CN111458749A - 应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法及系统 - Google Patents

应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法及系统 Download PDF

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CN111458749A CN202010284734.2A CN202010284734A CN111458749A CN 111458749 A CN111458749 A CN 111458749A CN 202010284734 A CN202010284734 A CN 202010284734A CN 111458749 A CN111458749 A CN 111458749A
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Abstract

本发明实施例提供一种应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法及系统。其中，方法包括：获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。本发明实施例提供的方法及系统，通过获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号并将其转换至频域，得到噪声信号对应的功率密度谱，根据功率密度谱计算噪声信号的信噪比并根据其将噪声信号甄选为面波信号和体波信号，具有科学的理论基础，分离效果佳。

Description

应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法及系统
技术领域
本发明涉及地震勘探技术领域，尤其涉及一种应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法及系统。
背景技术
地震勘探具有高勘探深度和高分辨率的优势，在矿产勘探中多被采用。地震勘探分为主动源地震勘探和被动源地震勘探两种勘探方式，其中，主动源地震勘探需要主动激发地震，具有成本高的缺陷，而被动源地震勘探无需主动激发地震，具有成本低的优点从而被广泛采用。
为了实现被动源地震勘探，需要在待勘探区域中设置若干检波器，每个检波器用于采集噪声信号，基于所有检波器采集到的噪声信号，可对待勘探区域进行后续的地震勘探研究，从而得到待勘探区域的地质情况。
由于在被动源地震勘探的过程中，待勘探区域的地表附近会受到例如车辆等造成的面波干扰，因此待勘探区域中的检波器采集到的噪声信号不仅包含体波信号，还包含大量具有干扰性的面波信号。
现有技术中，通常先基于噪声信号得到拟单炮记录，然后对拟单炮记录进行滤波，从而分离面波信号和体波信号，然而由于被动源体波信号频率低，与面波信号在位置和频带范围都存在重合，因此滤波分离效果不佳。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供一种应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，包括：
获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；
将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；
根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；
根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
进一步地，将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱，包括：
对所述噪声信号进行自相关运算，得到所述噪声信号对应的自相关信号；
对所述自相关信号进行傅里叶变换，得到所述噪声信号对应的功率密度谱。
进一步地，根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比的公式为：
Figure BDA0002448084440000021
其中，SNR为所述噪声信号的信噪比，f0为所述功率密度谱的第一频率值，f1为所述功率密度谱的第二频率值，fL为所述功率密度谱的第三频率值，fH为所述功率密度谱的第四频率值，f2为所述功率密度谱的第五频率值，fc为所述功率密度谱的第六频率值，f0<f1<fL<fH<f2<fc，|X(f)|为频率值f对应的功率值。
进一步地，所述第一频率值为所述功率密度谱的最小频率值，所述第六频率值为所述功率密度谱的最大频率值，所述第二频率值、所述第三频率值、所述第四频率值和所述第五频率值均根据所述功率密度谱的主能量范围确定，所述主能量范围为所述功率密度谱中大于预设的功率阈值的频段。
进一步地，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，包括：
将所述信噪比小于预设的信噪比阈值的所述噪声信号甄选为面波信号；
将所述信噪比大于或等于所述信噪比阈值的所述噪声信号甄选为体波信号。
进一步地，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，之后还包括：
提取所述面波信号中的频散曲线；
对所有的所述面波信号中的频散曲线进行反演，得到所述待勘探区域的横波速度结构。
进一步地，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，之后还包括：
