CN117148443A - 基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，属于地震资料处理与分析领域，所述方法包括基于自相关谱分析的鬼波周期或延迟时提取，基于时间延迟的鬼波预测，基于最小平方滤波的鬼波剔除，鬼波的提取与转换，高信噪比剖面的合成。本发明方法实现了鬼波的预测与压制，并将提取的鬼波剖面转换为一次波剖面。通过衰减鬼波后的剖面与鬼波转换的一次波剖面相加，能够得到信噪比显著增强的浅剖数据。处理后的浅剖数据能够精确反映实际的地质构造与层位信息，并能为后续的多次波压制过程提供高精度的数据。

Description

基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法
技术领域
本发明涉及地震资料处理与分析领域，是一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法。
背景技术
浅层剖面勘测方法是一种基于声学原理的连续走航式探测水下浅地层结构和构造的地球物理方法,是进行海洋地球物理调查的常用手段之一,其利用声波在海水和海底沉积物中的传播和反射特性及规律对海底沉积物结构和构造进行连续探测，从而获得直观的海底浅部地层结构剖面。浅地层剖面方法测量结果连续性好，能快速地探测水下地层的地质特征及其分布，并且纵向分辨率较高,因此其在海洋调查中得到了广泛的应用。
采用某些类型的设备进行浅地层剖面测量时，若无法有效遮挡由地下反射回来的地震波，其到达海面后发生下行反射，被采集装置接收后形成具有一定周期、振幅较强的鬼波干扰。一般来说，鬼波与同时段的有效信号相交或重合，打断了海底以下地质层位的分布趋势，甚至会掩盖有效的层位信息。此外，在缺乏有效认识的情况下，鬼波会形成虚假构造，将严重影响资料的真实性与可靠性，进而误导后续的地质解释。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其目的是根据鬼波与一次波的周期性对其进行预测与压制，并利用原始与压制剖面的差提取出前者中的鬼波信号。在已知鬼波周期的情况下，基于鬼波预测的反过程将提取的鬼波剖面转换为一次波剖面。随后，将衰减鬼波后的剖面与鬼波转换的一次波剖面相加，从而得到信噪比显著增强的浅剖数据。
本发明是通过如下技术方案来实现的:
基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，所述方法包括（1）基于自相关谱分析的鬼波周期或延迟时提取，（2）基于时间延迟的鬼波预测，（3）基于最小平方滤波的鬼波剔除，（4）鬼波的提取与转换，（5）高信噪比剖面的合成。
进一步，所述的基于自相关谱分析的鬼波周期或延迟时提取为对于浅剖面数据中具有周期性特征的鬼波干扰，使用自相关谱分析获取其准确延迟时。具体为分析鬼波与一次波二者间的周期性，令最大的相关延迟时为m，要求m的值大于鬼波周期，创建浅剖数据s(x,t)的自相关谱，可得
（1）
其中，s(x,t)表示浅剖数据，x表示剖面中各道数据的坐标，t代表旅行时；r(x,t)表示浅剖数据的自相关谱，τ为相关延迟时；
在基于式（1）所创建的相关谱r(x,t)中，通过在谱中拾取极小值的方式获得鬼波周期或延迟时，其表示为一条随坐标x变化的旅行时曲线Δτ(x)，即
（2）
其中，Δτ表示鬼波的周期或延迟时；min表示通过人工拾取方式获得相关谱中鬼波周期的过程。
所述的基于时间延迟的鬼波预测；设海面的反射系数为-1，在已知鬼波周期或延迟时的情况下，利用原始数据来预测鬼波数据，时间域的鬼波预测方程为
（3）
其中，A(x)表示鬼波传播的几何扩散效应，v为海水速度，通常取1500m/s；g(x,t)为预测的鬼波剖面。
