CN102692649A - 一种可控震源地震勘探中消除谐波干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是可控震源地震勘探中消除谐波干扰的方法，首先提取震源力信号，也可以通过重锤和平板的质量以及它们的加速度来求取震源力信号；然后利用震源力信号计算各次谐波分量与基波信号振幅谱的比值，求取预测滤波算子；利用预测滤波算子对地震道记录进行预测滤波处理，估算出每一道的谐波分量；最后从未相关的地震道记录中减去预测出来的谐波分量，达到消除谐波干扰的目的。本发明还可以对相关后道记录进行处理，既可以在时间域进行处理，也可以在频域率进行处理；既可以有选择的处理近道数据，也可以对整个炮记录进行处理，灵活方便，处理效率非常高，能够满足目前野外采集的要求。

Description

一种可控震源地震勘探中消除谐波干扰的方法

技术领域

本发明属于地震资料数字处理领域，属处理技术中的提高信噪比技术类，是一种可控震源地震勘探中消除谐波干扰的方法。

背景技术

为了提高生产效率，降低采集成本，发展了滑动扫描采集技术。在滑动扫描采集中，由于后一炮不用等前一炮振动结束就可以开始振动，前后两炮的资料部分叠加在一起，在相关过程中就会行程邻接干扰，严重降低了资料的信噪比。因此，在滑动扫描采集中压制谐波干扰是一个关键的问题。目前存在很多谐波压制方法，在一定程度上都取得了较好的效果。使用可控震源进行施工，可控震源在向地下传输扫描信号的同时，由于可控震源机械装置和震动装置的非线性以及与大地耦合等特点，可控震源向地下输入的信号必然存在谐波畸变。谐波畸变的存在，大大损害了可控震源资料的品质，降低了资料的分辨率。尤其是为了提高生产效率，降低采集成本，采用可控震源高效采集方式时，谐波干扰更为明显。如滑动扫描采集方式，其基本思想是采用多组可控震源实现无等待扫描激发，即一组震源在扫描过程尚未完全结束时，另外一组震源已经开始扫描了，二次连续扫描的间隔时间只要大于接听时间即可，这样就有效的节省了震源的等待时间。采用这种方法后，大大缩短了单位时间内平均每次数据采集的时间，施工效率得到显著提高。但是因为在滑动扫描记录中滑动时间小于扫描时间，前后两炮的资料部分重叠在一起，在相关的过程中，后一炮的初至强能量就会干扰到前一炮或者前几炮的相关记录。

在可控震源谐波压制这一方面，Li等人(1995)针对线性扫描方式，提出了纯相移滤波器方法。该方法通过选取一个非整次的K次谐波分量，利用有效信号与谐波分量相位谱的差异来实现有效信号和谐波分量的分离。其流程为：(1)将谐波畸变信号转换到频率域，同时对K次谐波分量进行傅里叶变换，计算其相位谱，求取相移算子；(2)应用相移算子，对谐波畸变信号进行纯相移处理。此时，高于K次谐波的谐波分量都被相移到时间轴的负轴，而小于K次谐波的基波成分则分布在正时间轴；(3)令负时间轴的振幅值为零，然后变换到频率域；(4)对第(3)步得到的结果应用反相移算子，得到滤波后的结果。该方法简单、灵活、高效，但是对滑动扫描采集不适用。对滑动扫描记录做纯相移滤波的过程中，会使后一炮的谐波分量对前一炮的记录产生干扰。

Meunier(2002)提出了一种通过相关反相关算法依次预测各谐波分量，然后在道记录中依次减去各谐波分量的方法。该方法首先选取各次谐波分量，用选取的各次谐波分量依次与道记录数据做相关，通过相关把道记录数据中相对应的各次谐波分量聚焦到零时间附近。此时选取合适的窗函数，进行滤波处理，得到仅含有谐波分量的数据，再通过反相关算子，求取各谐波分量。因为在滑动扫描数据中，最后一炮是不受引滑动扫描引起的谐波干扰的，因此在实际处理中，从最后一炮向前依次进行处理，直至第一炮。该方法适用于滑动扫描数据，应用效果良好，但是该算法对数据的要求比较高，要求炮数据是连续的，中间不能出现缺失炮，应用起来不是那么灵活。而且该方法只能对谐波分量根据实际情况进行有选择的处理，不能考虑全部的谐波成分，那样会很大程度地降低生产效率。

Moro等人(2007)通过对高次谐波正演模拟的手段，提出了基于遗传算法压制谐波干扰的方法。在该方法中定义费用函数为实际数据与估测谐波分量振幅差值的平均值。通过对合成记录和实际资料进行测试，均取得了良好的效果。但是该算法比较复杂，运行效率较低。

