CN101893720A - 一种多波的波场分离与合成的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多波的波场分离与合成的方法和系统，其中，所述方法包括：将一定时窗内纵波/横波所在象限内所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加矢量获得纵波/横波单位波矢量；对于时窗内某一时刻，将纵波/横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以纵波/横波矢量的方向组成仿射坐标系，将分解后分别得到的纵波/横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下；根据单位波矢量，对时窗内某一时刻纵波/横波矢量进行分解，获取仿射坐标系下纵波/横波矢量与相应单位波矢量平行的部分进行输出。本发明能够分离纵、横波矢量波场，并恢复其矢量振幅，对噪音进行压制，提高了地震数据分析的准确度，满足地震数据分析和解释的需要。

Description

一种多波的波场分离与合成的方法和系统

技术领域

本发明属于地震数据分析领域，具体地说，涉及一种多波的波场分离与合成的方法和系统。

背景技术

对于陆上多分量地震勘探来说，由于低速带的存在，可以假设垂直分量主要接收纵波，水平分量主要接收横波。但是这种假设在低速带较浅的地区难以成立，尤其当偏移距较大时，会产生一种称为“波型泄漏”的效应，即水平分量与垂直分量都接收到纵波与横波的部分偏振投影。压制“波型泄漏”的效应，即纵、横波波场分离，是多分量地震数据处理的一个重要方面，也是难点所在。

目前发展的算法主要有两大类：一类是基于波场“域”转换的方法，典型的方法有在f-k域滤波、tao-p域滤波等；另一类是基于地震波振动特性(极化特性)不同的滤波方法，例如偏振方向滤波、协方差矩阵特征值分析或解析信号分析极化滤波等。

例如，发明专利(公开号CN1404582A)是基于波动方程上下行波的分解，在Dankbaar.J.W.M.发表于1985年的文章(Geophys.Prosp.33：970-986)方法的基础上，通过波动方程的求散度和旋度的变换，分解涨缩P波和剪切S波；只是该专利技术克服了Dankbarr方法对于浅层低、降速带不适应问题，通过浅层速度结构的求取，校正了浅层各向异性或不均一性对深层纵、横波场分离所产生的误差。

专利(公开号CN101251603A)公开保护的是基于速度分析方法，通过二分量的波场投影实现X、Z分量的波场分离。该技术方法在波型泄漏不严重和地震数据信噪比较好地区可以使用。但是该技术只能对二分量进行处理，忽略了实际采集数据的三分量特征；在不断速度分析和抽道集过程中，不合理的速度比模型会破坏该方法的效果；重要的是该方法严重损伤了三分量地震信号所具有的矢量特征，保幅性差，不利于后续的解释与反演。此外，在波型泄漏严重的地区，或地表复杂信噪比较差的地区，尤其是浅层低、降速带厚度较薄的地区，该技术无法实现完全的波场分离，并且无法得到真振幅，无法保持振动信号矢量特征的性能。

专利(公开号CN101630017A)公开保护的是针对VSP数据的波场分离技术，通过仿射坐标变换实现。针对地面三分量地震勘探数据，该专利提出了一种仿射坐标变换和波场分离的实现方法与技术路线，但是该专利技术只能实现波场的分离，不能实现之后的再合成，无法真正有效地恢复波场的全振幅属性。

以上方法都能在一定程度上实现波场分离，但是对于“波型泄漏”较为严重的多波地震数据，压制各分量上的“波型泄漏”效应后留下的波型，如Z分量上的纵波与R分量(径向分量)上的横波也只是该波型的部分投影，其振幅并不是真振幅，所以在波场分离的同时应该考虑如何去恢复纵、横波的矢量振幅。

纵、横波都是矢量波场，恢复其矢量振幅的关键是求解正确的波矢方向。在某一时刻，纵波与横波具有完全不同的波矢方向，理论上它们都是线性偏振的；但是为了保留储层的各向异性信息，实际的多分量地震数据采集采用了无组合的单点接收方式，多分量地震数据往往具有较低的信噪比，使得某一时窗内地震波的振动轨迹杂乱无章，导致波矢方向求解的难度。

