非线性二维时频峰值滤波算法在地震勘探随机噪声压制中的应用

论文摘要

随着全球对油气及矿藏资源需求量的不断增多，未知油气田及矿藏资源的开发成为目前地震勘探工作中的重点和难点。然而，地下构造及资源埋藏条件等不确定因素给勘探工作带来了很多困难。这就要求我们具备有效的地震资料处理手段，可以保证从地震勘探过程所采集到的地震数据中发现更多的有效信息，从而为新资源的开发提供有利依据。未知的埋藏条件及复杂的勘探环境使得采集到的地震数据中通常包含大量的噪声，具有较低的信噪比，有效信息淹没其中难以辨识。我们通常将地震噪声分为两大类：随机噪声和相关噪声。本文的研究对象是陆地地震勘探中的随机噪声，随机噪声是不规则的、没有规律的，且相邻道间彼此是互不相关的，它们没有固定的频率，几乎分布于整个频带，严重影响着地震记录的信噪比。因此随机噪声压制是地震数据处理中的重点和难点。我们针对复杂条件下地震资料中随机噪声的压制处理，分析了传统时频峰值滤波算法在地震勘探信号处理过程中存在的不足，基于径向轨线时频峰值滤波思想，提出了一种时频峰值滤波非线性二次轨线模型，并通过大量合成记录和实际地震资料，对新模型进行了性能验证。本文首先对地震勘探的基本原理、目前国内外研究现状以及地震波的性质等多方面地震勘探的相关知识进行了介绍，使我们可以更深的认识地震勘探，熟悉地震勘探信号处理的目的及研究意义。对时频峰值滤波方法的基本原理及现有改进时频峰值滤波方法的优缺点进行分析讨论，分别从轨线类型及特征、窗长的长短对去噪效果的影响等多个方面进行探讨，为后续研究奠定基础。针对新模型分别从模型的建立、滤波轨线的选取及样本重采样方案等方面进行详细说明。传统时频峰值滤波的输入信号是包含多个频率成分的一道地震记录，根据最优窗长与有效信号主频之间的关系可知，不同的频率具有各自不同的最优窗长。因此，传统时频峰值滤波中采用的固定窗长是无法实现对所有频率成分的有效估计的，部分频率成分会由于窗长不合适发生严重损失。其次，根据时频峰值滤波对湮没于高斯白噪声中线性信号的无偏估计性可知，含噪信号中有效信号的线性度越高，时频峰值滤波对其造成的估计偏差越小。而在最近被提出的径向轨线时频峰值滤波方法中，由于径向轨线的倾斜方向固定，而地震记录中的同相轴通常呈弯曲状态，且方向不固定，因此部分同相轴与轨线不能达到良好的匹配，从而造成有效信号的线性度得不到有效提高，可见径向轨线模型仍然存在缺陷，有待进一步改进。由于滤波轨线（即重采样轨迹）与同相轴的匹配程度决定了有效信号线性度提高的多少。于是，我们针对弯曲同相轴的情况，将平行的径向轨线发展为弯曲的二次轨线，分别提出了时频峰值滤波的抛物轨线模型及双曲轨线模型。对于弯曲的同相轴，二次轨线与轴的匹配程度明显高于径向轨线与同相轴的匹配程度，从而充分地提高了有效信号线性度。本文提出的二次轨线模型首先对含噪记录沿一些二次轨线进行重采样，将记录变换到一个新的作用域内，在新作用域内，有效信号的线性度大大提高，从而降低了时频峰值滤波过程中瞬时频率估计的偏差，更完整地保持了有效成分。在抛物轨线模型中，针对最优滤波轨线选取问题，我们采用了基于Canny算子的边缘检测法估计出含噪记录中同相轴的大致边缘，再利用曲线拟合技术通过这些边缘逻辑值拟合得到轴的包络线，并将包络线与不同弯曲程度的二次轨线进行相似度判定，相似度最大的轨线即为最优滤波轨线。在样本重采样过程中采用将时刻点与轨线交点作为样本点的提取方案。与按道与轨线交点的提取方案相比，该方案增加了采样序列中的样本数量，减少了提取数据序列中信号突变的现象，使采样结果更准确。同时为了保证提取样本序列的平滑性及有效成分的完整保持，我们还利用了插值技术对位移方向数据进行扩容，从而减少样本序列中的尖峰和毛刺，使滤波效果更理想，同时也更完整地保持了有效成分。