专利名称：用于对级联扫描数据的噪声去除方法
技术领域：
本发明涉及地球物理勘探的领域，更具体而言，涉及用于从地震数据去除噪声的方法。
背景技术：
地震勘探工业使用声脉冲将声振动传入地下，以描绘用于矿物勘探和开采的地下结构。这些声波可源自爆炸式，内爆式，扫频(啁啾)或随机的源。使用经历从源到接收机的声反射和衍射的波前记录，产生地震场记录。在这些场记录中反射和衍射事件经历时间的变化表明在地下反射表面的位置。对地震数据处理中对一个或多个场记录中事件进行分析和校正，生成展示地下结构的声图像。利用声图像找出宝贵的矿藏。
扫频或啁啾类型地震源可利用相对较长(如2至15秒)的导频信号，以确保有足够的能量传到地下。扫频或啁啾类型源的方法依赖信号于压缩技术将信号压缩，并确保有足够的纵向分辨率以分辨地下反射物的位置。信号压缩通常称为去卷积，同多种技术一样为地震数据处理领域所熟知。扫描或啁啾信号的去卷积将声信号压缩成更短的地下反射边界的信号表示。任何去卷积技术的精确性和有效性直接影响了解和理解源信号的程度。大多数去卷积操作是从对实际源波形的统计估计导出。
利用扫频类型的源，在地震频率范围内按照有规律增加(上扫描)或减小(下扫描)频率的扫描形式发射出能量。通过控制系统来控制振动，控制系统能够控制地震信号的频率和相位。
与类似爆炸或气枪(air-gun)的脉冲源相比，扫频源具有相对较低的能量。由于扫频源的低能量特性，噪声问题可能较为显著。在获取数据的环境中所存在的相关的和环境的噪声可能会与所需的信号发生干扰。另外，源产生的谐波能量可能作为表现为噪声的附加能量源，使记录数据失真或受干扰。
振动或扫频源在某些情形中产生能量可接近或甚至超过基波的谐波，它可能会与来自其他源的信号发生串扰，当将信号进行处理以分离来自每个源的信号时会给出导致错误的结果。另外，谐波是能够屏蔽来自更深层微弱反射信号的噪声源。
当仅使用一个地震源时，地震测量将非常耗时。若同时使用多于一个的地震源，利用现代信号处理的方法，则可能使该时期缩短。如果能提供用于分辨来自不同源发出信号的某些装置，则能够使用多重源。“变相(variphase)”方法是这样方法的一个示例，并由Ward等于1990年以及由Bacon和Martin于1993年所讨论。可采用“变相”方法作为利用多个源或单个源的并行(concurrent)扫描。或者，可使用一个源或多个并行操作的源将扫描连接在一起来使用变相方法。在2001年10月17日递交且转让予本发明受让人的申请序列号为09/981,224的申请中披露了将具有不同相位的扫描分段连接，以及同时可使用多个源的方法，该申请在此引作参考。
在授予Landrum的美国专利No.4,715,020中披露了对不同扫描使用信号相移将多个振动源的信号分离的方法。然而，在该专利中并未解决源所产生的谐波或非线性失真和串扰的问题。
如在美国专利No，4,042,910所披露的，由Reitsch提出了用于衰减因地震振动器所输出的谐波能量导致的源产生谐波相关噪声的方法。该方法包括生成多个连续的扫描信号，且每个随后扫描信号的相位相对前一个偏移预定的相位角，该相位角为2∑的分数。将所生成的信号分别记录，并按传统方式相加或叠加之前通过反向相移(inversephase shifting)进行变换。使用该方法，振动器(对每个记录对应一个振动器)输出一系列仅相位不同的N个扫描分段。使直至N次谐波的相关噪声得到衰减。该方法提供了使用相移抑制谐波的方法，不过，仅对于单个振动源的情形，不能解决串扰问题。
授予Ward的美国专利No.4,823,326提出了用于将来自多个并行操作的振动地震源所获得的地震记录进行分离的方法，而且该方法使谐波失真减小。
