CN104007469A - 一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，属于石油地震勘探地震资料处理技术领域，其特征在于包括如下步骤：1、确定噪声模型及其参数；2、读取地震数据；3、对读取的地震数据进行曲波分解，得到地震数据的曲波系数；4、对所得到的噪声模型进行曲波分解，得到噪声模型的曲波系数；5、根据设置的滤波阈值，在曲波域中对地震数据的曲波系数进行滤波处理，滤掉曲波系数中的噪声部分；6、对滤波后的曲波系数进行曲波反变换，重构得到去除噪声后的地震信号。本发明对地震信号进行滤波去噪；在保护有效地震反射信号的同时精确地滤掉了噪声干扰，突出了有效弱信号，达到了检测与识别深部弱地震信号的目的；提高了勘探精度，节约了勘探成本，使用方便，经济效益好。

Description

一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法

技术领域：

本发明涉及一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，属石油地震勘探地震资料处理技术领域。

背景技术：

随着油气勘探开发的不断深入，勘探开发难度不断增加，地震勘探的任务也已由过去单纯的构造勘探发展到寻找复杂油气藏和隐蔽油气藏。隐蔽油气藏具有面积小、构造复杂、在地震剖面上特征显示不明显的特点，因此在地震勘探中深入研究对地震弱信号的检测与识别、提高分辨率等问题是必然的趋势。

然而针对地震信号中的弱反射信号的检测与识别，传统的处理方法效果不是很理想。目前对地震数据进行噪声压制、有效信号检测与重构的方法有基于F-K滤波(视速度滤波)的规则噪声压制方法、基于F-X域预测去噪技术的随机噪声压制方法、基于Radon变换的随机多次波和随机噪声压制方法、基于小波分解和重构的地震数据去噪方法等等，这些方法都可以达到噪声压制以及从地震数据中提取有效信号的效果。如申请号为CN201210483278.X的专利申请公开了一种衰减地震数据随机噪声的方法和系统，该方法中将地震数据进行傅立叶变换，生成频率-空间域的地震数据；在空间方向上对频率-空间域的地震数据进行复数经验模态分解，生成多个模态分量；根据频率-空间域的地震数据与多个模态分量，利用最优化方法生成自适应信号重构算子；根据自适应信号重构算子和所述多个模态分量，重构生成频率域地震信号；将频率域地震信号进行傅立叶反变换，生成随机噪声衰减后的时间域地震信号。如申请号为CN201210247721.3的专利申请公开了一种基于小波变换的小尺度阈值去噪方法，该方法在小尺度上对地震数据进行扫描，得到一个时窗内的相关系数值，然后设置一个阈值，对这个小尺度时窗内的数据进行判断；当地震道以地震信号为主时，采用常规小波分解及常规硬阈值或软阈值；当地震道以噪声为主时，地震信号进行小波分解后，采用最佳熵的原则设定下面的浮动阈值法，最后将去噪后的小波尺度进行小波重构，从而得到信噪比较高的地震道集。

小波变换在地震信号处理中虽然能够去除大部分噪声，但是，由于小波变换本身的缺陷，在表达二维图像时会损失边缘方向信息，造成成像模糊。因此使得去噪后的地震信号同相轴的边缘模糊不清、分辨率下降。针对小波变换的局限性，国外学者提出了一种具有多尺度、多方向的分析方法—曲波变换(Curvelet)。1999年Candès和Donoho提出了曲波变换理论，它在对线和超平面的奇异性表示上具有优于小波变换的特性。曲波变换具有方向性，对线具有良好的分辨能力，这使得它在直线特征的表示和提取中比小波变换更加有效。

曲波变换对于具有光滑奇异性的目标函数曲线能够提供稳定的、高效的和近乎最优的表示。此外，曲波变换直接以边缘为基本表示元素，具有很强的方向性，非常有利于图像边缘的高效表示。