在双曲轨线模型中，轨线的离心率可以随着记录中同相轴的弯曲程度进行调节，沿双曲轨线进行重采样的过程可以近似为将含噪地震记录由原来的位移-时间域变换到一个新的作用域。在新作用域内，有效信号主频降低，线性度大大提高。与抛物轨线模型相比，新模型在重采样过程中不是简单的采用就近原则，而是利用插值技术对数据进行扩容，提高了采样的准确度。此外，最优滤波轨线的选取方法适用性更强，原来的基于Canny算子的边缘检测法对同相轴的性质要求较高，且需要根据不同的含噪记录情况设定并调节阈值；而新模型中采用变离心率的轨线族，只要根据含噪记录中轴的分布趋势，选取适合的离心率范围即可，方便且实用性强。每一章节末尾给出了对整章内容的概括及创新点总结。对新模型利用不同合成地震记录进行性能检验，并分别与现有的几种常用去噪方法进行效果对比。与其他方法相比，二次轨线时频峰值滤波后，随机噪声得到了有效压制，同时有效同相轴变得更连续，有效成分保持完整。此外，新模型进一步被应用于实际地震资料随机噪声压制，并分别给出了整炮记录及部分记录的去噪结果。实验结果充分反映了新模型在低信噪比条件下同相轴恢复及随机噪声压制方面的优越性，处理后的同相轴变得更清晰，更连贯；且原本断裂的同相轴也连接起来，增加了可以从记录中获得的有效信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 地震勘探随机噪声的主要特征
• 1.3 国内外随机噪声压制的研究现状
• 1.4 时频峰值滤波及其在地震勘探中的应用
• 1.5 本文主要工作及结构安排
• 第2章 地震勘探信号处理简介
• 2.1 地震勘探原理
• 2.2 地震波的传播规律
• 2.2.1 波阻抗
• 2.2.2 反射和透射
• 2.2.3 视速度与视波长
• 2.3 时距曲线方程
• 2.3.1 直达波的时距曲线及方程
• 2.3.2 反射波的时距曲线及方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 时频峰值滤波在地震勘探随机噪声压制中的应用
• 3.1 时频峰值滤波基本原理
• 3.2 时频窗长与去噪效果之间的关系
• 3.3 不同滤波轨线性质分析
• 3.3.1 径向轨线
• 3.3.2 二次轨线
• 3.4 二次轨线基本特征对去噪效果的影响
• 3.4.1 倾斜方向与去噪效果的关系
• 3.4.2 弯曲程度与去噪效果的关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 抛物轨线时频峰值滤波
• 4.1 模型建立
• 4.2 样本重采样
• 4.2.1 道与轨线交点作为采样点
• 4.2.2 时间与轨线交点作为采样点
• 4.3 基于 Canny 算子边缘检测实现滤波轨线选取
• 4.4 合成地震记录实现新算法的性能分析
• 4.4.1 抛物轨线时频峰值滤波效果
• 4.4.2 新模型与传统时频峰值滤波数值对比
• 4.5 抛物轨线时频峰值滤波在实际地震记录中的应用
• 4.6 本章小结
• 第5章 变离心率双曲轨线族时频峰值滤波
• 5.1 时距曲线方程
• 5.2 双曲轨线的优点
• 5.3 双曲轨线模型的建立
• 5.4 样本重采样及新作用域内的 TFPF 滤波
• 5.5 合成地震记录实现双曲轨线族时频峰值滤波性能分析
• 5.5.1 新模型与不同去噪算法效果对比
• 5.6 双曲轨线族时频峰值滤波在实际地震记录中的应用
• 5.6.1 整炮记录效果分析
• 5.6.2 部分记录效果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简介及其在学期间所取得的科研成果
• 致谢