CN112578434A - 一种最小相位无限脉冲响应滤波方法及滤波系统 - Google Patents

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CN112578434A CN201910925573.8A CN201910925573A CN112578434A CN 112578434 A CN112578434 A CN 112578434A CN 201910925573 A CN201910925573 A CN 201910925573A CN 112578434 A CN112578434 A CN 112578434A
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张�林
姚晓龙
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Abstract

本发明公开了一种最小相位无限脉冲响应滤波方法及滤波系统，包括：将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；基于频率域的滤波因子对频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。本发明通过最小相位无限脉冲响应滤波器在对原始野外单炮数据存在的干扰进行滤波，消除了噪音干扰，使得有效信号从噪音中显露出来，对探区的野外采集的单炮中的噪音干扰具有非常好的应用效果。

Description

一种最小相位无限脉冲响应滤波方法及滤波系统
技术领域
本发明属于地震勘探资料处理领域，具体涉及一种最小相位无限脉冲响应滤波方法及滤波系统。
背景技术
现在地震勘探领域的滤波技术非常多，有简单的脉冲滤波、FK滤波、Taup滤波、倾角滤波等，但是不同滤波技术针对的噪音类型也不太相同，有些针对是规则干扰，例如线性噪音、低频干扰、工业电干扰等，有些针对的是不规则干扰；另外这些滤波技术针对的地震资料处理阶段也不同，例如有些是针对叠前数据，有些是针对叠后数据。在叠前数据处理中，这些技术大都是针对从野外采集解编后的单炮数据，而对于第一手从野外采集到的数据中的干扰，这些滤波技术往往效果并不理想，由于野外施工件、车辆鸣笛、人为干扰等因素，造成地震单炮上存在的这些干扰，它们速度不一、形态不一，很难根据它们的速度或者倾角进行滤波。因此，特别需要一种方法能够对原始野外单炮数据存在的干扰进行滤波。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够对原始野外单炮数据存在的干扰进行滤波的最小相位无限脉冲响应滤波方法及滤波系统。
根据本发明的一方面，一种最小相位无限脉冲响应滤波方法，包括：将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
优选的，将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子具体包括：对地震数据的自相关作Z变换；根据Z变换结果获取最小相位滤波器的滤波因子的离散形式；基于所述最小相位滤波器的滤波因子的离散形式，获取频率域的滤波因子。
优选的，所述最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为：
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N
其中，H(Z)为滤波因子的离散形式，h0,h1,...,hN为滤波因子，N表示滤波因子的点数，Z-N为h(t)的N阶Z变换，h(t)表示时间域的滤波因子。
优选的，所述频率域的滤波因子为：
Figure BDA0002218828460000021
其中，w表示频率，τ表示时间。
优选的，基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据滤波，获取频率域的滤波地震数据包括：将所述频率域的滤波因子与所述频率域的地震数据做乘积，获得频率域的滤波地震数据。
优选的，通过反傅里叶变换将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
根据本发明的另一方面，提出了一种最小相位无限脉冲响应滤波系统，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：将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
优选的，将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子具体包括：对地震数据的自相关作Z变换；根据Z变换结果获取最小相位滤波器的滤波因子的离散形式；基于所述最小相位滤波器的滤波因子的离散形式，获取频率域的滤波因子。
优选的，所述最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为：
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N
其中，H(Z)为滤波因子的离散形式，h0,h1,...,hN为滤波因子，N表示滤波因子的点数，Z-N为h(t)的N阶Z变换，h(t)表示时间域的滤波因子。
优选的，所述频率域的滤波因子为：
Figure BDA0002218828460000031
其中，w表示频率，τ表示时间。
优选的，基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据滤波，获取频率域的滤波地震数据包括：将所述频率域的滤波因子与所述频率域的地震数据做乘积，获得频率域的滤波地震数据。
优选的，通过反傅里叶变换将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
