CN106646599A - 针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法 - Google Patents

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孙治国
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Abstract

本发明公开了针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于，包括：输入可控震源原始单炮记录；选取地震原始记录中的一道数据，对其进行频率域滤波；分别计算地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值，并计算其比值；对滤波得到的干扰数据求其1s时间内过零点的个数b；如果同时满足地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值的比值a≥0.001且40≤b≤60，则判定该道数据中存在谐波干扰，对判定为存在的干扰的地震记录进行正余弦加权逼近法处理，完成一道数据处理；对其他道地震数据也做上述处理，最终输出压制干扰后的地震资料。本发明具有能保持有效波能量、不容易损伤有效信号和谐波相近的频率成分的特点。

Description

针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法
技术领域
本发明涉及本发明属于地震资料的保幅去噪处理技术领域，特别涉及针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法。
背景技术
在可控震源地震勘探过程中，震源车在向地下传输扫描信号的同时，由于种种因素，谐波干扰不可避免。产生原因之一是地表因素，因为震源震板与地表不完全耦合，震板输出的力信号与实际向下传播的力信号不同，会发生畸变，该谐波畸变包括相位畸变和振幅畸变，同时当可控震源振动频率与大地固有频率相同时也会产生谐振，使得可控震源信号向下传播时存在谐波畸变，这种谐波信号独立于可控震源的出力信号，在可控震源震板上无法记录得到。该地表因素产生谐波存在两个明显特征：①表层响应谐波干扰能量在炮域较强且集中，但在单炮上的出现存在一定的随机性；②表层响应谐波干扰主要集中在某个狭窄的频率段内。
针对地表响应因素产生谐波干扰文献中还没有专门的技术进行衰减，目前，常用的是采用压制随机干扰方面的技术来进行去除，主要有检波点域分离法、频率域陷波法等。频率域陷波处理比较简单，容易操作，但是很容易损伤有效信号和谐波频率相近的成分，同时在频率域也容易产生边界效应。检波点域分离法虽然能够避免陷波法所带来的弊端，但是需要将数据从炮域变换到检波点域，处理后又从检波点域变换到炮域，耗费大量的时间和空间，时间效率低。而余弦逼近法虽然压制效果较好，且不会产生边界效应和时间、空间的浪费，但是余弦逼近法要求有精确的干扰波频率，如果余弦逼近的频率与谐波干扰的频率存在差异，不仅不能有效去除干扰，反而会与原有的噪声发生干涉使得噪声更强，而谐波干扰的准确频率是很难确定的。
因此，提供一种保幅的专门针对地表因素产生谐波的自动识别和衰减方法是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种高效的针对地表因素产生谐波的自动识别与压制方法。
本发明采用的技术方案如下。
针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，包括如下步骤。
步骤1：输入可控震源原始单炮记录。
步骤2：选取地震原始记录中的一道数据，对其进行频率域滤波，频带范围选择地表响应因素产生的谐波对应的频率范围。
步骤3：分别计算地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值，并计算其比值。
步骤4：对滤波得到的干扰数据F(t)求其1s时间内过零点的个数b。
步骤5：如果同时满足地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值的比值a≥0.001且40≤b≤60，则判定该道数据中存在谐波干扰，否则判定为不存在谐波干扰；
对判定为存在的干扰的地震记录进行正余弦加权逼近法处理；对原始数据采用非线性屏蔽滤波器进行有效波和干扰波分离；用含部分有效波的谐波能量减去预测的谐波能量，再加上未被谐波干扰的有效波能量就得到衰减谐波后的有效能量；
对判定为不存在的干扰的地震记录则不作任何处理。
