CN109655913B - 地震信号动态滤波方法及系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种地震信号动态滤波方法及系统。该方法可以包括：对地震信号进行时频谱分析，获取地震信号的时频谱；根据地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱；分别对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取对应的小波分频滤波瞬时谱；对小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号。本发明充分考虑了地震信号的时变特征，对各时刻的瞬时谱做滤波处理，滤波结果能够充分的体现地震信号的每一时刻的主要成分或者指定的某个特有的成分。

Description

地震信号动态滤波方法及系统
技术领域
本发明涉及地球物理勘探领域，更具体地，涉及一种地震信号动态滤波方法及系统。
背景技术
在地震信号处理领域中，经常需要对地震信号进行滤波或者分频处理，以突出、获得或者去除某个频率或频段的信号。频率域滤波是最常用的滤波方法，比如带通滤波、低通滤波、高通滤波等。在地震信号处理领域中，褶积也是一种常用的滤波方法，它是在时间域进行的，滤波效果类似于带通滤波，其滤波器的形态由子波振幅谱决定。但是，传统的这种滤波方法在对地震信号进行滤波处理时，一旦滤波器确定之后，对每道地震数据，甚至每个时刻的信号都是采用同一套滤波参数进行处理。而地震数据是一种时变信号，浅层信号的主频较高、频带较宽，而深层信号的主频较低、频带较窄，甚至不同时刻信号的频率分布范围都不同。因此，有必要开发一种地震信号动态滤波方法及系统。
发明内容
本发明提出了一种地震信号动态滤波方法及系统，充分考虑了地震信号的时变特征，对各时刻的瞬时谱做滤波处理，滤波结果能够充分的体现地震信号的每一时刻的主要成分或者指定的某个特有的成分。
根据本发明的一方面，提出了一种地震信号动态滤波方法。所述方法可以包括：对地震信号进行时频分析，获取所述地震信号的时频谱；根据所述地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱；分别对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取对应的小波分频滤波瞬时谱；对所述小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号。
优选地，对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取小波分频滤波瞬时谱包括：针对所述时频谱每个时刻的瞬时谱，拾取所述瞬时谱能量最大处对应的频率为该时刻的主频，确定小波的主频与时间域形态；通过傅里叶变换计算所述小波的振幅谱，对所述振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器；用所述带通滤波器乘以所述瞬时谱，获取所述小波分频滤波瞬时谱。
优选地，还包括：以所述瞬时谱能量最大处对应的频率为所述小波的主频。
优选地，还包括：设定频率阈值，将距离所述瞬时谱能量最大处对应的频率小于或等于所述频率阈值的范围作为频率范围；将所述频率范围内的任意频率作为所述小波的主频。
优选地，所述时频分析为广义S变换，所述时频反变换为广义S变换的逆变换。
根据本发明的一方面，提出了一种地震信号动态滤波系统，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：对地震信号进行时频分析，获取所述地震信号的时频谱；根据所述地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱；分别对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取对应的小波分频滤波瞬时谱；对所述小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号。
优选地，对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取小波分频滤波瞬时谱包括：针对所述时频谱每个时刻的瞬时谱，拾取所述瞬时谱能量最大处对应的频率为该时刻的主频，确定小波的主频与时间域形态；通过傅里叶变换计算所述小波的振幅谱，对所述振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器；用所述带通滤波器乘以所述瞬时谱，获取所述小波分频滤波瞬时谱。
优选地，还包括：以所述瞬时谱能量最大处对应的频率为所述小波的主频。
