基于時(shí)窗種子提取的海洋地震資料側(cè)面噪聲壓制方法

王 征,金翔龍,吳自銀,方念喬,董水利,王海昆

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京100083;2.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津300451;3.國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012;4.國家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州310012)

基于時(shí)窗種子提取的海洋地震資料側(cè)面噪聲壓制方法

王 征1,2,金翔龍1,3,4,吳自銀3,4,方念喬1,董水利2,王海昆2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京100083;2.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津300451;3.國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012;4.國家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州310012)

受過往船只噪聲和平臺(tái)等障礙物側(cè)反射的影響,導(dǎo)致海洋地震勘探資料中存在側(cè)面反射噪聲,該類噪聲具有非線性和寬頻帶的特征,常規(guī)方法對(duì)其難以有效衰減。為此,分析了側(cè)反射和大船干擾兩種主要側(cè)面噪聲的形成機(jī)理,提出了一種基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法。通過對(duì)含側(cè)面噪聲的種子炮提取障礙物反射源或側(cè)面噪聲源的坐標(biāo)值,自動(dòng)控制噪聲形態(tài);再通過噪聲時(shí)窗優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了f-k域無假頻濾波衰減側(cè)面噪聲。含模擬側(cè)面噪聲單炮記錄的測(cè)試和實(shí)際含側(cè)面噪聲三維地震數(shù)據(jù)的試處理結(jié)果表明,該方法能有效壓制側(cè)面噪聲并保護(hù)有效信號(hào),在海洋地震資料處理中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

側(cè)面反射;噪聲衰減;種子提取;二維FK濾波;海洋地震資料處理

在海洋地震資料處理中,側(cè)面干擾噪聲是嚴(yán)重影響地震資料信噪比和成像質(zhì)量的因素之一[1-7]。由于側(cè)面噪聲的非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和幾乎等于震源子波頻帶寬度的特性,導(dǎo)致常規(guī)去噪方法效果很不理想。目前針對(duì)該噪聲的主要衰減方法有3種：①采用Radon域切除的方法或傾斜濾波[8-10],但只能去掉噪聲曲線近似線性的兩翼部分的噪聲能量,而噪聲曲線頂部弧度較大處衰減很少;②在按共偏移距排序的Crossline方向施以擬三維隨機(jī)噪聲衰減方法或采用中值濾波法[11-12],但當(dāng)噪聲在Crossline方向相干時(shí)就會(huì)失效,而大量的側(cè)面干擾噪聲恰恰是在Inline和Crossline兩個(gè)方向都是相干的;③自動(dòng)掃描確定噪聲位置,再加以去除[13-14]的方法,由于自動(dòng)掃描噪聲有時(shí)識(shí)別不準(zhǔn)確,該方法會(huì)傷害有效波而仍殘留噪聲。在海洋地震資料處理中如果不能徹底消除側(cè)面噪聲,會(huì)引起嚴(yán)重的偏移畫弧噪聲,影響成像質(zhì)量,給后續(xù)地質(zhì)解釋造成假象。

針對(duì)上述問題,本文在全面分析海洋地震資料側(cè)面干擾噪聲形成機(jī)理及其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征的基礎(chǔ)上,提出了基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法,利用側(cè)面干擾噪聲的產(chǎn)生機(jī)制和雙曲線特征,實(shí)現(xiàn)了噪聲定位、變形和衰減處理。通過含模擬噪聲數(shù)據(jù)和實(shí)際三維地震資料的試處理驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 側(cè)面噪聲類型與形成機(jī)理

1.1 側(cè)面噪聲的主要類型

海洋地震資料采集過程中,側(cè)面干擾噪聲的產(chǎn)生主要有兩種類型：一種是震源激發(fā)的地震波在海水中傳播,遇到采集測(cè)線附近的平臺(tái)、沉船等障礙物后反射回來被檢波器接收到,我們將這種噪聲稱為側(cè)反射噪聲;另一種是附近噪聲源產(chǎn)生的震動(dòng),經(jīng)海水傳播到檢波器并被記錄下來,這類噪聲源如過往船舶的螺旋槳噪聲、鉆井機(jī)械噪聲等,將這類噪聲稱為外源噪聲。

