CN105301639B - 基于vsp旅行时双加权层析反演速度场的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法及装置，涉及地球物理勘探技术领域，其能提高层析反演结果的精度和可靠性。本方法包括：在区域内采集VSP地震数据得到区域的初始速度模型；在区域内的各个位置根据其距井的距离以及其距地表的深度建立区域的可信度模型；基于采集VSP地震数据时的观测参数、区域的初始速度模型和可信度模型得到区域内网格慢度扰动值；通过区域内网格慢度扰动值对区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到区域的新的速度模型；基于新的速度模型得到初至理论走时，判断所述初至理论走时与实际走时之差是否满足预定的阀值，若满足，则输出层析反演速度场。本方法有效提高了层析反演结果的精度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别涉及一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法及其装置。
背景技术
目前为止，中国西部地区叠前深度偏移仍然尚未取得显著成效，其本质原因是由于难以确定地下介质的速度场。在该种地区下，速度场难以确定存在诸多因素，其中包括：在中国西部地区，干旱的山体低降速带厚度大，达到500-1200米；普通小折射和微测井等方法只能反演地区较浅部分的速度场，完全不能反演地区深部的速度场；采用打深井求表层速度场的方法代价过大，且如此作业后获得的速度场不足够精确；普通层析方法中会遇到射线下去后，回不到地面，形不成回折波的情况。以上诸多的因素最终都导致无法获得满足要求的速度场。
由于存在种种不利因素，常规的方法都无法奏效，本领域研究人员开始尝试新的方法来反演获得地下介质的速度场，其中包括基于垂直地震剖面VSP(Vertical SeismicProfiling)初至时间层析的方法来反演地下介质的速度场。层析成像是一种利用在探测目标表面观测到的信号来求取目标内部信息的反演方法，最早应用于医学领域，随后扩展到其它领。在地震勘探问题中，层析成像就是利用在地表或井中接收记录到的地震波的旅行时、振幅和波形等信息，来重建地下介质的速度等参数的分布。目前，在地震勘探领域应用最广泛的层析成像方法是射线旅行时层析成像，也就是利用地震波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度。常用的旅行时层析成像方法有反投影法、代数重建法、联合迭代重建法、奇异值分解法、最小二乘QR分解法和最小二乘共轭梯度法等。本申请的发明人发现上述这些算法均根据穿过单元网格的射线长度来分配走时误差，走时误差是从地面发炮点出发找一条射线到达VSP井下某点，依据叠代速度场的速度，计算出其旅行走时，再与实际VSP直达波到达时间求得的误差时间，根据射线长度分配走时误差虽然最终可以较为准确的获得井下远处的地下介质速度，但是根据射线长度分配走时误差反而会使得获得的井下井旁的地下介质速度越来越不准确，如此，井下井旁的地下介质速度的不准确性无法满足需求，进而导致根据地下介质速度进行层析反演的结果的精度和可靠性不足。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例中提供了一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法及装置，其能够提高层析反演结果的精度和可靠性。
本发明实施例的具体技术方案是：
一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，它包括：
在区域内采集垂直地震剖面VSP地震数据从而得到VSP地震记录的初至时间，根据所述VSP地震记录的初至时间得到所述区域的初始速度模型；
在所述区域内的各个位置根据其距井的距离以及其距地表的深度建立所述区域的可信度模型；
基于采集VSP地震数据时的观测参数、所述区域的初始速度模型和所述可信度模型得到所述区域内网格慢度扰动值；
通过所述区域内网格慢度扰动值对所述区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到所述区域的新的速度模型；
基于所述新的速度模型得到初至理论走时，判断所述初至理论走时与实际走时之差是否满足预定的阀值，若满足，则输出层析反演速度场。
一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的的装置，它包括：
初始速度模型建立模块，其根据区域内采集的垂直地震剖面VSP地震数据建立所述区域的初始速度模型；