步骤6：重复步骤2到5，直到地震原始记录中所有道的数据都被处理后停止。
步骤7：最终输出压制干扰后的地震资料。
进一步，步骤2中，所述频率域滤波的具体方法是：对选中道数据进行傅里叶变换；将傅里叶变换的结果乘以滤波器的频率响应，得到频率域滤波输出；对频率域滤波输出进行傅里叶反变换，得到滤波结果。
进一步，在步骤2中，频率域滤波的流程为：
滤波器的频率响应的计算公式为：
式中：M(t)是一道地震原始数据，t为时间，单位是ms；X(ω)是M(t)的傅立叶变换；ω为频率，单位是Hz；K(ω)为滤波器的频率响应，F(ω)为频率域滤波输出，F(t)是滤波后得到的干扰数据。
进一步，在步骤3中，地震原始数据M(t)和滤波得到的干扰数据F(t)的能量值的比值的计算公式如下：
式中：A(M(t))是M(t)的能量，A(F(t))是F(t)的能量值，t为时间，单位是ms。
进一步，在步骤5中，正余弦加权逼近法的具体计算公式为：
w1＝c1,w2＝c2,u＝d；ei＝0,zi＝0；
s1i＝cos(2×π×ti×50),s2i＝sin(2×π×ti×50)；
ei＝w1×s1i+w2×s2i；
w1＝w1+u×zi×s1i,w2＝w2+u×zi×s2i；
(i＝0,...N-1). (式4)。
式中，Mi(i＝0,...N-1)，为原始数据，N为采样点数；w1,w2,u分别为加权值，并给定一个初始值；s1,s2分别为给定的频率为25Hz的初始正余弦函数；ti(i＝0,...N-1)为离散的时间值；ei(i＝0,...N-1)为对干扰的估计。
进一步，在步骤5中，对原始数据采用非线性屏蔽滤波器进行有效波和干扰波分离的具体方法是：对原始数据采用非线性屏蔽滤波器，把原始数据分成两部分，(1-φ)Mi为未被谐波干扰的有效波能量，φMi为包括部分有效波的谐波能量；压制谐波后的有效数据的计算公式是：
zi＝φMi-ei (式6)。
式中，φ是滤波因子，ε是加权因子。
进一步，在步骤5中，ei(i＝0,...N-1)为对干扰的估计。
进一步，在步骤1中，所述可控震源是指在陆地和海洋的地震勘探工作中应用的一种非炸药震源，其利用气体或水力驱动土壤上或水介质中钢板，使其振动而产生一种频率可控制的波列成为地震震源，所述地震震源波形是已知的。
本发明的有益效果是专门针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，有着其他技术不具备的优势。其具体优势和特点表现在以下几个方面。
第一、技术效果的可靠性。该方法是从地表响应因素产生的谐波机理出发，针对该谐波能量分布及频率分布的特征，采用正弦函数和余弦组合来预测谐波，采用非线性屏蔽滤波器，进一步保持有效波能量，是一种地表响应因素产生的谐波自动识别与衰减的针对性方法，所得到的结果可以有效压制地表响应因素产生的谐波干扰，效果明显。
第二、操作简单易实现。该方法流程及参数设置简单，运算速度快，适合应用于三维可控震源地震资料处理。
附图说明
图1为实施例2中针对地表响应因素产生谐波的自动识别和压制处理流程图。
图2为实施例2中b值范围显示图。
图3为实施例2中衰减前带谐波单炮图。
图4为实施例2中衰减后带谐波单炮图。
图5为实施例2中衰减前带谐波剖面图。
图6为实施例2中衰减后带谐波剖面图。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1。针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，包括如下步骤。
步骤1：输入可控震源原始单炮记录。
步骤2：选取地震原始记录中的一道数据，对其进行频率域滤波，频带范围选择地表响应因素产生的谐波对应的频率范围。
步骤3：分别计算地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值，并计算其比值。
步骤4：对滤波得到的干扰数据F(t)求其1s时间内过零点的个数b。
步骤5：如果同时满足地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值的比值a≥0.001且40≤b≤60，则判定该道数据中存在谐波干扰，否则判定为不存在谐波干扰；
对判定为存在的干扰的地震记录进行正余弦加权逼近法处理；对原始数据采用非线性屏蔽滤波器进行有效波和干扰波分离；用含部分有效波的谐波能量减去预测的谐波能量，再加上未被谐波干扰的有效波能量就得到衰减谐波后的有效能量；
对判定为不存在的干扰的地震记录则不作任何处理。
步骤6：重复步骤2到5，直到地震原始记录中所有道的数据都被处理后停止。
步骤7：最终输出压制干扰后的地震资料。
