一种谐波压制方法及系统与流程

1.本发明属于可控震源激发地震资料数据处理领域，具体涉及一种谐波压制方法及系统。


背景技术：

2.对于可控震源噪音，其产生的原因主要有两个：一是由于可控震源机械装置和震动装置以及液压伺服系统的非线性导致的干扰；二是震板与大地的耦合效应产生的谐波干扰。谐波及沙漠区强散射噪音损害了可控震源采集资料的品质，严重降低了资料的分辨率。
3.对于谐波的压制，地球物理学者们提出了多种方法，seriff等率先探讨了可控震源与地面耦合时出现的高次谐波畸变问题。随后，sallas通过分析测井接收点的可控震源信号，并结合理论推导，对可控震源平板与地面耦合时产生的高次谐波畸变进行了更深入地研究，提出了采用平板加速度信息抑制谐波畸变产生的方法，提高了激发信号的可靠性和稳定性。
4.schrodt、martin等和reust分别从井下接收的远场子波，硬、软地表可控震源耦合等方面，讨论了可控震源谐波畸变的相位变化问题，得到“出力越大，地面越坚硬，则可控震源的谐波畸变越重”的结论。li也提出了一种基于小波变换的可控震源地震信号高次谐波滤除的方法。
5.近来，可控震源地震数据后期处理办法愈加多元化。相关法、ppsf(pure phase shift filter)法、反褶积法、模型法的相继发明，均为谐波压制提供了有效途径。相关法的做法在于利用不同类别的信号，如扫描信号、力信号、底扳信号等，与地层反射系数序列做褶积，得到相关前地震记录，再利用上述信号与相关前地震记录进行互相关得到相关后地震道。此种方法仅在使用只含基波的扫描信号时得到的相关后地震记录道高频干扰少，使用实际信号时得到的高频干扰严重，导致后期处理结果不够理想。
6.li.x.p.提出的ppsf法在于结合确定性反褶积，根据扫描参数设计纯相移因子后，将其用于对互相关前的地震记录进行分频时移，之后结合低通滤波将地震记录中移至负时间轴的谐波进行大范围压制。做法简单，得到的效果相对于相关法更加理想，但缺点是只能用于压制升频扫描数据的初至或巧层反射等强能量信号处的谐波，而升频扫描导致适用范围缩小，不同震次信号间的谐波不能完全得到压制导致压制不完全，且实现方法上采用时频域处理导致处理效率低下。li.x.p.提出的反褶积法则是利用实际传入地下的可控震源信号对互相关前的记录做反褶积，该方法的优点是，可以直接得到反射系数序列，缺点是要求传入到地下的信号己知，且如使用的数据为可控震源与其它震源类型(如炸药)进行的拼接时，由于可控震源己经通过处理得到反射系数序列，其它震源所得到的资料仍为地震子波阶段，将给二者拼接及后续处理造成困难。
7.相对于炸药震源，可控震源采集具有“安全、环保、高效、经济”的优点，随着可控震源采集技术的不断发展和相关配套技术的不断进步，可控震源采集将成为今后地震勘探的发展趋势。但受采集条件和采集装备的限制，可控震源滑动扫描中，液压机械装置内出现的
非线性过程及震源振动平板与地面相互作用会产生非线性畸变，导致谐波噪音产生，严重影响可控震源资料信噪比。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种谐波压制方法及系统，有效提高可控震源资料信噪比，有利于后续资料的处理解释。
9.本发明是通过以下技术方案实现的：
10.本发明的第一个方面，提供了一种谐波压制方法，所述谐波压制方法利用谐波权重因子对震源信号的谐波分量进行估算，预测出谐波噪声，然后采用自适应相减算法将谐波噪声从原始相关地震数据中减去，得到去除谐波噪声的地震数据。
11.本发明的进一步改进在于，所述方法包括：
12.(1)、将原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到原始相关地震数据；
13.(2)、预测出谐波噪声；
14.(3)、将谐波噪声从原始相关地震数据中减去，得到去除谐波噪声的数据。
15.本发明的进一步改进在于，所述步骤(1)的操作包括：