可信度模型建立模块，其根据所述区域内的各个位置距井的距离以及其距地表的深度建立所述区域的可信度模型；
网格慢度扰动值计算模块，其根据所述区域的初始速度模型、可信度模型和采集VSP地震数据时的观测参数得到所述区域内网格慢度扰动值；
层析反演速度场模块，其通过所述区域内网格慢度扰动值对所述区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到所述区域的新的速度模型，进而计算得到初至理论走时，当所述初至理论走时与实际走时之差满足规定的阀值时，输出层析反演速度场，当所述初至理论走时与实际走时之差不满足规定的阀值时，则基于观测参数、所述区域的新的速度模型和所述可信度模型重新得到所述区域内网格慢度扰动值，进而进行迭代，直至所述初至理论走时与实际走时之差满足规定的阀值。
本发明实施例中的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法及装置，其在走时误差分配计算时，除了单元网格的射线长度外，还引入了可信度模型，利用单元网格的射线长度和可信度来修正网格慢度扰动值，控制走时误差的分配，从而提高了层析反演结果的可靠性和精度，改善了速度层析成像结果。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明在实施例中的流程图。
图2为本发明实施例中正演模拟采用的地质模型和VSP观测井。
图3为本发明实施例中正演模拟观测系统示意图。
图4为本发明实施例中建立的初始速度模型。
图5为本发明实施例中建立的可信度模型。
图6为本发明实施例中层析反演得到的速度场。
图7为本发明实施例中装置的结构示意图。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
图1为本发明在实施例中的流程图，如图1所示，一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，它包括以下步骤：
S101：在区域内采集垂直地震剖面VSP地震数据从而得到VSP地震记录的初至时间，根据VSP地震记录的初至时间得到区域的初始速度模型，其包括以下步骤：
S201：在区域内通过射线追踪正演模拟的方法采集深井垂直地震剖面VSP地震数据，利用初至时间拾取软件拾取VSP地震记录的初至时间。图2为本发明实施例中正演模拟采用的地质模型和VSP观测井，如图2所示，图2中上部为井架，图2中垂直的黑线为观测井。在区域内找3至5口井，将多级井下检波器下到不同深度，靠近井壁，并在井口安置GPS授时地震仪；然后采用放小炮的方法，可以采用0.5kg至1kg的药量，根据区域地质构造的复杂程度，可以在山上用GPS授时爆炸机进行放炮；图3为本发明实施例中正演模拟观测系统示意图，如图3所示，炮距为100米，倒距25米，放炮的规模为101炮*215道。利用GPS授时地震仪全天候接收VSP地震记录。根据GPS授时地震仪接收的VSP地震记录拾取零井源距VSP的初至时间，具体过程如下，利用初至时间拾取软件，拾取零井源距VSP每一道的初至时间TR(I),I＝1…N,其中，I为地震记录道序号，N为VSP地震记录总道数。
S202：利用区域已知的地质构造信息建立初始构造模型。
根据区域已知的地质构造信息建立初始构造模型，已知的地质构造信息至少包括地下反射界面的深度、反射界面的形态、断层位置和断层走向之一。
S203：基于VSP地震记录的初至时间反演得到井周的层速度，通过层速度对初始构造模型进行处理得到网格的初始模型速度。
基于拾取零井源距VSP的初至时间进行反演得到井周的层速度，具体而言在零井源距条件下，根据零井源距VSP的初至时间得到不同深度的初至到达的时差，再计算出各深度上的层速度，也就得到了井周的层速度。然后通过层速度对初始构造模型进行处理得到网格的初始模型速度，图4为本发明实施例中建立的初始速度模型。对于初始构造模型中井径附近的模型网格，利用该井的零井源距的层速度进行填充，对于初始构造模型中远离该井的模型网格，根据该网格到附近两口井的距离，对该网格附近两口井的零井源距的层速度进行距离加权计算，得到该网格的初始模型速度。在上述得到网格的初始模型速度的过程中，主要依靠VSP井的数据由初始构造模型的中间向两边进行填充处理以获得网格的初始模型速度。
S204：基于网格的初始模型速度进行分层加密和网格平滑处理得到区域的初始网格速度模型。对网格的初始模型速度进行分层加密和网格平滑处理得到初始网格速度模型V(ix,jz)，其中ix表示速度模型X方向的网格序号，ix＝1…NX，NX表示模型在X方向上的网格数，jz表示速度模型Z方向的网格序号，jz＝1…NZ，NZ表示模型在Z方向上的网格数。
S102：在区域内的各个位置根据其距井的距离以及其距地表的深度建立区域的可信度模型。
