CN105259580B - 一种可控震源信号低频拓展方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可控震源信号低频拓展方法，包括：根据预处理后的地震数据确定待外差处理的移频参数，并根据所述移频参数进行移频操作；对预处理后的地震数据进行模态分解，得到地震道的多个本征值；根据所述移频参数对地震道的每一所述本征值利用外差运算公式进行定量移频，得到外差处理后的外差本征值；将所述外差本征值叠加，构建拓频后的叠后地震数据。本发明能够将可控震源信号拓展到6Hz以下，并且使得移频参数定量可控。低频拓展后的地震数据有助于改善深部目标体的成像质量，在解释中提供用于直接指示油气藏的低频信息。由于拓频后的数据体和原始数据之间存在频带的重叠，故约束反演，降低反演的多解性，并解决了反演中对低频的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别涉及一种可控震源信号低频拓展方法。
背景技术
作为地震勘探的重要方式之一，可控震源与其它震源相比，其激发信号频率和相位能够等得以控制。因此不仅可以在设计震源扫描信号时避开干扰频率，还能对地层对地震信号的吸收作用进行补偿。所以利用可控震源进行地震勘探可以得到反射能量、信噪比和分辨率等能够满足地震勘探需求的资料。
常规可控震源扫描信号的低频极限频率通常难以突破6Hz，即便是低频可控震源采集到的数据，大规模数据处理流程(例如面波压制)和地震波的传播过程也会导致原始信号有效低频信息的缺失。目前低频恢复技术包括低通滤波、带通滤波、反褶积(Robinson&Treitel，1980)、自回归低频补偿方法(Marple L.,1980&管路平,1990)、空间谱白化(Masoomzadeh，2006)等方法。郭树祥等(2006)针对常规地震数据处理过程中低频损伤问题，用分频去噪的思路对地震数据进行处理，有效的保护了地震数据中的低频信息；巴晶(2007)根据面波频率低、能量强的特征，设计过零点滤波器，在小波分解后的逼近系数中压制面波；Roohollah等(2008)考虑面波在频率-波数域中与有效波分布的差异，提出应用S变换和x-f-k变换进行面波压制。由于处理中很难从低频的噪音干扰中分离出有效信号，加之基于反褶积的方法是对全频带的改善，对于高频的分量恢复效果比较好，低频分量拓展的不明显，不能充分并有效地恢复原始信号的低频成分。因此，有必要对地震数据的低频成分进行相应的保护与补偿拓展。
发明内容
本发明实施例提供一种可控震源信号低频拓展方法，以改善深部目标体的成像质量，降低反演的多解性，解决反演中对低频的依赖。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种可控震源信号低频拓展方法，该可控震源信号低频拓展方法包括：
根据预处理后的地震数据确定待外差处理的移频参数，并根据所述移频参数进行移频操作；
对预处理后的地震数据进行模态分解，得到地震道的多个本征值；
根据所述移频参数对地震道的每一所述本征值利用外差运算公式进行定量移频，得到外差处理后的外差本征值；
将所述外差本征值叠加，构建拓频后的叠后地震数据。
一实施例中，该可控震源信号低频拓展方法还包括：对采集的地震数据进行去噪、滤波及动校正处理，得到所述预处理后的地震数据，所述预处理后的地震数据为低频缺失的地震数据。
一实施例中，所述预处理后的地震数据的谱X(f)为：
其中，x(t)表示预处理后的地震数据，FT表示傅里叶变换，f表示频率，t表示时间。
一实施例中，该可控震源信号低频拓展方法还包括：利用预处理后的地震数据x(t)建立一个复数函数c(t)：
c(t)＝x(t)exp(-i2πf0t)；
其中，f0是移频参数，t表示时间。
一实施例中，根据预处理后的地震数据确定待外差处理的移频参数，包括：
在已知可控震源扫描信号的情况下，分析震源车出力时的参考扫描信号，获得起始频率，并将所述起始频率作为移频参数f0的最小值。
一实施例中，根据预处理后确定待外差处理的移频参数，包括：
在未知可控震源扫描信号的情况下，对预处理处理后的地震数据通过由低到高不同频带的扫频处理、自相关及傅里叶变换的分析手段获得地震信号的近似最低频率，作为移频参数。