授予Edington和Khan的美国专利No.4,982,374提出了用于减小来自任何数量的并行操作振动地震源的任何所选阶次谐波的失真和串扰的方法，同时还提供用于分离来自不同源的信号以及用于提高信噪比的方法。当确定可能导致失真的最高阶次谐波之后，选择在每个位置中每个源的扫描数。该数量取决于源的数量以及所要抑制的最高阶次谐波。然后选择对于每个源的每个扫描的初始相位角，以允许当抑制高达以及包括那一最高次谐波时的信号分离。
授予Andersen的美国专利5,410,517披露了用于级联扫描分段以抑制不期望的谐波能量的方法。该方法使用具有变化相位角的扫描分段，从而衰减在相关小波中的谐波能量。根据该方法，所生成的第一级联扫描序列包含首尾链接的N个扫描分段。N个扫描分段基本相同，只不过在扫描序列中的每个扫描分段的初始相位角逐次旋转常数相位增量，该常数相位增量约为360/N度。所生成的第二级联扫描包括(i)首尾链接的N个连续扫描分段，这与所述第一级联扫描序列相对应，和(ii)与N个连续扫描分段链接的附加扫描分段，且将其定位和定相以便基本抑制在相关期间的谐波重影(harmonic ghost)。对振动源扫描序列使用这些级联扫描序列的其中一个，其他用于相关参考序列。
尽管如此，现有技术的方法还不能解决相关的、环境的以及谐波的噪声。需要有一种用于同时解决在振动源数据记录中出现的相关的、环境的以及谐波噪声的数据获取方法。
发明内容
一种用于处理地震数据的方法，包括将一部分第一数据分段的窗口中的数据与包括一部分第二数据分段的对应窗口中的数据进行比较，其中，所述第一数据分段和所述第二数据分段是从使用多个地震扫描所获取的多个数据分段中选出。基于所述比较，使用在对应窗口中的所述数据改变窗口中的数据。
参照后面的详细描述以及附图，将更好地理解本发明及其优点。
图1a表示一系列振动源扫描和收听时间；图1b表示图1a的扫描和收听时间的叠加，以表示级联扫描序列；图1c表示自图1b的数据进行修改的级联扫描数据序列；图1d表示去除噪声后的级联扫描数据序列；图2表示本发明的流程图；图3表示来自扫描序列的数据，显示出原始扫描序列图，显示出根据本发明的方法去除噪声的数据的图，以及原始的和经噪声去除后的数据图之间的差；图4表示来自扫描序列的数据，显示出原始扫描序列图，显示出根据本发明的方法经噪声去除后的数据图，以及原始的和经噪声去除后的数据图之间的差。
尽管将会结合本发明优选实施例描述本发明，应该理解，本发明并不限于此。相反，本发明意在覆盖可包括在如所附权利要求所定义本发明精神和范围内的所有可选，修改，等效实施例。
具体实施例方式
本发明的方法用于将地震振动器扫描级联或链接在一起，用于解决因相关、环境和谐波噪声引起的噪声问题。本发明的方法能够对在单个振动器扫描序列内的不期望的噪声进行抑制。通过用基础信号(underlying signal)的估计取代噪声污染的数据来去除相关噪声。通过将相移数据叠加，大大衰减谐波和环境噪声。基于以下详细的描述，本领域技术人员将易于理解本发明的其他优点。就针对本发明的具体实施例或具体应用所给出的以下详细描述而言，意在说明的目的，而并非限制本发明的范围。
可使用级联扫描从传出能量的振动源记录地震振动器数据。级联扫描由数个扫描分段组成，且其中，不同扫描分段中的信号基本相同，而初始相位除外。利用级联扫描数据中的这种冗余，使用基础信号的估计代替噪声污染数据来去除相关噪声，从而通过将分段叠加使环境和谐波失真噪声大大衰减。所披露的方法还可应用到变相振动器数据，“隔行扫描(alternate sweeping)”方法(Ward等人于1990年提出的以及Bacon和Martin于1993年提出)作为稍作修改的变形且不能使谐波衰减，它可应用到对于相同源位置所获取的无相位旋转传统多扫描数据。在2001年10月17日递交且转让予本发明受让人的申请序列号为09/981,224的申请中披露了将具有不同相位的扫描分段连接，以及同时可使用多个源的方法，该申请在此引作参考。