16.依次利用下式将每一炮的原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到每一炮的原始相关地震数据
[0017][0018]
其中，d为该炮的原始未相关地震记录，为该炮记录相关后对应的基波能量，为该炮记录相关后对上一炮产生的谐波畸变，即震源信号的谐波分量；
[0019]
上角标*表示共轭，r为大地响应r(t)的傅立叶变换，w1表示基波的权重因子，s1为参考信号，wi代表基波和谐波的频率权重因子，si是基波和谐波的傅立叶变换，n表示第n阶谐波。
[0020]
本发明的进一步改进在于，所述步骤(2)的操作包括：
[0021]
依次利用下式对每一炮的震源信号的谐波分量进行估算，预测出谐波噪声
[0022][0023][0024]
其中，表示利用tukey时窗t将中的尖脉冲提取出来。
[0025]
本发明的进一步改进在于，所述步骤(3)是采用自适应相减算法从原始相关数据中减去谐波噪声得到去除谐波噪声的数据。
[0026]
本发明的进一步改进在于，所述步骤(3)的操作包括：
[0027]
按照从倒数第二炮到第一炮的顺序，依次对每一炮进行以下处理：
[0028]
将该炮的原始相关地震记录减去其下一炮中的谐波噪声得到该炮的去除谐波噪声的数据。
[0029]
本发明的第二个方面，提供了一种谐波压制系统，所述系统包括：
[0030]
相关单元，用于将原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到原始相关地震数据；
[0031]
噪声预测单元，与所述相关单元连接，用于预测出谐波噪声；
[0032]
谐波压制单元，与所述噪声预测单元连接，用于将谐波噪声从原始相关地震数据中减去，得到去除谐波噪声的数据。
[0033]
本发明的进一步改进在于，所述相关单元依次利用下式将每一炮的原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到每一炮的原始相关地震数据震记录与参考信号做相关，得到每一炮的原始相关地震数据
[0034]
其中，d为该炮的原始未相关地震记录，为该炮记录相关后对应的基波能量，为该炮记录相关后对上一炮产生的谐波畸变，即震源信号的谐波分量；
[0035]
上角标*表示共轭，r为大地响应r(t)的傅立叶变换，w1表示基波的权重因子，s1为参考信号，wi代表基波和谐波的频率权重因子，si是基波和谐波的傅立叶变换，n表示第n阶谐波。
[0036]
本发明的进一步改进在于，所述噪声预测单元依次利用下式对每一炮的震源信号的谐波分量进行估算，预测出谐波噪声
[0037][0038]
其中，表示利用tukey时窗t将中的尖脉冲提取出来。
[0039]
本发明的进一步改进在于，所述谐波压制单元进行以下操作：
[0040]
按照从倒数第二炮到第一炮的顺序，依次对每一炮进行以下处理：
[0041]
将该炮的原始相关地震记录减去其下一炮中的谐波噪声得到该炮的去除谐波噪声的数据。
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043]
本发明首先对有效信号和谐波畸变差异构造高精度谐波预测滤波算子，将噪音和信号进行有效区分和分离；本发明采用自适应相减算法，避免了在噪音估计不准确情况下，导致谐波压制效果不佳进而导致对有效信号的损伤，从而最大限度地保护了有效信号。
附图说明
[0044]
图1-1可控震源模拟数据谐波压制前的单炮记录；
[0045]
图1-2可控震源模拟数据谐波压制后的单炮记录；
[0046]
图1-3可控震源模拟数据谐波压制前后的残差数据；
[0047]
图2-1可控震源模拟数据谐波压制前单道；
[0048]
图2-2可控震源模拟数据谐波压制后单道；
[0049]
图2-3可控震源模拟数据谐波压制前后单道的残差数据；
[0050]
图3-1可控震源模拟数据谐波压制前的时频谱；
[0051]
图3-2可控震源模拟数据谐波压制前的时频谱；
[0052]
图4本发明方法的步骤框图；
[0053]