进一步，所述的基于最小平方滤波的鬼波剔除，采用最小平方滤波技术进行鬼波压制；对于基于L2范数的自适应相减处理，通过使下式中的误差能量平方和e值为最小来确定滤波因子
（4）
其中，a表示待求取的滤波因子；向量s与g分别代表原始剖面s(x,t)以及预测的鬼 波剖面g(x,t)；*表示褶积运算，基于L2范数的最小平方约束过程；
通过求解式(4)可获得滤波因子a，当滤波因子a的长度为1时，直接给出滤波因子的计算公式
（5）
式中，a表示长度为1的滤波因子；向量s与g分别代表原始剖面s(x,t)以及预测的鬼波剖面g(x,t)；上标“T”表示矩阵的转置运算；
将滤波因子a代入下式实现鬼波的压制，相应的计算公式为
（6）
式中，p(x,t)表示剔除鬼波的浅剖数据。
进一步，所述的鬼波的提取与转换，通过对衰减鬼波前、后的数据作差获得原始数据中的鬼波剖面，其计算过程可表示为
（7）
其中，g′(x,t)表示由原始中提取的鬼波剖面；在已知鬼波周期或延迟时的情况下，将公式（7）所提取的鬼波剖面转换为一次波剖面，该过程为鬼波预测的反过程；设海面的反射系数为-1，将鬼波转换为一次波的过程为
（8）
其中，p′(x,t)为表示利用鬼波记录g′(x,t)生成的一次波波剖面。
进一步，所述的高信噪比剖面的合成；将衰减鬼波后的剖面与鬼波转换的一次波剖面相叠加，从而得到信噪比增强的浅剖数据，即
（6）
式中，d(x,t)表示信噪比得到显著增强的浅剖数据。
本发明与现有技术相比的有益效果：本发明方法实现了鬼波的预测与压制，并将提取的鬼波剖面转换为一次波剖面。通过衰减鬼波后的剖面与鬼波转换的一次波剖面相加，能够得到信噪比显著增强的浅剖数据。处理后的浅剖数据能够精确反映实际的地质构造与层位信息，并能为后续的多次波压制过程提供高精度的数据。
附图说明
图1为H海域Z1测线原始浅剖数据示例；
图2为浅剖数据自相关与拾取的鬼波周期；
图3为预测的鬼波剖面示例；
图4为衰减鬼波后的浅剖数据示例；
图5为原始数据中提取的鬼波剖面示例；
图6为鬼波剖面转换的一次波波剖面示例；
图7为衰减鬼波后的剖面与鬼波转换的一次波剖面相加结果。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图来对本发明的技术方案做进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。
本实施例是基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，具体的实施过程主要分为以下四步：（1）基于自相关谱分析的鬼波周期（或延迟时）提取；（2）基于时间延迟的鬼波预测；（3）基于最小平方滤波的鬼波剔除；（4）鬼波的提取与转换；（5）高信噪比剖面的合成。
实施例1
H海域为硬海底区域，海底起伏剧烈，平均水深约45m，Z测线为炮间距为1m，接收道数为1，道间距为1m；记录的采样间隔为0.1ms的浅地层剖面记录。进行浅地层剖面测量时，由地下反射回来的地震波到达海面后发生下行反射，被采集装置接收后形成周期约为5毫秒、振幅较强的鬼波干扰。鬼波同相轴与同时段的有效信号相交或重合，打断了海底以下地质层位的分布趋势，掩盖了有效的层位信息，因此需要进行鬼波压制与有效信号增强处理。
以下结合附图详细阐述本发明的具体实施过程：
（1）基于自相关谱分析的鬼波周期（或延迟时）提取。对于图1所示的浅剖数据，其中含有周期性特征的鬼波干扰，自相关谱分析是获取其准确延迟时的有效办法。为分析鬼波与一次波二者间的周期性，令最大的相关延迟时为m（要求m的值大于鬼波周期），创建浅剖数据s(x,t)的自相关谱，可得
（1）
其中，s(x,t)表示浅剖数据，x表示剖面中各道数据的坐标，t代表旅行时；r(x,t)表示浅剖数据的自相关谱，τ为相关延迟时。
