本發(fā)明屬于地震勘探識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域,尤其與一種基于ceemd的高精度頻散avo屬性計(jì)算方法有關(guān)。
背景技術(shù):
目前,大多數(shù)研究者都假設(shè)地震波速度會(huì)發(fā)生頻散,并利用頻譜分解技術(shù)把地震數(shù)據(jù)分解為窄帶地震信號(hào),再利用地震波頻散理論及優(yōu)化算法提取地震波的頻散屬性。為了更有效地識(shí)別儲(chǔ)層流體,需要研究提高地震波頻散屬性計(jì)算精度與可靠性的方法,而最有效的提升計(jì)算精度方法,就是提高頻率域數(shù)據(jù)獲得準(zhǔn)確性。
頻譜分解技術(shù)基于各類時(shí)頻分析方法,時(shí)頻分析是針對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)而逐漸發(fā)展起來的時(shí)間頻率域聯(lián)合分析方法。傅立葉變換只能給出全局信號(hào)各頻率的振幅譜,時(shí)間分辨率為0。時(shí)頻分析技術(shù)能夠直觀給出局部信號(hào)在各個(gè)頻率的能量分布,更適合分析地震信號(hào)等非平穩(wěn)信號(hào)。時(shí)頻分析方法主要分為線性和非線性方法兩類;線性時(shí)頻分析方法主要基于傅里葉變換的思想。法國地球物理學(xué)家于世紀(jì)年代提出了著名的小波變換,釆取低頻大尺度、高頻小尺度的分析方法,被譽(yù)為數(shù)學(xué)的“顯微鏡”。解決了時(shí)間頻率分辨率折中的難題,對(duì)信號(hào)具有更好的自適應(yīng)性和局部化特征。但小波變換存在幾個(gè)不足:由于小波變換時(shí)簡諧波與高斯函數(shù)進(jìn)行同樣的伸縮和平移,小波變換是沿著時(shí)間方向絕對(duì)平移,小波變換相位局部化,各頻率相位基準(zhǔn)不一致;計(jì)算量較大,不便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(emd)是由huang等提出的一種信號(hào)分析方法,該方法通過提取復(fù)雜信號(hào)在每一個(gè)時(shí)刻局部的振蕩模式,按由高到低的自適應(yīng)頻率分解模式尋找信號(hào)內(nèi)蘊(yùn)的高頻信息,進(jìn)而分解得到若干個(gè)平穩(wěn)信號(hào)分量,即模態(tài)函數(shù)分量(imf)。emd分解法其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)遍及地震、雷達(dá)和語音信號(hào)處理及圖像分析等各個(gè)面。正是因?yàn)閑md的自適應(yīng)性,缺乏約束條件,使其不可避免的存在缺陷,這種缺陷稱為"模態(tài)混疊"。任何信號(hào)我們都可以看成其由若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(imf)組成的,一個(gè)模態(tài)描述一個(gè)單一的震動(dòng)狀態(tài),而如果imf之間相互重疊,則形成復(fù)合信號(hào)。在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析過程中,期望將這些單一的模態(tài)干凈的分離出來,傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(emd)由于算法本身的局限性,在分離出來的平穩(wěn)信號(hào)中會(huì)包含多個(gè)模態(tài),從而造成模態(tài)混疊,其結(jié)果會(huì)造成頻譜分析的錯(cuò)誤。2014年,周竹生提出了利用小波變換進(jìn)行頻譜分解的分頻avo反演方法。該方法主要通過連續(xù)小波變換對(duì)疊前角度道集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分解,再在頻率域數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行頻散avo屬性計(jì)算。該方法不足之處在于,受限于小波變換自身算法原因,小波變換所獲得頻率域受限于小波窗的分布,往往包含其他頻率域數(shù)據(jù),故而所得到的時(shí)頻譜在頻率域聚焦方面無法得到準(zhǔn)確的單一頻率數(shù)據(jù),其時(shí)頻譜相對(duì)來說過于粗化,直接影響后期頻散avo屬性計(jì)算的精度。針對(duì)上述缺陷,本專利申請(qǐng)人提供了一種基于ceemd的高精度頻散avo屬性計(jì)算方法,本發(fā)明主要為了解決在實(shí)際研究中,提出運(yùn)用ceemd方法進(jìn)行時(shí)頻分析,能夠較好克服模態(tài)混疊,消除端點(diǎn)效應(yīng),并且頻率域上的時(shí)頻聚焦性更好,分辨率更高,其得到的頻率域信息的精確性明顯優(yōu)于小波變換,能夠在一定程度優(yōu)化人為后期的頻散avo計(jì)算結(jié)果,提高后期流體識(shí)別的準(zhǔn)確度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)上述背景技術(shù)存在的上述缺陷,本發(fā)明旨在提供一種基于ceemd的高精度頻散avo屬性計(jì)算方法,本發(fā)明能能夠較好克服模態(tài)混疊,消除端點(diǎn)效應(yīng),并且頻率域上的時(shí)頻聚焦性更好,分辨率更高,其得到的頻率域信息的精確性明顯優(yōu)于小波變換,能夠在一定程度優(yōu)化人為后期的頻散avo計(jì)算結(jié)果,提高后期流體識(shí)別的準(zhǔn)確度。