图5为本发明实施例中建立的可信度模型，如图5所示，在区域内井旁和地表中一个表层速度清楚的位置给定一个可信度值，区域内其它位置随着距井的距离和距离地表的深度的递增，可信度值逐渐减小，从而形成区域的可信度模型N(x，z)，其中x为速度模型X方向的网格序号，x＝1…NX，NX为模型在X方向上的网格数，z为速度模型Z方向的网格序号，z＝1…NZ，NZ为模型在Z方向上的网格数。
S103：基于采集VSP地震数据时的观测参数、区域的初始速度模型和可信度模型得到区域内网格慢度扰动值，其具体包括以下步骤：
S301：根据观测参数和区域的初始速度模型得到每一道VSP合成地震记录的理论初至时间、每一道射线的传播路径和射线在穿过的单元网格里的长度。
根据区域的初始速度模型和观测参数通过射线追踪的方法得到以下参数：每一道VSP合成地震记录的理论初至时间Ts(i)，其中i＝1…N，i为地震记录道序号，N为VSP地震记录总道数；每一道的射线传播路径(Rx(j)，Ry(j))，其中，j＝1…M，M为当前射线穿过的网格总数，Rx(j)和Ry(j)分别为射线穿过的第j个网格的X方向和Z方向的网格序号；射线在穿过的单元网格里的长度Lij，其中，i为射线的序号，j为模型单元网格的序号。观测参数具体为步骤S201图3所涉及的：炮距为100米，倒距25米，放炮的规模为101炮*215道。
S302：基于每一道VSP合成地震记录的理论初至时间、每一道射线的传播路径、射线在穿过的单元网格里的长度和可信度模型得到区域内网格慢度扰动值。
基于每一道VSP合成地震记录的理论初至时间、每一道射线的传播路径、射线在穿过的单元网格里的长度和可信度模型得到区域内网格慢度扰动值中，具体为对于有J个网格的区域，I条射线信息的情况时，其区域内网格慢度扰动值的计算公式如下：
其中，Lij表示第i条射线在第j个网格上的射线长度，Nij表示第i条射线在第j个网格上的可信度，SLi表示第i条射线的总长度，SNi表示第i条射线的总的可信度，η和α表示控制收敛速度与稳定性的松弛因子，I表示总射线数，J表示总网格数。
由于走时误差分配不仅和射线长度有关，还和单元网格内的射线的方位角分布有关，单纯的射线长度控制不住走时误差分配，所以为了更精确的进行走时误差分配，在区域内网格慢度扰动值计算时引入可信度模型中单元网格的可信度。
在上述区域内网格慢度扰动值的计算公式中的射线顺序是按照井源距由小到大，接收点深度由浅到深的次序进行排序。上述模型的网格慢度扰动值的计算公式中的η的取值范围可以是(0,2)，α的取值范围可以是(0,2)。
S104：通过模型的网格慢度扰动值对区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到区域的新的速度模型。
利用区域内网格慢度扰动值对区域的初始速度模型中相应的网格的速度进行修正得到区域的新的速度模型，速度修正公式具体为：
其中，ix表示区域的初始速度模型X方向的网格序号，ix＝1、…、NX，NX表示区域的初始速度模型X方向上的网格数，jz表示区域的初始速度模型Z方向的网格序号，jz＝1、…、NZ，NZ表示区域的初始速度模型Z方向上的网格数，ΔSj表示区域内网格慢度扰动值。
在对初始模型中网格的速度修改时，可以对修改后的速度的合理性进行判断，对超出给定速度范围的速度修正值进行限定。同时，还可以对网格的速度修正后的可信度时行判断，如果修改后的可信度太低，例如穿过当前网格的射线太少，一般可以认为少于5条时，则不修正当前网格的速度。
S105：通过线性滤波法对区域的新的速度模型中的速度场进行平滑处理。
当新的速度模型采用Kp×Lp的平滑网格时，则线性滤波法中的公式具体为：
其中，m,n分别表示网格中点的横坐标和纵坐标，V(m,n)表示网格中点为(m,n)的网格速度。该步骤可以消除速度场中的异常值，以保证射线追踪结果的可靠性。
S106：基于新的速度模型得到初至理论走时，判断初至理论走时与实际走时之差是否满足规定的阀值，若满足，则输出层析反演速度场。若不满足则基于观测参数、区域的新的速度模型和可信度模型重新得到模型的网格慢度扰动值，由此进行迭代，直至初至理论走时与实际走时之差满足规定的阀值。
图6为本发明实施例中层析反演得到的速度场，如图6所示，利用新的速度模型正演计算得到VSP初至的理论走时，判断初至理论走时与采集的VSP地震数据中的实际走时的平均值之差是否满足预定的阀值，如果满足预定的阀值，则输出层析反演速度场；若不满足预定的阀值，则重复步骤S103至S105以进行迭代，直至初至理论走时与采集的VSP地震数据中的实际走时的平均值之差满足预定的阀值，再输出层析反演速度场。