側(cè)反射噪聲能量主要來自于采集震源本身,地震波在海水中經(jīng)障礙物反射后被檢波器接收記錄下來,與同一時(shí)刻到達(dá)的反射波干涉在一起,形成噪聲(圖1)。當(dāng)然也存在另一種情況,是能量來自于采集船附近的其它噪聲源,經(jīng)障礙物反射到達(dá)檢波器,不過此種情況較為少見,且一般噪聲能量較弱,對(duì)資料影響小。

外源噪聲的路徑更簡(jiǎn)單一些,它由外部干擾源經(jīng)海水直接傳播到檢波器被記錄下來,與有效波干涉在一起,形成噪聲。如圖2是受過往船舶螺旋槳噪聲影響的單炮記錄。

圖1 存在側(cè)反射噪聲干擾的單炮記錄

圖2 受船舶螺旋槳噪聲影響的2個(gè)單炮記錄

對(duì)上述兩種噪聲,由于其非線性特征,常規(guī)去噪方法衰減效果往往不理想。圖3是利用Radon變換衰減側(cè)面反射噪聲的一個(gè)例子,其中非線性噪聲中近似線性的部分去除較好(圖3b),但曲率較大的頂部能量仍然大量殘留(圖3c)。

1.2 側(cè)面噪聲產(chǎn)生的基本機(jī)制

對(duì)于側(cè)反射干擾波,由圖4可見,炮點(diǎn)到障礙物的傳播距離S保持不變,經(jīng)障礙物反射后,反射波被各個(gè)檢波點(diǎn)接收,從障礙物到檢波點(diǎn)的距離設(shè)為L(zhǎng),各檢波器到炮點(diǎn)的距離X是變量,設(shè)由障礙物到電纜的垂直距離為L(zhǎng)0,對(duì)應(yīng)垂足處檢波器的偏移距為X0,則有：

(1)

寫成以L和X為變量的方程：

(2)

圖3 Radon變換去除側(cè)面反射噪聲效果示例

公式(2)為雙曲線方程,頂點(diǎn)在X=X0,L=L0處可見側(cè)反射弧狀噪聲是符合雙曲線規(guī)律的,它的頂點(diǎn)位于離障礙物最近的檢波器所產(chǎn)生的地震道上。側(cè)反射干擾波的主要反射能量近似來自于過炮-檢線的水平反射面,反射介質(zhì)為海水;海上拖纜施工一般是縱向單邊排列接收,由于障礙物反射點(diǎn)與震源和排列的相對(duì)位置變化,因此反映在單炮上的側(cè)反射干擾波形態(tài)可能是雙曲線的一支,或是近似線性部分,亦或是包含頂點(diǎn)在內(nèi)的整個(gè)雙曲線。

同理,對(duì)于外源噪聲,參照?qǐng)D4有以下關(guān)系：

(3a)

(3b)

寫成以L和X為變量的方程：

(4)

公式(4)也為雙曲線方程,頂點(diǎn)在X=X0=0,L=L0處?？梢娡庠丛肼曇卜想p曲線規(guī)律,它的頂點(diǎn)位于噪聲源到電纜垂足處的檢波器所產(chǎn)生的地震道上。在炮記錄過程中,假定干擾源和地震船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不計(jì),則在整個(gè)單炮記錄上噪聲曲率相同。在CDP道集、單次剖面、疊加剖面上,這兩種噪聲同樣表現(xiàn)為雙曲線特征。

圖4 側(cè)面噪聲形成機(jī)制示意圖解

2 基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法

采用常規(guī)的線性噪聲衰減方法或是與振幅和頻率相關(guān)的去噪方法對(duì)側(cè)面噪聲進(jìn)行衰減,很難取得理想的效果。通過上述分析可知,該類噪聲的規(guī)律性很強(qiáng),如果能夠準(zhǔn)確地描述出該類噪聲的位置形態(tài),該去噪難題可轉(zhuǎn)為確定性問題加以解決。據(jù)此,我們研究并提出了基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法。