根据所述体波信号，获取对应的拟炮集记录；
根据所有的所述拟炮集记录，得到所述待勘探区域的地震成像剖面。
第二方面，本发明实施例提供一种应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离系统，包括：
获取模块，用于获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；
转换模块，用于将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；
计算模块，用于根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；
分离模块，用于根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法的步骤。
本发明实施例提供的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离及系统，通过获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号并将其转换至频域，得到噪声信号对应的功率密度谱，根据功率密度谱计算噪声信号的信噪比并根据其将噪声信号甄选为面波信号和体波信号，具有科学的理论基础，分离效果佳。
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为本发明实施例提供的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法流程图；
图2为本发明实施例提供的面波信号占优时的噪声信号的功率密度谱的示意图；
图3为本发明实施例提供的体波信号占优时的噪声信号的功率密度谱的示意图；
图4为本发明实施例提供的计算功率密度谱的信噪比的公式中各频率值与功率密度谱的关系示意图；
图5为本发明实施例提供的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
需要说明的是，在被动源地震勘探中，假设天然震源在地下空间均匀分布，但在实际应用中，地表附近震源(以公共交通为主)无论从强度还是数量上均占优，导致干扰性的面波信号在噪声信号中的能量较强，相对而言，噪声信号中的体波信号则属于弱信号。将面波信号和体波信号进行分离，有利于后续的地震勘探研究。现有技术中，通常先基于噪声信号得到拟单炮记录，然后对拟单炮记录进行滤波，从而分离面波信号和体波信号，然而由于体波信号频率低，与面波信号在位置和频带范围都存在重合，因此滤波分离效果不佳。为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种新的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法。
图1为本发明实施例提供的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101，获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号。
步骤102，将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱。
步骤103，根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比。
步骤104，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
具体的，为了实现被动源地震勘探，在待勘测区域中设置若干检波器，每个检波器用于采集噪声信号。对于待勘探区域中的每个检波器，首先，获取待勘测区域中的设置的每个检波器采集到的噪声信号，需要说明的是，噪声信号为时域信号。然后，将噪声信号从时域转换至频域，例如，将噪声信号进行自相关后，再进行傅里叶变换，得到噪声信号对应的功率密度谱。随后，根据功率密度谱，计算噪声信号的信噪比。最后，根据信噪比的大小，将噪声信号中的一部分甄选为面波信号，将另一部分甄选为体波信号。
以下说明该方法的理论基础：
通过大量的实验及研究分析，得到公共交通产生的面波信号的特点，可见其与体波信号具有不同的功率密度谱形态。
图2为本发明实施例提供的面波信号占优时的噪声信号的功率密度谱的示意图，图3为本发明实施例提供的体波信号占优时的噪声信号的功率密度谱的示意图，对比图2和图3可以看出，面波信号占优时，功率密度谱呈梳状分布，而体波信号占优时，功率密度谱形态正常。上述差别可通过功率密度谱的信噪比量化表示，面波信号占优时，功率密度谱的信噪比较低，而体波信号占优时，功率密度谱的信噪比较高。基于此，可根据信噪比的大小，将功率密度谱中的一部分甄选为面波信号，将另一部分甄选为体波信号。
本发明实施例提供的方法，通过获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号并将其转换至频域，得到噪声信号对应的功率密度谱，根据功率密度谱计算噪声信号的信噪比并根据其将噪声信号甄选为面波信号和体波信号，具有科学的理论基础，分离效果佳。
进一步地，本发明实施例对噪声信号从时域转换至频域的过程进行具体说明，即，将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱，包括：对所述噪声信号进行自相关运算，得到所述噪声信号对应的自相关信号；对所述自相关信号进行傅里叶变换，得到所述噪声信号对应的功率密度谱。
进一步地，根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比的公式为：
Figure BDA0002448084440000061