综上，现有技术进行波场分离后，虽然可以在一定程度上获得压制噪声后的地震波数据，但是由于其无法实现完全的波场分离，并且无法得到真振幅，从而导致了地震波中一部分有效数据的损失，造成了地震数据分析时精确性不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多波的波场分离与合成的方法和系统，基于仿射坐标系旋转变换的纵、横波矢量波场分离与合成，能够在信噪比较低时求解纵、横波的波矢方向，进而分离纵、横波矢量波场，并恢复其矢量振幅，对噪音进行压制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种矢量波场分离与合成方法，包括：将一定时窗内纵波/横波所在象限内纵波/横波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波/横波单位波矢量；对于所述时窗内的某一时刻，针对R-O-Z坐标系将所述时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下；根据所述纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对所述时窗内某一时刻的仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，获取所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量与纵波单位波矢量和横波单位波矢量平行的部分进行输出，即为有效信号分量。

进一步的，所述地震波的出射方向位于R-O-Z坐标系平面内，Z轴方向与地面垂直向上，所述R轴沿地面方向与Z轴构成右手坐标系，O点为地震波地表出射点。

进一步的，将一定时窗内纵波/横波所在象限内纵波/横波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波/横波单位波矢量的步骤，包括：对纵波所在象限取角平分线矢量，在一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角小于90°的纵波的波矢量叠加得到d₁，在另一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角大于90°的纵波的波矢量叠加得到d₂；根据所述d₁和d₂初步获得纵波单位波矢量D_P；对横波所在象限取角平分线矢量，在一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角小于90°的横波的波矢量叠加得到d₁，在另一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角大于90°的横波的波矢量叠加得到d₂；根据所述d₁和d₂初步获得横波单位波矢量D_S。

进一步的，包括：如果所述纵波的所有波矢量位于一、三象限，取第一象限的角平分线矢量

把第一象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第三象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到纵波单位波矢量D_P＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|；如果所述横波的所有波矢量位于二、四象限，取第四象限的角平分线矢量

把第二象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第四象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到横波单位波矢量D_S＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|。

进一步的，包括：如果所述横波的所有波矢量位于一、三象限，取第一象限的角平分线矢量

把第一象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第三象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到横波单位波矢量D_S＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|；如果所述纵波的所有波矢量位于二、四象限，取第四象限的角平分线矢量

把第二象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第四象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到纵波单位波矢量D_P＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|。

进一步的，包括：对所述初步获得的纵波单位波矢量/横波单位波矢量，再用所述纵波单位波矢量/横波单位波矢量替换相应的角平分线矢量进行矢量叠加处理，经过若干次迭代得到横波单位波矢量/横波单位波矢量。

进一步的，所述对于所述时窗内的某一时刻，针对R-O-Z坐标系将这一时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下的步骤，进一步包括：

1)建立R-O-Z坐标系，Z、R分量接收到纵波、横波的偏振投影，所述时窗内第i采样点传播至该坐标系的纵波与横波的波矢量分别为P_i与S_i，其中，e_R、e_Z分别为R与Z方向的基矢量，P_Ri、P_Zi为纵波波矢量在R与Z轴方向的偏振投影，S_Ri、S_Zi为横波波矢量在R与Z轴方向的偏振投影；

2)在所述第i采样点的复合矢量A_i＝R_i e_R+Z_i e_Z＝P_i+S_i＝(P_Ri+S_Ri)e_R+(P_Zi+S_Zi)e_Z

3)以P_i与S_i方向组成非正交的仿射坐标系P-O-S，根据步骤(2)完成由R-O-Z坐标系向仿射坐标系P-O-S的转换：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_i\\ R_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos (e_P,e_Z)& \cos (e_S,e_Z)\\ \cos (e_P,e_R)& \cos (e_S,e_R)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_i\\ S_i\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{P}_i\\ S_i\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\cos (e_P,e_Z)& \cos (e_S,e_Z)\\ \cos (e_P,e_R)& \cos (e_S,e_R)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{Z}_i\\ R_i\end{array}\right],$

