本發(fā)明屬于地震勘探數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，特別涉及一種諧波噪聲強弱的自動判別方法。

背景技術(shù)：

可控震源是不同于爆炸震源的另一種形式的激發(fā)源，不但可以降低成本，還可以提高效率。目前，滑動掃描是可控震源的一種高效采集方式?；瑒訏呙枋侵赶乱唤M震源不必等上一組震源震動結(jié)束即可開始震動的一種采集方法?；瑒訏呙璨杉夹g(shù)能夠得到高密的炮點、高覆蓋次數(shù)的地震數(shù)據(jù)，但采用滑動掃描采集的最大問題是諧波畸變。諧波噪聲對采集信號造成了污染，降低資料信噪比，嚴重時會掩蓋掉有效信息，影響對采集到的數(shù)據(jù)的分析使用。

因此，具有良好處理效果的去諧波方法是滑動掃描采集方式繼續(xù)推向前進的關(guān)鍵。同時，滑動掃描采集方式每天可以得到近萬炮的大量數(shù)據(jù)，這就要求去諧波方法具有較高的處理效率以及需要對不同類型記錄數(shù)據(jù)要有更廣泛的適用性，才能在工業(yè)上得到推廣使用。在高效率壓制諧波噪聲過程中，諧波噪聲強弱是一個十分重要的指標，影響各種處理參數(shù)的選擇，因此研究一種可以自動判斷地震采集信號中諧波噪聲強弱的方法十分重要，具有巨大的理論意義與市場價值。

現(xiàn)有技術(shù)1：

經(jīng)驗法。該方法主要是從業(yè)者根據(jù)地震數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗，通過觀察地震數(shù)據(jù)的紋理走向，來判斷確定地震數(shù)據(jù)諧波噪聲的強弱。地震數(shù)據(jù)有效信號表現(xiàn)為明顯的線性紋理，尤其是明顯的同相軸位置，但是諧波噪聲的紋理表現(xiàn)為劇烈的振蕩波紋狀。

現(xiàn)有技術(shù)1的缺點：

1、該方法判斷確定的指標，屬于一個主觀估計值，不夠精確，在準確性方面有所欠缺。

2、該方法針對多道數(shù)據(jù)確定一個綜合強弱指標，無法針對每一道數(shù)據(jù)確定強弱。

現(xiàn)有技術(shù)2：

深淺層能量比值法。該方法首先確定初至波的位置，然后向下延伸一段數(shù)據(jù)作為深淺部分的分割線，計算深層數(shù)據(jù)的能量與淺層數(shù)據(jù)的能量比值作為衡量地震數(shù)據(jù)中諧波噪聲強弱的指標。

現(xiàn)有技術(shù)2的缺點：

1、該方法通過時域能量比值的方法確定，對諧波噪聲的位置要求較高，適用性不強。

2、該方法針對不同采樣長度的數(shù)據(jù)確定深淺層分界時的參數(shù)不同，靈活性較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自動衡量地震數(shù)據(jù)諧波噪聲強弱的振幅譜比值方法，以解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明通過對單道地震數(shù)據(jù)做傅里葉變換，在頻率域選擇合適的分界計算高頻能量占總頻帶能量的比值，并將此比值作為衡量諧波噪聲強弱的指標。這種非人工的自動判斷方法提高了判斷衡量單道數(shù)據(jù)諧波噪聲強弱的精確性，是自適應(yīng)壓制諧波噪聲的基礎(chǔ)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種自動衡量地震數(shù)據(jù)諧波噪聲強弱的振幅譜比值方法，包括以下步驟：

步驟01：讀取原始地震記錄信號的單道數(shù)據(jù)；

步驟02：對步驟01讀取的單道數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換，從時域轉(zhuǎn)換到頻率域；