曲波变换在压制噪声干扰时，可以有效保护弱反射信号，实现信号的保真处理，达到检测与识别弱反射地震信号的效果，将基于多尺度分析的曲波变换应用于弱地震信号的分析与处理，对地震勘探中地震信号的检测与识别、提高地震勘探的分辨率具有十分重要的意义。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，根据地震信号所受的噪声干扰建立噪声模型，对地震信号和噪声模型进行曲波分解，将地震信号和噪声模型投影到曲波域中，对地震信号进行滤波、去噪；在保护有效地震反射信号的同时精确地滤掉了噪声干扰，突出了有效弱信号，达到了检测与识别深部弱地震信号的目的；提高了勘探精度，节约了勘探成本，使用方便，经济效益好。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。

本发明所提供的一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，包括如下步骤：

(1)、对叠前地震数据进行统计对比分析，确定噪声模型及其参数；

(2)、读取地震数据；

(3)、选择尺度，对读取的地震数据进行曲波分解，得到地震数据的曲波系数，将地震数据变换到曲波域中；

(4)、对所得到的噪声模型进行曲波分解，得到噪声模型的曲波系数，将噪声模型变换到曲波域中；

(5)、根据噪声模型的曲波系数设置在曲波域中的滤波阈值，根据设置的滤波阈值，在曲波域中对地震数据的曲波系数进行滤波处理，滤掉曲波系数中的噪声部分；

(6)、对滤波后的曲波系数进行曲波反变换，重构得到去除噪声后的地震信号。

所述的对叠前地震数据进行统计对比分析，确定噪声模型及其参数，是通过对大量叠前地震数据进行统计对比分析，确定弱地震信号中包含的噪声模型及其相应的各项参数，根据所得到的噪声模型来进行滤波；本专利选择建立了面波噪声模型；

在地震勘探中，采集到的地震数据会因为地质因素、自然环境干扰、激发接收条件不良等原因，导致其受到的噪声干扰也不尽相同。地震勘探中的噪声主要分为规则噪声和随机噪声，本专利去除的是规则噪声中的面波。通过对大量包含面波的实际叠前地震资料进行分析与对比，选择了许多具有代表性的面波，然后取其平均作为面波噪声模型。

所述的读取地震数据，是在Matlab平台上，读取SEGY格式文件中的地震数据，以便进行下一步操作。

所述的选择尺度，对读取的地震数据进行曲波分解，得到地震数据的曲波系数，将地震数据变换到曲波域中，是由于地震信号是二维的，在空域中分析存在诸多局限性；而曲波变换具有多尺度和多方向性的特性，能够稀疏地表示信号，使我们在曲波域中能更好更精细地分离出噪声信号和有用地震信号；通过曲波变换，将空域中的地震信号变换到曲波域中，得到地震信号的曲波系数。

所述的对所得到的噪声模型进行曲波分解，得到噪声模型的曲波系数，将噪声模型变换到曲波域中，是将步骤一中所得到的噪声模型进行曲波变换，得到噪声模型的曲波系数。

所述的根据噪声模型的曲波系数设置在曲波域中的滤波阈值，是根据噪声模型的曲波系数在不同尺度、不同方向上的分布特点来设置去除噪声的阈值。

所述的根据曲波域中设置的滤波阈值，在曲波域中对地震数据的曲波系数进行滤波处理，滤掉曲波系数中的噪声部分；是采用阈值去噪方法，即低于该阈值的曲波系数认为是噪声的曲波系数，将其置零去掉，大于等于该阈值的曲波系数认为是有效信号的曲波系数，将其保留；从而，更加精确地滤除地震信号中的噪声并且保护有效地震反射信号。

所述的对滤波后的曲波系数进行曲波反变换，重构得到去除噪声后的地震信号，是对保留下来的地震信号的曲波系数进行曲波反变换，重构地震信号，最后得到去除噪声后的地震信号。

