CN116299713B - 用于三分量地震背景噪声的时频双域p波提取及映射成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，包括：S1，对原始三分量地震背景噪声数据进行预处理，并设置时间窗口长度；S2，对三分量地震背景噪声数据进行时间域极化滤波，分离纵波和横波；S3，对上述时间域极化滤波后的数据进行频域数据筛选，进一步消除背景噪声数据中的低频面波信号，突显P波能量；S4，输出处理后的背景噪声数据；S5，对步骤S4输出的处理后的背景噪声数据进行映射成像计算及映射剖面输出，得到勘探区域的地震映射结果。该方法最大限度地弱化了地震背景噪声中的面波、突显了体波能量，其分离效果极佳，进一步优化了地质解译效果，具有绿色无损、易实施、成本低等优势。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探技术领域，尤其涉及一种用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法。
背景技术
地震背景噪声成像技术是二十一世纪以来地震学领域最重要的突破性进展，该技术利用连续地震记录中普遍存在的“背景噪声”，通过单台站内或不同台站间连续信号的自(互)相关提取经验格林函数，并用以提取地质构造和属性信息。相比于传统地震探测技术，背景噪声成像技术从随机场源微扰信号中提取地下介质信息，具备成像分辨率高、观测时效好、重复性好、能够实现无损勘察等优势。近年来，随着该方法的不断深入发展，地震背景噪声成像逐渐从地壳、地幔与岩石圈等地球深部结构探测延伸到固体矿集区和城市地下空间全要素成像等浅地表勘察领域，并取得了日渐广泛的应用。
在众多地震背景噪声成像技术当中，以利用面波频散效应进行横波速度反演为主，原因在于地表附近震源(人类活动)所激发的能量多为面波能量；相对而言，地震背景噪声中的体波能量(主要指P波)属于弱信号，往往不予充分利用。将体波信号从地震背景噪声中分离出来有益于后续开展背景噪声反射波地震勘探研究，并提供更加丰富的地下参数信息及成像结果。现有分离技术中，通常基于面波和体波信号的频谱差异进行波型分离，然而由于频谱混叠效应，这类技术的分离效果不佳。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种分离效果好、能优化地质解译效果、保证设计和施工安全的用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，包括以下步骤：
S1，对原始三分量地震背景噪声数据进行预处理，并设置时间窗口长度；
S2，对三分量地震背景噪声数据进行时间域极化滤波，分离纵波和横波，包括以下分步骤；
S21，计算时间窗口内三分量X、Y、Z地震背景噪声数据的协方差矩阵C：
其中：
xi、yi、zi分别为X、Y、Z三分量数据的第i个数；
分别为X、Y、Z三分量数据的均值；
K为时间窗口内采样点数；
S22，对步骤S21得到的协方差矩阵进行奇异值分解，得到协方差矩阵的奇异值和奇异值向量(V1,V2,V3)；
S23，根据所述奇异值向量计算最大极化方向的倾角angle，
其中，V1,x、V1,y、V1,z分别为奇异值向量V1中的三个分量；
S24，根据最大极化方向倾角进行P波、横波判别：
如果某一个台站接收到的倾角angle接近0度，则该时间窗口所对应的波形为P波；如果某一个台站接收到的倾角接近90度，则该时间窗口所对应的波形为横波；
S3，对上述时间域极化滤波后的数据进行频域数据筛选，进一步消除背景噪声数据中的低频面波信号，突显P波能量，包括：
S31，对数据进行带通滤波，保存有效频带范围；
S32，对噪声数据进行自相关计算，并自动增益，进行能量均衡；
S33，将增益后的自相关记录转换到频率域，对其功率谱进行统计分析，计算方差S2，得到对应的功率谱，方差S2的计算公式如下：
其中，F(f)为自相关记录的功率谱；N为功率谱中的频率点数；为功率谱均值；
S34，根据功率谱的统计性规律对频域数据进行筛选：根据体波功率谱比较平滑、面波功率谱比较震荡的性质，认定方差S2大于一定阈值的信号为面波，其余信号为P波；
S4，输出处理后的背景噪声数据；
S5，对步骤S4输出的处理后的背景噪声数据进行映射成像计算及映射剖面输出，得到勘探区域的地震映射结果。
上述的步骤S5中，映射成像的计算公式为：
其中index为x,y或z时分别表示地震背景噪声的X、Y或Z分量，Iindex(t)为映射成像结果，M为地震背景噪声记录分割的时间窗口个数，RindexRindex(t)表示相应分量某一时间窗口内信号的自相关函数。