其中，e_P、e_S分别P_i与S_i方向的基矢量，(e_P，e_Z)为P_i方向的基矢量与Z方向的基矢量间的夹角，(e_P，e_R)为P_i方向的基矢量与R方向的基矢量间的夹角，(e_S，e_Z)为S_i方向的基矢量与Z方向的基矢量间的夹角，(e_S，e_R)为波矢S_i与R轴间的夹角。

进一步的，所述时窗的处理可采用逐点滑动时窗法，即在所述采样点上下各开半个时窗，对整个时窗长度内计算的波矢量应用到时窗中心点上。

进一步的，所述根据所述纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对所述时窗内某一时刻的仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，获取所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量与纵波单位波矢量和横波单位波矢量平行的部分进行输出，即为有效信号分量的步骤，包括：把时窗内第i采样点的纵波与横波的波矢量P_i与S_i分别分解，输出平行D_P与D_S的部分，此为有效信号分量P_it、S_it

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{it}}=D_P\·P_i\\ S_{\mathrm{it}}=D_S\·S_i\end{array}\right..$

进一步的，把时窗内第i采样点的纵波与横波的波矢量P_i与S_i分别分解，还包括：另一垂直D_P与D_S的部分，为所压制的噪音分量分量P_in、S_in

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{in}}=P_i-P_{\mathrm{it}}\\ S_{\mathrm{in}}=S_i-S_{\mathrm{it}}\end{array}\right..$

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种矢量波场分离与合成系统，包括：处理设备和存储设备，其中，所述处理设备，还包括：叠加运算装置，用于将一定时窗内纵波/横波所在象限内纵波/横波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波/横波单位波矢量，发送至所述存储设备保存备用；波矢转换装置，对于所述时窗内的某一时刻，针对R-O-Z坐标系将所述时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下，并发送至所述存储设备保存备用；数据分离装置，向所述存储设备获取纵波单位波矢量和横波单位波矢量、以及仿射坐标系下的纵波矢量和横波矢量，根据所述纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，输出有效信号分量。

进一步的，所述处理设备，还包括：迭代控制装置，控制所述叠加运算装置进行多次迭代运算，以获取精度更高的单位波矢量，并控制叠加运算装置将所得的单位波矢量发送至存储设备保存备用；采样装置，通过逐点滑动时窗方式对所述时窗内的地震波进行采样处理，发送给波矢转换装置。

与现有的方案相比，本发明所获得的技术效果：

(1)本发明提出的方法不只是简单的对“波型泄漏”进行压制，其突出之处在于在波场分离的同时，恢复了地震波的纵、横波波场的矢量振幅，提高了地震数据分析的准确性。

(2)基于仿射坐标系的旋转变换能够较好实现纵、横波的矢量波场分离与振幅恢复，最大程度的保留了地震波中的有效分量。

(3)利用角平分线上的基矢量与逐点滑动时窗方法计算每个样点的单位波矢量，减少了分析时间，也提高了地震波的波矢方向的解析精度，满足地震数据分析和解释的需要。

(4)该方法在仿射坐标系的旋转变换前先压制了噪音，提高了矢量波场的信噪比，所以较为适用于较低信噪比的地震数据处理。

附图说明

图1为本发明实施例的矢量波场的示意图。

图2为本发明实施例的波场分离的方法流程图。

图3为本发明实施例的实际数据纵、横波矢量波场分离与振幅恢复的对比图，其中图a绘示Z分量，图b绘示波场分离后的纵波，图c绘示Z分量上滤出的噪音图d绘示R分量，图e绘示波场分离后的横波，图f绘示R分量上滤出的噪音。

图4为本发明实施例的设备示意图。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的核心构思在于：将一定时窗内纵波/横波所在象限内纵波/横波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波/横波单位波矢量；对于所述时窗内的某一时刻，针对R-O-Z坐标系将这一时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下；根据所述纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对所述时窗内某一时刻的仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，获取所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量与纵波单位波矢量和横波单位波矢量平行的部分进行输出，即为有效信号分量。