由于海面的反射系数接近-1，在基于式（1）所创建的相关谱r(x,t)中，一次波与鬼波因极性相反其相关值表现为负值。因此，可通过在谱中拾取极小值的方式获得鬼波周期（或延迟时），其可以表示为一条随坐标x变化的旅行时曲线Δτ(x)，即
（2）
其中，Δτ表示鬼波的周期（或延迟时）；min表示通过人工拾取方式获得相关谱中鬼波周期的过程。
令最大的鬼波相关延迟时为30毫秒，创建如图1所示浅剖数据的自相关谱，所得结果如图2所示。经过分析可知，谱中旅行时约为5毫秒的位置存在振幅将强的水平同相轴，其为鬼波与一次波的相关能量。随后，利用交互拾取的方式获得了鬼波周期曲线（见图2中白色曲线）。
（2）基于时间延迟的鬼波预测。与一次波相比，鬼波增加了海面位置上行与下行的传播过程，其旅行时大于与之相关的一次波。设海面的反射系数为-1，在已知鬼波周期（或延迟时）的情况下，则可利用原始数据来预测鬼波数据，时间域的鬼波预测方程为
（3）
其中，A(x)表示鬼波传播的几何扩散效应，v为海水速度，通常取1500m/s；g(x,t)为预测的鬼波剖面。
输入图1所示的浅剖数据，利用拾取的鬼波周期基于公式（3）进行鬼波预测，获得了如图3所示的鬼波记录，其中仅含有鬼波干扰，预测旅行时与原始记录中的基本一致。
（3）基于最小平方滤波的鬼波剔除。由于预测的鬼波（见图3）与原始数据（见图1）中的鬼波存在波形与振幅差异，需要采用最小平方滤波技术进行鬼波压制。对于基于L2范数的自适应相减处理，通过使下式中的误差能量平方和e值为最小来确定滤波因子
（4）
其中，a表示待求取的滤波因子；向量s与g分别代表原始剖面s(x,t)以及预测的鬼 波剖面g(x,t)；*表示褶积运算，基于L2范数的最小平方约束过程。
通过求解式(4)可获得滤波因子a，当滤波因子a的长度为1时，可避免线性方程组的求解，而直接给出滤波因子的计算公式
（5）
式中，a表示长度为1的滤波因子；向量s与g分别代表原始剖面s(x,t)以及预测的鬼波剖面g(x,t)；上标“T”表示矩阵的转置运算。
将滤波因子a代入下式即可实现鬼波的压制，相应的计算公式为
（6）
式中，p(x,t)表示剔除鬼波的浅剖数据。
输入图1所示的原始剖面与图3所示的鬼波记录，基于公式（5）求取滤波因子，然后根据公式（6）进行鬼波压制，所得结果见图4，原始剖面中的鬼波干扰得到了有效压制。
（4）鬼波的提取与转换。通过对衰减鬼波前、后的数据作差可以获得原始数据中的鬼波剖面，其计算过程可表示为
（7）
其中，g′(x,t)表示由原始中提取的鬼波剖面。
在已知鬼波周期（或延迟时）的情况下，可将公式（7）所提取的鬼波剖面转换为一次波剖面，该过程为鬼波预测的反过程。设海面的反射系数为-1，将鬼波转换为一次波的过程为
（8）
其中，p′(x,t)为表示利用鬼波记录g′(x,t)生成的一次波波剖面。
通过对图1与图4所示衰减鬼波前、后的数据作差，提取原始剖面中的鬼波剖面（见图5），然后根据公式（8）将其转换为一次波信号，所得结果如图6所示，其中的一次波信号与原始记录中的基本一致。
（5）高信噪比剖面的合成。为了压制浅剖数据s(x,t)中的随机噪音，提高数据的信噪比，改善剖面中同相轴的连续性，可将衰减鬼波后的剖面与鬼波转换的一次波剖面相叠加，从而得到信噪比增强的浅剖数据，即
（6）
式中，d(x,t)表示信噪比得到显著增强的浅剖数据。
为了改善图4所示衰减鬼波记录的信噪比，将其与鬼波转换的一次波剖面（见图5）相叠加，从而得到了如图7所示的浅剖数据，其信噪比得到明显提升，能够精确反映实际的地质构造与层位信息，并为后续的多次波压制过程提供了高精度的输入数据。

Claims (7)