本发明实施例中根据VSP初至波射线分布极不均匀的特点，在层析反演计算过程中，除了根据单元网格内的射线长度来修正网格慢度，还引入了可信度模型来对网格矩阵设置不同的可信度，并采用网格内的射线长度和网格的可信度的双加权公式来修正网格慢度扰动值。在网格慢度修正时，按照井源距由小到大，深度由浅到深的次序逐条射线进行，如此可以提高层析反演结果的可靠性和精度。通过本方法利用射线长度和可信度两个参数来控制走时误差的分配，可以有效提高层析反演结果的可靠性和精度，进而改善速度层析成像结果。
图7为本发明实施例中装置的结构示意图，如图7所示，一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的的装置，它包括：
初始速度模型建立模块，其根据区域内采集的垂直地震剖面VSP地震数据建立区域的初始速度模型；
可信度模型建立模块，其根据区域内的各个位置距井的距离以及其距地表的深度建立区域的可信度模型；
模型的网格慢度扰动值计算模块，其根据区域的初始速度模型、可信度模型和采集VSP地震数据时的观测参数得到区域内网格慢度扰动值；
层析反演速度场模块，其通过区域内网格慢度扰动值对区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到区域的新的速度模型，进而计算得到初至理论走时，当初至理论走时与实际走时之差满足规定的阀值时，输出层析反演速度场，当初至理论走时与实际走时之差不满足规定的阀值时，则基于观测参数、区域的新的速度模型和可信度模型重新得到区域内网格慢度扰动值，进而进行迭代，直至初至理论走时与实际走时之差满足规定的阀值。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。
Claims (12)
1.一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，它包括：
在区域内采集垂直地震剖面VSP地震数据从而得到VSP地震记录的初至时间，根据所述VSP地震记录的初至时间得到所述区域的初始速度模型；
在所述区域内的各个位置根据其距井的距离以及其距地表的深度建立所述区域的可信度模型；
基于采集垂直地震剖面VSP地震数据时的观测参数、所述区域的初始速度模型和所述可信度模型得到所述区域内网格慢度扰动值；
通过所述区域内网格慢度扰动值对所述区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到所述区域的新的速度模型；
基于所述新的速度模型得到初至理论走时，判断所述初至理论走时与实际走时之差是否满足预定的阀值，若满足，则输出层析反演速度场。
2.根据权利要求1所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，基于所述新的速度模型得到初至理论走时，判断所述初至理论走时与实际走时之差是否满足预定的阀值，若不满足，则基于观测参数、所述区域的新的速度模型和所述可信度模型重新得到区域内的网格慢度扰动值，进而进行循环迭代，直至所述初至理论走时与实际走时之差满足预定的阀值。
3.根据权利要求1所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，在步骤基于采集垂直地震剖面VSP地震数据时的观测参数、所述区域的初始速度模型和所述可信度模型得到所述区域内网格慢度扰动值中，具体包括以下步骤：
根据观测参数和所述区域的初始速度模型得到每一道VSP合成地震记录的理论初至时间、每一道射线的传播路径和射线在穿过的单元网格里的长度；
基于每一道VSP合成地震记录的理论初至时间、每一道射线的传播路径、射线在穿过的单元网格里的长度和所述可信度模型得到所述区域内网格慢度扰动值。
4.根据权利要求3所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，在步骤基于每一道VSP合成地震记录的理论初至时间、每一道射线的传播路径、射线在穿过的单元网格里的长度和所述可信度模型得到模型的网格慢度扰动值中，具体为对于有J个网格的所述区域，I条射线信息的情况时，其所述区域内网格慢度扰动值的计算公式如下：
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</mrow>
1
其中，Lij表示第i条射线在第j个网格上的射线长度，Nij表示第i条射线在第j个网格上的可信度，SLi表示第i条射线的总长度，SNi表示第i条射线的总的可信度，η表示控制收敛速度与稳定性的松弛因子，α表示控制收敛速度与稳定性的松弛因子，I表示总射线数，J表示总网格数,dTi表示第i条射线理论正演走时与实际走时的误差。
5.根据权利要求4所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，所述区域内网格慢度扰动值的计算公式中的射线顺序是按照其井源距由小到大，接收点深度由浅到深的次序进行排序。
