CN103344988B - 基于k-l分解的可控震源信号相位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法。可控震源工作时，信号采集卡通过安装在可控震源上的传感器实时采集其激发信号，该信号先通过K-L分解器去除其强随机噪声，分别送至相位检测器和相位控制器进行可控震源激发信号的相位检测和相位控制。与现有的滤波方法相比，K-L分解法提取的可控震源激发信号不损失原有信号的相位信息，尤其对于信号频带内含有较强随机噪声具有良好压制效果；与自适应滤波方法相比，该方法不需要数学模型支持，能够更好的适应于未知的耦合模型环境；经K-L分解方法提取的信号能够真实反映可控震源激发信号的相位信息，解决了过零点相位检测中的零点跳变问题，提高了可控震源激发信号相位检测精度。

Description

基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法

技术领域：

本发明涉及一种可控震源激发信号的相位检测方法，尤其适用于随机噪声较强条件下的可控震源相位检测方法，该检测方法可用于可控震源反馈控制及可控震源质量控制过程的相位检测环节。

背景技术：

K-L分解是指利用K-L正交变换方法对含有强随机噪声的可控震源激发信号进行正交分解，含有噪声的可控震源信号经K-L分解后，有用信号反映在在最大正交分量上，噪声分布在其他正交分量，从而实现信号与随机噪声的有效分离。因为正交变换是线性变换，所以基于K-L分解的可控震源相位检测方法，在去除可控震源激发信号随机噪声的同时，又不改变原有信号相位特性，可以作为一种有效的可控震源激发信号相位检测方法。

可控震源地震勘探中，由于可控震源系统的非线性以及可控震源基板与大地耦合的非线性，可控震源实际激发信号相对于控制信号存在较大的相位畸变，这里相位畸变是指相位随频率呈非线性变化。可控震源相位畸变不但会降低信号检测的分辨率，甚至会影响检测结果的准确性及可靠性。因此，在可控震源质量监控及反馈控制过程中进行准确的相位检测具有重要意义。

现有的相位检测采用过零检测方，强随机噪声条件下，受过零点随机噪声及高频谐波的影响，采用过零检测方法经常会发生零点跳变异常，严重影响了可控震源激发信号相位检测的可靠性。而可控震源在野外施工过程中，其实际激发信号中含有很强的随机噪声，因此要实现有效的可控震源信号相位检测，必须在检测方法中引入随机噪声压制方法。

常用的可控震源随机噪声压制方法主要有两类，一类是频率域滤波方法；另一类是自适应滤波方法。频率域滤波方法是针对有用信号频带的确定性和随机噪声频率的非确定性差异，滤除信号通带外不需要的频率成分，从而达到去除部分噪声提高数据信噪比的目的。这种方法存在的问题是难于滤除与信号同频带的噪声，且滤波器的固有频率特性会引起可控震源控制信号相位的非线性变化，导致相位检测精度不可靠。法国Sercel公司在其研制的可控震源数字电控箱体中采用了一种自适应滤波方法——卡尔曼自适应滤波方法，自适应滤波方法的特点是能够根据环境变化，实时调整滤波器的参数和结构来实现噪声压制，但是自适应算法需要建立在一定数学模型基础上，因此该方法对模型依赖性较强，难以适应随机噪声复杂多变的条件。可见，上述两类方法都不适于强随机噪声条件下的可控震源信号的相位检测。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，利用随机噪声具有随机分布特性而可控震源信号具有确定特性这一信噪差异，提供一种基于K-L分解的可控震源相位检测方法，解决强噪声条件下可控震源信号的相位检测难题。

基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

a、采集可控震源激发信号x(n)(n＝0,1,…,N-1)，x(n)为一行向量，代表序列长度为N的离散信号，N与采集系统的采样率f_s、可控震源控制信号的最低工作频率f_min有关，满足公式：

N＝αf_s/f_min(1)

其中α为大于或等于1的有理数；

b、对采样序列x(n)分别向右平移i(i＝0,1,…,M-1)个采样间隔，并在其前后补零，得M行，(M+N－1)列的矩阵X，如公式：

c、根据矩阵运算理论，建立矩阵X的自相关矩阵，如公式：

其中X^T是矩阵X的转置矩阵；

d、利用矩阵R_X的特征多项式，求其特征值λ_i(i＝0,1,…,M-1)和对应的特征向量v_i(i＝0,1,…,M-1)；

e、根据步骤d求得的特征向量构建M×M维正交矩阵V，V＝[v₀,v₁,…,v_M-1]^T，按公式(4)对信号做K-L分解，

Y＝V^TX＝[y₁,y₂,…,y_M]^T(4)