优选地，还包括：设定频率阈值，将距离所述瞬时谱能量最大处对应的频率小于或等于所述频率阈值的范围作为频率范围；将所述频率范围内的任意频率作为所述小波的主频。
优选地，所述时频分析为广义S变换，所述时频反变换为广义S变换的逆变换。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的地震信号动态滤波方法的步骤的流程图。
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的地震信号及其对应的频谱的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的时频谱的示意图。
图4a、图4b和图4c分别示出了根据本发明的一个实施例的三个不同时刻的瞬时谱、采用传统滤波方法的滤波结果和采用本方法的滤波结果的示意图。
图5a、图5b、图5c、图5d和图5e分别示出了根据本发明的一个实施例的地震信号、采用24Hz作为滤波参数对地震信号滤波之后的地震信号、滤波参数为每个瞬时谱的主频得到的地震信号、滤波参数为每个时刻瞬时谱的主频-5Hz得到的地震信号、滤波的参数为每个时刻瞬时谱的主频+5Hz得到的地震信号的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明的地震信号动态滤波方法的步骤的流程图。
在该实施例中，根据本发明的地震信号动态滤波方法可以包括：步骤101，对地震信号进行时频分析，获取地震信号的时频谱；步骤102，根据地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱；步骤103，分别对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取对应的小波分频滤波瞬时谱；以及步骤104，对小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号。
在一个示例中，对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取小波分频滤波瞬时谱包括：针对时频谱每个时刻的瞬时谱，拾取瞬时谱能量最大处对应的频率为该时刻的主频，确定小波的主频与时间域形态；通过傅里叶变换计算小波的振幅谱，对振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器；用带通滤波器乘以瞬时谱，获取小波分频滤波瞬时谱。
在一个示例中，还包括：以瞬时谱能量最大处对应的频率为小波的主频。
在一个示例中，还包括：设定频率阈值，将距离瞬时谱能量最大处对应的频率小于或等于频率阈值的范围作为频率范围；将频率范围内的任意频率作为小波的主频。
在一个示例中，时频分析为广义S变换，时频反变换为广义S变换的逆变换。
具体地，对地震信号进行时频分析，获取地震信号的时频谱，时频谱不限于采用任何一种时频分析方法来计算，例如采用传统的短时傅里叶变换、小波变换、广义S变换等均可；确定滤波方式，不需要给定具体的滤波参数，以各时刻的主频为基准，只需要确定滤波参数为小于主频或者大于主频的一个频率间隔，或者能量从主频处的最大能量衰减到最大能量的某个百分比即可；根据地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱，例如，以每个时刻的瞬时谱的主频基准，输出主频处、小于主频5Hz和大于主频5Hz的滤波结果，比如某一时刻瞬时谱的主频为30Hz，那么主频处的输出结果即为采用30Hz作为滤波参数对该时刻的瞬时谱进行滤波；小于主频5Hz的滤波结果即为采用25Hz作为滤波参数对该时刻的瞬时谱进行滤波；同理，大于主频5Hz的滤波结果即为采用35Hz作为滤波参数对该时刻的瞬时谱进行滤波。每一时刻的主频都是不同的，所以确定一个频率间隔就可以获得每个时刻相关的滤波结果。
针对时频谱每个时刻的瞬时谱，拾取瞬时谱能量最大处对应的频率为该时刻的主频，确定小波的主频与时间域形态，其中，可以以瞬时谱能量最大处对应的频率为小波的主频，也可以设定频率阈值，将距离瞬时谱能量最大处对应的频率小于或等于频率阈值的范围作为频率范围，进而将频率范围作为小波的主频；通过傅里叶变换计算小波的振幅谱，对振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器，其中，小波可为任意的小波形态，例如在地震勘探领域常用的Ricker子波、Morlet小波、宽带雷克子波等均可；用带通滤波器乘以瞬时谱，获取小波分频滤波瞬时谱；对小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号。
本方法充分考虑了地震信号的时变特征，对各时刻的瞬时谱做滤波处理，滤波结果能够充分的体现地震信号的每一时刻的主要成分或者指定的某个特有的成分。