上述思路对基于单分量数据的矢量分解噪技术进行改进，对其应用到多分量地震数据上，结合仿射坐标系的旋转变化，最终实现纵、横波矢量波场分离与矢量振幅恢复的目的。

如图2所示，为本发明实施例的波场分离的方法流程图，包括：

步骤1：拟合地震数据的单位波矢量

对PP波所在象限取角平分线矢量，将一定时窗内所述象限内PP波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波单位波矢量，再经过若干次迭代得到较为精确的纵波单位波矢量；

类似的，对PS波所在象限取角平分线矢量，将一定时窗内所述象限内PS波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得横波单位波矢量，再经过若干次迭代得到较为精确的横波单位波矢量。

此步骤可由MPU(微处理器)、CPU(中央处理器)等处理设备内的叠加运算装置对时窗内的地震波进行矢量叠加处理，初步获取单位波矢量，并通知迭代控制装置控制叠加运算装置进行多次迭代运算以便获取精度更高的单位波矢量，之后将所得的单位波矢量发送至存储设备保存备用。

以下以一个具体的实例对本步骤进行说明。如图1所示的地震波出射方向，位于R-O-Z所构成的平面，Z轴方向与地面垂直向上，R轴沿地面方向与Z轴构成右手坐标系，O点为地震波地表出射点；

假设PP波(纵波)波矢A_P与Z轴正向夹30°角，PS波(横波)波矢A_S与Z轴正向夹110°角。输入一定时窗的Z、R两分量数据，组成一系列的波矢量A_i。

在图1所示的观测方式中，纵波的波矢量主要位于一、三象限，取第一象限的角平分线矢量

$D=\frac{1}{\sqrt{2}}{e}_R+\frac{1}{\sqrt{2}}{e}_Z,---\left(1\right)$

在第一象限内，把与D夹角小于90°的全部波矢量叠加(如果不考虑D的矢量方向，即为第一象限内与D夹角小于90°的全部波矢量)，得到d₁，把第三象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加(如果不考虑D的矢量方向，即为第三象限内与D夹角小于90°的全部波矢量)，得到d₂，然后通过下式得到D_P

$D_P=\frac{d_1-d_2}{|d_1-d_2|},---\left(2\right)$

用D_P更新D，重复上述步骤，迭代2～3次后，可以得到较为精确的纵波单位波矢量D_P。

类似的，对于横波来说，波矢量主要位于二、四象限，取第四象限的角平分矢量用同样方式把第二象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第四象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂可以得到横波单位波矢量D_S＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|

用D_S更新D，重复上述步骤，迭代2～3次后，可以得到较为精确的横波单位波矢量D_S。

在另一实例的观测方式中，纵波的波矢量主要位于二、四象限，横波的波矢量主要位于一、三象限，通过与上述实施例的相同的方式得到纵波单位波矢量D_P和横波单位波矢量D_S。

本发明并不以因观测方式不同导致纵、横波所处象限的变化而对保护范围产生任何限制。

步骤2：仿射坐标系旋转变换分离波场

对于所述时窗内的某一时刻(即时窗内的一个采样点)，针对R-O-Z坐标系将这一时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的P-O-S仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据纵波矢量和横波矢量分别与R、Z轴方向的夹角转换到P-O-S仿射坐标系下。

注意，时窗参数的处理可采用逐点滑动时窗法，即在每个采样点上下各开半个时窗，对整个时窗长度内计算的波矢量应用到时窗中心点上。

此步骤可由MPU(微处理器)、CPU(中央处理器)等处理设备内采样装置经过逐点滑动时窗方式对时窗内的地震波进行采样处理，之后通过处理设备内部的波矢转换装置对采样数据进行仿射坐标系转换，之后将转换所得仿射坐标系下的纵波矢量和横波矢量的发送至存储设备保存备用。

以下以一个具体的实例对本步骤进行说明。首先对三维三分量地震数据进行水平分量的旋转处理，使得X分量指向震源方向(即径向分量R)，Y分量与之正切(也称为切向分量T)。在各向同性介质假设下，Z、R分量都将接收到纵、横波的偏振投影，T分量上主要为噪音。如图1，地面接收点位置建立R-O-Z坐标系，假设震源在R轴负方向上，反射波都是从坐标系R-O-Z第三象限向第一象限传播，时间i时刻传播至该坐标系的纵波与横波的波矢量分别为P_i与S_i，则有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=P_{\mathrm{Ri}}{e}_R+R_{\mathrm{Zi}}{e}_Z\\ S_i=S_{\mathrm{Ri}}{e}_R+S_{\mathrm{Zi}}{e}_Z\end{array}\right.,---\left(5\right)$

