海洋可控源電磁數(shù)據(jù)中海水擾動噪聲的小波校正方法研究

李肅義,蔣善慶,王躍洋,于生寶

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院,吉林長春130021)

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海洋可控源電磁數(shù)據(jù)中海水擾動噪聲的小波校正方法研究

李肅義,蔣善慶,王躍洋,于生寶

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院,吉林長春130021)

海洋可控源電磁法(Marine controlled-source electectromagnetic method,MCSEM)采集的信號極易受多種噪聲的干擾,其中由海浪、暗流運動引起的海水擾動噪聲是影響信號質量與后期處理解釋的主要噪聲之一。針對海水擾動噪聲,提出了一種基于小波多分辨率分析的校正方法:根據(jù)水平電偶極源發(fā)射波形與小波基特點,選取最優(yōu)小波基并研究其最佳分解層數(shù),利用最高分解層數(shù)所對應的近似序列估計出海水擾動噪聲并從原始信號中去除,達到消除海水擾動噪聲的目的。對比校正前、后MCSEM信號的振幅隨偏移距變化(Magnitude versus offset,MVO)曲線,表明方法有效。

海洋可控源電磁法;海水擾動噪聲;小波多分辨率分析;MVO

隨著世界各國對能源需求的持續(xù)增長,陸地與淺海資源儲備日益減少,全球油氣勘探的重點逐漸轉向深海資源[1-3],傳統(tǒng)的以地震勘探技術為主的油氣勘探技術顯然不能完全適應深海探測。海洋可控源電磁法(MCSEM)是勘探海底油氣資源和礦產(chǎn)資源的一種新興海洋地球物理技術,相比傳統(tǒng)的地震勘探技術能更好地適應海洋環(huán)境,并且人為干擾噪聲較小[4-5]。按照原理、場源等不同,MCSEM技術分多種方式,如時間域垂直電(磁)偶源、頻率域水平電(磁)偶源等,目前頻率域水平電偶-偶方法較為成熟,國外已將此方法成功應用于海底油氣以及海底天然氣水合物探測[6-7]。

海水具有屏蔽空間電磁噪聲的優(yōu)勢,有利于應用MCSEM法進行探測。但是,海水中接收到的MCSEM信號會受到隨機噪聲、海水擾動噪聲以及空氣波的影響而失真,直接影響電磁數(shù)據(jù)的定性顯示分析及定量反演解釋效果[8]。關于MCSEM數(shù)據(jù)處理方法的研究國外已經(jīng)取得了很大進展:1998年,MACGREGOR等[9]分析了MCSEM數(shù)據(jù)中可能包含的噪聲,基于最小二乘擬合與疊加算法進行了數(shù)據(jù)的壓縮及噪聲估計。2005年,BEHRENS[10]提出了MCSEM數(shù)據(jù)處理的基本流程,并基于Matlab編寫了相應的處理程序。2006年,AMUNDSEN等[11]將電磁波分為上行波場與下行波場,提出一種基于波場分離理論的空氣波去除技術。但是后續(xù)研究表明[12],由于遠偏移距的有效信號微弱,去除空氣波的同時也損失了有效信號。因此,去除空氣波是不現(xiàn)實的,很多商用MCSEM系統(tǒng)使用簡化的一維模型來對數(shù)據(jù)進行反演[13]。2011年,MYER等[14]對Scarborough地區(qū)的海底進行了勘探,采集了MCSEM與MT數(shù)據(jù),對時域數(shù)據(jù)先應用一階差分預白法去除長周期MT噪聲的影響,然后變換到頻域應用后黑法去除預白對相位和振幅的影響。2014年,HSU等[15]在臺灣海域應用MCSEM法進行天然氣水合物勘探試驗,并對原始數(shù)據(jù)使用Butterworth濾波器進行了濾波。國內關于MCSEM數(shù)據(jù)處理方法的研究還處于起步階段:2009年,林昕等[16]將時域濾波及噪聲估計方法應用于MCSEM數(shù)據(jù)的噪聲壓制,并基于模擬數(shù)據(jù)討論了提高信噪比、增加有效接收距離的可行性。2014年,譚帥[17]應用經(jīng)驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法進行MCSEM數(shù)據(jù)的消噪處理。周潞[18]應用小波閾值法對MCSEM模擬數(shù)據(jù)進行了消噪處理。李予國等[19]提出了海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預處理方法,并指出空氣波與海浪、暗流等運動產(chǎn)生的感應電磁場干擾是影響電磁探測數(shù)據(jù)質量的主要噪聲。如何有效抑制噪聲及提高信噪比,是目前MCSEM數(shù)據(jù)處理方法研究中亟待解決的重點問題之一。本文針對MCSEM數(shù)據(jù)中存在的海水擾動噪聲,提出一種基于小波多分辨率分析的校正方法。