优选的是，步骤S31中所述有效频带范围为3Hz-40Hz；步骤S34中所述一定阈值为0.7。
步骤S1所述的预处理包括：
S11，进行趋势项去除操作；
S12，进行第一次归一化：根据设置的阈值对绝对值大于阈值的数据进行置零，消除信号中的野值和均衡不同地震道之间的能量；
S13，进行第二次归一化处理；
S14，设置时间窗口长度。优选的时间窗口长度为500ms。
本发明提供了一种新的应用于三分量地震背景噪声的时-频双域体波提取技术，基于此，进一步提供了地震映射成像方法。通过获取勘探区域中设置的每个地震仪采集到的三分量背景噪声信号，并在时-频双域分别进行极化滤波和数据筛选，弱化了地震背景噪声中的面波能量,增强了体波能量。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的用于地震背景噪声的时-频双域P波提取方法充分利用了面波、体波在时间域的偏振极化差异以及在频率分布上的不同，最大限度地弱化了地震背景噪声中的面波、突显了体波能量，分离效果极佳；
(2)本发明的基于地震背景噪声的映射成像方法，额外为被动源勘察提供了一种成像结果，进一步优化了地质解译效果，保证了设计、施工安全。
(3)相比于传统人工源映射成像技术，本发明方法具有绿色无损、易实施、成本低等优势。
附图说明
图1为本发明的时频双域P波提取及映射成像方法的流程图；
图2-图4分别为去趋势项、第一次归一化和第二次归一化后的Z分量背景噪声数据；
图5为时域极化滤波处理后的Z分量背景噪声数据。
图6的a、b两图分别为原始Z分量背景噪声数据获取的虚拟炮集和P波提取后的虚拟炮集。
图7为本发明实施例的映射成像结果。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明的用于三分量地震背景噪声的时-频双域P波提取方法包括以下步骤：
S1，对原始三分量地震背景噪声数据进行预处理：
为了消除仪器效应对噪声信号的影响，首先进行趋势项去除操作；其次，为了消除信号中的野值和均衡不同地震道之间的能量，先进行第一次归一化，根据设置的阈值(本实施例中取0.6)，对绝对值大于阈值的数据进行置零；然后再进行第二次归一化处理；最后设置时间窗口长度，为后续处理做准备。本实施例中，时间窗口长度取500ms。
以对Z分量背景噪声的预处理为例，图2-图4所示依次为去趋势项、第一次归一化和第二次归一化后的Z分量背景噪声数据，从图中可以看出经过两次归一化后的图4中的噪声信号能量更加均衡，相比于图2和图3不存在野值现象。
S2，步骤S1预处理后的三分量地震背景噪声数据进行时间域极化滤波。包括以下分步骤：
S21，计算时间窗口内三分量X、Y、Z数据的协方差矩阵C：
其中：
xi、yi、zi分别为X、Y、Z三分量数据的第i个数；
分别为X、Y、Z三分量数据的均值；
K为时间窗口内采样点数；
S22，对步骤S21得到的协方差矩阵进行奇异值分解，得到协方差矩阵的奇异值和奇异值向量(V1,V2,V3)。
S23，根据所述奇异值向量计算最大极化方向的倾角angle：
其中V1,x，V1,y，V1,z分别为奇异值向量V1中的三个分量。
S24，根据最大极化方向倾角进行纵、横波判别：
如果某一个台站接收到的倾角angle接近0度，则该时间窗口所对应的波形为P波；如果某一个台站接收到的倾角接近90度，则该时间窗口所对应的波形为横波。图5为通过时间域极化滤波去除横波(面波)信息后的Z分量背景噪声数据，可以看到通过极化滤波技术，在地震背景噪声中去除了大量的富含横波能量的信号，在图5中主要表现为时间序列的中断。
S3，对上述时间域极化滤波后的数据进行频域数据筛选，进一步消除背景噪声数据中的低频面波信号，突显P波能量。具体步骤中下：
S31，对数据进行带通滤波，保存有效频带范围。本实施例中，带通滤波范围为3Hz-40Hz。
S32，对噪声数据进行自相关计算，并自动增益，进行能量均衡；
S33，将增益后的自相关记录转换到频率域，对其功率谱进行统计分析，计算方差S2，得到对应的功率谱，方差S2的计算公式如下：
其中：
F(f)为自相关记录的功率谱；
N为功率谱中的频率点数；
为功率谱均值。
S34，根据功率谱的统计性规律对频域数据进行筛选：根据体波功率谱比较平滑、面波功率谱比较震荡的性质，认定方差S2大于一定阈值的信号为面波，其余信号为P波。本实施例中，方差阈值设置为0.7。
S4，输出处理后的背景噪声数据：
图6的a、b两图分别为原始Z分量背景噪声数据获取的虚拟炮集和P波提取后的虚拟炮集。可以明显看到，原始数据得到的虚拟炮集中面波能量占主导地位，而经过时-频双域P波提取后的虚拟炮记录中则存在明显的体波双曲同相轴。(图中圈出的部分)