通过将数个较短扫描分段首尾相连形成一个较长的扫描序列，从而形成级联扫描序列。在级联序列内的每个较短扫描定义为扫描分段，对各个扫描分段，可在其间使用或不使用填充(收听时间)将它们连接。各个扫描分段的长度通常为1-16秒，较常见为4-8秒。填充数量的范围可从零到传统震动源探矿的正常收听时间。将扫描分段连接，也就是无填充连接的扫描分段，提供了最为有效的操作。例如，八个常规的4-秒扫描，每个扫描都具有收听时间，可为由八个4-秒地震扫描分段组成的一个级联扫描序列所取代，从而以8比1减少在数据获取期间收听时期的数量，同时保持相同的总扫描代价(32个扫描秒)级联扫描序列由地震扫描分段组成。级联扫描序列用于驱动振动源朝地下传入能量。将传入到地下的能量作为级联扫描序列数据进行记录。该记录的地震扫描序列数据由多个数据分段组成。数据分段可包含所记录的地震扫描分段，收听时间，或两者的组合。当级联扫描序列数据实际为包括收听时间数据分段的一个较长记录的数据记录(数个数据分段)时，还可将其视为时移变相数据收集器的叠加，或视为叠加的传统地震扫描数据记录的组合。尽管可将优选实施例应用于级联扫描数据，在本发明的可选实施例中，可将传统或变相地震扫描数据记录组合(例如，通过时间序列相加)，形成级联扫描数据序列，并根据本发明的方法进行处理。在又一实施例中，可通过本发明的方法直接处理传统地震扫描数据或变相记录。
图1a显示出具有收听时间111，113，115和117的四个数据序列101，103，105和107，可将它们组合形成图1b所示的级联数据，图1b为包括五个数据分段的数据记录，其中一个分段为收听时间。在图1a中所显示出的扫描长度等于用于收听的长度，不过这并非是必须的。尽管参照图1a-1d所描述的示例为四个扫描分段的示例，可能会使用任何数量的扫描分段。
可将图1b的级联扫描数据视为5个数据分段的连接1.在第一地震扫描分段(Sw1)期间记录的数据101’；2.在第二地震扫描分段(Sw2)期间记录的数据同时与第一扫描收听时间(L1)的组合114；3.在第三地震扫描分段(Sw3)期间记录的数据与第二扫描收听时间(L2)的组合118；4.在第四地震扫描分段(Sw4)期间记录的数据与第三扫描收听时间(L3)的组合122；5.最后的分段117’，表示在收听时间(L4)期间记录的数据，它跟在这四个地震扫描分段示例的第四扫描之后。
因这种内在结构，对于所获得级联扫描数据的第一数据分段101’，由于所记录数据包含在地震扫描分段(Sw1)期间所获得的数据但不包含来自前一个扫描分段的收听时间反射数据，从而该分段不同于所有其他分段。另一方面，最后分段117’仅表示在振动源未产生任何能量的收听时间(L4)期间记录的数据。
为使所有数据分段具有相同的数据结构，从而能够一致性地对级联扫描数据分段“去噪声(denoise)”(在此定义为噪声去除)，将图1b所示级联扫描数据的最后数据分段117’(“收听时间”数据分段)与如图1c所示第一数据分段101’进行组合，产生修改的级联扫描数据序列。将此修改的级联扫描数据序列定义为修改地震数据。可通过时间序列相加，将级联扫描数据的最后收听时间117’与第一分段101’进行组合。此时，在图1c中的第一分段131包含在第一扫描分段(Sw1)期间所记录的数据和用于第四扫描的在收听时间期间记录的数据。
