CN103323877B - 一种基于地震勘探环境噪声指向性的去噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地震勘探环境噪声指向性的去噪方法，属于噪声去噪方法。通过定义环境噪声指向性来认知；然后找出实际地震勘探记录中环境噪声的指向性分布，在观测平面可以得到一个噪声指向性的分布图；根据该分布图中噪声的指向性，对实际地震勘探记录进行去噪处理。优点是去除对有效信号影响较大的具有指向性的噪声，使地震勘探记录有效信号同相轴信息更准确和清晰，具有实用性和有效性。

Description

一种基于地震勘探环境噪声指向性的去噪方法

技术领域

本发明属于环境噪声的去噪方法，具体涉及的是地震勘探环境中噪声去噪方法，定义指向性作为传播性质的一个物理量，通过查找噪声指向性,再依据指向性对噪声进行相应去除。

背景技术

实际地震勘探工作中，初至前随机噪声在整条实际地震记录上一直存在，它是不可避免的，在人工放炮激发之前就存在，初至前随机噪声在记录上表现为杂乱无章的振动，频谱很宽，没有一定的视速度，因此没有明显的规律。

当前对实际地震记录进行去噪处理时，有很多种去噪方法。但是大多数去噪方法都忽略了噪声的传播特性，因此所得去噪后的地震资料的信噪比往往不能满足地震勘探的需求。

时频峰值滤波技术是当前比较常用的一种用于对实际地震记录进行去噪的方法。它的原理如下：实际地震记录包含反射波和随机噪声，表示为下式：

s(t)=x(t)+n(t)

其中x(t)表示反射波有效信号，n(t)表示随机噪声。接着对含噪地震记录进行编码，得到解析信号：

$A\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π\μ}{\∫}_0^{t}s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

可以证明，解析信号A(t)的Wigner-Ville分布的峰值是有效信号x(t)的无偏估计。

最后确定x(t)的估计量，将x(t)从含噪信号s(t)中提取出来，达到信号去噪的目的。

$\hat{x}=\frac{\underset{f}{\arg \max }\left[W_A(t,f)\right]}{\mathrm{\μ}}$

式中分子表示沿着频率f选择WV分布的最大值，作为x(t)的估计。使用该方法对地震勘探记录进行去噪的效果很好，但是它主要依据信号的时频峰值的特征来恢复信号，削弱随机噪声，却没有考虑到噪声的传播特性，使得一部分具有传播特性的噪声无法被去除，干扰了有效信号同相轴的识别，影响了地震勘探记录信噪比的进一步提高。

发明内容

本发明提供一种基于地震勘探环境噪声指向性的去噪方法，以解决目前去噪后的地震资料的信噪比不能满足地震勘探需要的问题。

本发明采取的技术方案是包括下列步骤：

1)定义地震勘探环境噪声指向性：

三维地震勘探环境噪声指向性是定义在常规三维地震勘探观测系统上的，在实际地震勘探工作中，三维观测系统采用多测线排布的方式，每条测线上等间距排布着各个记录道，而各个测线也以等测线距平行排列，在各个记录道的检波器检测到的噪声传播方向是来自四面八方的；连接各个记录道的连线可以得到多个噪声的传播方向，所有这些传播方向即是三维地震勘探环境噪声的指向；其中，如果噪声传播方向与测线方向相同，则属于二维地震勘探环境噪声指向性，它是三维地震勘探环境噪声指向性的一种；

2)地震勘探环境噪声指向性的查找方法：

三维地震勘探观测系统有N1条测线，其中含有较多纯初至前噪声记录的测线数为N，实际用来求取噪声指向性的测线数即为N，每条测线上有M个等间距排布的记录道，每条测线以等间距平行排列，取这样一条扫描线，使得该扫描线与各个测线的交点处是一个记录道，每一条测线本身也是一条扫描线，在整个三维地震勘探观测系统中，这样的扫描线有很多条，它与测线所夹的角度为扫描线角度，用扫描线来表示地震勘探环境噪声的传播方向，求得地震勘探环境噪声的指向性，具体步骤如下：

二维地震勘探环境噪声指向性的查找：

(1)确定扫描线在空间的分布：当扫描线角度为0时，每一条测线本身就是一条扫描线，

(2)确定有指向性存在的扫描线：在每条扫描线上有M个记录道，取一个记录道窗，窗长度为包含K个记录道的长度，将记录道窗内的K个记录道平行排列，再取一个扫描时窗，时窗长度为S，将该时窗在K条道记录上进行横向扫描，同时计算扫描时窗内波形的相似系数E，计算公式为：

$E=\frac{K\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{x}}^2\left(i\right)}{\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j^2\left(i\right)}$

