CN112711074A - 一种地震初至波的去噪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震初至波的去噪方法及装置，包括：获取待去噪地震初至波信号，并根据待去噪地震初至波信号确定其有效信号的中值；设定去噪频率范围以及去噪门槛值，判断在设定去噪频率范围内待去噪地震初至波信号的振幅能量与有效信号的中值的比值是否大于设定去噪门槛值；若大于设定去噪门槛值，则判定该待去噪地震初至波信号含有噪声信号，并对该信号进行缩放处理以消除噪声。本发明在尽量保幅保真，不改变初至波形态的前提下，对单炮数据进行去噪处理，有效提高了初至波的分辨率。

Description

一种地震初至波的去噪方法及装置

技术领域

本发明涉及一种地震初至波的去噪方法及装置，属于石油勘探技术领域。

背景技术

地震勘探中，将从炮点激发并最先到达检波点的地震波称为初至波，并将这个到达时间称为地震波初至时间，简称地震波初至。随着我国地震勘探进程的不断向前发展，山区，沙漠，厚黄土、砂土等复杂地区的地震勘探项目变得越来越多，而这些地区表层激发条件都不够理想，再加上野外各种外界环境的干扰，例如受工业电、工厂、铁路等影响，所采集到的地震数据包含各种严重的噪声干扰，有的严重影响了地震资料初至波分辨率。若单炮初至拾取不准确，则会直接影响到模型反演以及后期地震资料处理的准确性。

目前，常见的地震波初至拾取方法分为两大类：一类是基于单一地震道初至波特征的方法，如最大能量法、能量比值法、分形维法、神经网络法等；另外一类是基于多道地震道初至波特征的方法，如相关法、图像法等。

为了提高地震初至波拾取的准确性，需要对地震数据进行去噪处理。例如，授权公告号为CN102243320B的中国发明专利文件公开了一种地震波初至拾取方法，该拾取方法包括：1)对采集到的地震数据进行去噪；2)以炮集为单位对去噪后的地震数据进行分选；3)对分选后的炮集数据进行线性动校正，使得地震波如至近似的在一条水平的直线上；4)选定一时窗，使得它能够包含每个炮集内的所有地震初至波，利用该时窗对数据进行截取；5)以地震道为单位进行初至拾取，对每个地震道数据重复进行步骤6)～12)的操作；6)对地震道的各个采样点的振幅值求绝对值，在求取的绝对值中选取3或5个最大的极值点，求取他们的中值，利用中值对原始地震道数据进行归一化；7)求取地震道的复地震道；8)计算复地震道的幅角；9)产生两个由服从正态分布的随机数构成的噪音道，将这两个噪音道分别加到复地震道的实部和虚部上，求取加入噪音后的复地震道的幅角；10)将前两个步骤计算的幅角求差，并进行5点中值滤波；11)重复步骤9)和10)两次，将计算结果求和；12)以求和的计算结果为地震属性道，采用能量比值法拾取地震波初至。该地震波初至拾取方法基于复地震道加噪法形成了一种新的地震属性道，并利用能量比值法拾取地震波初至，与常规的地震属性道(如振幅绝对值、振幅包络)能量比值法相比，具有抗噪能力强，拾取精度高的特点。但是此方法对背景噪声能量较强的地震数据，尤其是当噪声振幅能量和初至振幅能量接近时，拾取效果会变差，不能够适用于所有的地震数据。

申请公布号为CN107272066A的中国发明专利申请文件公开了一种含噪地震信号初至走时拾取方法及装置，包括：采用自适应噪声的完备集合经验模态分解方法对原始含噪声地震信号分解处理得到一系列从高频到低频的有限个IMF分量及残余分量；根据EIF有效指标函数筛选部分高频IMF分量进行小波阈值去噪；将小波阈值法去噪后的高频IMF分量和不做处理的低频IMF分量以及残余分量累加重构，即得到去噪后的地震信号。该含噪地震信号初至走时拾取方法及装置能够有效改善地震噪声压制的效果和提高初至波走时的拾取精度，为后续地震资料处理、解释的准确性创造条件，但是该方法只对高频分量进行去噪，若噪声集中在低频频段，那么该方法就无法对噪声进行有效去除，导致对初至波的拾取不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种地震初至波的去噪方法及装置，用于解决目前的去噪方法无法对低频段的噪声进行去噪导致初至拾取不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种地震初至波的去噪方法，步骤如下：

