本發(fā)明涉及光纖分布式地震波信號降噪，特別是涉及到一種基于ccrn的光纖分布式地震波數(shù)據(jù)處理方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘厍騼?nèi)部傳播時，會受到地下介質(zhì)的各種復(fù)雜作用，例如反射、折射、散射、衍射等。因此，地震波在傳播過程中會攜帶許多信息，對于地球物理學(xué)家來說，地震波數(shù)據(jù)是研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震活動的重要信息源。但是，地震信號中常常包含著大量的噪聲，這些噪聲會對地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，阻礙了地震波數(shù)據(jù)的分析和解釋。

2、地震波降噪就是通過一系列數(shù)字信號處理方法，將地震信號中的噪聲信號去除，以得到更加清晰和準(zhǔn)確的地震數(shù)據(jù)。噪聲來源主要有兩種：一種是來自地表的人類活動噪聲，比如交通噪聲、機(jī)器噪聲、建筑施工等，另一種是來自天然因素，比如風(fēng)、雨、海浪等。另外，地下介質(zhì)中的非線性效應(yīng)也會產(chǎn)生噪聲信號。

3、通過地震波降噪，可以得到更準(zhǔn)確的地震數(shù)據(jù)，提高地震成像和定位的精度，進(jìn)而推斷出更準(zhǔn)確的地下結(jié)構(gòu)和地震發(fā)生機(jī)制。這對于地震勘探、地震監(jiān)測、地震預(yù)測以及地震災(zāi)害防治等方面都有著重要的應(yīng)用價值。

4、現(xiàn)有的技術(shù)中，對地震波的降噪方法主要有：(1)kl變換：該方法提取相鄰道有效成分在波形與能量間的相干信息，消除隨機(jī)噪聲。(2)短時傅里葉變換：通過獲取信號時域內(nèi)的頻譜信息從而對信息進(jìn)行濾波處理。(3)奇異值(svd)分解：將帶噪信號向量空間分解為分別由純凈信號主導(dǎo)和噪聲信號主導(dǎo)的兩個子空間，然后通過去除落在“噪聲空間”中的帶噪信號向量分量來估計純凈信號。

5、當(dāng)前現(xiàn)有的地震波降噪方法大多出現(xiàn)針對的噪聲種類單一，泛化性能差，對噪聲種類繁雜的地震波數(shù)據(jù)效果有限，而且針對das系統(tǒng)存在非平穩(wěn)噪聲難以有效抑制等諸多問題。

6、分布式光纖聲波傳感技術(shù)(das)能實現(xiàn)對光纖沿線動態(tài)應(yīng)變的長距離、分布式監(jiān)測，目前廣泛應(yīng)用于垂直地震剖面(vsp)成像等諸多領(lǐng)域。

7、在運用das結(jié)合vsp技術(shù)采集地震波數(shù)據(jù)的時候，由于測井的不規(guī)則路線導(dǎo)致光纜與井壁難以耦合，外加井下彈簧波噪聲等諸多噪聲影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)變得模糊。因此急需有效的降噪算法對das所采集地震波數(shù)據(jù)的各種噪聲進(jìn)行去除，從而提升das性能、提高das數(shù)據(jù)信噪比，有利于后續(xù)地震繁衍工作。

8、在申請?zhí)枺篶n202010080534.5的中國專利申請中，涉及到一種光纖聲波傳感地震數(shù)據(jù)中井筒波干擾的去除方法及裝置，該方法包括：獲取光纖聲波傳感器采集的包含井筒波干擾的地震波場數(shù)據(jù)；沿井筒波走時，在各道地震波上向下截取預(yù)設(shè)時窗長度的波形數(shù)據(jù)，計算各道地震波上截取的波形數(shù)據(jù)的均方根振幅，作為各道地震波的振幅歸一化因子，以便對每個時間采樣點處各道地震波的振幅值進(jìn)行歸一化處理；對每個時間采樣點處各道地震波的歸一化振幅值進(jìn)行去尾均值濾波處理，得到井筒波在每個時間采樣點處的預(yù)測振幅值，并據(jù)此對每個時間采樣點處各道地震波進(jìn)行井筒波干擾去除處理，最后進(jìn)行反歸一化處理，得到去除井筒波干擾的地震波場數(shù)據(jù)。該發(fā)明有效壓制光纖聲波傳感地震數(shù)據(jù)中的井筒波干擾。