1　海洋可控源電磁響應計算

1.1MCSEM測量原理

圖1為海洋可控源電磁法測量原理示意圖,通常將多分量電磁場接收器沿測線下沉至海底固定,再利用勘察船拖曳發(fā)射源在海水中沿測線距海底一定高度進行移動式測量。當發(fā)射源向海底發(fā)射低頻電磁信號時,布設在海底的接收器可以接收到直達波、電磁反射波和折射波信號。如果海底地層中存在高阻油氣層,在一定接收距內接收到的高阻層返回的能量就會超過直達波與空氣波產(chǎn)生的能量[20]。

圖1　MCSEM測量原理

1.2水平電偶極源的電磁場計算

如圖2所示,假設水平電偶極源MN與直角坐標系的x軸一致,MN的中點O到海底面(xOy)上任意一點Q的距離為R,MN與OQ的夾角為θ,MN的長度為L,水平電偶極源MN的電流為I。

假設諧變電磁場的時間因子為e-iω t,當頻率很低的時候,可以忽略位移電流,即ε(?E/?t)=0,非鐵磁性介質的磁導率可以近似為μ=μ0=4π×10-7H/m。

圖2　直角坐標系中的電偶極源

由頻率域麥克斯韋方程組和描述介質性質的本構方程聯(lián)合,可以推導出亥姆霍茲方程:

(1)

(2)

式中:E表示電場強度;H表示磁場強度;k為波數(shù),k2=-iωμ0σ,σ為介質的電導率。

建立如圖3所示的均勻半空間簡化模型,其中k0,k1分別為海水和海底兩種均勻介質的波數(shù),σ0,σ1分別為海水和海底兩種均勻介質的電導率,水平電偶極源和接收器均置于海水和海底分界面上[21]。

圖3　均勻半空間簡化模型

由公式(1)、公式(2)和分界面上的銜接條件,可以推導出水平電偶極源的電磁場。本文給出了實際應用中常用于繪制振幅隨偏移距變化(MVO)曲線的電磁場分量Ex,其它電磁場分量計算方法類似[22]。

(3)

由公式(3)可以看出Ex信號由兩部分組成:①在表層傳播經(jīng)過折射到達地下的信號;②直接在地下傳播并按指數(shù)衰減的信號。

1.3海底均勻層狀介質模型建立

假設海底地層模型如圖4所示,海水深度為1000m,油氣層位于海底2000m深度,厚度為100m,海水的電阻率為0.3Ω·m,沉積層的電阻率為1.0Ω·m,油氣層電阻率為100.0Ω·m。

圖4　海底地層模型

1.4勘探仿真參數(shù)設定及其相應電磁響應分析

MCSEM系統(tǒng)勘探中用于正、反演計算的參數(shù)主要有:發(fā)射波形、發(fā)射頻率、發(fā)射系統(tǒng)航跡、接收器位置與接收器采樣頻率、船速等。本文結合實際勘探應用,設定勘探仿真參數(shù)如下:發(fā)射波形為基頻0.08Hz的雙對稱方波;發(fā)射頻率為0.08,0.24,0.40Hz;發(fā)射系統(tǒng)在海底上方50m,沿y軸方向移動,測線長18km;接收器置于海底,位于發(fā)射系統(tǒng)航跡正下方;接收器采樣頻率為10Hz;船速為10m/s。