其中，SNR为所述噪声信号的信噪比，f0为所述功率密度谱的第一频率值，f1为所述功率密度谱的第二频率值，fL为所述功率密度谱的第三频率值，fH为所述功率密度谱的第四频率值，f2为所述功率密度谱的第五频率值，fc为所述功率密度谱的第六频率值，f0<f1<fL<fH<f2<fc，|X(f)|为频率值f对应的功率值。
进一步地，本发明实施例结合图4对第一频率值、第二频率值、第三频率值、第四频率值、第五频率值和第六频率值进行说明，图4为本发明实施例提供的计算功率密度谱的信噪比的公式中各频率值与功率密度谱的关系示意图，如图4所示，所述第一频率值为所述功率密度谱的最小频率值，所述第六频率值为所述功率密度谱的最大频率值，所述第二频率值、所述第三频率值、所述第四频率值和所述第五频率值均根据所述功率密度谱的主能量范围确定，所述主能量范围为所述功率密度谱中大于预设的功率阈值的频段。需要说明的是，功率阈值根据实际情况具体设定，本发明实施例对其取值不作具体限定。
进一步地，本发明实施例对面波信号和体波信号的分离规则进行说明，即，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，包括：将所述信噪比小于预设的信噪比阈值的所述噪声信号甄选为面波信号；将所述信噪比大于或等于所述信噪比阈值的所述噪声信号甄选为体波信号。
需要说明的是，信噪比阈值是通过对不同地区数据进行统计和分析确定的，本发明实施例对此不作具体限定。
进一步地，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，之后还包括：提取所述面波信号中的频散曲线；对所有的面波信号中的频散曲线进行反演，得到所述待勘探区域的横波速度结构。
具体的，本发明实施例对待勘探区域中的每个检波器采集到的噪声信号进行面波信号和体波信号的分离，得到每个检波器对应的面波信号和体波信号。对于每个检波器对应的面波信号，提取面波信号中的频散信号，然后对提取到的所有频散曲线进行反演，得到待勘探区域的横波速度结构。其中，采用遗传算法进行反演，遗传算法作为一种非线性全局优化方法，不要求苛刻的初始速度和深度模型，得到的最佳拟合模型较传统的最小二乘法要稳定且可靠得多。
进一步地，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，之后还包括：根据所述体波信号，获取对应的拟炮集记录；根据所有的所述拟炮集记录，得到所述待勘探区域的地震成像剖面。
具体的，本发明实施例对待勘探区域中的每个检波器采集到的噪声信号进行面波信号和体波信号的分离，得到每个检波器对应的面波信号和体波信号。对于每个检波器对应的体波信号，根据体波信号计算对应的检波器的拟炮集记录，根据所有的拟炮集记录，得到待勘探区域的地震成像剖面。
作为一个优选的实施例，本发明实施例还可根据每个检波器对应的面波信号，计算对应的检波器的拟炮集记录，为了便于描述，对于每个检波器来说，将根据对应的面波信号计算得到的拟炮集记录称为以面波信号为主的拟炮集记录，将根据对应的体波信号计算得到的拟炮集记录称为以体波信号为主的拟炮集记录，计算过程概括为：
Figure BDA0002448084440000071
其中，k表示波信号的类型，0代表是面波信号，1代表是体波信号，n是叠加的总窗口数，ε是信噪比阈值，ai(r1，r2，t)是检波器r1和r2在第i个时段t的面波信号的互相干结果，
Figure BDA0002448084440000072
是检波器r1和r2在第i个时段t的体波信号的互相干结果，Gk(r1,r2,t)是检波器r1和r2的为以面波信号为主的拟炮集记录或以体波信号为主的拟炮集记录。
作为一个优选的实施例，本发明实施例对根据噪声信号计算对应的检波器的拟炮集记录的计算公式进行说明：
Figure BDA0002448084440000081
其中，G(xA,,xB,ω)是检波器xA，和xB，的频域格林函数，ω是角频率，S(ω)是随机震源，v和ρ是介质的速度和密度，u(xA,ω)和u(xB,ω)为检波器接收到的噪声信号，<>代表不同窗口互相干计算结果的叠加，R{}代表取实部。该公式表明，通过将两个检波器接收到的噪声信号进行相干计算，就可以获得以一个检波器为震源，以另一个检波器为接收点的类似于主动源地震勘探中的拟炮集记录。
需要说明的是，通常待勘探区域中设置的检波器的数量较多，且每个检波器的采样率也较高，因此拟炮集记录的计算强度也很大。通常，100个检波器，10天接收时间，1ms采样计算得到的拟炮集记录超过500GB。上述拟炮集记录的计算公式中的互相干计算在频域计算比时域具有更高的计算效率，辅以图形处理器GPU上的批量并行傅里叶变换，可实现更快的急速计算。因此本发明实施例提供的基于频域信噪比的面波信号和体波信号分离，可插入到上述傅里叶变换流程中进行，无需额外计算。
对实际采集的噪声信号进行拟单炮记录计算，计算时，互相干计算窗口长度选择为5s，并通过上述的基于频域信噪比方法进行面波信号和体波信号的分离，其中信噪比阈值测试后选择为0.76，小于0.76的甄选为面波信号，大于或等于0.76的部分甄选为体波信号。
图5为本发明实施例提供的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离系统的结构示意图，如图5所示，该系统包括：
获取模块501，用于获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；转换模块502，用于将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；计算模块503，用于根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；分离模块504，用于根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