對(duì)于側(cè)面反射噪聲,已知其傳播介質(zhì)為海水,聲波在海水中傳播速度一般為1500m/s左右(隨著溫度、含鹽度、壓力等參數(shù)變化,海水中聲波的速度會(huì)有輕微變化,野外采集施工時(shí)一般會(huì)提供實(shí)際測(cè)量的電纜深度處的海水聲波速度值);同時(shí),炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)的位置以及激發(fā)、接收時(shí)間都是已知的;據(jù)此,當(dāng)確定了側(cè)反射波雙曲線的頂點(diǎn)位置后,就可以確定雙曲線的形態(tài),進(jìn)而計(jì)算出反射障礙物的位置。對(duì)于外源干擾噪聲,根據(jù)前面推導(dǎo)的公式(4),確定出與震源激發(fā)同時(shí)刻發(fā)出并被記錄下來的外源噪聲的曲線形態(tài),就可推導(dǎo)出外部噪聲源的位置并控制其在整個(gè)單炮上的噪聲形態(tài)。同理可得外源干擾噪聲的位置。

我們利用含有“較好”側(cè)面干擾噪聲的種子炮來拾取噪聲雙曲線的頂點(diǎn),從而確定雙曲線的形態(tài)(圖5),進(jìn)而推導(dǎo)出障礙物或側(cè)面噪聲源的位置,再利用已知的炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)位置和海水中聲波的傳播速度,就可以直接正演確定側(cè)反射噪聲在每個(gè)地震道上的反射時(shí)間,從而確定其在炮集上的形態(tài)。圖6以過往大船噪聲為例展示了外源干擾噪聲的雙曲線形態(tài)拾取,這種大船干擾由于一般炮數(shù)不多,且在移動(dòng),因此可逐炮拾取控制噪聲形態(tài)。

圖5 種子炮側(cè)反射噪聲提取

從側(cè)反射噪聲在單炮上的表現(xiàn)形式可知,由于障礙物上發(fā)生反射的位置處的不規(guī)則性,側(cè)反射噪聲往往并不是表現(xiàn)為一個(gè)規(guī)則的雙曲線,大部分情況下是幾個(gè)相近曲率的雙曲線組合。為了保證去噪效果,在這里針對(duì)上面確定的噪聲雙曲線形態(tài),設(shè)計(jì)一個(gè)包含噪聲的、并沿雙曲線變化的時(shí)窗,將整個(gè)噪聲完整地包含在時(shí)窗內(nèi)。時(shí)窗一般可設(shè)計(jì)為300ms左右的高度。這樣的時(shí)窗設(shè)計(jì)將最大限度地保護(hù)有效信號(hào),保證所有針對(duì)側(cè)反射干擾的噪聲衰減僅在時(shí)窗內(nèi)進(jìn)行,而時(shí)窗外信號(hào)保持直接輸出。對(duì)應(yīng)過往船舶的干擾,時(shí)窗為整個(gè)單炮。

圖6 過往大船噪聲形態(tài)提取

用時(shí)窗控制了噪聲后,就可以通過改變時(shí)窗的形態(tài)來改變?cè)肼暤男螒B(tài),通過時(shí)窗校正將雙曲線噪聲變換為線性噪聲(這時(shí)一次波彎曲)再進(jìn)行衰減,這時(shí)可采用二維FK濾波進(jìn)行衰減。

設(shè)二維時(shí)域信號(hào)為g(x,t),其相應(yīng)的二維譜為G(k,f),它們的關(guān)系(即時(shí)間域同相軸與頻率-波數(shù)域信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系)如下：

(5)

式中：x為道方向變量;t為時(shí)間方向變量;k為波數(shù);f為頻率。

(5)式離散后的形式為：

(6)

若是一個(gè)水平同相軸,視速度近似為無窮大,那么在尼奎斯特頻率之內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生纏繞[21]。根據(jù)此性質(zhì),可以把側(cè)面噪聲時(shí)窗變換成一個(gè)水平的矩形,這樣時(shí)窗內(nèi)的噪聲就成為一系列近似水平的同相軸(這時(shí)一次波彎曲),再應(yīng)用FK濾波衰減干擾波就不會(huì)產(chǎn)生空間假頻了。

因?yàn)楦蓴_源位置已經(jīng)確定,所以可算出各道的干擾波出現(xiàn)時(shí)間t,設(shè)干擾波為X(t),對(duì)干擾波進(jìn)行動(dòng)校正,則校正后的干擾波Y(t)=X(t+Δt),其中,Δt為動(dòng)校正時(shí)間,它等于從震源到干擾源再到排列的反射距離S與海水中聲波傳播速度V的乘積。