该修改地震数据是所要“去噪声”的数据，如图1c中所示修改级联扫描数据序列。此处，术语“去噪声”定义为噪声去除，例如，抑制或消除谐波、环境和/或相关噪声。将此修改级联扫描数据序列“去噪声”后，从第一数据分段131中减掉收听时间，并将其添加在去除噪声的序列的尾部，如图1d所示。
噪声衰减方法(在此称为去噪声)的基本思想是，不同数据分段中的信号基本相同，而初始地震扫描分段相位除外。不服从此已知相位行为的能量被视为噪声，将被去除或衰减。
下面，参照图2的流程图，描述应用于图1c所示四个扫描分段示例的修改级联扫描数据的去噪声处理。使用级联扫描序列，记录由振动源的能量输出所产生的数据，获得级联扫描数据(201)。然后，按如图1c所示修改记录数据(203)，从而将初始地震扫描分段(Sw1)和最后收听时间(L4)组合，形成修改级联扫描数据的初始分段131。用于将第一扫描和最后收听时间组合的最优方法是通过时间序列相加。
如图2所示，选出作为所要去噪声的数据分段(205)。在该示例中，131为目标数据分段。将所有其他数据分段(在该示例中为114，118，122)相移至与当前目标分段的扫描分段相位对应的相位(207)。将相移应用于每个数据分段，从而使数据分段的扫描分段相位的相位与目标数据分段的相位相对应。本示例的目标数据分段131与扫描Sw1的相位对应。应用到数据分段114的相移是能够将扫描分段Sw2的相位改变为扫描Sw1的相位的相移。对数据分段118施加相移，从而使扫描分段Sw3的相位改变为扫描Sw1的相位。使数据分段122从扫描分段Sw4的相位相移至扫描Sw1的相位。假设此时在不同分段中的信号相同。谐波可能具有不同的相位，不过，在基波中包含了绝大部分能量。
为检测相关噪声，将不同数据分段的数据进行比较。通过比较，确定在目标数据分段与一个或多个其他数据分段之间的差别。当可直接确定数据分段之间的数量差时，将数据分段的数据测量进行比较将提供更高的敏感性。在优选实施例中，利用均方根(RMS)值，在较短时间窗口(例如，长度范围在4ms至500ms的窗口)内，使用数据测量对不同数据分段进行比较(209)。均方根可定义为数据群内样本平方的平均值的平方根，且数据群为在对应数据窗口中的样本。其他数据测量，例如，数据乘方或数据幅度平均值的测量，也可用于在较短窗口内的比较。可将用来数据比较的较短窗口交迭。如果在当前目标数据分段131中的窗口RMS值偏离所有其他数据分段(114，118，122)或其他数据分段的组合中对应窗口的RMS值很多(例如，超过特定阈值)，则对当前目标数据分段中的窗口数据使用该信号的估计来代替。特定阈值可通过本领域中所熟知的方法来确定，例如，阈值可基于幅度，相位或频率的测量，以及可将其与其他参数如时间和位置相组合。特定阈值可以是数据相关的，以及可能随记录而改变。所要用于替换数据的信号估计可从一个或多个其他数据分段得出。当使用相移数据得出所用于替换数据的信号估计时，可在使数据分段发生相移之前确定用于比较的数据测量(在优选实施例中使用RMS值)。
数据分段中的窗口将在其他数据分段中具有对应的窗口。例如，从扫描分段的开始进行测量时在131中的数据踪迹(data trace)具有100ms至200ms的窗口，从对那些数据分段的每个扫描分段的开始时间进行测量时在同样的踪迹114，118和122中将具有对应的窗口。
在优选实施例中，从至少一个其他数据分段(114，118和/或122)得出超出阈值的用于替换目标分段数据的数据。例如，替换数据可为来自一个或多个其他数据分段的对应窗口数据的算术平均值。用于替换数据的其他平均值可为中值(median)或加权平均值。在该示例中，将使用114，118和122的算术平均值来替换在131中的数据。如果目标数据分段与至少一个其他数据分段的比较显示数据偏离可被忽略或并不高于特定阈值，则数据保持不变。