步驟03：確定高低頻頻譜分界，計算高頻能量占總頻帶能量的比值；

重復(fù)步驟01-03直到所有道數(shù)據(jù)處理完成。

進一步的，步驟02中對地震資料單道數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換，具體包括：

假設(shè)x(t)表示待分析信號，X(ω)為x(t)的頻譜，使用快速傅里葉變換求取頻譜：

X(ω)＝FFT(x(t))。

假設(shè)待分析信號為離散信號，長度為N，則離散的頻譜長度也為N；由于FFT得到的頻譜具有對稱性，因此只考慮前N/2個離散點頻譜；

假設(shè)第i點的頻率值為ω_i，則有下式：

其中，dt為采樣間隔，則為采樣頻率；采樣頻率記為f_N，采樣頻率一半記為f_N/2。

進一步的，步驟03中高低頻頻譜分界為40Hz。

進一步的，步驟03中計算高頻能量占總頻帶能量的比值，包括：

選擇40Hz作為低頻與高頻分界，接下來計算高頻段40Hz-f_N/2的能量，記為f_high：

其中，i₄₀是40Hz頻率點的位置。

計算總頻段0-f_N/2的能量，記為f_all：

計算高頻段能量與總頻段能量的比值，記為α：

α＝f_high/f_all。

進一步的，步驟03中在計算高頻段能量時將100Hz以上的頻率點舍棄掉；此時，f_high、f_all的改進形式為：

其中，

本發(fā)明稱根據(jù)振幅譜比值來衡量可控震源滑動掃描記錄地震資料數(shù)據(jù)中諧波噪聲強弱的方法為“振幅譜比值法”。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：利用本發(fā)明的自動衡量諧波噪聲強弱的方法分別對強諧波干擾與弱諧波干擾數(shù)據(jù)進行處理，得到的振幅譜比值指標能夠很好地衡量諧波噪聲的強弱。同時在振幅譜比值的基礎(chǔ)上，根據(jù)此振幅譜比值可以確定稀疏優(yōu)化方法的字典參數(shù)，取得了較好的結(jié)果。

附圖說明

圖1A為含有諧波噪聲的實際地震資料數(shù)據(jù)；圖1B為抽取圖1A第300道數(shù)據(jù)的時頻圖；

圖2A為單道待分析信號的振幅譜；圖2B為單道待分析信號的振幅譜左半部分；

圖3A為實際地震資料數(shù)據(jù)；圖3B為圖3A所示數(shù)據(jù)的各道深淺層能量比值；圖3C為圖3A所示數(shù)據(jù)的各道振幅譜比值；

圖4為實際地震數(shù)據(jù)；

圖5A為圖4所示數(shù)據(jù)的局部區(qū)域放大圖；圖5B為基于深淺層能量比值法壓制圖5A所示數(shù)據(jù)中諧波噪聲的結(jié)果；圖5C為基于振幅譜比值法壓制圖5A所示數(shù)據(jù)中諧波噪聲的結(jié)果；

圖6為圖4所示數(shù)據(jù)抽取第240道信號基于深淺層能量比值法去噪后與基于振幅譜比值法去噪后的時域波形圖；

圖7A為圖4所示數(shù)據(jù)抽取第240道信號基于深淺層能量比值法得到的有效信號時頻圖；圖7B為圖4所示數(shù)據(jù)抽取第240道信號基于振幅譜比值法得到的有效信號時頻圖；

圖8為本發(fā)明流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

本發(fā)明為一種自動衡量地震數(shù)據(jù)諧波噪聲強弱的振幅譜比值方法，通過將單道地震數(shù)據(jù)從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域，在頻率域選擇合適的頻率分界計算高頻能量占總頻帶能量的比值，并將此比值作為衡量諧波噪聲強弱的指標。

請參閱圖8所示，本發(fā)明為一種自動衡量地震數(shù)據(jù)諧波噪聲強弱的振幅譜比值方法，對地震記錄信號實施步驟01-步驟03，包括：

步驟01：讀取原始地震記錄信號的單道數(shù)據(jù)；

步驟02：對步驟01讀取的單道數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換，從時域轉(zhuǎn)換到頻率域；