本发明的有益效果在于：本发明通过最小相位无限脉冲响应滤波器在对原始野外单炮数据存在的干扰进行滤波，消除了噪音干扰，使得有效信号从噪音中显露出来，对探区的野外采集的单炮中的噪音干扰具有非常好的应用效果。
本发明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例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例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方式进行更详细的描述，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方式中，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一个实施例的一种最小相位无限脉冲响应滤波方法的流程图。
图2示出了原始地震数据。
图3示出了box滤波后的滤波地震数据。
图4示出了bp滤波后的滤波地震数据。
图5示出了根据本发明的一个实施例的最小相位无限脉冲响应滤波方法滤波后的滤波地震数据。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，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方式所限制。相反，提供这些实施方式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。
根据本发明的一种最小相位无限脉冲响应滤波方法，包括：将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；基于频率域的滤波因子对频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
具体的，将地震数据由时间域转化为频率域，将时间域的滤波因子转化为频率域的的滤波因子，频率域的的滤波因子为最小相位无限脉冲响应滤波器的频率域表达形式，采用频率域的的滤波因子对频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据，再将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
根据示例性的实施方式，最小相位无限脉冲响应滤波方法通过最小相位无限脉冲响应滤波器在对原始野外单炮数据存在的干扰进行滤波，消除了噪音干扰，使得有效信号从噪音中显露出来，对探区的野外采集的单炮中的噪音干扰具有非常好的应用效果。
作为优选方案，将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子具体包括：对地震数据的自相关作Z变换；根据Z变换结果获取最小相位滤波器的滤波因子的离散形式；基于最小相位滤波器的滤波因子的离散形式，获取频率域的滤波因子。
作为优选方案，最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为：
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N
其中，H(Z)为滤波因子的离散形式，h0,h1,...,hN为滤波因子，N表示滤波因子的点数，Z-N为h(t)的N阶Z变换，h(t)表示时间域的滤波因子。
作为优选方案，频率域的滤波因子为：
Figure BDA0002218828460000051
其中，w表示频率，τ表示时间。
具体的，离散信号用序列表示，描述滤波的过程要采用差分方程，所用的变换是Z变换。最小相位，在时间域称为最小能量延迟，在频率域称为最小相位滞后。最小相位对信号处理的分辨率最高，因此本发明设计了一种最小相位的滤波器。滤波器最小相位的条件就是其Z变换的零点均在单位圆内。
地震数据为x(t)，滤波因子为h(t)，t为时间，h(t)的长度有N个点，h有它的频率域的形式为H(w)，w为频率，h(t)的Z变换行为为H(Z)。最小相位无限脉冲响应滤波器要求频谱H(w)在原点的一阶导数(2N-1)为零，频带响应是平坦的，从频带开始到频带结束，频谱响应平稳下降。
假设反射系数为白噪，地震记录的自相关就是地震子波的自相关，设地震记录自相关为rbb(τ)，地震子波自相关为rxx(τ)，因此有
rbb(τ)＝rxx(τ) (1)
对公式(1)作Z变换，有
Figure BDA0002218828460000061
由公式(2)可知，公式(2)有2N-1个互为倒数的零点，假定子波为最小相位，则其零点均在单位圆内，根据Z平面法，令
Rxx(Z)＝0
求取Rxx(Z)的零点，也就确定了滤波因子h0,h1,...,hN，推导出最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为公式(3)，也就确定了滤波因子h0,h1,...,hN。
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N (3)
令Z＝ejw，由公式(3)就可以得到h(t)的频率谱H(w)为公式(4)，这样最小相位滤波器设计的频带响应是平坦的，频谱响应连续平稳下降，可以保证滤波的效果是分辨率最高的且有效的。
Figure BDA0002218828460000062
其中，w表示频率，τ表示时间。
作为优选方案，基于频率域的滤波因子对频率域的地震数据滤波，获取频率域的滤波地震数据包括：将频率域的滤波因子与频率域的地震数据做乘积，获得频率域的滤波地震数据。
作为优选方案，通过反傅里叶变换将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
根据本发明的一种最小相位无限脉冲响应滤波系统，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：将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；基于频率域的滤波因子对频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
