that seeks to mitigate the difficulty of estimating the medium by data fitting. In this paper we present a different point of view, based on reduced order models (ROMs) of two operators that control the wave propagation. The ROMs are called data driven because they are computed directly from the measurements, without any knowledge of the wave field inside the inaccessible medium. This computation is non-iterative and uses standard numerical linear algebra methods. The resulting ROMs capture features of the physics of wave propagation in a complementary way and have surprisingly good approximation properties that facilitate waveform inversion.


翻译:波形变换是用波方方程的可变系数建模,以波形方程的可变系数为模型,估计一个不同介质介质,其模型使用的来源至少有三个不可避免的原因:(1) 从未知系数到波场的绘图是非线性和复杂的。(2) 从未知系数到波体场的绘图是非线性最小方形的信号,其应用范围很广,但现有的反向方法仍远不令人满意。典型数学配方是非线性最小方形数据适合优化,其难度来自目标功能的非共性,显示当地优化方法停滞不前。这一病理行为至少有三个不可避免的原因:(1) 从未知系数到波体场的绘图是非线性和复杂的。(2) 源和接收器通常位于介质的单面,因此仅测量回波的方法远不令人满意。(3) 标度信号是带带有限且具有高频率内容的波体数据。在计算科学和工程界中有许多活动,试图通过数据调整来减少对介质的难度。在本文中,基于两个操作者减少的顺序模型(ROmas)是非线性模型,用以控制内部的精确度测算结果的平流数据。

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