当需要时比较数据分段以及替换数据之后，将数据分段(131，114，118和122)叠加(211)，以形成新的目标数据分段。该叠加抑制了环境噪声，并消除直至级联导频扫描(cascaded pilot sweep)阶次的谐波，以消除相关处理中的谐波。这些数据分段的叠加(新目标数据分段)作为最终去噪声的目标数据分段。用于替换原始目标数据分段的新的修改目标数据分段是通过叠加产生，但原始修改级联扫描数据用于窗口RMS值比较以及任何替换数据的导出。
通过选择其他分段作为修改数据的目标分段来重复此过程(213)。按照对于初始目标数据分段相同的方式，对非目标数据分段施加相移，使非目标数据分段的对应扫描分段相位移至与目标数据分段相对应的扫描分段相位。在该示例中，按照对于131所述方式分别将114，118和122视为目标数据分段。当将数据分段相移至与每个目标数据分段的扫描分段相位相对应的相位之后，最终去噪声的目标数据分段是所有数据分段的叠加组合。
最后，从第一分段(在该示例中为131)中减掉收听时间(215)，并将其附加在去噪声的级联扫描数据的最后(参照图1d)。减掉收听时间的优选方法是通过对去噪声的初始分段(假设使用上扫描)应用时变低阻(time-varying low-cut)滤波器。然后可将数据传递到其他数据处理程序(217)以上关于级联扫描数据描述了优选实施例。在可选实施例中，通过将传统扫描组合成如参照图1a和图1b所示级联扫描数据，该方法可用于传统扫描数据。通过将最后的收听时间添加到第一数据分段的初始扫描分段时期，可形成修改地震数据。在该方法中，可使扫描发生相位转动，但并非必须。
在又一可选实施例中，该方法可适用于传统扫描数据，其中，在应用本发明之前不将数据分段进行组合。地震数据通过多个地震扫描来获取，每个地震扫描包括如在图1A所示的收听时间。依据是否可能通过获取参数(例如，变相获取)实现谐波消除，来执行相位转动，但相位转动并非必须。确定在所选目标数据分段与所述多个数据分段的其余分段的其中一个之间的差别。该差别可使用数据测量(例如所比较数据的RMS值)来确定。如果由比较所确定的差别超过了特定阈值，则使用从至少一个其他数据分段得出的数据代替在目标数据分段中的数据。可将来自数据分段的数据叠加，以形成新的目标数据分段。
图3和图4显示出，对于包含有8个扫描分段和一个收听时期的原始级联扫描数据记录的目标数据扫描分段，在优选实施例中所述的去噪声方法的效果示例。用于驱动振动器以获取对这些图的数据记录的级联扫描序列由八个4-秒扫描分段(表示32秒的总扫描时间)组成。级联扫描数据记录包括32秒的总扫描时间加上4秒的收听时间形成36秒的记录。所要从如图3所示数据记录中去噪声的目标数据分段为36秒级联扫描数据中16秒和20秒之间的第5数据分段。
图3的左图3A为36秒级联扫描数据中16秒和20秒之间的第5数据分段。图3中间的图3B为经过根据本发明方法去噪声后的同一数据分段。图3的左图3C表示原始数据3A与经去噪声后的数据3B之间的差。图3C表示已从原始第5数据分段去除的噪声。
在图4中，36秒级联扫描数据记录中24秒和28秒之间的第7扫描分段为所要去噪声的目标数据扫描分段。图4的左图4A为原始数据的第7数据分段。图4中间的图4B为经过根据本发明方法去噪声后的同一数据分段。图4的左图4C表示原始数据4A与经去噪声后的数据4B之间的差。图4C表示已从原始的第7数据分段去除的噪声。