9、在申請?zhí)枺篶n202010180125.2的中國專利申請中，涉及到一種基于分布式光纖聲波傳感井地地震數(shù)據(jù)聯(lián)采系統(tǒng)和井驅(qū)數(shù)據(jù)處理方法，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的井中和地面震數(shù)據(jù)分別采集時存在的每個震源點重復(fù)激發(fā)時造成的能量不一致，頻譜不一致，震源和地面的耦合也不完全一致的問題；該發(fā)明基于井中的分布式光纖聲波傳感地震數(shù)據(jù)采集單元和地面地震數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成的井中─地面地震數(shù)據(jù)聯(lián)合立體采集系統(tǒng)，進(jìn)行井中─地面聯(lián)合立體勘探和同步采集地面和井中地震數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高密度、高效益、高分辨率、低成本的井─地聯(lián)合立體地震勘探技術(shù)，進(jìn)行油氣資源勘探與綜合評價。

10、在申請?zhí)枺篶n202110562514.6的中國專利申請中，涉及到基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的光纖分布式地震波信號降噪方法，利用生成對抗網(wǎng)絡(luò)對光纖分布式地震波信號隨機(jī)噪聲和纜波噪聲進(jìn)行有效去除，本網(wǎng)絡(luò)包含注意力生成網(wǎng)絡(luò)、注意力判別網(wǎng)絡(luò)兩部分，其中注意力生成網(wǎng)絡(luò)由注意力循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動編碼器兩部分構(gòu)成。利用注意力機(jī)制構(gòu)建注意力循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成針對地震波圖像信號中的隨機(jī)噪聲和纜波噪聲的空間注意力權(quán)重矩陣；然后利用上下文卷積自動編碼器生成降噪后的das地震波信號；當(dāng)注意力判別網(wǎng)絡(luò)無法判斷出輸入的去噪后das地震波信號是來自數(shù)據(jù)庫的真實數(shù)據(jù)還是生成網(wǎng)絡(luò)生成的數(shù)據(jù)時，基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的光纖分布式地震波信號降噪算法訓(xùn)練完成。

11、在申請?zhí)枺篶n202111068897.8的中國專利申請中，涉及到分布式光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)收集轉(zhuǎn)換方法，包括對井下或地面光纖采集的光纖質(zhì)點位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對時間的微分處理，將其轉(zhuǎn)換成與速度檢波器記錄的地震數(shù)據(jù)量綱相同的das地震數(shù)據(jù)，然后對檢波器記錄的地震數(shù)據(jù)和微分處理后的das地震數(shù)據(jù)做離散傅里葉變換(dft)，把離散傅里葉變換后的兩種數(shù)據(jù)的振幅譜進(jìn)行對比，并在全頻段的振幅譜上求取每個離散角頻率ω對應(yīng)的檢波器記錄的地震數(shù)據(jù)振幅譜和轉(zhuǎn)換后的das地震數(shù)據(jù)振幅譜之間的比值δag/f(ω)，在das地震數(shù)據(jù)各頻點對應(yīng)的系數(shù)乘上δag/f(ω)，最后對進(jìn)行過振幅譜補(bǔ)償處理的das地震數(shù)據(jù)的校正振幅譜做離散傅里葉逆變換，即可得到在同一個接收位置與檢波器記錄的地震數(shù)據(jù)完全一樣的das地震數(shù)據(jù)。

12、以上現(xiàn)有技術(shù)均與本發(fā)明有較大區(qū)別，未能解決我們想要解決的技術(shù)問題，為此我們發(fā)明了一種新的基于ccrn的光纖分布式地震波數(shù)據(jù)處理方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種新的算法對das所采集地震波信號進(jìn)行有效降噪，提升數(shù)據(jù)信噪比的基于ccrn的光纖分布式地震波數(shù)據(jù)處理方法。

2、本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：基于ccrn的光纖分布式地震波數(shù)據(jù)處理方法，該基于ccrn的光纖分布式地震波數(shù)據(jù)處理方法包括：

3、步驟1，構(gòu)建地震波信號數(shù)據(jù)集；

4、步驟2，構(gòu)建ccrn網(wǎng)絡(luò)；

5、步驟3，將數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；

6、步驟4，將含噪聲信號的復(fù)數(shù)頻譜映射到重構(gòu)信號的復(fù)數(shù)頻譜，從而還原出較為干凈的信號。

7、本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：

8、在步驟1，運用垂直地震剖面技術(shù)，結(jié)合das系統(tǒng)，對地震波信號進(jìn)行采集。

9、在步驟2，構(gòu)建以卷積遞歸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過復(fù)數(shù)域映射重構(gòu)信號的ccrn網(wǎng)絡(luò)。

10、在步驟2，在提出的網(wǎng)絡(luò)中，編碼器包括五個卷積層，而解碼器有五個反卷積層，將指數(shù)線性單元elu應(yīng)用于除輸出層之外的所有卷積層和去卷積層，在輸出層，利用softplus激活。