其中，e_R、e_Z分别为R与Z方向的基矢量，下标“R_i、Z_i”分别指示波矢量在R与Z轴方向的偏振投影。

设i时刻的复合矢量为A_i＝R_ie_R+Z_ie_Z＝P_i+S_i，有

A_i＝P_i+S_i＝(P_Ri+S_Ri)e_R+(P_Zi+S_Zi)e_Z，    (6)

以波矢P_i与S_i方向组成非正交的仿射坐标系P-O-S，e_P、e_S分别P_i与S_i方向的基矢量，用仿射坐标张量矩阵表示式(5)可得到

$\left[\begin{array}{c}{Z}_i\\ R_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos (e_P,e_Z)& \cos (e_S,e_Z)\\ \cos (e_P,e_R)& \cos (e_S,e_R)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_i\\ S_i\end{array}\right],---\left(7\right)$

则基于仿射坐标张量矩阵旋转变换实现纵横波矢量波场分离的公式为

$\left[\begin{array}{c}{P}_i\\ S_i\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\cos (e_P,e_Z)& \cos (e_S,e_Z)\\ \cos (e_P,e_R)& \cos (e_S,e_R)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{Z}_i\\ R_i\end{array}\right],---\left(8\right)$

可见，确定新老坐标系坐标轴之间的夹角(即确定波矢方向)是实现纵、横波矢量波场分离的关键。

式(7)和(8)中，(e_P，e_Z)为P_i方向的基矢量与Z方向的基矢量间的夹角，(e_P，e_R)为P_i方向的基矢量与R方向的基矢量间的夹角，(e_S，e_Z)为S_i方向的基矢量与Z方向的基矢量间的夹角，(e_S，e_R)为波矢S_i与R轴间的夹角。

步骤3：矢量分解压制随机噪音，输出处理后得到有效地震数据

根据步骤1中获得的纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对步骤2中获得所述时窗内的某一时刻P-O-S仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，所述P-O-S仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量与纵波单位波矢量和横波单位波矢量平行的部分即为有效信号分量，通过此即可实现压制噪音的同时实现纵、横波的矢量波场分离与振幅恢复，输出有效地震数据，大大提高了地震数据分析的精确性。

此步骤可由MPU(微处理器)、CPU(中央处理器)等处理设备内数据分离装置向所述存储设备获取纵波单位波矢量和横波单位波矢量，以及仿射坐标系下的纵波矢量和横波矢量；根据所述纵、横波单位波矢量，对所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，输出有效信号分量。

以下以一个具体的实例对本步骤进行说明。

把时窗内位于第一三象限与二四象限的地震波的纵波与横波的波矢量P_i与S_i各自分解成两部分，平行D_P与D_S的部分为有效信号分量P_it、S_it

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{it}}=D_P\·P_i\\ S_{\mathrm{it}}=D_S\·S_i\end{array}\right.,---\left(3\right)$

另一垂直D_P与D_S的部分的分量P_in、S_in

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{in}}=P_i{-P}_{\mathrm{it}}\\ S_{\mathrm{in}}=S_i{-S}_{\mathrm{it}}\end{array}\right.,---\left(4\right)$

分别为纵波、横波波矢量的非相关分量，即噪音分量。

图3(a)、(d)为某油田二维三分量地震数据的Z、R两分量原始数据，该区第四系大约100米厚，但是“波型泄漏”效应还是存在，如图2(a)、(d)的箭头指示。采用20ms滑动时窗，对纵横波进行矢量分解法分离纵、横波波场，得到图2(b)、(e)的P波波场与S波波场，图2(c)、(f)分别为Z、R分量滤出的噪音。从图2(c)的实心箭头指示的位置(对应于图2(e)的实心箭头位置)可以看出Z分量上的残余横波能量得到滤除；对比图2(d)与(f)，在R分量上残余的纵波能量(实心箭头处)也能较好的滤除。在Z分量上纵波初至(空心箭头指示)未被损害；而R分量上的纵波初至得到有效压制。如图中椭圆框处，滤波前后P波与S波振幅得到恢复，随机噪音也得到一定程度的压制。