為此,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種基于ceemd的高精度頻散avo屬性計(jì)算方法,包括以下步驟:
步驟一:首先定義算子ej(·),當(dāng)給定一個(gè)信號(hào),通過emd求得第j個(gè)模態(tài);wi(n)表示單位方差的零均值高斯白噪聲n(0,1);i=1,...,i;εk系數(shù)允許在每個(gè)階段選擇信噪比,設(shè)疊前角度道集數(shù)據(jù)為輸入的目標(biāo)信號(hào)x(t),使用不同的噪聲通過emd重復(fù)分解i次,計(jì)算總體平均值,并將其定義為目標(biāo)信號(hào)x(t)的imf1(t),公式為
步驟二:對(duì)k=1,計(jì)算一階殘差r1(t),公式為
r1(t)=x(t)-imf1(t)
步驟三:emd實(shí)現(xiàn)r1(t)+ε1e1(wi(t)),直到滿足第一個(gè)imf(t)條件,并定義總體平均值為imf2(t),公式為
步驟四:對(duì)k=2,...,k,計(jì)算k階殘差rk(t),公式為
rk(t)=rk-1(t)-imfk(t)
步驟五:提取rk(t)+εkek(wi(t))的imf1(t)分量,計(jì)算它們的總體平均值得到目標(biāo)信號(hào)的imf(k+1)(t),公式為
步驟六:重復(fù)步驟(四)(五),直到殘差不能再被分解為止,則得到最終殘差r(t)為
步驟七:實(shí)際的疊前角度數(shù)據(jù)x(t)包含n個(gè)角度的數(shù)據(jù),所以x(t)可以按照角度數(shù)量寫成x(t,n),而經(jīng)過ceemd分解后會(huì)按照實(shí)際數(shù)據(jù)的頻率分量,分解成若干個(gè)imf個(gè)分量,所以同樣按照角度數(shù)量,可以將分解后得到的若干個(gè)imf分量寫成s(t,n,f),即,可以將對(duì)原始疊前角度數(shù)據(jù)進(jìn)行ceemd分解后得到不同頻率分量的imf下振幅譜s:
步驟八:由于地震記錄的振幅信息是地震子波與反射系數(shù)的褶積,振幅譜會(huì)受到“子波疊印”的影響,即能量在各個(gè)頻率分布不均衡,主要集中在主頻帶,因此要對(duì)不同頻率的振幅譜通過加權(quán)函數(shù)w進(jìn)行譜均衡:
sb(t,n,f)=s(t,n,f)w(f)
步驟九:對(duì)于某一頻率分量f0,根據(jù)以下頻散公式:
可以得到以下關(guān)系式:
對(duì)上式,采用最小二乘法反演,可以計(jì)算頻譜振幅意義下f0頻率的縱橫波速度變化率;
步驟十:對(duì)步驟九的頻散公式在某一參考頻率f0處對(duì)縱橫波速度泰勒級(jí)數(shù)展開,并舍去高階項(xiàng),只保留一階導(dǎo)數(shù)得到:
其中ia和ib為縱橫波速度變化率關(guān)于頻率f的導(dǎo)數(shù),即縱橫波速度變化率隨頻率變化的快慢,將其定義為頻散程度:
步驟十一:對(duì)步驟十的泰勒級(jí)數(shù)展開后的頻散公式,求ia和ib,可以對(duì)其寫為:
考慮m+1個(gè)頻率f1,f2,…,fm的情況,并定義列向量a為:
定義m×n行,2列的矩陣e如下:
將列向量a和矩陣e代入到上式中,可以寫為:
于是,每一個(gè)采樣點(diǎn)t處的ia和ib可以通過最小二乘反演方法求得,最終得到頻散avo屬性:
使用本發(fā)明可以達(dá)到以下有益效果:本發(fā)明充分考慮地震數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)性,利用ceemd經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法的算法優(yōu)勢(shì),ceemd方法主要是通過向待分析信號(hào)中添加兩個(gè)相反的白噪聲信號(hào),并分別進(jìn)行emd分解,分解的每一階段添加一個(gè)特定白噪聲,并計(jì)算一個(gè)唯一殘差以得到每個(gè)imf,該方法能夠在保證分解效果與eemd相當(dāng)?shù)那闆r下,減小了由白噪聲引起的重構(gòu)誤差,提供原始信號(hào)的精確重構(gòu),同時(shí)更好的實(shí)現(xiàn)模態(tài)頻譜分離以及具有更低的計(jì)算成本,能夠有效將非平穩(wěn)信號(hào)分解為若干個(gè)平穩(wěn)信號(hào),即imf分量。然后在得到頻率域imf分量的基礎(chǔ)上,進(jìn)行頻散avo屬性計(jì)算,這種方法相較于小波變換頻散avo計(jì)算來說,得到的頻率域信息更為準(zhǔn)確,去掉了冗余的其他頻率域信息,以此計(jì)算的頻散avo更符合頻率域?qū)嶋H情況,精度相對(duì)更高。