步驟03：確定高低頻頻譜分界，計算高頻能量占總頻帶能量的比值；

重復(fù)步驟01-03直到所有道數(shù)據(jù)處理完成。

步驟02中對地震資料單道數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換，具體包括：

假設(shè)x(t)表示待分析信號，X(ω)為x(t)的頻譜，使用快速傅里葉變換求取頻譜：

X(ω)＝FFT(x(t))；

假設(shè)待分析信號為離散信號，長度為N，則離散的頻譜長度也為N；由于FFT得到的頻譜具有對稱性，因此只考慮前N/2個離散點頻譜；

假設(shè)第i點的頻率值為ω_i，則有下式：

其中，dt為采樣間隔，則為采樣頻率；采樣頻率記為f_N，采樣頻率一半記為f_N/2。

步驟03中在頻率域選擇高低頻頻譜分界：

諧波噪聲主要相對表現(xiàn)為高頻能量，有效信號主要相對表現(xiàn)為低頻能量；比如，二次諧波的時頻曲線是有效信號(基波)的二倍，三次諧波的時頻曲線是有效信號(基波)的三倍，更高次的諧波的頻率會表現(xiàn)更高；

一般的可控震源滑動掃描帶來的諧波噪聲的頻率都比有效信號頻率高，雖然二者的頻帶存在交叉，這也是無法直接使用濾波器壓制諧波噪聲的原因，但是，通過在頻率域選擇一個分界點，可以近似認為諧波噪聲能量主要集中在分界點以上，有效信號能量主要集中在分界點以下。

步驟03中計算高頻能量占總頻帶能量的比值，包括：

本發(fā)明中選擇40Hz作為低頻與高頻分界，接下來計算高頻段(40Hz-f_N/2)的能量，記為f_high：

其中，i₄₀是40Hz頻率點的位置。

計算總頻段(0-f_N/2)的能量，記為f_all：

計算高頻段能量與總頻段能量的比值，記為α：

α＝f_high/f_all。

在實際數(shù)據(jù)處理中，待分析信號的頻帶一般不會超過100Hz，因此在這種情況下，在計算高頻段能量時可以將100Hz以上的頻率點舍棄掉，不影響處理結(jié)果，并且會提高計算效率；此時，f_high、f_all的改進形式為：

其中，

根據(jù)振幅譜比值α的定義，可知此振幅譜比值α越大，說明該道地震數(shù)據(jù)中諧波噪聲越強。

如圖1A所示，該片實際疊后地震數(shù)據(jù)受到較強諧波噪聲的干擾，尤其在圖中矩形框區(qū)域影響最為明顯。諧波噪聲覆蓋了有效信號的同相軸，對下一步分析數(shù)據(jù)造成了干擾。

如圖1B所示，為抽取圖1A所示數(shù)據(jù)抽取第300道的時頻圖。可以看到在頻率上，有效信號與諧波噪聲相比，主要表現(xiàn)為低頻，諧波噪聲表現(xiàn)為高頻。

如圖2A所示，對時域待分析信號做快速傅里葉變換，得到的頻率域最大頻率點500Hz即為采樣頻率，也就是采樣間隔0.002秒的倒數(shù)。同時，得到的振幅譜關(guān)于采樣頻率的一半即250Hz點對稱，這符合奈斯奎特采樣定律。圖2B是圖2A的左半部分，因此只分析圖2B中所包含的頻段范圍即可。如圖2B所示，大于100Hz的頻段幾乎為零，因此在計算振幅譜比值時可以用40Hz-100Hz來代替40Hz-250Hz，以減少運算量。

如圖3A所示，是一片實際地震資料，共480道數(shù)據(jù)，采樣點長度為3501，采樣間隔為0.002秒。此地震數(shù)據(jù)在150至300道4秒至6秒?yún)^(qū)域受到了強諧波噪聲干擾。