本发明与现有的技术相比，根据地震信号所受的噪声干扰建立噪声模型，定性地表达噪声干扰；对地震信号和噪声模型进行曲波分解，充分利用了曲波变换的多尺度、多方向的优势，将地震信号和噪声模型投影到曲波域中，对地震信号进行滤波、去噪；在保护有效地震反射信号的同时更加精确地滤掉了噪声干扰，突出了有效弱信号，大大提高了地震有效弱信号的分辨率，达到了检测与识别深部弱地震信号的目的；提高了勘探精度，节约了勘探成本，使用方便，经济效益好。

附图说明:

图1为本发明所述的重构方法的流程示意图。

图2为原始地震数据显示效果图。

图3为滤波处理后地震数据重构的显示效果图。

图4为滤波处理前后的显示效果对比图。

图5为滤除的面波干扰显示图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例就某地地震勘探层位数据进行压制面波、弱地震信号的检测与识别对本发明作进一步说明。

对本数据的说明：本数据为叠前地震数据(包含33道，每道1501个采样点)，存放的为地震勘探弱反射信号；地震信号受面波干扰较大，部分同相轴难以识别，地层信息模糊不清。

将带有本发明重构方法的软件程序安装在有Matlab R2012b或更高版本的计算机上，在需要进行二维地震信号去除面波、弱地震信号检测与重构时运行该软件程序。

本发明在该实例中的具体步骤如下：

步骤101：面波是一种广泛存在的规则波，主要由瑞利面波组成，在炮集上呈线性分布，具有强度大，频率低，振动延续时间长等特点，严重影响有效反射和降低地震资料信噪比，因此滤掉地震数据中的面波是很有必要的。我们对野外采集来的地震数据进行统计以及对比分析，确定了许多个具有代表性的面波噪声模型，然后对这些模型求平均得到典型的面波噪声模型，并将其存入SEGY文件中。

步骤201：以double型SEGY格式的地震数据文件为例，该文件头有3600个字节，前3200字节为EBCDIC编码数据，后400字节为二进制部分，包括了此地震文件的一些重要信息，如地震道数Trace、采样点数Si和采样间隔SP等。用自编的SEGY文件读取程序，来读取该地震文件文件头后的地震数据，并存到矩阵D中。

步骤301：利用曲波变换，在保证有效信号不受损伤的条件下尽可能地滤除面波，需要选择适当的分解层次N。

在本发明中，选择默认精细尺度为N＝ceil[log₂min(Trace,Si)-3]，其中ceil表示向上取整，min表示取较小值，Trace为地震道数，Si为采样点数。

曲波分解的公式为：

f表示待分解信号，曲波函数的定义为：R_θ是对θ弧度的旋转，旋转角度θ_l＝2π×2^-[j/2]×l，k＝(k₁,k₂)∈Z²表示空间位置。

对步骤201所得到的矩阵D根据上述曲波分解公式用曲波分解程序进行曲波分解，D相当于公式中的f，将D代入上式中的f(x)，与曲波函数求内积得到曲波系数矩阵C(j,l,k)。

曲波分解程序输入的参数为：待分解的数据D、分解层次N等；

输出参数为一组曲波系数矩阵C(j,l,k),其中j表示分解尺度，l表示分解方向，k表示空间位置。

步骤401：为了确定滤波阈值T(j,l,k)，需要知道面波干扰在曲波域中集中分布的尺度和方向，因此需要对面波噪声模型的SEGY文件先读取数据，求取精细尺度的分解层次N，将面波数据和N输入步骤301中的曲波分解程序进行曲波分解，得到面波噪声模型的曲波系数S(j,l,k)，其计算方式与步骤301中C(j,l,k)的求法相同。

步骤501：在得到面波噪声模型曲波系数S(j,l,k)后，将矩阵S的元素和它的共轭矩阵中对应的元素相乘，得到一个新的矩阵，然后对新矩阵的所有元素求和，将结果和3sigma相乘得到每个尺度j和方向l上的阈值T(j,l,k)，其中噪声方差sigma＝20。