其中，E的范围是0≤E≤1，x_j(i)代表扫描时窗内的每个道记录，其中j=1,2,...K，而则是K个道记录中扫描时窗内采样点的平均值，即

$\stackrel{\‾}{x}\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\left(i\right),1\≤i\≤S$

通过上面的式子，计算出相似系数E，设定阈值E₀，当E≥E₀时，认为在扫描时窗内的波形是相似的，反之，当E<E₀时，认为不相似，一般实际地震记录中E₀取为0.8，当扫描时窗内的波形判定为相似，就认定噪声是沿着测线传播的，在该测线上就确定了噪声指向性的存在；

(3)以一个道间距的跨度平移记录道窗，采用上述步骤(2)分别对不同记录道窗内的K个记录道所在扫描线的指向性是否存在进行判定，确定在该测线上是否存在指向性；

三维地震勘探环境噪声指向性的查找：

(1)确定扫描线在空间的分布：设扫描线角度有w(w=1,2,...)个，当扫描线取得不同的角度θ_w(θ_w≠0)时，分别进行平移，会得到不同角度下的多条扫描线，其中，同一个角度下的多条扫描线是平行的，最后将所有这些扫描线排布在观测平面上，这就是扫描线在空间的分布；

(2)确定有指向性存在的扫描线：任取一条有N个记录道的扫描线，可以得到N个时间起点终点相同的、平行排列的道记录，取一个扫描时窗，时窗长度设为S'，这个扫描时窗也是有角度的，它根据相邻两个记录道之间的延迟时间不同而改变角度，扫描时窗每选定一种角度，就在N条道记录上进行横向扫描，同时计算扫描时窗内的波形的相似系数E'，相似系数的计算公式为：

$E^{\&prime;}=\frac{N\underset{i=1}{\overset{S^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;2}\left(i\right)}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{S^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^{\&prime;2}\left(i\right)}$

其中，E'的范围是0≤E'≤1，x'_j(i)代表每个道记录，其中j=1,2,...N，而则是N个道记录中时窗内采样点的平均值，即

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x^{\&prime;}}_j\left(i\right),1\&le;i\&le;S^{\&prime;}$

通过上面的式子，计算出相似系数，设定阈值E₀，当E'≥E₀时，认为在扫描时窗内的波形是相似的；反之，当E'<E₀时，认为不相似，实际地震勘探工作中E0取为0.8，当扫描时窗内的波形判定为相似，就认定噪声是沿着扫描线传播的，在该扫描线上就确定了指向性的存在；

最后，将所有判定为有指向性的扫描线记录在实际三维地震勘探观测系统的平面图上，就完成了地震勘探环境噪声指向性的查找；

3)基于实际地震勘探环境噪声指向性的去噪方法：

利用二维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录进行去噪：

选取能判定该测线上存在指向性的K个道记录，延迟时间为τ，现在对与K个道记录中的起始道相距L个道间距的记录进行去噪处理，相距L个道间距代表噪声从该起始道传播到待去噪的记录道需要Lτ的时间长度，在起始道道记录上噪声产生的波形起点为Z，则在待去噪道记录上由于噪声指向性产生的波形起点为Z+Lτ,在该扫描线上已经确定有指向性存在，因此在各个道记录中一定存在相似的K个有限长波形，这K个波形是由噪声的传播产生的，记作x_i(t),i=1,2,...K,t=1,2,...P，P为相似波形的长度，取这K个波形的各个采样点的平均值，作为噪声的信息：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...P$

将待去噪的道记录的相应位置线性减去由于噪声指向性产生的波形，就完成了去噪处理，如下式表示：

$\tilde{s}\left(t\right)=s(Z+\mathrm{L\&tau;}:Z+\mathrm{L\&tau;}+P-1)-\stackrel{\&OverBar;}{x}(1:P)$

其中，即为利用噪声指向性去噪后的实际地震勘探记录，s(Z+Lτ:Z+Lτ+P-1)表示从时间起点Z+Lτ到终点Z+Lτ+P-1之间的待去噪的道记录波形，表示从时间起点1到终点P的噪声波形；

利用三维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录进行去噪：

对第H条(N<H<N1)测线上的道记录进行去噪处理，延长角度为θ_w的扫描线交第H条测线于点B，B点为第H条测线上的一个记录道，该扫描线的起点为第一条测线上的起始道，设为A，相邻测线的两个记录道之间噪声传播的延迟时间为τ'，在该扫描线上已经确定有指向性存在，因此在各个道记录中一定存在相似的N个有限长波形，这N个波形是由噪声的传播产生的，记作x_i'(t),i=1,2,...N,t=1,2,...P'，P'为相似波形的长度，取这N个波形的各个采样点的平均值，作为噪声的信息：

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x_i}^{\&prime;}\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...P^{\&prime;}$