综上所述，在可控震源采集中，由于可控震源电控系统、液压机械系统及振动系统等它们物理特性的非线性以及与大地耦合等因素，可控震源地震资料必然存在着谐波畸变。研究表明：在可控震源常规采集中，虽然单炮记录本身都含有谐波干扰，但是相对来说，该干扰对有效信号的影响较弱，不足以严重影响资料的品质。但是一些算法比较复杂，运算不稳定；有些方法对数据品质要求较高，实用性不广；有的算法效率太低，不能满足目前野外日采集万炮记录实时处理的需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种简单、稳定、适用性强、处理效率高的可控震源地震勘探中消除谐波干扰的方法。

本发明的具体实现包括如下步骤：

1)采集记录可控震源力信号；

步骤1)所述的震源力信号，在野外采集的时候，利用震源车上的传感器记录。

步骤1)所述的采集记录是计算合成震源力信号时，设震源力信号为重锤和平板的重量与其相应加速度乘积的和。

2)通过震源力信号计算各次谐波信号与基波信号频谱比值，求取预测滤波算子：

$\mathrm{HPO}=\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_m\frac{H_m}{H_1}---\left(1\right)$

式中：

HPO为预测滤波算子，用于对道记录数据进行谐波估计；

m为谐波阶次；

M为不能忽略的谐波的最高阶次；

ρ_m为m次谐波信号与基波信号频谱的比值；

H_m为第m次谐波的频谱值；

H₁为基波信号的频谱值；

3)对可控震源地震道数据进行预处理；

步骤3)中所述预处理是指对地震数据，进行置标签、定义观测系统处理。

4)对共炮点道集地震数据第一道做快速傅里叶变换，得到该道的频率域数据；

5)利用预测滤波算子对第一道数据进行谐波估测，求取该道的谐波分量：

$H=R{a}_1{H}_1\·\mathrm{HPO}=R{a}_1{H}_1\·\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_m\frac{H_m}{H_1}---\left(2\right)$

式中：

H为预测的谐波分量；

R为地层的反射系数序列在频率域的表现形式；

a₁为基波信号的权系数；

H₁为基波信号的频谱值；

HPO为预测滤波算子，用于对道记录数据进行谐波估计；

m为谐波阶次；

M为不能忽略的谐波的最高阶次；

ρ_m为m次谐波信号与基波信号频谱的比值；

H_m为第m次谐波的频谱值；

6)从该道的频率域数据中减去预测出来的谐波分量，得到消除谐波后的结果；

7)将去掉谐波分量的频率域道数据，进行傅里叶反变换，变到时间域并保存；

8)对共炮点道集的其余道依次重复步骤3)至7)，直到完成当前炮的所有道记录；

9)对下一个共炮点道集地震数据重复步骤2)至8)，直到完成整个可控震源数据压制谐波干扰的处理。

所述的道记录数据均指未进行相关处理的道数据。

本发明还可以对相关后道记录进行处理，既可以在时间域进行处理，也可以在频域率进行处理；既可以有选择的处理近道数据，也可以对整个炮记录进行处理，灵活方便，处理效率非常高，能够满足目前野外采集的要求。