6.根据权利要求4所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，所述模型的网格慢度扰动值的计算公式中的η的取值范围是(0,2)，α的取值范围是(0,2)。
7.根据权利要求1所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于：在步骤通过所述区域内网格慢度扰动值对所述区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到所述区域的新的速度模型中，具体为利用所述区域内网格慢度扰动值对所述区域的初始速度模型中相应的网格的速度进行修正得到所述区域的新的速度模型，速度修正公式具体为：
<mrow>
<mi>V</mi>
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</mfrac>
</mrow>
其中，ix表示所述区域的初始速度模型X方向的网格序号，ix＝1、…、NX，NX表示所述区域的初始速度模型X方向上的网格数，jz表示所述区域的初始速度模型Z方向的网格序号，jz＝1、…、NZ，NZ表示所述区域的初始速度模型Z方向上的网格数，ΔSj表示所述区域内网格慢度扰动值。
8.根据权利要求1所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，在步骤在区域内采集垂直地震剖面VSP地震数据从而得到VSP地震记录的初至时间，根据VSP地震记录的初至时间得到所述区域的初始速度模型中，具体包括：
在区域内通过射线追踪正演模拟的方法采集垂直地震剖面VSP地震数据，利用初至时间拾取软件拾取VSP地震记录的初至时间；
利用所述区域已知的地质构造信息建立初始构造模型；
基于VSP地震记录的初至时间反演得到井周的层速度，通过层速度对初始构造模型进行处理得到网格的初始模型速度；
基于网格的初始模型速度进行分层加密和网格平滑处理得到所述区域的初始速度模型。
9.根据权利要求1所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，在步骤基于新的速度模型得到初至理论走时之前，所述方法还包括：通过线性滤波法对所述区域的新的速度模型中的速度场进行平滑处理。
10.根据权利要求8所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于，当所述新的速度模型采用Kp×Lp的平滑网格时，则线性滤波法中的公式具体为：
<mrow>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>+</mo>
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</mrow>
</mrow>
其中，m,n分别表示网格中点的横坐标和纵坐标，V(m,n)表示网格中点为(m,n)的网格速度，i表示平滑网格横坐标序号，j表示平滑网格纵坐标序号。
11.根据权利要求1所述的基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的方法，其特征在于：在步骤在所述区域内的各个位置根据其距井的距离以及其距地表的深度建立所述区域的可信度模型中，具体为：在所述区域内井旁和地表中一个表层速度清楚的位置给定一个可信度值，所述区域内其它位置随着距井的距离和距地表的深度的递增，可信度值逐渐减小，从而形成所述区域的可信度模型N(x，z)，其中x表示可信度模型X方向的网格序号，z表示可信度模型Z方向的网格序号。
12.一种基于VSP旅行时双加权层析反演速度场的的装置，其特征在于，它包括：
初始速度模型建立模块，其根据区域内采集的垂直地震剖面VSP地震数据建立所述区域的初始速度模型；
可信度模型建立模块，其根据所述区域内的各个位置距井的距离以及其距地表的深度建立所述区域的可信度模型；
网格慢度扰动值计算模块，其根据所述区域的初始速度模型、可信度模型和采集垂直地震剖面VSP地震数据时的观测参数得到所述区域内网格慢度扰动值；
层析反演速度场模块，其通过所述区域内网格慢度扰动值对所述区域的初始速度模型中网格的速度进行修正得到所述区域的新的速度模型，进而计算得到初至理论走时，当所述初至理论走时与实际走时之差满足预定的阀值时，输出层析反演速度场，当所述初至理论走时与实际走时之差不满足预定的阀值时，则基于观测参数、所述区域的新的速度模型和所述可信度模型重新得到所述区域内网格慢度扰动值，进而进行迭代，直至所述初至理论走时与实际走时之差满足预定的阀值。
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