具体的，将地震数据由时间域转化为频率域，将时间域的滤波因子转化为频率域的的滤波因子，频率域的的滤波因子为最小相位无限脉冲响应滤波器的频率域表达形式，采用频率域的的滤波因子对频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据，再将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
根据示例性的实施方式，最小相位无限脉冲响应滤波系统通过最小相位无限脉冲响应滤波器在对原始野外单炮数据存在的干扰进行滤波，消除了噪音干扰，使得有效信号从噪音中显露出来，对探区的野外采集的单炮中的噪音干扰具有非常好的应用效果。
作为优选方案，将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子具体包括：对地震数据的自相关作Z变换；根据Z变换结果获取最小相位滤波器的滤波因子的离散形式；基于最小相位滤波器的滤波因子的离散形式，获取频率域的滤波因子。
作为优选方案，最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为：
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N
其中，H(Z)为滤波因子的离散形式，h0,h1,...,hN为滤波因子，N表示滤波因子的点数，Z-N为h(t)的N阶Z变换，h(t)表示时间域的滤波因子。
作为优选方案，频率域的滤波因子为：
Figure BDA0002218828460000071
其中，w表示频率，τ表示时间。
具体的，离散信号用序列表示，描述滤波的过程要采用差分方程，所用的变换是Z变换。最小相位，在时间域称为最小能量延迟，在频率域称为最小相位滞后。最小相位对信号处理的分辨率最高，因此本发明设计了一种最小相位的滤波器。滤波器最小相位的条件就是其Z变换的零点均在单位圆内。
地震数据为x(t)，滤波因子为h(t)，t为时间，h(t)的长度有N个点，h有它的频率域的形式为H(w)，w为频率，h(t)的Z变换行为为H(Z)。最小相位无限脉冲响应滤波器要求频谱H(w)在原点的一阶导数(2N-1)为零，频带响应是平坦的，从频带开始到频带结束，频谱响应平稳下降。
假设反射系数为白噪，地震记录的自相关就是地震子波的自相关，设地震记录自相关为rbb(τ)，地震子波自相关为rxx(τ)，因此有
rbb(τ)＝rxx(τ) (1)
对公式(1)作Z变换，有
Figure BDA0002218828460000081
由公式(2)可知，公式(2)有2N-1个互为倒数的零点，假定子波为最小相位，则其零点均在单位圆内，根据Z平面法，令
Rxx(Z)＝0
求取Rxx(Z)的零点，也就确定了滤波因子h0,h1,...,hN，推导出最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为公式(3)，也就确定了滤波因子
h0,h1,...,hN。H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N (3)
令Z＝ejw，由公式(3)就可以得到h(t)的频率谱H(w)为公式(4)，这样最小相位滤波器设计的频带响应是平坦的，频谱响应连续平稳下降，可以保证滤波的效果是分辨率最高的且有效的。
Figure BDA0002218828460000082
其中，w表示频率，τ表示时间。
作为优选方案，基于频率域的滤波因子对频率域的地震数据滤波，获取频率域的滤波地震数据包括：将频率域的滤波因子与频率域的地震数据做乘积，获得频率域的滤波地震数据。
作为优选方案，通过反傅里叶变换将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
实施例
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种最小相位无限脉冲响应滤波方法的流程图。
如图1所示，一种最小相位无限脉冲响应滤波方法，包括：
S102：将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；
S104：将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；
其中，将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子具体包括：对地震数据的自相关作Z变换；根据Z变换结果获取最小相位滤波器的滤波因子的离散形式；基于最小相位滤波器的滤波因子的离散形式，获取频率域的滤波因子。
其中，最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为：
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N
其中，H(Z)为滤波因子的离散形式，h0,h1,...,hN为滤波因子，N表示滤波因子的点数，Z-N为h(t)的N阶Z变换，h(t)表示时间域的滤波因子。
其中，频率域的滤波因子为：
Figure BDA0002218828460000091
其中，w表示频率，τ表示时间。
具体的，离散信号用序列表示，描述滤波的过程要采用差分方程，所用的变换是Z变换。最小相位，在时间域称为最小能量延迟，在频率域称为最小相位滞后。最小相位对信号处理的分辨率最高，因此本发明设计了一种最小相位的滤波器。滤波器最小相位的条件就是其Z变换的零点均在单位圆内。
地震数据为x(t)，滤波因子为h(t)，t为时间，h(t)的长度有N个点，h有它的频率域的形式为H(w)，w为频率，h(t)的Z变换行为为H(Z)。最小相位无限脉冲响应滤波器要求频谱H(w)在原点的一阶导数(2N-1)为零，频带响应是平坦的，从频带开始到频带结束，频谱响应平稳下降。
假设反射系数为白噪，地震记录的自相关就是地震子波的自相关，设地震记录自相关为rbb(τ)，地震子波自相关为rxx(τ)，因此有