图5本发明系统的组成结构示意图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0055]
受采集条件和采集装备的限制，可控震源资料发育有明显的谐波干扰，谐波与有效波相干涉，影响可控震源资料信噪比。本发明开发了一种针对可控震源资料谐波噪音的压制方法，能够有效恢复有效波信号，提高可控震源资料信噪比。
[0056]
对于可控震源采集资料，本发明利用谐波权重因子对震源信号的谐波分量进行估算，预测出谐波噪声，进而采用自适应相减算法将谐波噪声从原始相关数据中减去，就可得到去除谐波噪声的数据。本发明可有效提高可控震源资料信噪比，有利于后续资料的处理解释。
[0057]
地面检波器接收的数据为d(t)，它是地面力信号g(t)经过一系列大地响应r(t)作用后得到的数据，在数学中表示为褶积*运算：
[0058]
d(t)＝g(t)*r(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0059]
频率域表达式为：
[0060][0061]
其中d、r为d(t)，r(t)的傅立叶变换，wi代表基波和谐波的频率权重因子，si是基波和谐波的傅立叶变换。n表示第n阶谐波。
[0062]
首先将原始地震记录d与参考信号(假定的基波信号)相关得到相关后记录，在这里用s1来代表参考信号，根据相关与褶积的关系，频率域中的表达式为：
[0063][0064]
其中，上角标*表示共轭。由(3)式可以得到：
[0065][0066]
其中，等式(4)右边第一项为相关后记录中对应的基波能量，在零时间位置聚焦，形成尖脉冲，利用tukey时窗t(即两边加上余弦锥化的矩形窗口)将尖脉冲提取出来，表示为第二项为该炮记录相关后对上一炮产生的谐波畸变，此时谐波成
分被相移到了负时区。它可利用谐波预测算子预测出来：
[0067][0068]
地面力信号g(t)是不固定的，每一炮对应一个力信号，可从每一炮地震记录中的辅助道信息中得到。将g(t)利用短时傅里叶变换(stft)分解为基波分量和各阶谐波分量，分别与d做互相关，在频率域中的表达式为：
[0069][0070]
其中为sj的复共轭，i＝1,2,3,...,n，j＝1,2,3,...,n。这里对(6)式得到的各个记录分别开tukey时窗t，只保留对应分量的自相关部分：
[0071][0072]
其中i≠j的部分忽略掉，利用(7)式可以计算出基波和谐波的权重因子wi：
[0073][0074]
将(8)式代入(5)即可利用谐波预测算子计算出该炮记录相关后对上一炮产生的谐波畸变，然后运用自适应相减算法(采用直接相减会伤及有效信号，所以本发明采用自适应相减算法，自适应相减算法是地震数据处理常用的手段之一，在此不再赘述)，将预测出的谐波噪声从原始相关记录中减去，即可得到压制谐波后的记录。
[0075]
假设相减后地震数据总体能量最小，使得自适应相减之后的残差，即一次波能量最小：
[0076]
e＝||d-m||2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0077]
其中，d表示原始数据，m代表匹配后的谐波数据。
[0078]
依据上述原理，本发明方法的实施例如下：
[0079]
【实施例一】
[0080]
如图4所示，本发明方法包括：
[0081]
(1)、将原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到原始相关地震数据具体如下：
[0082]
依次利用下式将每一炮的原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到每一炮的原始相关地震数据
[0083][0084]
其中，右边第一项为该炮记录相关后的记录中的基波能量，第二项为该炮记录相关后对上一炮产生的谐波畸变，即震源信号的谐波分量；d为原始未相关地震记录。
[0085]