利用以上仿真參數(shù),結合KEY[23]編制的海底均勻層狀介質模型一維海洋可控源電磁正演程序,計算了多個發(fā)射頻率下的電磁響應信號及相應的MVO曲線。計算MVO曲線是頻率域MCSEM數(shù)據(jù)最常用、最簡易的定性解釋方法,可以初步推斷勘探區(qū)域是否含有油氣儲層。由時域信號計算MVO曲線的基本過程為:首先對整體信號進行分段;然后對每一段數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(FFT),取出每段變換結果中表示信號基頻的頻率成分的幅值,根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)行進的速度、每段數(shù)據(jù)的長度和采樣頻率確定偏移距;最后根據(jù)每段數(shù)據(jù)獲得的幅值和相應的偏移距繪制出MVO曲線。圖5為發(fā)射頻率0.24Hz時計算的理論含油與無油MVO曲線,當海底存在高阻油氣層時,隨著偏移距的增大,由海底高阻油氣層返回的折射波和反射波能量衰減較少,在接收信號中占據(jù)主導地位,因此MVO曲線出現(xiàn)較強的幅值,如圖5中虛線部分所示。若海底不存在高阻油氣層,折射波和反射波能量衰減較多,與存在高阻油氣層時的接收信號能量相比存在明顯差別,MVO曲線的幅值下降速度較快,如圖5中實線部分所示。

圖5　理論含油與無油MVO曲線

2　海水擾動噪聲的模擬與校正

2.1MCSEM噪聲分析及海水擾動噪聲模擬

由于海水的高導電性,高頻電磁信號在海水中衰減嚴重,高頻噪聲也很難到達海底,但是海洋電磁探測過程中依然會受到隨機噪聲、空氣波和海水擾動噪聲的干擾。隨機噪聲主要由隨機的干擾和系統(tǒng)本身的噪聲所組成,它和信號不相關,在時間域可以利用多次疊加的方法進行壓制,在頻率域可以通過計算互功率譜的方法進行抑制。空氣波指的是發(fā)射端發(fā)射的信號穿過海水層到達海水與空氣界面,又穿過海水到達接收端的電磁信號。在淺水海域,接收端從海底介質中接收的電磁信號很容易被淹沒在空氣波中,但在深水海域,空氣波對電磁信號的影響相對較小。海水擾動噪聲主要來源于海浪、暗流等運動產(chǎn)生的感應電磁場,具有頻率低、幅值高的特點,在遠偏移距時,測量的MCSEM信號非常微弱,量級通常僅為10-15,受海水擾動噪聲的影響嚴重[24]。

圖6a為發(fā)射頻率0.24Hz時計算的理論電磁響應信號s(n)。根據(jù)海水擾動噪聲的特點,我們模擬了多組頻率在0～1Hz,幅值在10-16～10-13的正、余弦疊加信號,并隨機選取了其中一組來模擬海水擾動噪聲e(n)。圖6b為s(n)疊加e(n)后的含噪信號x(n)。由于近偏移距信號幅度遠大于噪聲幅度,因此,圖6中我們截取了偏移距為3000～18000m的含噪信號。

圖7為由時域理論信號和模擬含噪信號計算的MVO曲線,可見噪聲嚴重影響了MVO曲線的形態(tài)以及解釋的偏移距范圍。

圖6　時域理論信號s(n)(a)與模擬的含噪信號x(n)(b)

圖7　理論信號及其加入海水擾動噪聲后信號的MVO曲線

2.2基于小波的校正算法

2.2.1小波基的選擇

本文MCSEM系統(tǒng)發(fā)射波形采用雙對稱方波,常用的dbN,symN,coifN正交緊支小波系中,dbN小波系與發(fā)射波形較接近,代表消失矩的N越高,光滑性越好,頻域局部化能力越強,但是支撐長度變寬,運算量增大,細節(jié)信息損失也會加大[25]。我們分別使用db1,db2,…,db10小波基做了10組校正實驗,通過對比消噪前、后信號的信噪比,最終選擇了db8小波基,既保證了信號的光滑度,又保留了信號的細節(jié)。

2.2.2分解層數(shù)

采樣頻率與采樣時間決定了小波的分解層數(shù),我們推導了最優(yōu)分解層數(shù)經(jīng)驗公式:

(4)

式中:t表示MCSEM數(shù)據(jù)的采樣時間;fs表示MCSEM數(shù)據(jù)的采樣頻率;wL表示低通分解濾波器的長度;fix表示向零取整函數(shù)。本文應用該經(jīng)驗公式計算得到的最優(yōu)分解層數(shù)為9。