则噪声在(H-1)τ'的延迟时间内从A点传递到了B点；因此，当记录道A中采样点为Y处有因噪声传播产生的波形，那么反映到记录道B上，就是起点为Y+(H-1)τ，长度为P'的波形，设B点处的道记录为s'(t)，则可以直接将由于噪声指向性产生的波形在相应位置进行线性相减，表示为下式：

${\tilde{s}}^{\&prime;}\left(t\right)=s^{\&prime;}(Y+(H-1)\mathrm{\&tau;}:Y+(H-1)\mathrm{\&tau;}+P^{\&prime;}-1)-{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}(1:P^{\&prime;})$

其中，即为利用噪声指向性去噪后的实际地震勘探记录，

s'(Y+(H-1)τ:Y+(H-1)τ+P'-1)表示从时间起点Y+(H-1)τ到终点

Y+(H-1)τ+P'-1之间的待去噪的道记录，表示从时间起点1到终点P'的噪声。

本发明要解决的技术问题是认识地震勘探环境噪声的传播特性，通过定义环境噪声指向性来认知；然后找出实际地震勘探记录中环境噪声的指向性分布，在观测平面可以得到一个噪声指向性的分布图；根据该分布图中噪声的指向性，对实际地震勘探记录进行去噪处理，并且与当前地震勘探去噪技术结合使用，达到提高实际地震勘探记录信噪比的目的。

本发明的优点：当前地震勘探工作向着高信噪比的目标发展，现有技术对地震勘探记录信噪比的提高程度已经趋于饱和，本发明根据噪声的传播特性，提出了基于噪声指向性的去噪方法，该方法在国内外都是无人提出的，而且该方法在去噪方面效果令人满意，可以去除对有效信号影响较大的具有指向性的噪声，使地震勘探记录有效信号同相轴信息更准确和清晰，具有实用性和有效性。

本发明可以去除常规地震勘探信号去噪方法难以去除的具有传播特性的噪声，提高实际地震勘探记录的信噪比。

附图说明

图1是二维地震勘探环境噪声指向性示意图，三角形代表各个记录道的检波器，竖线表示各记录道的波形，初至前噪声沿测线传过来，反映到时距曲线上会形成一系列噪声同相轴，竖线表示各记录道的波形，用半个周期正弦波形来表示道记录的波动，连接各个波形的线表示噪声传播相邻道所用的延迟时间，一条测线上有M个记录道，可以基于K个记录道得到的噪声指向性对相距L道的道记录进行去噪，它是三维地震勘探环境噪声指向性的一种。

图2是三维地震勘探环境噪声指向性示意图，三角形代表各个记录道的检波器，横线表示各个测线，竖线表示各记录道的波形，用半个周期正弦波形来表示道记录的波动，一共有N1条测线，图中表示可以利用已知的N条测线存在的指向性对第H条道记录进行去噪，其中A和B分别是第1条测线和第H条测线上的记录道，连接各个检波器的线是扫描线，连接各个波形的线表示噪声传播相邻道所用的延迟时间。

图3表示在查找实际地震勘探记录中二维噪声指向性的记录道查找方式，其中长方形的框表示记录道窗，它包含有5个记录道，将该记录道窗平移，会得到该测线上所有不同5个记录道的分布情况。

图4是记录道窗内的5记录道，将它们平行排列，图中斜框为扫描时窗，时窗长度为50，将扫描时窗按图中方向平移，分别计算平移后的时窗内波形的相似系数。

图5是延迟时间为70的条件下，第1测线上51、52、53、54、55道的道记录的相似波形。

图6是延迟时间为70的条件下，第1测线上51、52、53、54、55道的道记录，其中粗线为由于噪声指向性产生的波形。

图7为基于二维地震勘探环境噪声指向性的去噪示意图，根据51-55道的道记录计算得出的噪声指向性，对该测线上第60道道记录进行去噪。

图8是在查找三维地震勘探环境噪声指向性时，噪声指向性的空间分布及一些参数，其中道间距为50m，测线距450m，5条测线上记录着较多初至前随机噪声，扫描线的角度为83.66°。

图9是确定扫描线上的各个记录道后，将记录道平行排列，图中斜框为扫描时窗，时窗长度为50，将其按图中方向平移，每次平移都计算扫描时窗内波形的相似系数。

图10是延迟时间为43的条件下，第1测线104道、第2测线105道、第3测线106道、第4测线107道、第5测线108道的相似波形。

图11是延迟时间为43的条件下，第1测线104道、第2测线105道、第3测线106道、第4测线107道、第5测线108道的道记录，粗线为由于噪声指向性产生的波形。

图12表示在最后的记录时，三维地震勘探环境噪声指向性的表示方法。

图13是利用三维地震勘探环境噪声指向性去噪的示意图，延长83.66°的扫描线，与第八测线相交于第111个记录道，利用噪声指向性对第八测线111道记录道进行去噪处理。