一实施例中，根据所述移频参数进行移频操作，包括：
对所述复数函数c(t)进行傅立叶变换，得到移频后的谱C(f)：
C(f)＝X(f+f0)；
定义一单位跃阶函数H(f)，计算滤除负频后的谱F(f)：
F(f)＝C(f)H(f)；
对所述滤除负频后的谱F(f)进行反傅立叶变换并取实部，得到移频后的地震数据f(t)：
f(t)＝2*Re{[x(t)exp(-i2πf0t)]*h(t)}＝x(t)cos(2πf0t)-Hi[x(t)sin(2πf0t)]；
其中，h(t)＝FT-1[H(f)]＝0.5δ(t)-i/2πt，为单位跃阶函数H(f)在时间域的表示；Hi代表希尔伯特变化。
一实施例中，对预处理后的地震数据进行模态分解，得到地震道的多个本征值后，该可控震源信号低频拓展方法还包括：
将预处理后的地震数据表示为多个本征值之和：
其中，IMFi(t)为第i个IMF信号分量，r(k)为残余信号分量。
一实施例中，所述外差运算公式为：
IMF'(t)＝2*Re{[IMF(t)exp(-i2πf0t)]*h(t)}＝IMF(t)cos(2πf0t)-Hi[IMF(t)sin(2πf0t)]
其中，IMF'(t)是本征值IMF(t)外差处理后的外差本征值。
一实施例中，所述拓频后的叠后地震数据为：
本发明可用于低频可控震源勘探数据反演和解释中低频分量的恢复，能够将可控震源信号拓展到6Hz以下，并且使得移频参数定量可控。低频拓展后的地震数据有助于改善深部目标体的成像质量，在解释中提供用于直接指示油气藏的低频信息。由于拓频后的数据体和原始数据之间存在频带的重叠，故约束反演，降低反演的多解性，并解决了反演中对低频的依赖。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的可控震源信号低频拓展方法流程图；
图2A至图2C示出了频率的移动，其中，图2A为本发明实施例的带限信号的频谱示意图；图2B为本发明实施例的向低频段移动f0后的频谱示意图；图2C为本发明实施例的滤除负频后的频谱示意图；
图3A为本发明实施例的可控震源扫描信号的升频扫描频信号示意图；
图3B为本发明实施例的可控震源扫描信号的升频扫描频信号示意图；
图3C为本发明实施例的可控震源扫描信号的时频图；
图3D为本发明实施例的可控震源扫描信号的频谱示意图；
图4为本发明实施例合成的可控震源道集示意图；
图5为本发明实施例地震道的EMD分解结果示意图；
图6A为本发明实施例的直接外差5Hz结果示意图；
图6B为本发明实施例的本征值IMF1-3外差的+5Hz结果示意图；
图7A至图7E为本发明实施例的原始记录及拓频后的地震数据示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种可控震源信号低频拓展方法，如图1所示，该可控震源信号低频拓展方法包括：
S101：根据预处理后的地震数据(可控震源信号)确定待外差处理的移频参数，并根据所述移频参数进行移频操作；
S102：对预处理后的地震数据进行模态分解，得到地震道的多个本征值；
S103：根据所述移频参数对地震道的每一所述本征值利用外差运算公式进行定量移频，得到外差处理后的外差本征值；
S104：将所述外差本征值叠加，构建拓频后的叠后地震数据。
一实施例中，S101之前，还需要对采集的地震数据进行去噪、滤波及动校正处理，得到预处理后的地震数据，预处理后的地震数据为低频缺失的地震数据。
地震数据由于地层吸收和衰减，往往是带限信号，低频和高频往往都是缺失的，假设地震数据x(t)是一个带限信号，预处理后的地震数据的谱X(f)为(如图2A所示)：
其中，x(t)表示预处理后的地震数据，FT表示傅里叶变换，f表示频率，t表示时间。
一实施例中，在S101中确定待进行外差处理的移频参数之前，还需要利用预处理后的地震数据x(t)建立一个复数函数c(t)：
c(t)＝x(t)exp(-i2πf0t) (2)
其中，f0是移频参数，t表示时间。f0可正可负，正的表示向高频段移动，负的表示向低频段移动。
根据预处理后的地震数据确定待外差处理的移频参数，一般需要根据下面两种情况进行：