11、在步驟2，在每次卷積或解卷積后和激活前采用批量歸一化；并將核的數(shù)量保持對稱：即核的數(shù)量在編碼器中逐漸增加，而在解碼器中逐漸減少；為了利用沿頻率方向更大的上下文，對所有卷積或反卷積層沿頻率維度應(yīng)用2的步幅；即在編碼器中逐層將含噪信號的頻率維度大小減半，在解碼器中逐層將其加倍，而不改變含噪信號的時間維度大??；為了改善整個網(wǎng)絡(luò)的信息和梯度流動，利用跳過連接，將每個編碼器層的輸出與每個解碼器層的輸入連接起來。

12、在步驟2，為了得到一個用于實時語音增強(qiáng)的因果系統(tǒng)，在編碼器-解碼器結(jié)構(gòu)上施加了因果卷積；輸入可以被視為一個特征向量的序列；在因果卷積中，輸出不依賴于未來的輸入；使用因果卷積而不是非因果卷積，編碼器-解碼器架構(gòu)組成一個循環(huán)結(jié)構(gòu)。

13、在步驟3，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)得到的相位信息根據(jù)定位位置進(jìn)行提取，將它與原始地震波信號同時以序列形式輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

14、在步驟4，采用編碼解碼的方式，通過迭代估計含噪聲信號到干凈聲信號的非線性映射關(guān)系，將含噪聲信號的復(fù)數(shù)頻譜映射到重構(gòu)信號的復(fù)數(shù)頻譜，從而還原出較為干凈的信號。

15、在步驟4，復(fù)數(shù)譜映射的目的在于從含噪聲信號中提取出干凈聲信號的實譜圖和虛譜圖，同時增強(qiáng)地震波信號的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。

16、在步驟4，對于含噪聲信號：

17、y＝x+n

18、其中，y是含噪聲信號；x是干凈聲信號；n是噪聲信號；

19、幅值頻譜的映射是對兩邊做短時傅里葉變換，得到：

20、y＝x+n

21、其中，y、x和n分別代表y、x和n的短時傅里葉變換；

22、所提出的復(fù)數(shù)譜映射是把短時傅里葉變換的表示應(yīng)用在直角坐標(biāo)系，即將上公式修改為：

23、(yr+yi)＝(xr+nr)+i(xi+ni)

24、其中，r表示實部，i表示虛部。

25、在步驟4，通過模型估計復(fù)數(shù)理想比值掩碼,得到：

26、

27、由此，增強(qiáng)的頻譜可以通過復(fù)數(shù)理想比值掩碼對含噪頻譜的估計來得到，并且用于重構(gòu)地震波信號:

28、

29、在步驟4，將增強(qiáng)的實譜與虛譜合并后，經(jīng)過短時傅里葉逆變換，就可以得到由das系統(tǒng)采集的降噪后的地震波信號。

30、本發(fā)明中的基于ccrn(卷積遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))的光纖分布式地震波數(shù)據(jù)處理方法，可用于增強(qiáng)分布式聲波傳感系統(tǒng)的信號降噪，可以有效的對分布式聲學(xué)傳感系統(tǒng)采集到的地震波信號進(jìn)行處理，提高地震波信號的信噪比，使得所采集信號的質(zhì)量提高。本發(fā)明提出的ccrn技術(shù)也可以有效的應(yīng)用于分布式聲波傳感系統(tǒng)進(jìn)行噪聲信號消除，提升分布式聲波傳感系統(tǒng)的測量能力。

31、本發(fā)明的核心即為基于das系統(tǒng)的一種地震波處理算法，該算法具有獨創(chuàng)性。本發(fā)明提出的ccrn是在crn的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，常用的crn一般是使用幅度譜來對信號進(jìn)行映射或者掩蔽的操作。最近的dccrn、u-net網(wǎng)絡(luò)都使用了復(fù)數(shù)譜來提高網(wǎng)絡(luò)的性能，復(fù)數(shù)譜不僅能夠提升網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)語音信號的質(zhì)量，還能減小信號在重構(gòu)后相位的誤差，這對于das系統(tǒng)這樣一個通過相位信號來定位的設(shè)備是非常重要的。所以本發(fā)明也同樣使用了復(fù)數(shù)譜來改進(jìn)了crn的映射操作。另外，為了繼續(xù)提高網(wǎng)絡(luò)的性能，減小網(wǎng)絡(luò)對于噪聲部分的干擾，在ccrn中增加了注意力機(jī)制以及平滑過渡的空洞卷積模塊。最終將這一算法用于das地震波數(shù)據(jù)處理中。