通过程序的循环遍历，利用所得到的阈值T(j,l,k)对原始地震信号进行滤波处理。将步骤301得到的原始地震信号的曲波系数C(j,l,k)和阈值T(j,l,k)进行比较，C(j,l,k)大于等于T(j,l,k)时则将C(j,l,k)保留，否则将C(j,l,k)置零，这样就得到了一组新的曲波系数矩阵Ct(j,l,k)。

步骤601：曲波系数的重构公式为：等式右边的f表示待重构的曲波系数，为曲波函数，步骤501中处理后的曲波系数Ct(j,l,k)相当于公式中的f，将其输入根据重构公式编制的曲波反变换程序，将其由曲波域变换到空域，得到了滤除面波后的重构地震数据Dt。

本发明在如表1：所示的测试环境下进行实验。

表1：实验测试环境

图2为原始地震数据显示效果图，从图中可以看出，原始数据受面波严重影响以至于很多同相轴无法识别。因此，设计了面波的噪声模型，将地震数据和面波噪声模型都进行了曲波分解，得到他们在曲波域中的表示。根据面波噪声模型的曲波系数能够确定面波在曲波域中集中分布的尺度和方向，通过面波噪声模型的曲波系数设置阈值，并用此阈值进行滤波；图3为滤波处理后地震数据重构的显示效果图，图4为滤波处理前后的显示效果对比图，从图4的对比图中可知通过本发明的方法处理后，地震数据中的水平同相轴变得更加清晰，部分在处理前无法识别的薄地层在处理后显现出来。图5为通过本发明的方法进行处理所滤掉的噪声干扰显示图。测试结果表明本发明的方法能够有效地压制面波干扰并保护弱反射地震信号，通过本发明的方法处理后，重构后的地震信号同相轴变得更加明显，信噪比得到提高。

通过以上实验和分析可知，将本发明的方法运用于弱地震信号的处理过程中，能够充分发掘面波在曲波域中的分布特点，压制面波干扰，有效地检测并重构弱反射地震信号，提高信噪比和成像质量。

Claims (4)

1.一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、对叠前地震数据进行统计对比分析，确定噪声模型及其参数；

(2)、读取地震数据；

(3)、选择尺度，对读取的地震数据进行曲波分解，得到地震数据的曲波系数，将地震数据变换到曲波域中；

(4)、对所得到的噪声模型进行曲波分解，得到噪声模型的曲波系数，将噪声模型变换到曲波域中；

(5)、根据噪声模型的曲波系数设置在曲波域中的滤波阈值，根据设置的滤波阈值，在曲波域中对地震数据的曲波系数进行滤波处理，滤掉曲波系数中的噪声部分；

(6)、对滤波后的曲波系数进行曲波反变换，重构得到去除噪声后的地震信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，其特征在于所述的选择尺度，对读取的地震数据进行曲波分解，得到地震数据的曲波系数，将地震数据变换到曲波域中，是通过曲波变换，将空域中的地震信号变换到曲波域中，得到地震信号的曲波系数，其曲波分解的公式为：

3.根据权利要求2所述的一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，其特征在于所述的根据曲波域中设置的滤波阈值，在曲波域中对地震数据的曲波系数进行滤波处理，滤掉曲波系数中的噪声部分，是采用阈值去噪方法，即低于该阈值的曲波系数认为是噪声的曲波系数，将其置零去掉，大于等于该阈值的曲波系数认为是有效信号的曲波系数，将其保留。

4.根据权利要求3所述的一种基于曲波变换的弱地震信号重构方法，其特征在于所述的对滤波后的曲波系数进行曲波反变换，重构得到去除噪声后的地震信号，是对保留下来的地震信号的曲波系数进行曲波反变换，重构地震信号，最后得到去除噪声后的地震信号，曲波系数的重构公式为：