第一种情况：在已知可控震源扫描信号的情况下(如图3A至图3D所示，图3A中，起始频率7Hz，终止频率84Hz，扫描时间1s))，分析震源车出力时的参考扫描信号，获得起始频率，并将所述起始频率作为移频参数f0的最小值。图4示意了一道可控震源的合成道集，图4中，(a)为可控震源的扫描信号示意图，(b)为扫描信号的自相关示意图，(c)为反射系数序列示意图，(d)为实际记录的可控震源道集示意图，(e)为相关后的记录示意图。
第二种情况：在未知可控震源扫描信号的情况下，对预处理处理(常规预处理)后的地震数据通过由低到高不同频带的扫频处理、自相关及傅里叶变换的分析手段获得地震信号的近似最低频率，作为移频参数。需要说明的是，如果低频成分中含有噪音，应该根据有效波信号和噪音的差别，进行分频处理，选出折中的移频参数。
S101中，进行移频操作，可以根据下述公式进行移频：
此处f0是移频参数，FT表示傅里叶变换，其中f0可正可负，正的表示向高频段移动，负的表示向低频段移动，频率的移动(FST)改变了一个信号的绝对频率，但是没有改变带宽和包络。
S101中，根据移频参数f0进行移频操作，具体包括：
对复数函数c(t)进行傅立叶变换，得到移频后的谱C(f)(如图2B所示)：
C(f)＝X(f+f0) (4)
X(f+f0)为移频后的谱C(f)的函数表达式。
定义一单位跃阶函数H(f)，计算滤除负频后的谱F(f)(如图2C所示)：
F(f)＝C(f)H(f) (5)
单位跃阶函数H(f)满足：
对滤除负频后的谱F(f)进行反傅立叶变换并取实部，可得到频率移动后的地震数据f(t)：
f(t)＝Re{FT-1[F(f)]} (7)
公式(7)中，Re是代表取一个信号的实部。考虑到时间域和频率域的二重性，可以对一个信号在时间域进行外差，根据傅里叶变换的对称性，可以得到：
h(t)＝FT-1[H(f)]＝0.5δ(t)-i/2πt (8)
其中，h(t)为单位阶跃函数在时间域的表示，FT-1表示反傅里叶变换，由公式(2)及(4)至(11)，可以在时间域用褶积算子来进行外差运算。
频率域的乘积变成了时间域的褶积，外差后的结果就是复数函数c(t)和h(t)的褶积，然后通过取复数信号的实部获得外差后的结果，即得到移频后的地震数据f(t)：
f(t)＝2*Re{[x(t)exp(-i2πf0t)]*h(t)}＝x(t)cos(2πf0t)-Hi[x(t)sin(2πf0t)](9)
其中，Hi代表希尔伯特变化(Quan等，1992)。
图1所示的S102中对预处理后的地震数据进行模态分解，得到地震道的多个本征值后，预处理后的地震数据可以表示为多个本征值之和(如图5所示，从上往下，依次为地震道、IMF1-5和残差)：
其中，IMFi(t)为第i个IMF信号分量，r(k)为残余信号分量。一个地震道(如图7A所示，为原始数据示意图。)不但能表示为一系列本征值之和，且通过各个本征波形的相加还能够重构原始信号。
图1所示的S103中，外差运算公式为：
其中，IMF'(t)是本征值IMF(t)外差处理后的外差本征值。
由于外差前后的包络不变，所以可以将每一个本征波形(本征值)当作一个时不变的序列利用外差运算通过公式(11)进行定量移频(移频参数f0)。
定量移频的具体过程可以通过下述公式(12)进行描述：
FT表示傅里叶变换,IMF(f)是本征值IMF(t)的傅里叶变换的结果，FT-1表示反傅里叶变换，IMF'(t)是外差后的结果。
图1所示的S104中得到的拓频后的叠后地震数据为：
公式(13)中，f(t)代表了对一道地震数据外差后的结果，其表示对所有外差后的本征值进行求和。拓频后的叠后地震数据如图7B至图7E(图7B为外差+5Hz后的数据体示意图，图7C为外差+10Hz后的数据体示意图，图7D为外差-5Hz后的数据体示意图，图7E为外差-10Hz后的数据体示意图)所示。
本征波形可以看成是时不变的，外差前后信号的包络是不变的，在解释中往往是以包络进行的，所以本发明提出的基于外差的低频拓展方法并没有降低地震数据的分辨率，只是调制了视分辨率。