步骤2中，所述频率域滤波的具体方法是：对选中道数据进行傅里叶变换；将傅里叶变换的结果乘以滤波器的频率响应，得到频率域滤波输出；对频率域滤波输出进行傅里叶反变换，得到滤波结果。
进一步，在步骤2中，频率域滤波的流程为：
滤波器的频率响应的计算公式为：
式中：M(t)是一道地震原始数据，t为时间，单位是ms；X(ω)是M(t)的傅立叶变换；ω为频率，单位是Hz；K(ω)为滤波器的频率响应，F(ω)为频率域滤波输出，F(t)是滤波后得到的干扰数据。
在步骤3中，地震原始数据M(t)和滤波得到的干扰数据F(t)的能量值的比值的计算公式如下：
式中：A(M(t))是M(t)的能量，A(F(t))是F(t)的能量值，t为时间，单位是ms。
在步骤5中，正余弦加权逼近法的具体计算公式为：
w1＝c1,w2＝c2,u＝d；ei＝0,zi＝0；
s1i＝cos(2×π×ti×50),s2i＝sin(2×π×ti×50)；
ei＝w1×s1i+w2×s2i；
w1＝w1+u×zi×s1i,w2＝w2+u×zi×s2i；
(i＝0,...N-1). (式4)。
式中，Mi(i＝0,...N-1)，为原始数据，N为采样点数；w1,w2,u分别为加权值，并给定一个初始值；s1,s2分别为给定的频率为25Hz的初始正余弦函数；ti(i＝0,...N-1)为离散的时间值；ei(i＝0,...N-1)为对干扰的估计。
在步骤5中，对原始数据采用非线性屏蔽滤波器进行有效波和干扰波分离的具体方法是：对原始数据采用非线性屏蔽滤波器，把原始数据分成两部分，(1-φ)Mi为未被谐波干扰的有效波能量，φMi为包括部分有效波的谐波能量；
zi＝φMi-ei (式6)。
式中，φ是滤波因子，ε是加权因子。
ei(i＝0,...N-1)为对干扰的估计。
在步骤1中，所述可控震源是指在陆地和海洋的地震勘探工作中应用的一种非炸药震源，其利用气体或水力驱动土壤上或水介质中钢板，使其振动而产生一种频率可控制的波列成为地震震源，所述地震震源波形是已知的。
本实施例具有能保持有效波能量、不容易损伤有效信号和谐波相近的频率成分的特点。
实施例2。本次研究对胜利油田某区块实际资料为靶区进行了应用，该工区采用采用交替扫描采集方式，因此不会出现机械系统谐波，仅仅出现表层响应谐波。采集参数为：横向采样点数为400，记录长度为8s，激发方式为三台一次激发，滑动时间为8s，扫描频率为5-84Hz，扫描长度为16S，驱动幅度为70％，斜坡长度为500ms，扫描方式为线性升频，具体流程如图1所示。
首先，依据步骤1，获取一束可控震源原始相关后记录。
其次，依据步骤2，针对地震原始记录中的一道数据，对其进行频率域滤波，频带范围选择地表响应因素产生的谐波40-50Hz频率范围。
频率域滤波的具体方法是：对选中的一道数据进行傅里叶变换；将傅里叶变换的结果乘以滤波器的频率响应，得到频率域滤波输出；对频率域滤波输出进行傅里叶反变换，得到滤波结果；
其流程为：
滤波器的频率响应的计算公式为：
式中：M(t)是一道地震原始数据，t为时间，单位是ms；X(ω)是M(t)的傅立叶变换；ω为频率，单位是Hz；K(ω)为滤波器的频率响应，F(ω)为频率域滤波输出，F(t)是滤波后得到的干扰数据。
然后，依据步骤3，分别计算地震原始数据M(t)和滤波得到的干扰数据F(t)的能量值，并做比值，具体计算如下：
式中：A(M(t))是M(t)的能量，A(F(t))是F(t)的能量值，t为时间，单位是ms。
接着，依据步骤4，对滤波得到的干扰数据F(t)求其1s时间内过零点的个数b。
再接着，依据步骤5，如果同时满足a≥0.001且40≤b≤60，则判定该道数据中存在谐波干扰，否则判定为不存在谐波干扰，如图2。
再依据步骤6，将正余弦加权逼近法应用于用上述方法判定的存在干扰的地震记录；判定为不存在的干扰的地震记录则不作任何处理，直接进入步骤9。
正余弦加权逼近法的具体计算公式为：
w1＝c1,w2＝c2,u＝d；ei＝0,zi＝0；
s1i＝cos(2×π×ti×50),s2i＝sin(2×π×ti×50)；
ei＝w1×s1i+w2×s2i；
w1＝w1+u×zi×s1i,w2＝w2+u×zi×s2i；
(i＝0,...N-1). (式4)。
式中，Mi(i＝0,...N-1)，为原始数据，N为采样点数；w1,w2,u分别为加权值，并给定一个初始值；s1,s2分别为给定的频率为25Hz的初始正余弦函数；ti(i＝0,...N-1)为离散的时间值；ei(i＝0,...N-1)为对干扰的估计。本步骤中采用正弦函数和余弦函数组合方法预测地表因素产生的谐波，具有预测准确的特点。