S5，对步骤S4输出的处理后的背景噪声数据进行映射成像计算及映射剖面输出，得到勘探区域的地震映射结果：
对地震背景噪声进行P波提取之后，背景噪声中的面波以及横(S)波信息被大量去除，剩下的绝大部分能量均来自于P波。对步骤S4输出的处理后的背景噪声数据进行映射成像计算及映射剖面输出，可以得到勘探区域的地震映射结果。具体的以Z分量背景噪声数据进行映射成像为例，有：
其中，index＝z；
Iindex为Z分量映射成像结果；
M为Z分量背景噪声记录分割的时间窗口个数；
RindexRindex为Z分量某一时间窗口内信号的自相关函数。
即：通过某一时间段地震背景噪声信号的自相关可以有效提取出该勘探点位置的自响应函数，即自激自收的映射记录；通过把长时间地震背景噪声进行分段、互相关、叠加后，可以明显提高映射记录信噪比；把所有勘探点的映射记录一次排列起来，便是映射成像剖面，可用于后续的地质解译。
图7为本发明一个实施例的映射剖面(成像结果)，通过分析发现椭圆位置存在同相轴不连续现象，可解释为存在异常，与其他勘察结果进行综合解释，可以优化地质解译效果，保证设计和施工安全。
Claims (6)
1.一种用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，包括以下步骤：
S1，对原始三分量地震背景噪声数据进行预处理，并设置时间窗口长度；
S2，对三分量地震背景噪声数据进行时间域极化滤波，分离纵波和横波，包括以下分步骤；
S21，计算时间窗口内三分量X、Y、Z地震背景噪声数据的协方差矩阵C：
其中：
xi、yi、zi分别为X、Y、Z三分量数据的第i个数；
分别为X、Y、Z三分量数据的均值；
K为时间窗口内采样点数；
S22，对步骤S21得到的协方差矩阵进行奇异值分解，得到协方差矩阵的奇异值和奇异值向量(V1,V2,V3)；
S23，根据所述奇异值向量计算最大极化方向的倾角angle:
其中，V1,x、V1,y、V1,z分别为奇异值向量V1中的三个分量；
S24，根据最大极化方向倾角进行P波、横波判别：
如果某一个台站接收到的倾角angle接近0度，则该时间窗口所对应的波形为P波；如果某一个台站接收到的倾角接近90度，则该时间窗口所对应的波形为横波；
S3，对上述时间域极化滤波后的数据进行频域数据筛选，进一步消除背景噪声数据中的低频面波信号，突显P波能量，包括：
S31，对数据进行带通滤波，保存有效频带范围；
S32，对噪声数据进行自相关计算，并自动增益，进行能量均衡；
S33，将增益后的自相关记录转换到频率域，对其功率谱进行统计分析，计算方差S2，得到对应的功率谱，方差S2的计算公式如下：
其中，F(f)为自相关记录的功率谱；N为功率谱中的频率点数；为功率谱均值；
S34，根据功率谱的统计性规律对频域数据进行筛选：根据体波功率谱比较平滑、面波功率谱比较震荡的性质，认定方差S2大于一定阈值的信号为面波，其余信号为P波；
S4，输出处理后的背景噪声数据；
S5，对步骤S4输出的处理后的背景噪声数据进行映射成像计算及映射剖面输出，得到勘探区域的地震映射结果。
2.根据权利要求1所述的用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，其特征在于，步骤S5中映射成像的计算公式为：
其中index为x，y或z时分别表示地震背景噪声的X、Y或Z分量，Iindex(t)为映射成像结果，M为地震背景噪声记录分割的时间窗口个数，RindexRindex(t)表示相应分量某一时间窗口内信号的自相关函数。
3.根据权利要求1所述的用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，其特征在于：步骤S31中所述有效频带范围为3Hz-40Hz。
4.根据权利要求1所述的用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，其特征在于：步骤S34中所述一定阈值为0.7。
5.根据权利要求1所述的用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，其特征在于，步骤S1所述的预处理包括：
S11，进行趋势项去除操作；
S12，进行第一次归一化：根据设置的阈值对绝对值大于阈值的数据进行置零，消除信号中的野值和均衡不同地震道之间的能量；
S13，进行第二次归一化处理；
S14，设置时间窗口长度。
6.根据权利要求5所述的用于三分量地震背景噪声的时频双域P波提取及映射成像方法，其特征在于：步骤S14所述时间窗口长度为500ms。
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