具体实施方式

1)定义地震勘探环境噪声指向性：

三维地震勘探环境噪声指向性是定义在常规三维地震勘探观测系统上的，在实际地震勘探工作中，三维观测系统采用多测线排布的方式，每条测线上等间距排布着各个记录道，而各个测线也以等测线距平行排列，在各个记录道的检波器检测到的噪声传播方向是来自四面八方的；连接各个记录道的连线可以得到多个噪声的传播方向，所有这些传播方向即是三维地震勘探环境噪声的指向；其中，如果噪声传播方向与测线方向相同，则属于二维地震勘探环境噪声指向性，它是三维地震勘探环境噪声指向性的一种；

2)地震勘探环境噪声指向性的查找方法：

三维地震勘探观测系统有N1条测线，其中含有较多纯初至前噪声记录的测线数为N，N1<N，实际用来求取噪声指向性的测线数即为N，每条测线上有M个等间距排布的记录道，每条测线以等间距平行排列，取这样一条扫描线，使得该扫描线与各个测线的交点处是一个记录道，每一条测线本身也是一条扫描线，在整个三维地震勘探观测系统中，这样的扫描线有很多条，它与测线所夹的角度为扫描线角度，用扫描线来表示地震勘探环境噪声的传播方向，求得地震勘探环境噪声的指向性，具体步骤如下：

二维地震勘探环境噪声指向性的查找：

(1)确定扫描线在空间的分布：当扫描线角度为0时，每一条测线本身就是一条扫描线，

(2)确定有指向性存在的扫描线：在每条扫描线上有M个记录道，取一个记录道窗，窗长度为包含K个记录道的长度，将记录道窗内的K个记录道平行排列，再取一个扫描时窗，时窗长度为S，将该时窗在K条道记录上进行横向扫描，同时计算扫描时窗内波形的相似系数E，计算公式为：

$E=\frac{K\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^2\left(i\right)}{\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^2\left(i\right)}$

其中，E的范围是0≤E≤1，x_j(i)代表扫描时窗内的每个道记录，其中j=1,2,...K，而则是K个道记录中扫描时窗内采样点的平均值，即

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j\left(i\right),1\&le;i\&le;S$

通过上面的式子，计算出相似系数E，设定阈值E₀，当E≥E₀时，认为在扫描时窗内的波形是相似的，反之，当E<E₀时，认为不相似，一般实际地震记录中E₀取为0.8，当扫描时窗内的波形判定为相似，就认定噪声是沿着测线传播的，在该测线上就确定了噪声指向性的存在；

(3)以一个道间距的跨度平移记录道窗，采用上述步骤(2)分别对不同记录道窗内的K个记录道所在扫描线的指向性是否存在进行判定，确定在该测线上是否存在指向性；如果在不同的记录道窗内都判定了该测线上指向性的存在，它们的不同点是噪声传播延迟时间的不同，但是都可以判定测线存在指向性，结果需要记录在观测平面内。

三维地震勘探环境噪声指向性的查找：

(1)确定扫描线在空间的分布：设扫描线角度有w(w=1,2,...)个，当扫描线取得不同的角度θ_w(θ_w≠0)时，分别进行平移，会得到不同角度下的多条扫描线，其中，同一个角度下的多条扫描线是平行的，最后将所有这些扫描线排布在观测平面上，这就是扫描线在空间的分布；

(2)确定有指向性存在的扫描线：任取一条有N个记录道的扫描线，可以得到N个时间起点终点相同的、平行排列的道记录，取一个扫描时窗，时窗长度设为S'，这个扫描时窗也是有角度的，它根据相邻两个记录道之间的延迟时间不同而改变角度，扫描时窗每选定一种角度，就在N条道记录上进行横向扫描，同时计算扫描时窗内的波形的相似系数E'，相似系数的计算公式为：

$E^{\&prime;}=\frac{N\underset{i=1}{\overset{S^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;2}\left(i\right)}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{S^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^{\&prime;2}\left(i\right)}$

其中，E'的范围是0≤E'≤1，x'_j(i)代表每个道记录，其中j=1,2,...N，而则是N个道记录中时窗内采样点的平均值，即

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x^{\&prime;}}_j\left(i\right),1\&le;i\&le;S^{\&prime;}$

通过上面的式子，计算出相似系数，设定阈值E₀，当E'≥E₀时，认为在扫描时窗内的波形是相似的；反之，当E'<E₀时，认为不相似，实际地震勘探工作中E₀取为0.8，当扫描时窗内的波形判定为相似，就认定噪声是沿着扫描线传播的，在该扫描线上就确定了指向性的存在；