1.一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其特征在于，所述方法包括（1）基于自相关谱分析的鬼波周期或延迟时提取，（2）基于时间延迟的鬼波预测，（3）基于最小平方滤波的鬼波剔除，（4）鬼波的提取与转换，（5）高信噪比剖面的合成。
2.根据权利要求1所述的一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其特征在于，所述的基于自相关谱分析的鬼波周期或延迟时提取为对于浅剖面数据中具有周期性特征的鬼波干扰，使用自相关谱分析获取其准确延迟时。
3.根据权利要求2所述的一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其特征在于，分析鬼波与一次波二者间的周期性，令最大的相关延迟时为m，要求m的值大于鬼波周期，创建浅剖数据s(x,t)的自相关谱，得
（1）
其中，s(x,t)表示浅剖数据，x表示剖面中各道数据的坐标，t代表旅行时；r(x,t)表示浅剖数据的自相关谱，τ为相关延迟时；
在基于式（1）所创建的相关谱r(x,t)中，通过在谱中拾取极小值的方式获得鬼波周期或延迟时，其表示为一条随坐标x变化的旅行时曲线Δτ(x)，即
（2）
其中，Δτ表示鬼波的周期或延迟时；min表示通过人工拾取方式获得相关谱中鬼波周期的过程。
4.根据权利要求3所述的一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其特征在于，所述的基于时间延迟的鬼波预测；设海面的反射系数为-1，在已知鬼波周期或延迟时的情况下，利用原始数据来预测鬼波数据，时间域的鬼波预测方程为
（3）
其中，A(x)表示鬼波传播的几何扩散效应，v为海水速度，g(x,t)为预测的鬼波剖面。
5.根据权利要求4所述的一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其特征在于，所述的基于最小平方滤波的鬼波剔除，采用最小平方滤波技术进行鬼波压制；对于基于L2范数的自适应相减处理，通过使下式中的误差能量平方和e值为最小来确定滤波因子
（4）
其中，a表示待求取的滤波因子；向量s与g分别代表原始剖面s(x,t)以及预测的鬼波剖面g(x,t)；*表示褶积运算，基于L2范数的最小平方约束过程；
通过求解式(4)可获得滤波因子a，当滤波因子a的长度为1时，直接给出滤波因子的计算公式
（5）
式中，a表示长度为1的滤波因子；向量s与g分别代表原始剖面s(x,t)以及预测的鬼波剖面g(x,t)；上标“T”表示矩阵的转置运算；
将滤波因子a代入下式实现鬼波的压制，相应的计算公式为
（6）
式中，p(x,t)表示剔除鬼波的浅剖数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其特征在于，所述的鬼波的提取与转换，通过对衰减鬼波前、后的数据作差获得原始数据中的鬼波成分，其计算过程可表示为
（7）
其中，g′(x,t)表示由原始中提取的鬼波剖面；
在已知鬼波周期或延迟时的情况下，将公式（7）所提取的鬼波剖面转换为一次波剖面，该过程为鬼波预测的反过程；设海面的反射系数为-1，将鬼波转换为一次波的过程为
（8）
其中，p′(x,t)为表示利用鬼波记录g′(x,t)生成的一次波波剖面。
7.根据权利要求6所述的一种基于鬼波提取与转换的浅剖数据信噪比增强方法，其特征在于，所述的高信噪比剖面的合成，将衰减鬼波后的剖面与鬼波转换的一次波剖面相叠加，从而得到信噪比增强的浅剖数据，即
（6）
式中，d(x,t)表示信噪比得到显著增强的浅剖数据。
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