附图说明

图1是合成谐波畸变信号，

(a)生成扫描信号，即基波信号；

(b)生成二次谐波信号；

(c)生成三次谐波信号；

(d)生成四次谐波信号；

(e)由基波信号与各次谐波分量合成谐波畸变信号；

图2是本发明的方法对合成道记录数据谐波压制效果验证的数据结果，

(a)原始的相关记录；

(b)预测出来的谐波分量；

(c)消除谐波干扰后的数据；

图3对图2合成道记录数据谐波压制过程的频谱显示，

(a)原始的相关记录；

(b)预测出来的谐波分量；

(c)消除谐波干扰后的数据；

图4是本发明的方法对实际滑动扫描单道数据谐波压制效果验证的结果，

(a)原始的未相关道记录数据；

(b)预测出来的谐波分量；

(c)本发明消除谐波干扰后的结果；

图5对图4滑动扫描数据单道记录谐波压制过程的时频显示，

(a)原始的未相关道记录数据；

(b)预测出来的谐波分量；

(c)消除谐波干扰后的结果；

图6对图5单道数据谐波压制前后的频谱分析，

(a)原始未相关道记录数据的频谱；

(b)经过谐波压制后道记录数据的频谱；

图7对另外一道数据谐波压制前后的频谱分析，

(a)原始未相关道记录数据的频谱；

(b)经过谐波压制后道记录数据的频谱；

图8是本发明的方法对实际滑动扫描单炮数据谐波压制效果的验证，

(a)经过相关处理后的单炮数据；

(b)对单炮数据(a)进行滤波处理后的结果；

(c)是(a)与(b)的差剖面；

图9是经过相关处理后的V1采集地震数据；

图10是本发明方法对V1数据进行滤波处理后的结果。

具体实施方式

本发明提出了基于预测滤波压制谐波干扰的方法，并给出了具体的处理流程。首先需要提取震源力信号，如果没有记录震源力信号，可以通过重锤和平板的质量以及它们的加速度来求取震源力信号。然后利用震源力信号计算各次谐波分量与基波信号振幅谱的比值，求取预测滤波算子。利用预测滤波算子对地震道记录进行预测滤波处理，估算出每一道的谐波分量。最后从未相关的地震道记录中减去预测出来的谐波分量，达到消除谐波干扰的目的。

以下结合附图详细说明本发明。

本发明所提供的谐波干扰压制方法的具体实施方式为：

1)采集记录可控震源力信号；

步骤1)所述的震源力信号，在野外采集的时候，利用震源车上的传感器记录。

步骤1)所述的采集记录是计算合成震源力信号时，设震源力信号为重锤和平板的重量与其相应加速度乘积的和。

2)通过震源力信号计算各次谐波信号与基波信号频谱比值，求取预测滤波算子：

$\mathrm{HPO}=\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_m\frac{H_m}{H_1}---\left(1\right)$

式中：

HPO为预测滤波算子，用于对道记录数据进行谐波估计；

m为谐波阶次；

M为不能忽略的谐波的最高阶次；

ρ_m为m次谐波信号与基波信号频谱的比值；

H_m为第m次谐波的频谱值；

H₁为基波信号的频谱值；

3)对可控震源地震道数据进行预处理；

步骤3)中所述预处理是指对地震数据，进行置标签、定义观测系统处理。

4)对共炮点道集地震数据第一道做快速傅里叶变换，得到该道的频率域数据；

5)利用预测滤波算子对第一道数据进行谐波估测，求取该道的谐波分量：

$H=R{a}_1{H}_1\·\mathrm{HPO}=R{a}_1{H}_1\·\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_m\frac{H_m}{H_1}---\left(2\right)$

式中：

H为预测的谐波分量；

R为地层的反射系数序列在频率域的表现形式；

a₁为基波信号的权系数；

H₁为基波信号的频谱值；

HPO为预测滤波算子，用于对道记录数据进行谐波估计；

m为谐波阶次；

M为不能忽略的谐波的最高阶次；

ρ_m为m次谐波信号与基波信号频谱的比值；

H_m为第m次谐波的频谱值；

6)从该道的频率域数据中减去预测出来的谐波分量，得到消除谐波后的结果；

7)将去掉谐波分量的频率域道数据，进行傅里叶反变换，变到时间域并保存；

8)对共炮点道集的其余道依次重复步骤3)至7)，直到完成当前炮的所有道记录；

9)对下一个共炮点道集地震数据重复步骤2)至8)，直到完成整个可控震源数据压制谐波干扰的处理。

本发明所述的道记录数据均指未进行相关处理的道数据。

本发明对合成记录数据进行处理。

首先生成仿真信号，如图1所示采用线性升频扫描方式，取M＝4(即谐波的最高阶次为4次)，基波信号频率范围为10HZ-70HZ，扫描时间为6000ms，采样间隔为1ms。取权系数分别为a₁＝1.0，a₂＝0.5，a₃＝0.2，a₄＝0.1，由基波信号、二次谐波分量、三次谐波分量和四次谐波分量叠加生成谐波畸变信号。为了便于显示，图1只显示了前2000ms的各次谐波分量和谐波畸变信号。

对所生成的谐波畸变信号做传统的互相关运算，互相关结果如图2(a)所示，可以看到在相关记录上，谐波干扰被甩到负时间轴上，严重影响了资料的信噪比。采用本发明方法，预测的谐波分量如图2(b)所示。从原始的相关结果中减去预测的谐波分量，得到预测滤波后的结果，从图2(c)中，我们可以看出预测滤波算法很好的消除了谐波干扰。图3为对图2过程的时频显示。

本发明对实际数据进行了预测滤波处理。

数据为某区滑动扫描记录，滑动扫描采集采用线性升频扫描方式，扫描时间12s，滑动时间7s，扫描信号频率范围为10-72HZ。首先对单道数据进行处理，然后对炮记录进行了处理。