最后，将所有判定为有指向性的扫描线记录在实际三维地震勘探观测系统的平面图上，就完成了地震勘探环境噪声指向性的查找；

3)基于实际地震勘探环境噪声指向性的去噪方法：

利用二维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录进行去噪：

选取能判定该测线上存在指向性的K个道记录，延迟时间为τ，现在对与K个道记录中的起始道相距L个道间距的记录进行去噪处理，相距L个道间距代表噪声从该起始道传播到待去噪的记录道需要Lτ的时间长度，在起始道道记录上噪声产生的波形起点为Z，则在待去噪道记录上由于噪声指向性产生的波形起点为Z+Lτ,在该扫描线上已经确定有指向性存在，因此在各个道记录中一定存在相似的K个有限长波形，这K个波形是由噪声的传播产生的，记作x_i(t),i=1,2,...K,t=1,2,...P，P为相似波形的长度，取这K个波形的各个采样点的平均值，作为噪声的信息：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...P$

将待去噪的道记录的相应位置线性减去由于噪声指向性产生的波形，就完成了去噪处理，如下式表示：

$\tilde{s}\left(t\right)=s(Z+\mathrm{L\&tau;}:Z+\mathrm{L\&tau;}+P-1)-\stackrel{\&OverBar;}{x}(1:P)$

其中，即为利用噪声指向性去噪后的实际地震勘探记录，s(Z+Lτ:Z+Lτ+P-1)表示从时间起点Z+Lτ到终点Z+Lτ+P-1之间的待去噪的道记录波形，x(1:P)表示从时间起点1到终点P的噪声波形；

利用三维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录进行去噪：

对第H条(N<H<N1)测线上的道记录进行去噪处理，延长角度为θ_w的扫描线交第H条测线于点B，B点为第H条测线上的一个记录道，该扫描线的起点为第一条测线上的起始道，设为A，相邻测线的两个记录道之间噪声传播的延迟时间为τ'，在该扫描线上已经确定有指向性存在，因此在各个道记录中一定存在相似的N个有限长波形，这N个波形是由噪声的传播产生的，记作x_i'(t),i=1,2,...N,t=1,2,...P'，P'为相似波形的长度，取这N个波形的各个采样点的平均值，作为噪声的信息：

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x_i}^{\&prime;}\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...P^{\&prime;}$

则噪声在(H-1)τ'的延迟时间内从A点传递到了B点，因此，当记录道A中采样点为Y处有因噪声传播产生的波形，那么反映到记录道B上，就是起点为Y+(H-1)τ，长度为P'的波形，设B点处的道记录为s'(t)，则可以直接将由于噪声指向性产生的波形在相应位置进行线性相减，表示为下式：

${\tilde{s}}^{\&prime;}\left(t\right)=s^{\&prime;}(Y+(H-1)\mathrm{\&tau;}:Y+(H-1)\mathrm{\&tau;}+P^{\&prime;}-1)-{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}(1:P^{\&prime;})$

其中，即为利用噪声指向性去噪后的实际地震勘探记录，

s'(Y+(H-1)τ:Y+(H-1)τ+P'-1)表示从时间起点Y+(H-1)τ到终点

Y+(H-1)τ+P'-1之间的待去噪的道记录，表示从时间起点1到终点P'的噪声。

应用举例：

实际地震记录为沙漠地区地震勘探记录，该三维地震勘探观测系统有14条测线，测线距为450m，道间距为50m，含较多纯初至前噪声记录的测线数为5条，每个记录道的采样点数为3500点，每条测线上有216个记录道。

1.查找二维地震勘探环境噪声指向性：

(1)确定扫描线的空间分布：在该地震勘探观测系统中，每条测线本身就是一条扫描线，一共有14条；

(2)确定有指向性的扫描线：以第1测线为例，取一个记录道窗，如说明书附图3所示，窗的长度为包含有5个记录道的长度，向右侧平移记录道窗；对记录道窗内平行排列的5个道记录采用扫描时窗进行扫描，如说明书附图4所示，该扫描时窗长度为50，计算扫描时窗内波形的相似程度，判断是否有指向性存在，然后以一个道间距的跨度平移记录道窗，依据上述步骤再次判断该记录道时窗内的指向性是否存在，一共有212种情况，当5个记录道分别为51、52、53、54和55道时，相似系数存在大于0.8的值，延迟时间为70，相似波形如说明书附图5所示，采样点有59个，各个道记录在相似区域内有一个完整的波动，符合噪声的传播特性，将相似波形所在道记录表示出来，如说明书附图6所示，粗线表示噪声传播引起的波动，由于噪声指向性产生的波形很明显；

利用二维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录去噪：

我们对第1测线的第60道道记录进行去噪处理。根据噪声的指向性，在51道道记录上由噪声指向性产生的波形的起点为47点，则在第60道道记录上，由噪声指向性产生的波形的起点为47+70×9=677点，取各道的相似波形的平均值作为噪声的信息：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(t\right)=\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...59$