验证结果：因为实际地震资料的非线性加时变的特性，直接运用外差技术无法保证振幅包络的不变，如图6A所示，图6A为本发明实施例的直接外差5Hz结果示意图，图6A中显示的直接外差的结果为：上部为外差+5Hz之后的地震道及其包络，中间是实际地震道及其外包络，下部为外差-5Hz之后的地震道及其包络。但是由于本征波形可以看成是时不变的，外差前后信号的包络的是不变的，如图6B所示，图6B为本发明实施例的本征值IMF1-3外差的+5Hz结果示意图，图6B中从上至下包括6部分，其中4和5部分未显示。在解释中往往是以包络进行的，所以外差并没有改变分辨率，只是调制了视分辨率。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种可控震源信号低频拓展方法，其特征在于，包括：
根据预处理后的地震数据确定待外差处理的移频参数，并根据所述移频参数进行移频操作；
对预处理后的地震数据进行模态分解，得到地震道的多个本征值；
根据所述移频参数对地震道的每一所述本征值利用外差运算公式进行定量移频，得到外差处理后的外差本征值；
将所述外差本征值叠加，构建拓频后的叠后地震数据；
其中，所述根据预处理后的地震数据确定待外差处理的移频参数，包括：
利用预处理后的地震数据x(t)建立一个复数函数c(t)：
c(t)＝x(t)exp(-i2πf0t)；
其中，f0是移频参数，t表示时间；
在已知可控震源扫描信号的情况下，分析震源车出力时的参考扫描信号，获得起始频率，并将所述起始频率作为移频参数f0的最小值；
在未知可控震源扫描信号的情况下，对预处理处理后的地震数据通过由低到高不同频带的扫频处理、自相关及傅里叶变换的分析手段获得地震信号的近似最低频率，作为移频参数；
其中，所述根据所述移频参数进行移频操作，包括；
对所述复数函数c(t)进行傅立叶变换，得到移频后的谱C(f)：
C(f)＝X(f+f0)；
定义一单位跃阶函数H(f)，计算滤除负频后的谱F(f)：
F(f)＝C(f)H(f)；
对所述滤除负频后的谱F(f)进行反傅立叶变换并取实部，得到移频后的地震数据f(t)：
f(t)＝2*Re{[x(t)exp(-i2πf0t)]*h(t)}＝x(t)cos(2πf0t)-Hi[x(t)sin(2πf0t)]；
其中，h(t)＝FT-1[H(f)]＝0.5δ(t)-i/2πt，为单位跃阶函数H(f)在时间域的表示；Hi代表希尔伯特变化。
2.根据权利要求1所述的可控震源信号低频拓展方法，其特征在于，还包括：对采集的地震数据进行去噪、滤波及动校正处理，得到所述预处理后的地震数据，所述预处理后的地震数据为低频缺失的地震数据。
3.根据权利要求2所述的可控震源信号低频拓展方法，其特征在于，所述预处理后的地震数据的谱X(f)为：
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其中，x(t)表示预处理后的地震数据，FT表示傅里叶变换，f表示频率，t表示时间。
4.根据权利要求1所述的可控震源信号低频拓展方法，其特征在于，对预处理后的地震数据进行模态分解，得到地震道的多个本征值后，还包括：
将预处理后的地震数据表示为多个本征值之和：
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其中，IMFi(t)为第i个IMF信号分量，r(k)为残余信号分量。
5.根据权利要求1所述的可控震源信号低频拓展方法，其特征在于，所述外差运算公式为：
IMF'(t)＝2*Re{[IMF(t)exp(-i2πf0t)]*h(t)}＝IMF(t)cos(2πf0t)-Hi[IMF(t)sin(2πf0t)]
其中，IMF'(t)是本征值IMF(t)外差处理后的外差本征值。
6.根据权利要求5所述的可控震源信号低频拓展方法，其特征在于，所述拓频后的叠后地震数据为：
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- 2015-10-30 CN CN201510727114.0A patent/CN105259580B/zh active Active
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