2.2.3噪聲估計

采用db8小波將信號分解L層,得到L個細節(jié)序列D1,D2,…,DL與近似序列AL,利用AL重構出海水擾動噪聲e(n)。

2.2.4信號重構

校正后的信號s(n)=x(n)-e(n)。

2.3校正結果分析

采用db8小波將信號分解9層(圖8),其中圖8a,圖8b分別為理論信號和含噪信號,圖8c 至圖8k分別為利用第1層至第9層細節(jié)序列D1～D9重構出的信號,圖8l為第9層近似序列A9重構出的噪聲。從含噪信號中去除估計的噪聲,得到消除擾動噪聲后的信號(即校正信號)。

圖9分別為利用理論信號、含海水擾動噪聲信號以及校正信號所計算的MVO曲線。

圖8　9層小波分解a 理論信號; b 含噪信號; c 第1層細節(jié)分量; d 第2層細節(jié)分量; e 第3層細節(jié)分量; f 第4層細節(jié)分量; g 第5層細節(jié)分量; h 第6層細節(jié)分量; i 第7層細節(jié)分量; j 第8層細節(jié)分量; k 第9層細節(jié)分量; l 第9層近似分量

圖9　利用時域信號計算的MVO曲線a 理論信號; b 含噪信號; c 校正后信號; d 理論信號、含噪信號及校正后信號的MVO曲線對比

從圖9可以看出,利用小波校正方法校正后的信號MVO曲線與理論信號的MVO曲線重合。利用信號和噪聲的有效值計算的信噪比RSN=20lg(S/N)(S,N分別表示信號和噪聲的有效值)從68.7066提高到104.1170,只是在信號的末端出現(xiàn)失真現(xiàn)象,如圖9d放大部分所示?？偟恼f來,本文方法較為有效地去除了海水擾動噪聲,提高了信號的信噪比,增加了MVO曲線解釋的偏移距范圍。

3　結束語

海水擾動噪聲是影響海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)質量和后期反演解釋精度的主要噪聲之一,特別是對于深海電磁勘探。本文首先建立了海底均勻層狀介質模型,根據(jù)設置的仿真參數(shù)計算了相應的電磁響應;然后根據(jù)海水擾動噪聲的特點,在仿真結果中疊加了模擬的海水擾動噪聲;最后應用基于小波多分辨率分析的方法很好地消除了海水擾動噪聲,提高了MCSEM數(shù)據(jù)信噪比,增加了數(shù)據(jù)解釋的偏移距范圍,為MCSEM數(shù)據(jù)的后期反演解釋奠定了基礎。

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(編輯:戴春秋)

A wavelet correction method for the seawater turbulence noise in marine controlled-source electectromagnetic data

LI Suyi,JIANG Shanqing,WANG Yueyang,YU Shengbao

(CollegeofInstrumentationandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130021,China)

The signals acquired by marine controlled-source electromagnetic method (MCSEM) are seriously disturbed by various noises,and the interferences generated by the movement of waves and undercurrent are the main noise (i.e.seawater turbulence noise,) that affects the signal quality and the processing & interpretation for MCSEM data.To suppress the seawater turbulence noise,we propose a correction method based on wavelet multi-resolution analysis.According to the characteristics of the waveform transmitted by horizontal electric dipole source and the wavelet basis,we selected the optimal wavelet basis and studied its optimum decomposition levels;by using the approximate arrays corresponding to the highest decomposition level,the seawater turbulence noise is estimated,and the seawater turbulence noise is suppressed by removing the estimated noise from the original signals.By comparing the magnitude versus offset (MVO) curve before and after correction,we verified the effectiveness of the method based on wavelet multi-resolution analysis.

marine controlled-source electectromagnetic method (MCSEM),seawater turbulence noise,wavelet multi-resolution analysis,magnitude versus offset (MVO)

2015-11-27;改回日期：2016-06-21。

李肅義(1972—),女,教授,主要從事信號處理及計算機應用研究。

于生寶(1963—),男,教授,主要從事航空、海洋電磁勘探研究。

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA09A20103)資助。

P631

A

1000-1441(2016)05-0657-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.05.004

This research is financially supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (Grant No.2012AA09A20103).