(1)获取待去噪地震初至波信号，并根据待去噪地震初至波信号确定其有效信号的中值；

(2)设定去噪频率范围以及去噪门槛值，判断在设定去噪频率范围内待去噪地震初至波信号的振幅能量与有效信号的中值的比值是否大于设定去噪门槛值；

(3)若大于设定去噪门槛值，则判定该待去噪地震初至波信号含有噪声信号，并对该信号进行缩放处理以消除噪声。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种地震初至波的去噪装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令以实现如下方法：

(1)获取待去噪地震初至波信号，并根据待去噪地震初至波信号确定其有效信号的中值；

(2)设定去噪频率范围以及去噪门槛值，判断在设定去噪频率范围内待去噪地震初至波信号的振幅能量与有效信号的中值的比值是否大于设定去噪门槛值；

(3)若大于设定去噪门槛值，则判定该待去噪地震初至波信号含有噪声信号，并对该信号进行缩放处理以消除噪声。

本发明的有益效果是：通过计算待去噪地震初至波信号的有效信号的中值，在设定去噪频率范围内，将待去噪地震初至波信号的振幅能量与有效信号的中值的比值与设定的门槛值进行比较，来确定是否含有噪声信号以进行去噪处理。本发明可以在尽量不改变初至波形态的前提下，对单炮数据进行去噪处理，且适用于去除所有频段的噪声，有效提高了初至波的分辨率。

作为方法和装置的进一步改进，为了获取所有类型的地震资料中有效信号的中值，所述步骤(1)中的有效信号的中值是通过对待去噪地震初至波信号进行曲波变换和曲波反变换得到的。

作为方法和装置的进一步改进，为了获取品质较好且单炮背景噪声较弱的地震资料中有效信号的中值，所述步骤(1)中的有效信号的中值是通过对信噪比≥设定信噪比阈值的地震资料利用算术平均数获得的。

作为方法和装置的进一步改进，为了可靠获取有效信号的中值，计算有效信号的中值的过程为：

对待去噪地震初至波信号进行曲波变换；

利用不低于设定层的曲波变换系数确定有效信号阈值，

将所有曲波变换系数中大于有效信号阈值的曲波变换系数赋值为零得到处理后的曲波变换结果；

对处理后的曲波变换结果进行曲波反变换得到有效信号，并计算有效信号的中值；

有效信号阈值的计算公式为：

其中，

为有效信号阈值，W_g(n:end,s,i,j)为设定层n以上的曲波变换系数，n:end表示从第n层到曲波分解最大层数L，s为方向，i为横向位置，j为纵向位置；

有效信号的中值的计算公式为：

其中，m为有效信号，S为有效信号m的中值，abs()为取绝对值函数，Max()为取最大值函数。

作为方法和装置的进一步改进，为了可靠去噪，对该噪声信号按照设定去噪门槛值/该噪声信号与有效信号的中值的比值进行缩放处理以消除噪声。

附图说明

图1是本发明地震初至波的去噪方法的流程图；

图2是本发明去噪前的原始初至波；

图3是本发明去噪后的初至波。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供了一种地震初至波的去噪方法，在尽量不改变初至波形态的前提下，对单炮数据进行去噪处理，提高了初至波的分辨率。具体的，该地震初至波的去噪方法的步骤流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

1.求取待去噪地震初至波有效信号的中值。

在本实施例中，利用曲波变换求取有效信号的中值，具体步骤如下：

(1)收集原始单炮地震数据，并对该单炮地震数据进行曲波变换，得到曲波变换系数W_g(l,s,i,j)。其中，l＝1,2,…,L，L为曲波分解层数，s＝1,2,…,S_l，S_l为第l层的方向数，i为横向位置，j为纵向位置。由于进行曲波变换的过程属于现有技术，此处不再赘述。

(2)异常噪声一般是低频大能量，主要分布在曲波系数的第1和2尺度层，因此在本实施例中，利用第3层以后的曲波系数，确定有效信号的振幅分布。此时，将设定层设置为第3层，利用不低于设定层的曲波变换系数确定有效信号阈值，有效信号阈值的计算公式为：

其中，

为有效信号阈值，W_g(3:end,s,i,j)为第3层以上的曲波变换系数，3:end表示从第3层到曲波分解最大层数L，s为方向，i为横向位置，j为纵向位置，Max()为取最大值函数，|()|为取绝对值函数。