具体地，本发明实施例提供的系统具体用于执行上述应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法实施例，本发明实施例对此不再进行赘述。本发明实施例提供的系统，通过获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号并将其转换至频域，得到噪声信号对应的功率密度谱，根据功率密度谱计算噪声信号的信噪比并根据其将噪声信号甄选为面波信号和体波信号，具有科学的理论基础，分离效果佳。
图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)601、通信接口(Communications Interface)602、存储器(memory)603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信。处理器601可以调用存储在存储器603上并可在处理器601上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
此外，上述的存储器603中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，其特征在于，包括：
获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；
将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；
根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；
根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
2.根据权利要求1所述的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，其特征在于，将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱，包括：
对所述噪声信号进行自相关运算，得到所述噪声信号对应的自相关信号；
对所述自相关信号进行傅里叶变换，得到所述噪声信号对应的功率密度谱。
3.根据权利要求1所述的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，其特征在于，根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比的公式为：
Figure FDA0002448084430000011
其中，SNR为所述噪声信号的信噪比，f0为所述功率密度谱的第一频率值，f1为所述功率密度谱的第二频率值，fL为所述功率密度谱的第三频率值，fH为所述功率密度谱的第四频率值，f2为所述功率密度谱的第五频率值，fc为所述功率密度谱的第六频率值，f0<f1<fL<fH<f2<fc，|X(f)|为频率值f对应的功率值。
4.根据权利要求3所述的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，其特征在于，所述第一频率值为所述功率密度谱的最小频率值，所述第六频率值为所述功率密度谱的最大频率值，所述第二频率值、所述第三频率值、所述第四频率值和所述第五频率值均根据所述功率密度谱的主能量范围确定，所述主能量范围为所述功率密度谱中大于预设的功率阈值的频段。
5.根据权利要求1所述的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，其特征在于，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，包括：
将所述信噪比小于预设的信噪比阈值的所述噪声信号甄选为面波信号；
将所述信噪比大于或等于所述信噪比阈值的所述噪声信号甄选为体波信号。
6.根据权利要求1所述的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，其特征在于，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，之后还包括：
提取所述面波信号中的频散曲线；
对所有的所述面波信号中的频散曲线进行反演，得到所述待勘探区域的横波速度结构。
7.根据权利要求1所述的应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法，其特征在于，根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号，之后还包括：
根据所述体波信号，获取对应的拟炮集记录；
根据所有的所述拟炮集记录，得到所述待勘探区域的地震成像剖面。
8.一种应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待勘探区域中设置的每个检波器采集到的噪声信号；
转换模块，用于将所述噪声信号从时域转换至频域，得到所述噪声信号对应的功率密度谱；
计算模块，用于根据所述功率密度谱，计算所述噪声信号的信噪比；
分离模块，用于根据所述信噪比将所述噪声信号甄选为面波信号和体波信号。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任意一项所述应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述应用于被动源地震勘探的面波与体波的分离方法的步骤。
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