rbb(τ)＝rxx(τ) (1)
对公式(1)作Z变换，有
Figure BDA0002218828460000101
由公式(2)可知，公式(2)有2N-1个互为倒数的零点，假定子波为最小相位，则其零点均在单位圆内，根据Z平面法，令
Rxx(Z)＝0
求取Rxx(Z)的零点，也就确定了滤波因子h0,h1,...,hN，推导出最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为公式(3)，也就确定了滤波因h0,h1,...,hN。
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N (3)
令Z＝ejw，由公式(3)就可以得到h(t)的频率谱H(w)为公式(4)，这样最小相位滤波器设计的频带响应是平坦的，频谱响应连续平稳下降，可以保证滤波的效果是分辨率最高的且有效的。
Figure BDA0002218828460000102
其中，w表示频率，τ表示时间。
S106：基于频率域的滤波因子对频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；
其中，基于频率域的滤波因子对频率域的地震数据滤波，获取频率域的滤波地震数据包括：将频率域的滤波因子与频率域的地震数据做乘积，获得频率域的滤波地震数据。
S108：将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
其中，通过反傅里叶变换将频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
图2示出了原始地震数据。图3示出了box滤波后的滤波地震数据。图4示出了bp滤波后的滤波地震数据。图5示出了根据本发明的一个实施例的最小相位无限脉冲响应滤波方法滤波后的滤波地震数据。
如图2所示，某探区的野外采集的单炮数据，该数据存在很多噪音。如图3和图4所示，分别采用box滤波和bp滤波对图2的数据进行滤波，由图可见，滤波效果不理想。如图5所示，采用最小相位无限脉冲响应滤波方法进行滤波，滤波后的单炮的有效信号都已经显露出来，这是其他方法都没有做到的。
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 (10)

1.一种最小相位无限脉冲响应滤波方法，其特征在于，包括：
将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；
将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；
基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；
将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
2.根据权利要求1所述的最小相位无限脉冲响应滤波方法，其特征在于，将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子具体包括：
对地震数据的自相关作Z变换；
根据Z变换结果获取最小相位滤波器的滤波因子的离散形式；
基于所述最小相位滤波器的滤波因子的离散形式，获取频率域的滤波因子。
3.根据权利要求2所述的最小相位无限脉冲响应滤波方法，其特征在于，所述最小相位滤波器的滤波因子的离散形式为：
H(Z)＝h0+h1Z-1+...+hNZ-N
其中，H(Z)为滤波因子的离散形式，h0,h1,...,hN为滤波因子，N表示滤波因子的点数，Z-N为h(t)的N阶Z变换，h(t)表示时间域的滤波因子。
4.根据权利要求3所述的最小相位无限脉冲响应滤波方法，其特征在于，所述频率域的滤波因子为：
Figure FDA0002218828450000011
其中，w表示频率，τ表示时间。
5.根据权利要求1所述的最小相位无限脉冲响应滤波方法，其特征在于，基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据滤波，获取频率域的滤波地震数据包括：
将所述频率域的滤波因子与所述频率域的地震数据做乘积，获得频率域的滤波地震数据。
6.根据权利要求1所述的最小相位无限脉冲响应滤波方法，其特征在于，通过反傅里叶变换将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
7.一种最小相位无限脉冲响应滤波系统，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：
将时间域的地震数据转化为频率域的地震数据；
将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子；
基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据进行滤波，获取频率域的滤波地震数据；
将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
8.根据权利要求7所述的最小相位无限脉冲响应滤波系统，其特征在于，将时间域的滤波因子转化为频率域的滤波因子具体包括：
对地震数据的自相关作Z变换；
根据Z变换结果获取最小相位滤波器的滤波因子的离散形式；
基于所述最小相位滤波器的滤波因子的离散形式，获取频率域的滤波因子。
9.根据权利要求7所述的最小相位无限脉冲响应滤波系统，其特征在于，基于所述频率域的滤波因子对所述频率域的地震数据滤波，获取频率域的滤波地震数据包括：
将所述频率域的滤波因子与所述频率域的地震数据做乘积，获得频率域的滤波地震数据。
10.根据权利要求7所述的最小相位无限脉冲响应滤波系统，其特征在于，通过反傅里叶变换将所述频率域的滤波地震数据转化为时间域的滤波地震数据。
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