设第60道的道记录为s(t),t=1,2,...3500，将道记录s(t)在相应位置线性减去由于噪声指向性产生的波形，即完成去噪处理，表达式如下所示：

$\tilde{s}\left(t\right)=s(677:735)-\stackrel{\&OverBar;}{x}(1:59)$

结果分析：计算未经过任何处理的第60道道记录的信噪比，为0.4482，然后是经过本发明去噪处理后的信噪比，为0.4510，可以发现信噪比提高了，说明该方法切实去除了具有传播特性的噪声。

证明本发明的去噪方法可以去除常规地震勘探去噪方法难以去除的具有指向性的噪声。依旧是对第60道道记录进行去噪处理。首先对经过噪声指向性处理后的该道记录采用时频峰值滤波方法去噪，得到去噪后地震勘探记录信噪比为0.5231；作为对比，对未经过任何处理的该道记录先采用时频峰值滤波技术去噪，然后再利用噪声指向性对该记录进行去噪，得到去噪后地震勘探记录信噪比为0.5231；二者去噪后的信噪比一致，即说明二者应用的顺序不同不影响信噪比的提高幅度，即证明本发明的去噪方法的确去除了时频峰值滤波技术去除不了的具有指向性的噪声。

用百分比来衡量信噪比的提高幅度。原来未经任何处理的道记录，信噪比为0.4482，经过时频峰值滤波处理后，道记录的信噪比提高了

${\mathrm{\&mu;}}_1=\frac{0.5231-0.4482}{0.4482}\&times;100\%=16.71\%$

这里采用的信噪比计算方法是能量叠加法。由于信噪比计算方法不同，得到的数值就不同，提升幅度也不同。道记录信噪比提高16.71%，就已经能比较好的恢复出有效信号的同相轴，但在某些地方还存在较强的具有传播特性的噪声干扰；对这个处理后的道记录进行时频峰值滤波，得到信噪比为0.5183的道记录，较未经过指向性去噪处理的记录，其信噪比提高了

${\mathrm{\&mu;}}_2=\frac{0.5231-0.5183}{0.5183}\&times;100\%=0.92\%$

可见，去噪后实际地震勘探记录信噪比提高幅度很大。

2.查找三维地震勘探环境噪声指向性：

(1)确定扫描线的空间分布：这里仅讨论一个扫描线角度，扫描线的排布如说明书附图7所示，图中，扫描线角度为

在此角度下将扫描线以一个道间距的跨度平移，得到平行排列的212条扫描线，由此确定了83.66°的扫描线的空间分布；

(2)确定有指向性的扫描线和由于噪声指向性产生的波形：分别判断212条扫描线的每一条是否具有指向性，选定一条扫描线后，采用时窗扫描的方法计算不同延迟时间下波形之间的相似系数，如说明书附图8所示，图中扫描时窗长度取为50，将扫描时窗向右侧平移，分别扫描时窗内的相似系数，选取相似系数阈值为0.8，从相似系数的幅值可以看出，在延迟时间为43的时候，存在相似系数大于0.8的相似波形，如说明书附图9所示，采样点共有98个，各个道记录在相似区域内有一个完整的波动，符合噪声的传播特性，将相似波形所在道记录表示出来，如说明书附图10所示，粗线表示噪声传播引起的波动，由于噪声指向性产生的波形很明显；

(3)记录环境噪声指向性：如说明书附图11所示，噪声从第一测线向第五测线传播，在与第一测线交点为第104道，角度为83.66°的扫描线上，存在指向性，完成了噪声指向性的一部分的查找；

利用三维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录去噪：

我们选择对实际地震记录中的第八条测线上的记录道进行去噪，如说明书附图12所示，83.66°的存在指向性的扫描线与第八条测线相交的道数为第111道。在第一测线上的第104道道记录中，由于噪声指向性产生的波形起点为139点，则在第八测线上的第111道道记录中，由于该噪声指向性产生的波形的起点应该为139+43×7=440点。取各道的相似波形的平均值作为噪声的信息：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(t\right)=\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...98$

设第八条测线上的第111道道记录为s'(t)，其中t=1,2,...3500，有3500个采样点。将道记录s'(t)在对应点处线性减去由于噪声指向性产生的波形，即完成去噪处理，表达式如下所示：

$\tilde{s}\left(t\right)=s(440:537)-\stackrel{\&OverBar;}{x}(1:98)$

结果分析：计算未经过任何处理的第八测线第111道道记录的信噪比，为0.3235，然后是经过本发明去噪处理后的信噪比，为0.3283，可以发现信噪比提高了，说明该方法切实去除了具有传播特性的噪声。