如圖3B-圖3C所示，分別是得到的圖3A地震資料每道數(shù)據(jù)的深淺層能量比值法比值與振幅譜比值?？梢钥闯?，兩者都能基本反映圖3A中各道數(shù)據(jù)的諧波強弱，但圖3B深淺層能量比值法比值曲線有快速上升與快速下降，沒有圖3C振幅譜比值法曲線平滑，同時，圖3B深淺層能量比值法根據(jù)0.1作為分界線分為兩段，每段分別取得一組字典參數(shù)，而振幅譜比值法是根據(jù)比值來線性得到強弱指標的，因此振幅譜比值法在反映諧波噪聲強弱時更加穩(wěn)定。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1)本發(fā)明方法針對單道數(shù)據(jù)計算振幅譜比值，作為衡量諧波噪聲強弱的指標，而不是一片數(shù)據(jù)確定一個指標，因此具有很強的自適應(yīng)性；

2)本發(fā)明方法使用快速傅里葉變換，效率高；

3)本發(fā)明方法在計算上，各道數(shù)據(jù)之間沒有聯(lián)系，可以并行處理，便于在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用；

下面將基于本發(fā)明的時頻域稀疏優(yōu)化壓噪方法應(yīng)用到實際滑動掃描地震記錄中對有效信號和諧波噪聲進行分離。應(yīng)用結(jié)果表明，本發(fā)明相比較于其他方法，對諧波噪聲強弱的判斷更加準確，壓制諧波噪聲效果也更好。

圖4為我國某油田基于滑動掃描觀測到的相關(guān)后炮集數(shù)據(jù)。該炮集數(shù)據(jù)總共401道，采樣時間間隔為2ms，記錄長度為6s。從剖面上可以看出，該記錄中的信號受到很強的諧波噪聲干擾，導致有效信號被諧波噪聲覆蓋，對地震資料的分析以及解釋造成嚴重影響。

如圖5A為圖4所示的地震資料為便于進一步觀察，在200-300道4秒-6秒截取的一個時空窗。

如圖5B所示，通過深淺層能量比值法判斷地震資料數(shù)據(jù)(圖5A)中諧波噪聲的強弱，并根據(jù)該指標進行諧波噪聲壓制，得到對應(yīng)的有效信號剖面。該方法壓制了淺層的諧波噪聲，但同時資料數(shù)據(jù)深層殘留了大量諧波噪聲。

如圖5C所示，通過本發(fā)明方法判斷地震資料數(shù)據(jù)(圖5A)中諧波噪聲強弱，并根據(jù)該指標進行諧波噪聲壓制，得到對應(yīng)的有效信號剖面。本發(fā)明方法對深層與淺層的諧波噪聲可以同時進行有效的壓制。

可以看到，基于本發(fā)明方法的諧波噪聲壓制去噪效果更加徹底，得到的有效信號數(shù)據(jù)更加干凈。

如圖6所示，提取第240道原始數(shù)據(jù)，基于深淺層能量比值法的噪聲壓制得到的有效信號殘留有明顯的諧波噪聲，而基于本發(fā)明方法的噪聲壓制將諧波噪聲和有效信號進行了分離，有效地壓制了諧波噪聲。

如圖7A-圖7B所示，提取的第240道有效信號的時頻圖，基于深淺層能量比值法上的噪聲壓制得到的有效信號殘留有較為明顯的諧波噪聲，而基于本發(fā)明方法的噪聲壓制去除諧波噪聲效果更加徹底，有效信號沒有諧波噪聲殘留。

以上的實際資料算例中，利用本發(fā)明的振幅譜比值方法可以自動衡量可控震源滑動掃描記錄地震資料數(shù)據(jù)中的諧波噪聲強弱，該判斷指標為后續(xù)資料的分析奠定基礎(chǔ)，同時本發(fā)明方法具有很強的自適應(yīng)性。

最后需要說明的是，以上模型和實際資料算例對本發(fā)明的目的，技術(shù)方案以及有益效果提供了進一步的驗證，這僅屬于本發(fā)明的具體實施算例，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改，改進或等同替換等，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。