其中V^T是矩阵V的转置矩阵，y₁,y₂,…,y_M是与特征值λ_i对应的正交分量；

f、从步骤d求得的自相关矩阵R_X的特征值λ_i(i＝1,…,M)中找出最大特征值λ_max以及与其对应的特征向量v_max，K-L分解后各分量y_i(i＝1,…,M)中与最大特征值对应的最大正交分量如公式(5)，

y_max＝v_max ^TX(5)

y_max即为经K-L分解得到的可控震源信号；

g、针对y_max进行过零检测，即实现了可控震源信号的相位检测。

有益效果：经试验，证明本发明公开的基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法能够有效实现可控震源信号相位检测。与过零检测方法相比，本方法特别适用于含有强随机噪声情况下的可控震源信号相位检测，这得益于K-L分解过程对噪声的抑制能力，使相位检测结果更可靠。在现有可控震源信号的相位检测方法中，一般采用频率域滤波、卡尔曼自适应滤波去噪再进行相位检测。与采用频率域滤波方法相比，基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法优势在于，在不损失有用信号相位信息前提下，尤其对于可控震源信号频带内含有较强随机噪声情况下具有更高的检测精度；与采用自适应滤波方法去噪后再进行相位检测相比，本方法不需要数学模型支持，能够更好的适应于未知耦合模型环境的震源信号检测。基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法，解决了强随机噪声情况下过零点相位检测中出现的零点异常跳变问题，提高了可控震源激发信号相位检测精度和可控震源相位控制质量。

附图说明：

图1、原始可控震源信号与经K-L分解后得到的可控震源信号对比图，

虚线对应可控震源输出力原始信号，

实线为K-L分解提取后输出力信号。

图2、使用过零检测与基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法得到的相位检测结果对比图，

a为对原始信号采用过零点相位检测取得的矩形波，

b为对K-L分解后信号采用过零点相位检测取得的矩形波。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

可控震源工作时，信号采集卡通过安装在可控震源上的传感器实时采集其激发信号，该信号先通过K-L分解器去除其强随机噪声，分别送至相位检测器和相位控制器进行可控震源激发信号的相位检测和相位控制。

基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法，包括以下步骤：

a、采集可控震源激发信号

本例中,震源最小工作频率f_min为40Hz,采集系统的采样率f_s为8000，α取值为1，按公式(1)计算得N＝200。所以可控震源激发信号为长度为200的离散信号，设其为一行向量x(n)＝[x(0)x(1)…x(199)]；

b、构建信号矩阵X

本例中，M取10,对采样序列x(n)分别向右平移i(i＝0,1,…,9)个采样间隔，并在其前后补零，再对平移后的矩阵拼接得10行，209列的矩阵X，如式(6)，

c、建立信号矩阵X的自相关矩阵R_X

按照公式(3)计算X的自相关矩阵如式(7)，

d、利用矩阵R_X的特征多项式，求其特征值λ_i(i＝0,1,…,9)和对应的特征向量v_i(i＝0,1,…,9)；

e、利用特征向量构建10行，10列的正交矩阵V，V＝[v₀,v₁,…,v₉]^T，按公式(4)对信号做K-L分解，分解后得矩阵Y，如式：

Y＝V^TX＝[y₁,y₂,…,y₁₀]^T(8)

f、从特征值λ_i(i＝1,2,…,10)中找出最大特征值为λ_max＝3.404×10¹³，并从中找出与λ_max对应的特征向量v_max，如式(9)，

v_max＝[0.1790.2430.2970.3390.3660.3750.3660.3390.3390.243](9)

按公式(5)求得最大正交分量y_max，即为经K-L分解得到的可控震源信号，其信号如图1中实现部分；

g、针对y_max进行过零检测，得到的检测信号如图2b。

图1给出可控震源工作在40-500Hz、15s线性扫频控制信号下，可控震源激发信号中第7.324-7.34s内共128个采样点的K-L分解相位检测结果的局部图，可以看出原始信号中的随机噪声经K-L分解后被滤除，使波形变得平滑。图2-a和图2-b分别给出对可控震源原始信号和K-L分解输出可控震源信号，分别采用过零检测法得到的矩形波相位检测波形，可以看出，与采用原始信号做过零相位检测波形相比，K-L分解后过零相位检测波形无零点跳变问题，这说明基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法，成功解决了强随机噪声情况下过零点相位检测中出现的零点异常跳变问题。

Claims (1)

1.一种基于K-L分解的可控震源信号相位检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

a、采集可控震源激发信号x(n)(n＝0,1,…,N-1)，x(n)为一行向量，代表序列长度为N的离散信号，N与采集系统的采样率f_s、可控震源控制信号的最低工作频率f_min有关，满足公式：

N＝αf_s/f_min(1)

其中α为大于或等于1的有理数；

b、对采样序列x(n)分别向右平移i(i＝0,1,…,M-1)个采样间隔，并在其前后补零，得M行，(M+N－1)列的矩阵X，如公式：

c、根据矩阵运算理论，建立矩阵X的自相关矩阵，如公式：

其中X^T是矩阵X的转置矩阵；

d、利用矩阵R_X的特征多项式，求其特征值λ_i(i＝0,1,…,M-1)和对应的特征向量：v_i(i＝0,1,…,M-1)；

e、根据步骤d求得的特征向量构建M×M维正交矩阵V，V＝[v₀,v₁,…,v_M-1]^T，按公式：Y＝V^TX＝[y₁,y₂,…,y_M]^T(4)

对信号做K-L分解，其中V^T是矩阵V的转置矩阵，y₁,y₂,…,y_M是与特征值λ_i对应的正交分量；

f、从步骤d求得的自相关矩阵R_X的特征值λ_i(i＝0,1,…,M-1)中找出最大特征值λ_max以及与其对应的特征向量v_max，K-L分解后各分量y_i(i＝1,…,M)中与最大特征值对应的最大正交分量如公式：

y_max＝v_max ^TX(5)

y_max即为经K-L分解得到的可控震源信号；

g、针对y_max进行过零检测，即实现了可控震源信号的相位检测。