(3)将第1和2层以及第3层以上的大于该有效信号阈值的曲波系数赋零，然后利用曲波反变换得到主要有效信号并计算有效信号的中值，计算公式为：

其中，m为有效信号，S为有效信号m的中值，abs()为取绝对值函数，Max()为取最大值函数。

2.设定去噪频率范围和去噪门槛值

具体的，通过频谱分析确定噪声频率的分布范围，设噪声频率主要分布在a频率与b频率之间，例如(a、b)取值(3，10)，即针对于大于第一设定频率3Hz且小于第二设定频率10Hz的信号进行去噪。由于奈奎斯特采样定律的限制，频率采样间隔同样不能过大，因此对3Hz以下信号以及10Hz以上信号保持原样不做处理。

3.消除噪声

具体的，在设定去噪频率范围内，计算待去噪地震初至波的振幅能量与有效信号的中值的比值，若比值大于设定去噪门槛值，则判定该待去噪地震初至波信号含有噪声信号，并对该噪声信号进行缩放处理以消除噪声；若比值小于或等于设定去噪门槛值，则不对该信号进行处理。

例如：令S′表示样本值振幅值，也就是待去噪地震初至波信号，S表示有效信号的中值即多个相邻的初至的平均振幅值，S′/S＝T₀(假设S′>S)。将设定去噪门槛值表示为T，当T₀>T时，则认为样本为异常振幅，并对此异常振幅按照T/T₀进行缩放，以压制噪声；当T₀≤T时，则样本不会进行缩放，即当前样本不会被认定为是噪声。

需要说明的是，设定去噪门槛值T需要根据实际应用进行设置，设定去噪门槛值T定义越小，对噪声压制能力越强；设定去噪门槛值T定义越大，对噪声压制能力越弱。值得注意的是，如果设定去噪门槛值T定义的过小，有可能损伤有效信号，如果设定去噪门槛值T定义的过大，噪声残留就越多。根据信号和噪声的分布情况，在不同的频率范围和时间范围根据设定去噪门槛值T进行噪声压制，会取得更好的去噪效果。例如在本实施例中，该设定去噪门槛值T取值为2，即当样本振幅强度小于等于中值的2倍时，认为此样本为有效信号，样本振幅强度大于中值的2倍时，则认为此样本含有噪声，例如样本振幅强度是有效信号的中值的3倍，则对样本值振幅进行2/3缩放。

为了验证上述地震初至波的去噪方法的有效性，对图2中的原始初至波进行处理，得到的去噪后的初至波如图3所示。通过对比去噪前后的初至波，说明上述的地震初至波的去噪方法具有很好的去噪效果，能够有效提高地震资料初至波分辨率，提高初至波拾取的准确度。

实施例2：

本实施例提供了一种地震初至波的去噪方法，该方法与实施例1中的方法的区别仅在于步骤1中求取待去噪地震初至波有效信号的中值的过程不同。在本实施例中，是利用算术平均数求取有效信号的中值，具体步骤如下：

针对品质较好且单炮背景噪声较弱的地震资料，为了提高计算效率，对于信噪比≥设定信噪比阈值即S/N≥2的单炮数据，直接计算出初至波振幅的算术平均数作为待去噪地震初至波有效信号的中值。设每炮有N道数据，每道的初至能量为S₁,S₂,S₃,…,S_n，利用算术平均数计算有效信号的中值的计算公式为：

实施例3：

本实施例提供了一种地震初至波的去噪方法，该方法与实施例1中的方法的区别仅在于步骤3中在消除噪声时，对样本值振幅的缩放比例不同。在本实施例中，当判定样本为异常振幅时，则对此异常振幅按照k倍的T/T₀进行缩放，以压制噪声。其中k为接近1的实数，可以取值为0.95～1.05。例如，当设定去噪门槛值T取值为2且样本振幅强度是有效信号的中值的3倍时，可以对样本值振幅进行2/3的1.01倍缩放。

实施例4：

本实施例提供了一种地震初至波的去噪装置，包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述实施例1中的地震初至波的去噪方法。对于本领域的技术人员来说，可以根据实施例1中的地震初至波的去噪方法，生成相应的指令，以得到本实施例中的地震初至波的去噪装置，此处不再赘述。