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是基于ceemd的頻散avo屬性計(jì)算方法,與emd、eemd一樣,ceemd可以將一個(gè)非平穩(wěn)信號(hào)分解成有限個(gè)平穩(wěn)信號(hào),其中的分解得到的每個(gè)平穩(wěn)信號(hào)稱作為固有模態(tài)函數(shù)(intrinsicmodefunction,imf)。同時(shí),與eemd一樣,ceemd也是一種噪聲輔助分析。首先定義算子ej(·),當(dāng)給定一個(gè)信號(hào),通過emd求得第j個(gè)模態(tài);wi(n)表示單位方差的零均值高斯白噪聲n(0,1);i=1,...,i;εk系數(shù)允許在每個(gè)階段選擇信噪比。設(shè)疊前角度道集數(shù)據(jù)為輸入的目標(biāo)信號(hào)x(t),則具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
步驟一:imf1(t)的求取方法與eemd方法相同,即使用不同的噪聲實(shí)現(xiàn)通過emd重復(fù)分解i次,計(jì)算總體平均值,并將其定義為目標(biāo)信號(hào)x(t)的imf1(t),公式為
步驟二:對(duì)k=1,計(jì)算一階殘差r1(t),公式為
r1(t)=x(t)-imf1(t)
步驟三:emd實(shí)現(xiàn)r1(t)+ε1e1(wi(t)),直到滿足第一個(gè)imf(t)條件,并定義總體平均值為imf2(t),公式為
步驟四:對(duì)k=2,...,k,計(jì)算k階殘差rk(t),公式為
rk(t)=rk-1(t)-imfk(t)
步驟五:提取rk(t)+εkek(wi(t))的imf1(t)分量,計(jì)算它們的總體平均值得到目標(biāo)信號(hào)的imf(k+1)(t),公式為
步驟六:重復(fù)步驟(四)(五),直到殘差不能再被分解為止,則得到最終殘差r(t)為
步驟七:實(shí)際的疊前角度數(shù)據(jù)x(t)包含n個(gè)角度的數(shù)據(jù),所以x(t)可以按照角度數(shù)量寫成x(t,n),而經(jīng)過ceemd分解后會(huì)按照實(shí)際數(shù)據(jù)的頻率分量,分解成若干個(gè)imf個(gè)分量,所以同樣按照角度數(shù)量,可以將分解后得到的若干個(gè)imf分量寫成s(t,n,f),即,可以將對(duì)原始疊前角度數(shù)據(jù)進(jìn)行ceemd分解后得到不同頻率分量的imf下振幅譜s:
步驟八:由于地震記錄的振幅信息是地震子波與反射系數(shù)的褶積,振幅譜會(huì)受到“子波疊印”的影響,即能量在各個(gè)頻率分布不均衡,主要集中在主頻帶附近。因此要對(duì)不同頻率的振幅譜通過加權(quán)函數(shù)w進(jìn)行譜均衡:
sb(t,n,f)=s(t,n,f)w(f)
步驟九:對(duì)于某一頻率分量f0,根據(jù)以下頻散公式:
可以得到以下關(guān)系式:
對(duì)上式,采用最小二乘法反演,可以計(jì)算頻譜振幅意義下f0頻率的縱橫波速度變化率。
步驟十:對(duì)步驟九的頻散公式在某一參考頻率f0處對(duì)縱橫波速度泰勒級(jí)數(shù)展開,并舍去高階項(xiàng),只保留一階導(dǎo)數(shù)得到:
其中ia和ib為縱橫波速度變化率關(guān)于頻率f的導(dǎo)數(shù),即縱橫波速度變化率隨頻率變化的快慢,將其定義為頻散程度:
步驟十一:對(duì)步驟十的泰勒級(jí)數(shù)展開后的頻散公式,求ia和ib,可以對(duì)其寫為:
考慮m+1個(gè)頻率f1,f2,…,fm的情況,并定義列向量a為:
定義m×n行,2列的矩陣e如下:
將列向量a和矩陣e代入到上式中,可以寫為:
于是,每一個(gè)采樣點(diǎn)t處的ia和ib可以通過最小二乘反演方法求得,最終得到頻散avo屬性:
作為另一種實(shí)施方式,可以利用現(xiàn)有的基于小波變換頻譜分解方法對(duì)疊前角度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率域數(shù)據(jù)分解后,再進(jìn)行頻散avo屬性計(jì)算。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解,本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制,上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理,在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下,本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn),這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。