证明本发明的去噪方法可以去除常规地震勘探去噪方法难以去除的具有指向性的噪声。依旧是对第八测线的第111道道记录进行去噪处理。首先对经过噪声指向性处理后的该道记录采用时频峰值滤波方法去噪，得到去噪后地震勘探记录信噪比为0.3847；作为对比，对未经过任何处理的该道记录先采用时频峰值滤波技术去噪，然后再利用噪声指向性对该记录进行去噪，得到去噪后地震勘探记录信噪比为0.3848；二者去噪后的信噪比几乎一致，即说明二者应用的顺序不同不影响信噪比的提高幅度，即证明本发明的去噪方法的确去除了时频峰值滤波技术去除不了的具有指向性的噪声，使得地震记录信噪比得到了进一步的提高，可见该方法是具有实用性和有效性的。

用百分比来衡量信噪比的提高幅度。原来未经任何处理的道记录，信噪比为0.3235，经过时频峰值滤波处理后，道记录的信噪比提高了

${{\mathrm{\&mu;}}_1}^{\&prime;}=\frac{0.3807-0.3235}{0.3235}\&times;100\%=17.68\%$

这里采用的信噪比计算方法是能量叠加法。由于信噪比计算方法不同，得到的数值就不同，提升幅度也不同。道记录信噪比提高17.68%，就已经能比较好的恢复出有效信号的同相轴，但在某些地方依旧存在较强噪声干扰。本发明的去噪方法可以对其中具有传播特性的噪声进行去除。

对这个处理后的道记录进行时频峰值滤波，得到信噪比为0.3847的道记录，较未经过指向性去噪处理的记录，其信噪比提高了

${{\mathrm{\&mu;}}_2}^{\&prime;}=\frac{0.3847-0.3807}{0.3807}\&times;100\%=1.05\%$

可见，去噪后实际地震勘探记录信噪比提高幅度很大。

综上所述，基于地震勘探环境噪声指向性对地震信号进行去噪的方法是有效的，实用的，它可以去除常规地震勘探去噪方法难以去除的具有指向性的噪声，对于提高实际地震勘探记录的信噪比，更准确地识别有效信号的同相轴有很大的贡献，有利于更精确地探明地下地质构造。

Claims (1)

1.一种基于地震勘探环境噪声指向性的去噪方法，其特征在于包括下列步骤：

1)定义地震勘探环境噪声指向性：

三维地震勘探环境噪声指向性是定义在常规三维地震勘探观测系统上的，在实际地震勘探工作中，三维观测系统采用多测线排布的方式，每条测线上等间距排布着各个记录道，而各个测线也以等测线距平行排列，在各个记录道的检波器检测到的噪声传播方向是来自四面八方的；连接各个记录道的连线可以得到多个噪声的传播方向，所有这些传播方向即是三维地震勘探环境噪声的指向；其中，如果噪声传播方向与测线方向相同，则属于二维地震勘探环境噪声指向性，它是三维地震勘探环境噪声指向性的一种；

2)地震勘探环境噪声指向性的查找方法：

三维地震勘探观测系统有N1条测线，其中含有较多纯初至前噪声记录的测线数为N，实际用来求取噪声指向性的测线数即为N，每条测线上有M个等间距排布的记录道，每条测线以等间距平行排列，取这样一条扫描线，使得该扫描线与各个测线的交点处是一个记录道，每一条测线本身也是一条扫描线，在整个三维地震勘探观测系统中，这样的扫描线有很多条，它与测线所夹的角度为扫描线角度，用扫描线来表示地震勘探环境噪声的传播方向，求得地震勘探环境噪声的指向性，具体步骤如下：

二维地震勘探环境噪声指向性的查找：

(1)确定扫描线在空间的分布：当扫描线角度为0时，每一条测线本身就是一条扫描线，

(2)确定有指向性存在的扫描线：在每条扫描线上有M个记录道，取一个记录道窗，窗长度为包含K个记录道的长度，将记录道窗内的K个记录道平行排列，再取一个扫描时窗，时窗长度为S，将该时窗在K条道记录上进行横向扫描，同时计算扫描时窗内波形的相似系数E，计算公式为：

$E=\frac{K\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^2\left(i\right)}{\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^2\left(i\right)}$

其中，E的范围是0≤E≤1，x_j(i)代表扫描时窗内的每个道记录，其中j＝1,2,...K，而x(i)则是K个道记录中扫描时窗内采样点的平均值，即

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j\left(i\right),1\&le;i\&le;S$

通过上面的式子，计算出相似系数E，设定阈值E₀，当E≥E₀时，认为在扫描时窗内的波形是相似的，反之，当E<E₀时，认为不相似，实际地震记录中E₀取为0.8，当扫描时窗内的波形判定为相似，就认定噪声是沿着测线传播的，在该测线上就确定了噪声指向性的存在；