实施例5：

本实施例提供了一种地震初至波的去噪装置，包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述实施例2中的地震初至波的去噪方法。对于本领域的技术人员来说，可以根据实施例2中的地震初至波的去噪方法，生成相应的指令，以得到本实施例中的地震初至波的去噪装置，此处不再赘述。

实施例6：

本实施例提供了一种地震初至波的去噪装置，包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述实施例3中的地震初至波的去噪方法。对于本领域的技术人员来说，可以根据实施例3中的地震初至波的去噪方法，生成相应的指令，以得到本实施例中的地震初至波的去噪装置，此处不再赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地震初至波的去噪方法，其特征在于，步骤如下：

(1)获取待去噪地震初至波信号，并根据待去噪地震初至波信号确定其有效信号的中值；

(2)设定去噪频率范围以及去噪门槛值，判断在设定去噪频率范围内待去噪地震初至波信号的振幅能量与有效信号的中值的比值是否大于设定去噪门槛值；

(3)若大于设定去噪门槛值，则判定该待去噪地震初至波信号含有噪声信号，并对该信号进行缩放处理以消除噪声。

2.根据权利要求1所述的地震初至波的去噪方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有效信号的中值是通过对待去噪地震初至波信号进行曲波变换和曲波反变换得到的。

3.根据权利要求1所述的地震初至波的去噪方法，其特征在于，所述步骤(1)中的有效信号的中值是通过对信噪比≥设定信噪比阈值的地震资料利用算术平均数获得的。

4.根据权利要求2所述的地震初至波的去噪方法，其特征在于，计算有效信号的中值的过程为：

对待去噪地震初至波信号进行曲波变换；

利用不低于设定层的曲波变换系数确定有效信号阈值，

将所有曲波变换系数中大于有效信号阈值的曲波变换系数赋值为零得到处理后的曲波变换结果；

对处理后的曲波变换结果进行曲波反变换得到有效信号，并计算有效信号的中值；

有效信号阈值的计算公式为：

其中，

为有效信号阈值，W_g(n:end,s,i,j)为设定层n以上的曲波变换系数，n:end表示从第n层到曲波分解最大层数L，s为方向，i为横向位置，j为纵向位置；

有效信号的中值的计算公式为：

其中，m为有效信号，S为有效信号m的中值，abs()为取绝对值函数，Max()为取最大值函数。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的地震初至波的去噪方法，其特征在于，对该噪声信号按照设定去噪门槛值/该噪声信号与有效信号的中值的比值进行缩放处理以消除噪声。

6.一种地震初至波的去噪装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令以实现如下方法：

(1)获取待去噪地震初至波信号，并根据待去噪地震初至波信号确定其有效信号的中值；

(2)设定去噪频率范围以及去噪门槛值，判断在设定去噪频率范围内待去噪地震初至波信号的振幅能量与有效信号的中值的比值是否大于设定去噪门槛值；

(3)若大于设定去噪门槛值，则判定该待去噪地震初至波信号含有噪声信号，并对该信号进行缩放处理以消除噪声。

7.根据权利要求6所述的地震初至波的去噪装置，其特征在于，所述步骤(1)中的有效信号的中值是通过对待去噪地震初至波信号进行曲波变换和曲波反变换得到的。

8.根据权利要求6所述的地震初至波的去噪装置，其特征在于，所述步骤(1)中的有效信号的中值是通过对信噪比≥设定信噪比阈值的地震资料利用算术平均数获得的。

9.根据权利要求7所述的地震初至波的去噪装置，其特征在于，计算有效信号的中值的过程为：

对待去噪地震初至波信号进行曲波变换；

利用不低于设定层的曲波变换系数确定有效信号阈值，

将所有曲波变换系数中大于有效信号阈值的曲波变换系数赋值为零得到处理后的曲波变换结果；

对处理后的曲波变换结果进行曲波反变换得到有效信号，并计算有效信号的中值；

有效信号阈值的计算公式为：

其中，

为有效信号阈值，W_g(n:end,s,i,j)为设定层n以上的曲波变换系数，n:end表示从第n层到曲波分解最大层数L，s为方向，i为横向位置，j为纵向位置；

有效信号的中值的计算公式为：

其中，m为有效信号，S为有效信号m的中值，abs()为取绝对值函数，Max()为取最大值函数。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的地震初至波的去噪装置，其特征在于，对该噪声信号按照设定去噪门槛值/该噪声信号与有效信号的中值的比值进行缩放处理以消除噪声。

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