如图4所示，为本发明实施例的设备示意图，包括：处理设备1和存储设备2；

其中，所述处理设备1，包括：叠加运算装置11，对时窗内的地震波进行矢量叠加处理，初步获取单位波矢量，并通知迭代控制装置12；

迭代控制装置12，控制叠加运算装置11进行多次迭代运算，以获取精度更高的单位波矢量，之后控制叠加运算装置11将所得的单位波矢量发送至存储设备2保存备用；

采样装置13，通过逐点滑动时窗方式对时窗内的地震波进行采样处理，发送给波矢转换装置14；

波矢转换装置14，对采样数据进行仿射坐标系转换，之后将转换所得仿射坐标系下的纵波矢量和横波矢量的发送至存储设备2保存备用。

所述处理设备1，还包括：数据分离装置15，向所述存储设备2获取纵波单位波矢量和横波单位波矢量，以及仿射坐标系下的纵波矢量和横波矢量；根据所述纵、横波单位波矢量，对所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，输出有效信号分量。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种矢量波场分离与合成方法，其特征在于，包括：

将一定时窗内纵波/横波所在象限内纵波/横波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波/横波单位波矢量；

对于所述时窗内的某一时刻，针对R-O-Z坐标系将所述时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下；

根据所述纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对所述时窗内某一时刻的仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，获取所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量与纵波单位波矢量和横波单位波矢量平行的部分进行输出，即为有效信号分量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述地震波的出射方向位于R-O-Z坐标系平面内，Z轴方向与地面垂直向上，所述R轴沿地面方向与Z轴构成右手坐标系，O点为地震波地表出射点。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将一定时窗内纵波/横波所在象限内纵波/横波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波/横波单位波矢量的步骤，包括：

对纵波所在象限取角平分线矢量，在一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角小于90°的纵波的波矢量叠加得到d₁，在另一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角大于90°的纵波的波矢量叠加得到d₂；根据所述d₁和d₂初步获得纵波单位波矢量D_P；

对横波所在象限取角平分线矢量，在一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角小于90°的横波的波矢量叠加得到d₁，在另一所述象限内把与所述角平分线矢量的夹角大于90°的横波的波矢量叠加得到d₂；根据所述d₁和d₂初步获得横波单位波矢量D_S。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：

如果所述纵波的所有波矢量位于一、三象限，取第一象限的角平分线矢量

把第一象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第三象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到纵波单位波矢量D_P＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|；

如果所述横波的所有波矢量位于二、四象限，取第四象限的角平分线矢量

把第二象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第四象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到横波单位波矢量D_S＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：

如果所述横波的所有波矢量位于一、三象限，取第一象限的角平分线矢量

把第一象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第三象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到横波单位波矢量D_S＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|；

如果所述纵波的所有波矢量位于二、四象限，取第四象限的角平分线矢量

把第二象限内与D夹角小于90°的全部波矢量叠加得到d₁；把第四象限内与D夹角大于90°的全部波矢量叠加得到d₂，然后根据所述d₁和d₂得到纵波单位波矢量D_P＝(d₁-d₂)/|d₁-d₂|。

6.如权利要求3或4或5所述的方法，其特征在于，进一步包括：

对所述初步获得的纵波单位波矢量/横波单位波矢量，再用所述纵波单位波矢量/横波单位波矢量替换相应的角平分线矢量进行矢量叠加处理，经过若干次迭代得到横波单位波矢量/横波单位波矢量。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对于所述时窗内的某一时刻，针对R-O-Z坐标系将这一时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下的步骤，进一步包括：

1)建立R-O-Z坐标系，Z、R分量接收到纵波、横波的偏振投影，所述时窗内第i采样点传播至该坐标系的纵波与横波的波矢量分别为P_i与S_i，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=P_{\mathrm{Ri}}{e}_R+P_{\mathrm{Zi}}{e}_Z\\ S_i=S_{\mathrm{Ri}}{e}_R+S_{\mathrm{Zi}}{e}_Z\end{array}\right.,$