图4为对某炮记录第100道进行处理的结果，图4(a)为含有谐波分量的原始记录，从该图上可以看出滑动扫描数据谐波干扰非常严重，图4(b)为预测出来的谐波分量，图4(c)为消除谐波之后的结果。从图4中可以看出本发明在保留有效信号的同时最大限度的消除了谐波分量。图5为图4过程的时频表示，更加直观的展示了预测滤波的效果。图6为该道记录谐波消除前后振幅谱的比较。图6(a)为谐波消除之前的振幅谱，从图6(a)上可以看出在未进行处理之前，在有效的频率范围内存在大量的谐波分量，谐波分量的幅值围绕有效信号的幅值上下跳动。图6(b)为消除谐波后的频谱图，从该图上可以看到预测滤波方法在不损害有效信号的前提下，基本上消除了各谐波分量。图7为该炮记录另外一道(第90道)谐波消除前后振幅谱的比较，从图6和图7都可以看出预测滤波算法取得了较好的效果。

图8是对单炮记录进行处理的结果，用该技术对该区块2087炮进行了处理。图8(a)为对原始的未相关炮记录采用传统的相关算法得到的相关炮记录。在相关炮记录上谐波干扰非常严重，尤其是在近道，严重降低了资料的信噪比。图8(b)为采用预测滤波算法得到滤波后的结果。可以看到，滤波后很大程度的压制了谐波干扰。图8(c)为图8(a)和图8(b)的差剖面，即预测出来的谐波。

本发明对实际V1采集数据进行滤波处理的结果。

V1采集采用线性升频扫描方式，扫描信号频率范围为5-80HZ，扫描时间16s，听时间5s，因此通过分析，该数据必然存在谐波干扰。图9为经过相关处理的V1部分截取数据，从该图上可以看到地震道记录确实存在明显的谐波干扰，在近道尤其明显。对V1采集数据应用本发明的方法进行滤波处理，处理结果如图10所示，从图10可以看出经过本发明的方法进行滤波处理后，谐波干扰明显降低，提高了资料的品质，为后续地震资料的处理打下了良好的基础。

Claims (6)

1.一种可控震源地震勘探中消除谐波干扰的方法，特点是包括如下步骤：

1)采集记录可控震源力信号；

2)通过震源力信号计算各次谐波信号与基波信号频谱比值，求取预测滤波算子；

3)对可控震源地震道数据进行预处理；

4)对共炮点道集地震数据第一道做快速傅里叶变换，得到该道的频率域数据；

5)利用预测滤波算子对第一道数据进行谐波估测，求取该道的谐波分量：

$H=R{a}_1{H}_1\·\mathrm{HPO}=R{a}_1{H}_1\·\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_m\frac{H_m}{H_1}---\left(2\right)$

式中：

H为预测的谐波分量；

R为地层的反射系数序列在频率域的表现形式；

a₁为基波信号的权系数；

H₁为基波信号的频谱值；

HPO为预测滤波算子，用于对道记录数据进行谐波估计；

m为谐波阶次；

M为不能忽略的谐波的最高阶次；

ρ_m为m次谐波信号与基波信号频谱的比值；

H_m为第m次谐波的频谱值；

6)从该道的频率域数据中减去预测出来的谐波分量，得到消除谐波后的结果；

7)将去掉谐波分量的频率域道数据，进行傅里叶反变换，变到时间域并保存；

8)对共炮点道集的其余道依次重复步骤3)至7)，直到完成当前炮的所有道记录；

9)对下一个共炮点道集地震数据重复步骤2)至8)，直到完成整个可控震源数据压制谐波干扰的处理。

2.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤1)所述的震源力信号，在野外采集的时候，利用震源车上的传感器记录。

3.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤1)所述的采集记录是计算合成震源力信号时，设震源力信号为重锤和平板的重量与其相应加速度乘积的和。

4.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤2)所述的求取预测滤波算子为：

$\mathrm{HPO}=\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_m\frac{H_m}{H_1}---\left(1\right)$

式中：

HPO为预测滤波算子，用于对道记录数据进行谐波估计；

m为谐波阶次；

M为不能忽略的谐波的最高阶次；

ρ_m为m次谐波信号与基波信号频谱的比值；

H_m为第m次谐波的频谱值；

H₁为基波信号的频谱值。

5.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤3)中所述预处理是指对地震数据，进行置标签、定义观测系统处理。

6.根据权利要求1所述的方法，特点是所述的道记录数据均指未进行相关处理的道数据。

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