(3)以一个道间距的跨度平移记录道窗，采用上述步骤(2)分别对不同记录道窗内的K个记录道所在扫描线的指向性是否存在进行判定，确定在该测线上是否存在指向性；

三维地震勘探环境噪声指向性的查找：

(1)确定扫描线在空间的分布：设扫描线角度有w(w＝1,2,...)个，当扫描线取得不同的角度θ_w(θ_w≠0)时，分别进行平移，会得到不同角度下的多条扫描线，其中，同一个角度下的多条扫描线是平行的，最后将所有这些扫描线排布在观测平面上，这就是扫描线在空间的分布；

(2)确定有指向性存在的扫描线：任取一条有N个记录道的扫描线，可以得到N个时间起点终点相同的、平行排列的道记录，取一个扫描时窗，时窗长度设为S'，这个扫描时窗也是有角度的，它根据相邻两个记录道之间的延迟时间不同而改变角度，扫描时窗每选定一种角度，就在N条道记录上进行横向扫描，同时计算扫描时窗内的波形的相似系数E'，相似系数的计算公式为：

$E^{\&prime;}=\frac{N\underset{i=1}{\overset{S^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;2}\left(i\right)}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{S^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^{\&prime;2}\left(i\right)}$

其中，E'的范围是0≤E'≤1，x'_j(i)代表每个道记录，其中j＝1,2,...N，而则是N个道记录中时窗内采样点的平均值，即

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x^{\&prime;}}_j\left(i\right),1\&le;i\&le;S^{\&prime;}$

通过上面的式子，计算出相似系数，设定阈值E₀，当E'≥E₀时，认为在扫描时窗内的波形是相似的；反之，当E'<E₀时，认为不相似，实际地震勘探工作中E₀取为0.8，当扫描时窗内的波形判定为相似，就认定噪声是沿着扫描线传播的，在该扫描线上就确定了指向性的存在；

最后，将所有判定为有指向性的扫描线记录在实际三维地震勘探观测系统的平面图上，就完成了地震勘探环境噪声指向性的查找；

3)基于实际地震勘探环境噪声指向性的去噪方法：

利用二维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录进行去噪：

选取能判定该测线上存在指向性的K个道记录，延迟时间为τ，现在对与K个道记录中的起始道相距L个道间距的记录进行去噪处理，相距L个道间距代表噪声从该起始道传播到待去噪的记录道需要Lτ的时间长度，在起始道道记录上噪声产生的波形起点为Z，则在待去噪道记录上由于噪声指向性产生的波形起点为Z+Lτ,在该扫描线上已经确定有指向性存在，因此在各个道记录中一定存在相似的K个有限长波形，这K个波形是由噪声的传播产生的，记作x_i(t),i＝1,2,...K,t＝1,2,...P，P为相似波形的长度，取这K个波形的各个采样点的平均值，作为噪声的信息：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...P$

将待去噪的道记录的相应位置线性减去由于噪声指向性产生的波形，就完成了去噪处理，如下式表示：

其中，即为利用噪声指向性去噪后的实际地震勘探记录，s(Z+Lτ:Z+Lτ+P-1)表示从时间起点Z+Lτ到终点Z+Lτ+P-1之间的待去噪的道记录波形，表示从时间起点1到终点P的噪声波形；

利用三维地震勘探环境噪声指向性对实际地震记录进行去噪：

对第H条(N<H<N1)测线上的道记录进行去噪处理，延长角度为θ_w的扫描线交第H条测线于点B，B点为第H条测线上的一个记录道，该扫描线的起点为第一条测线上的起始道，设为A，相邻测线的两个记录道之间噪声传播的延迟时间为τ'，在该扫描线上已经确定有指向性存在，因此在各个道记录中一定存在相似的N个有限长波形，这N个波形是由噪声的传播产生的，记作x_i'(t),i＝1,2,...N,t＝1,2,...P'，P'为相似波形的长度，取这N个波形的各个采样点的平均值，作为噪声的信息：

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}^{\&prime;}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x_i}^{\&prime;}\left(t\right),t=\mathrm{1,2},...P^{\&prime;}$

则噪声在(H-1)τ'的延迟时间内从A点传递到了B点；因此，当记录道A中采样点为Y处有因噪声传播产生的波形，那么反映到记录道B上，就是起点为Y+(H-1)τ，长度为P'的波形，设B点处的道记录为s'(t)，则可以直接将由于噪声指向性产生的波形在相应位置进行线性相减，表示为下式：

其中，即为利用噪声指向性去噪后的实际地震勘探记录，

s'(Y+(H-1)τ:Y+(H-1)τ+P'-1)表示从时间起点Y+(H-1)τ到终点

Y+(H-1)τ+P'-1之间的待去噪的道记录，x'(1:P')表示从时间起点1到终点P'的噪声。