其中，e_R、e_Z分别为R与Z方向的基矢量，P_Ri、P_Zi为纵波波矢量在R与Z轴方向的偏振投影，S_Ri、S_Zi为横波波矢量在R与Z轴方向的偏振投影；

2)在所述第i采样点的复合矢量

A_i＝R_ie_R+Z_ie_Z＝P_i+S_i＝(P_Ri+S_Ri)e_R+(P_Zi+S_Zi)e_Z

3)以P_i与S_i方向组成非正交的仿射坐标系P-O-S，根据步骤(2)完成由R-O-Z坐标系向仿射坐标系P-O-S的转换：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_i\\ R_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos (e_P,e_Z)& \cos (e_S,e_Z)\\ \cos (e_P,e_R)& \cos (e_S,e_R)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_i\\ S_i\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{P}_i\\ S_i\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\cos (e_P,e_Z)& \cos (e_S,e_Z)\\ \cos (e_P,e_R)& \cos (e_S,e_R)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{Z}_i\\ R_i\end{array}\right],$

其中，e_P、e_S分别P_i与S_i方向的基矢量，(e_P，e_Z)为P_i方向的基矢量与Z方向的基矢量间的夹角，(e_P，e_R)为P_i方向的基矢量与R方向的基矢量间的夹角，(e_S，e_Z)为S_i方向的基矢量与Z方向的基矢量间的夹角，(e_S，e_R)为波矢S_i与R轴间的夹角。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述时窗的处理可采用逐点滑动时窗法，即在所述采样点上下各开半个时窗，对整个时窗长度内计算的波矢量应用到时窗中心点上。

9.如权利要求3或4或5所述的方法，其特征在于，所述根据所述纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对所述时窗内某一时刻的仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，获取所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量与纵波单位波矢量和横波单位波矢量平行的部分进行输出，即为有效信号分量的步骤，包括：

把时窗内第i采样点的纵波与横波的波矢量P_i与S_i分别分解，输出平行D_P与D_S的部分，此为有效信号分量P_it、S_it

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{it}}=D_P\·P_i\\ S_{\mathrm{it}}=D_S\·S_i\end{array}\right..$

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，把时窗内第i采样点的纵波与横波的波矢量P_i与S_i分别分解，还包括：

另一垂直D_P与D_S的部分，为所压制的噪音分量分量P_in、S_in

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{in}}=P_i-P_{\mathrm{it}}\\ S_{\mathrm{in}}=S_i-S_{\mathrm{it}}\end{array}\right..$

11.一种矢量波场分离与合成系统，其特征在于，包括：处理设备和存储设备，其中，所述处理设备，还包括：

叠加运算装置，用于将一定时窗内纵波/横波所在象限内纵波/横波所有波矢量进行矢量叠加，根据叠加后得到的矢量获得纵波/横波单位波矢量，发送至所述存储设备保存备用；

波矢转换装置，对于所述时窗内的某一时刻，针对R-O-Z坐标系将所述时刻地震波的纵波矢量和横波矢量在R与Z轴方向分别分解，再以所述纵波矢量与横波矢量的方向组成非正交的仿射坐标系，将R-O-Z坐标系下延R与Z轴方向分解后分别得到的纵波矢量和横波矢量依据其分别与R、Z轴方向的夹角转换到仿射坐标系下，并发送至所述存储设备保存备用；

数据分离装置，向所述存储设备获取纵波单位波矢量和横波单位波矢量、以及仿射坐标系下的纵波矢量和横波矢量，根据所述纵波单位波矢量和横波单位波矢量，对所述仿射坐标系下纵波矢量和横波矢量进行分解，输出有效信号分量。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述处理设备，还包括：

迭代控制装置，控制所述叠加运算装置进行多次迭代运算，以获取精度更高的单位波矢量，并控制叠加运算装置将所得的单位波矢量发送至存储设备保存备用；

采样装置，通过逐点滑动时窗方式对所述时窗内的地震波进行采样处理，发送给波矢转换装置。

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