应用示例
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
本发明为一种对地震信号进行动态滤波的方法，需要对地震信号进行时频分析计算时频谱，为更加清楚的描述滤波过程，采用广义S变换进行时频分析，本发明不限于任何一种时频分析方法。同时，步骤中涉及到对瞬时谱进行小波分频，采用理论Ricker子波，本发明不限于地震勘探领域常用的任何一种小波形态。
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的地震信号及其对应的频谱的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的时频谱的示意图。
地震信号长度3604ms，采样间隔为4ms，共901个样点，如图2a所示，地震信号的频谱，其主频约为24Hz，如图2b所示。对地震信号进行广义S变换，获取地震信号的时频谱为公式(1)：
Figure BDA0001430813820000061
其中，TFS(t,f)为时频谱，xIn(t)为地震信号，λ、p为调节因子，且λ>0，0.5<p<1.5，t为时间，f为频率，τ为时移，如图3所示，其中，纵向坐标轴表示时间，横向坐标轴表示频率，每个时刻最黑的地方对应的频率为该时刻的主频，从图中可以看出，每个时刻的主频都是不同的，如果采用传统的滤波方式对原始地震信号进行滤波，得到的结果只能够统一的获得一个固定频段的信号，而不能同时突出每个时刻地震信号的主要成分或相对次要成分。
图4a、图4b和图4c分别示出了根据本发明的一个实施例的三个不同时刻的瞬时谱、采用传统滤波方法的滤波结果和采用本方法的滤波结果的示意图。
根据地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱，如图4a-图4c所示，其中，虚线为三个不同时刻的瞬时谱，图4a的瞬时谱的主频为32Hz，图4b的瞬时谱的主频为30Hz，图4c的瞬时谱的主频为16Hz；圈线为采用整道地震信号的主频24Hz作为Ricker子波的主频对三个不同时刻的瞬时谱进行小波分频滤波后的结果，可以看出采用统一的24Hz对各瞬时谱进行滤波，得到的结果并不是该时刻主频附近相关的信息，滤波后的主频与原始瞬时谱的主频都有一定的差异，图4a的滤波结果为中低频的成分、图4b的结果与主频差异不大，图4c的原始瞬时谱的主频为16Hz，滤波之后的主频变为21Hz左右，与16Hz差异比较大，将这样的频谱反变换到时间域得到信号也不是此处主要信息；实线为采用本发明的方法对各瞬时谱进行动态滤波的结果，对不同时刻的瞬时谱采用各自原始瞬时谱的主频作为Ricker子波的参数进行滤波，滤波结果的主频与原始瞬时谱的主频几乎一致，将这样的频谱反变换到时间域得到的信号更能体现该时刻的主要信息。
采用Ricker子波作为小波对每个时刻的瞬时谱进行带通滤波处理，针对时频谱的每个时刻的瞬时谱，获取时间域的Ricker子波为公式(2)：
Figure BDA0001430813820000071
其中，f(t)为Ricker子波，fm为Ricker子波的主频，t为时间，分频过程中Ricker子波的主频由滤波方式和每个时刻的瞬时谱的主频大小来决定；通过傅里叶变换计算Ricker子波的振幅谱，对振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器；用带通滤波器乘以瞬时谱，获取小波分频滤波瞬时谱。对小波分频滤波瞬时谱进行广义S变换的逆变换，获得滤波后的时间域地震信号为公式(3)：
Figure BDA0001430813820000081
其中，TFS(τ,f)为小波分频滤波瞬时谱，xOut(t)为滤波后的时间域地震信号，t为时间，f为频率，τ为时移。
图5a、图5b、图5c、图5d和图5e分别示出了根据本发明的一个实施例的地震信号、采用24Hz作为滤波参数对地震信号滤波之后的地震信号、滤波参数为每个瞬时谱的主频得到的地震信号、滤波参数为每个时刻瞬时谱的主频-5Hz得到的地震信号、滤波的参数为每个时刻瞬时谱的主频+5Hz得到的地震信号的示意图。通过对比可以发现图5b与图5c相比差异还比较大，采用本发明处理后的信号能够在每个时刻都体现该时刻的主要信息。
综上所述，本发明充分考虑了地震信号的时变特征，对各时刻的瞬时谱做滤波处理，滤波结果能够充分的体现地震信号的每一时刻的主要成分或者指定的某个特有的成分。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