再依据步骤7，对原始数据采用非线性屏蔽滤波器，可以有效保护未被谐波干扰影响的有效波能量，把原始数据分成两部分，(1-φ)Mi为未被谐波干扰的有效波能量，φMi为包括部分有效波的谐波能量。
再依据步骤8，用公式6得到压制谐波后的有效数据。
zi＝φMi-ei (式6)。。
本步骤采用屏蔽滤波器对有效能量进行了有效保护。
再依据步骤9，重复步骤2到8，直到地震原始记录中所有道的数据都被处理后停止。
最后依据步骤10，最终输出衰减谐波干扰后的有效能量地震数据，如图3谐波衰减前单炮和图4谐波衰减后单炮。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：输入可控震源原始单炮记录。
步骤2：选取地震原始记录中的一道数据，对其进行频率域滤波，频带范围选择地表响应因素产生的谐波对应的频率范围；
步骤3：分别计算地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值，并计算其比值；
步骤4：对滤波得到的干扰数据F(t)求其1s时间内过零点的个数b；
步骤5：如果同时满足地震原始数据和滤波得到的干扰数据的能量值的比值a≥0.001且40≤b≤60，则判定该道数据中存在谐波干扰，否则判定为不存在谐波干扰；
对判定为存在的干扰的地震记录进行正余弦加权逼近法处理；对原始数据采用非线性屏蔽滤波器进行有效波和干扰波分离；用含部分有效波的谐波能量减去预测的谐波能量，再加上未被谐波干扰的有效波能量就得到衰减谐波后的有效能量；
对判定为不存在的干扰的地震记录则不作任何处理；
步骤6：重复步骤2到5，直到地震原始记录中所有道的数据都被处理后停止；
步骤7：最终输出压制干扰后的地震资料。
2.如权利要求1所述的针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于：步骤2中，所述频率域滤波的具体方法是：对选中道数据进行傅里叶变换；将傅里叶变换的结果乘以滤波器的频率响应，得到频率域滤波输出；对频率域滤波输出进行傅里叶反变换，得到滤波结果。
3.如权利要求2所述的针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于：在步骤2中，频率域滤波的流程为：
滤波器的频率响应的计算公式为：
式中：M(t)是一道地震原始数据，t为时间，单位是ms；X(ω)是M(t)的傅立叶变换；ω为频率，单位是Hz；K(ω)为滤波器的频率响应，F(ω)为频率域滤波输出，F(t)是滤波后得到的干扰数据。
4.如权利要求1所述的针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于：在步骤3中，地震原始数据M(t)和滤波得到的干扰数据F(t)的能量值的比值的计算公式如下：
式中：A(M(t))是M(t)的能量，A(F(t))是F(t)的能量值，t为时间，单位是ms。
5.如权利要求1所述的针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于：在步骤5中，正余弦加权逼近法的具体计算公式为：
式中，Mi(i＝0,...N-1)，为原始数据，N为采样点数；w1,w2,u分别为加权值，并给定一个初始值；c1,c2,d初始值分别为0.1，0.1，0.05，s1,s2分别为给定的频率为25Hz的初始正余弦函数；ti(i＝0,...N-1)为离散的时间值；ei(i＝0,...N-1)为对干扰的预测，zi(i＝0,...N-1)为去除干扰后的地震记录。
6.如权利要求1所述的针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于：在步骤5中，对原始数据采用非线性屏蔽滤波器进行有效波和干扰波分离的具体方法是：对原始数据采用非线性屏蔽滤波器，把原始数据分成两部分，(1-φ)Mi为未被谐波干扰的有效波能量，φMi为包括部分有效波的谐波能量；
从φMi中压制谐波后的有效数据的计算公式是：
zi＝φMi-ei (式6)；
式中，φ是滤波因子，ε是加权因子。
7.如权利要求6所述的针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于：在步骤5中，ei(i＝0,...N-1)为对干扰的估计。
8.如权利要求1所述的针对地表响应因素产生谐波的自动识别与衰减方法，其特征在于：在步骤1中，所述可控震源是指在陆地和海洋的地震勘探工作中应用的一种非炸药震源，其利用气体或水力驱动土壤上或水介质中钢板，使其振动而产生一种频率可控制的波列成为地震震源，所述地震震源波形是已知的。
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