图3中第5扫描以及图4中第7扫描之间的对应窗口的示例为在图3中处在16秒和17秒之间第一踪迹301的1000ms时期，它对应于图4中处在24秒和25秒之间第一踪迹401的1000ms时期。当第5数据分段为用于去噪声的目标数据分段时，第7数据分段将包括在将对应数据窗口进行比较之前被施加相移的一个其他数据分段。
对原始数据图3A，4A与去噪声的数据图3B，4B的比较可以看出，相关噪声已被去除，此时很清楚地看到原来被噪声所屏蔽的反射(例如，在图3中305附近)。这极大抑制了环境噪声。在原始的以及去噪声的图的右上角(参看图3的图3B中303以及在图3A，4A和4B中相似区域)的低频能量为源自前一扫描分段的地面波(groundroll)能量。在所有分段中信号常伴有地面波，从而，并不列为去噪声处理的目标。差别图噪声的表示(图3中3C和图4中4C)说明，在不影响信号的条件下从所记录的数据记录中可去除大量的噪声。
本领域技术人员应该理解，按照所披露的实施例可实现此处所述的方法，本发明包括但并不限于所述实施例。此外，应该理解，本发明并不意在为以上所述内容完全限制，上述内容是出于说明的目的。显然，在不偏离如后面权利要求所定义的本发明真实范围的条件下，本领域技术人员可以想到多种修改和选择。
权利要求
1.一种用于处理地震数据的方法，包括(a)将包括一部分第一数据分段的窗口中的数据与包括一部分第二数据分段的对应窗口中的数据进行比较，其中，所述第一数据分段和所述第二数据分段是从使用多个地震扫描所获取的多个数据分段中选出；以及(b)基于所述比较，使用在对应窗口中所述数据改变窗口中的数据。
2.根据权利要求1的方法，其中，改变在窗口中的所述数据还包括，将窗口中的所述数据用对应窗口中的所述数据来替换。
3.根据权利要求1的方法，还包括，将所述多个数据分段叠加以形成新的数据分段。
4.根据权利要求3的方法，还包括，从所述新的数据分段中减掉收听时间。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述多个数据分段均包括记录数据和收听时间。
6.根据权利要求1的方法，还包括，将所述第二数据分段相移至与所述第一数据分段相对应的相位。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述第二数据分段包括多个的所述多个数据分段的组合。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述组合包括使用i)算术平均值，ii)中值平均值，和iii)加权平均值的其中至少之一将所述多个的所述多个数据分段进行组合。
9.根据权利要求1的方法，还包括，为了将第一数据分段的窗口中所述数据与第二数据分段的窗口中所述数据进行比较，使用RMS值。
10.根据权利要求1的方法，其中，通过时间序列相加将收听时间数据分段与初始数据分段进行组合。
全文摘要
本发明涉及用于处理地震数据的方法，包括使用包含有多个级联扫描分段的扫描序列来获取地震数据。地震数据包括多个数据分段和一收听时间。将收听时间与初始数据分段组合。将地震数据分段相移至所要去噪声(即，环境、谐波和相关噪声的去除)的目标数据分段的相位。确定目标数据分段和其余数据分段之间的差别。如果所确定的差别超过特定阈值，使用由其余数据分段所得出的数据来代替目标数据分段中的数据。可将数据分段叠加以形成新的目标数据分段。从初始数据分段减掉收听时间。
文档编号G01V1/37GK1639585SQ03804486
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月21日 优先权日2002年2月25日
发明者瑞尼尔·莫瑞格, 弗莱德瑞克·J·巴雷 申请人:维斯特恩格科地震控股有限公司