上角标*表示共轭，r为大地响应r(t)的傅立叶变换，w1表示基波的权重因子，s1为参考信号，wi代表基波和谐波的频率权重因子，si是基波和谐波的傅立叶变换，n表示第n阶谐波。
[0086]
通过步骤(1)得到了所有炮的原始相关地震数据
[0087]
(2)、预测出谐波噪声：依次利用(5)式对每一炮的震源信号的谐波分量进行估算，预测出谐波噪声
[0088][0089]
其中，表示利用tukey时窗t将中的尖脉冲提取出来。
[0090]
(3)、采用自适应相减算法从原始相关数据中减去谐波噪声得到去除谐波噪声的数据，具体如下：
[0091]
原始相关记录中，最后一炮不受谐波的干扰，因此首先对最后一炮进行处理，以确保前面的炮集也不受后面炮集谐波的干扰，按此顺序从最后一炮向前依次处理到第一炮，即可基本去除谐波噪声，具体的，按照从倒数第二炮到第一炮的顺序，依次对每一炮进行以下处理：
[0092]
将该炮的原始相关地震记录减去其下一炮中的谐波噪声得到该炮的去除谐波噪声的数据。具体的，先将倒数第二炮的原始相关地震记录减去最后一炮中的谐波噪声，得到倒数第二炮的去除谐波噪声的数据，倒数第二炮的谐波得到了压制，然后将倒数第三炮的原始相关地震记录减去倒数第二炮中的谐波噪声，得到倒数第三炮的去除谐波噪声的数据，倒数第三炮的谐波得到了压制，以此类推，直到将第一炮排的原始相关地震记录减去第二炮中的谐波噪声，得到第一炮的去除谐波噪声的数据，至此完成了整个地震记录的谐波压制，得到了完整的压制谐波噪声后的地震记录。
[0093]
本发明还提供了一种谐波压制系统，所述系统的实施例如下：
[0094]
【实施例二】
[0095]
如图5所示，所述系统包括：
[0096]
相关单元，用于将原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到原始相关地震数据；
[0097]
噪声预测单元，与所述相关单元连接，用于预测出谐波噪声；
[0098]
谐波压制单元，与所述噪声预测单元连接，用于将谐波噪声从原始相关地震数据中减去，得到去除谐波噪声的数据。
[0099]
所述相关单元依次利用下式将每一炮的原始未相关地震记录与参考信号做相关，得到每一炮的原始相关地震数据
[0100][0101]
其中，d为该炮的原始未相关地震记录，为该炮记录相关后对应的基波能
量，为该炮记录相关后对上一炮产生的谐波畸变，即震源信号的谐波分量；
[0102]
上角标*表示共轭，r为大地响应r(t)的傅立叶变换，w1表示基波的权重因子，s1为参考信号，wi代表基波和谐波的频率权重因子，si是基波和谐波的傅立叶变换，n表示第n阶谐波。
[0103]
所述噪声预测单元依次利用下式对每一炮的震源信号的谐波分量进行估算，预测出谐波噪声
[0104][0105]
其中，表示利用tukey时窗t将中的尖脉冲提取出来。
[0106]
所述谐波压制单元进行以下操作：
[0107]
按照从倒数第二炮到第一炮的顺序，依次对每一炮进行以下处理：
[0108]
将该炮的原始相关地震记录减去其下一炮中的谐波噪声得到该炮的去除谐波噪声的数据。
[0109]
本发明应用的实施例如下：
[0110]
【实施例三】
[0111]
为了验证基于预测滤波算子的谐波压制技术的实用效果，对模拟数据进行数据处理，图1-1所示为谐波压制前单炮，可见，除有效信号外，其发育有强能量噪音，严重影响数据信噪比，经过本发明方法处理，如图1-2所示，谐波噪音实现了有效压制，单炮信噪比得到了明显提升，图1-3为残差数据，可见，在谐波噪音得到有效压制的同时，没有有效信号能量损失。
[0112]
抽取其中一道进行对比，如图2-1到图2-3所示，去噪效果非常明显，由于噪音产生的能量抖动现象得到了明显压制，信噪比得到了明显提升。
[0113]
对其时频谱进行对比，如图3-1到图3-2所示，去噪前，有效波时频谱附近会存在规律性谐波时频响应，经过谐波压制，谐波时频响应得到了有效消除，且不损伤有效信号
[0114]
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。