根据本发明的实施例，提供了一种地震信号动态滤波系统，可以包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：对地震信号进行时频分析，获取地震信号的时频谱；根据地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱；分别对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取对应的小波分频滤波瞬时谱；对小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号。
在一个示例中，对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取小波分频滤波瞬时谱包括：针对时频谱每个时刻的瞬时谱，拾取瞬时谱能量最大处对应的频率为该时刻的主频，确定小波的主频与时间域形态；通过傅里叶变换计算小波的振幅谱，对振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器；用带通滤波器乘以瞬时谱，获取小波分频滤波瞬时谱。
在一个示例中，还包括：以瞬时谱能量最大处对应的频率为小波的主频。
在一个示例中，还包括：设定频率阈值，将距离瞬时谱能量最大处对应的频率小于或等于频率阈值的范围作为频率范围；将频率范围内的任意频率作为小波的主频。
在一个示例中，时频分析为广义S变换，时频反变换为广义S变换的逆变换。
本发明充分考虑了地震信号的时变特征，对各时刻的瞬时谱做滤波处理，滤波结果能够充分的体现地震信号的每一时刻的主要成分或者指定的某个特有的成分。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种地震信号动态滤波方法，包括：
对地震信号进行时频分析，获取所述地震信号的时频谱；
根据所述地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱；
分别对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取对应的小波分频滤波瞬时谱；
对所述小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号；
其中，对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取小波分频滤波瞬时谱包括：
针对所述时频谱每个时刻的瞬时谱，拾取所述瞬时谱能量最大处对应的频率为该时刻的主频，确定小波的主频与时间域形态；
通过傅里叶变换计算所述小波的振幅谱，对所述振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器；
用所述带通滤波器乘以所述瞬时谱，获取所述小波分频滤波瞬时谱。
2.根据权利要求1所述的地震信号动态滤波方法，其中，还包括：
以所述瞬时谱能量最大处对应的频率为所述小波的主频。
3.根据权利要求1所述的地震信号动态滤波方法，其中，还包括：
设定频率阈值，将距离所述瞬时谱能量最大处对应的频率小于或等于所述频率阈值的范围作为频率范围；
将所述频率范围内的任意频率作为所述小波的主频。
4.根据权利要求1所述的地震信号动态滤波方法，其中，所述时频分析为广义S变换，所述时频反变换为广义S变换的逆变换。
5.一种地震信号动态滤波系统，其特征在于，该系统包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
对地震信号进行时频分析，获取所述地震信号的时频谱；
根据所述地震信号的时频谱，获得每个时刻的瞬时谱；
分别对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取对应的小波分频滤波瞬时谱；
对所述小波分频滤波后的瞬时谱进行时频反变换，获得滤波后的时间域地震信号；
其中，对每个时刻的瞬时谱进行小波分频滤波，获取小波分频滤波瞬时谱包括：
针对所述时频谱每个时刻的瞬时谱，拾取所述瞬时谱能量最大处对应的频率为该时刻的主频，确定小波的主频与时间域形态；
通过傅里叶变换计算所述小波的振幅谱，对所述振幅谱进行归一化处理，获得小波分频滤波的带通滤波器；
用所述带通滤波器乘以所述瞬时谱，获取所述小波分频滤波瞬时谱。
6.根据权利要求5所述的地震信号动态滤波系统，其中，还包括：
以所述瞬时谱能量最大处对应的频率为所述小波的主频。
7.根据权利要求5所述的地震信号动态滤波系统，其中，还包括：
设定频率阈值，将距离所述瞬时谱能量最大处对应的频率小于或等于所述频率阈值的范围作为频率范围；
将所述频率范围作为所述小波的主频。
8.根据权利要求5所述的地震信号动态滤波系统，其中，所述时频分析为广义S变换，所述时频反变换为广义S变换的逆变换。
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