采用了如下離散的正、反傅里葉變換函數(shù)進(jìn)行編程：

(7)

(8)

式中：g(m,n)為二維時(shí)域信號(hào);G(u,v)為g(m,n)的二維譜;u,m是空間和波數(shù)序號(hào)(u,m=0,1,2,…,M-1);v,n是時(shí)間和頻率序號(hào)(v,n=0,1,2,…,N-1)。

基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法的實(shí)現(xiàn)流程見圖7所示。

圖7 基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法實(shí)現(xiàn)流程

3 測(cè)試分析與實(shí)際資料驗(yàn)證

3.1 方法測(cè)試

為了檢驗(yàn)基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法的可靠性,對(duì)含模擬側(cè)反射噪聲的單炮數(shù)據(jù)和實(shí)際含側(cè)反射噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行了試算。圖8展示了本文方法對(duì)含模擬側(cè)反射噪聲單炮數(shù)據(jù)的去噪處理效果;圖9是含側(cè)反射噪聲的實(shí)際資料經(jīng)本文方法處理前、后的比較;圖10是含過往船只噪聲的實(shí)際單炮記錄經(jīng)本文方法去噪前、后比較。

圖8 含模擬側(cè)反射噪聲單炮數(shù)據(jù)的本文方法去噪效果

從上述含模擬噪聲和實(shí)際含噪聲單炮數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果可以看出,本文方法對(duì)含側(cè)反射噪聲和外源噪聲這兩種側(cè)面反射雙曲線型噪聲的去除效果都比較理想,克服了常規(guī)去噪方法無法有效衰減雙曲線頂部噪聲能量的缺陷。

3.2 三維地震數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法衰減側(cè)面反射噪聲的有效性,選取了一塊帶有平臺(tái)障礙物側(cè)反射干擾的三維地震資料和一條受過往船只螺旋槳噪聲干擾的二維資料進(jìn)行試處理,從圖11和圖12顯示的去噪前、后疊加剖面對(duì)比及其差值可見,本文提出的方法對(duì)側(cè)面反射噪聲和大船干擾噪聲衰減比較徹底;從差值剖面看,有效波也得到了較好的保護(hù)。

圖9 含側(cè)反射噪聲的實(shí)際資料經(jīng)本文方法去噪前(a)、后(b)及其差值(c)

圖10 含過往船只噪聲的實(shí)際單炮經(jīng)本文方法去噪前(a)、后(b)及其差值(c)

圖11 含平臺(tái)障礙物側(cè)反射噪聲三維資料經(jīng)本文方法去噪前(a)、后(b)的疊加剖面及其差值(c)

圖12 含大船螺旋槳噪聲二維資料經(jīng)本文方法去噪前(a)、后(b)的疊加剖面及其差值(c)

4 結(jié)論

1) 通過海洋地震勘探中障礙物和外源噪聲所造成的側(cè)面噪聲的形成機(jī)理分析,揭示了側(cè)面反射噪聲的雙曲線特征。

2) 針對(duì)目前已有方法難以有效壓制側(cè)面噪聲的問題,本文提出了一種基于時(shí)窗種子提取的側(cè)面噪聲壓制方法,推導(dǎo)了側(cè)面噪聲濾波公式,詳細(xì)給出了側(cè)面噪聲衰減方法的原理與流程,并編程實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的處理方法。

3) 通過含模擬側(cè)面噪聲單炮記錄測(cè)試和實(shí)際含側(cè)面噪聲三維地震數(shù)據(jù)的試處理,驗(yàn)證了本文方法的有效性。試處理結(jié)果表明該方法可大幅提高海洋地震資料的信噪比,并保護(hù)有效信號(hào),在海洋地震資料處理中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯：陳 杰)

The external noise attenuation for marine seismic data based on seeds extraction within window

Wang Zheng1,2,Jin Xianglong1,3,4,Wu Ziyin3,4,Fang Nianqiao1,Dong Shuili2，Wang Haikun2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China;3.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciencesofStateOceanicAdministration,Hangzhou310012,China;4.SecondInstituteofOceangraphy,StateOceanicAdministration,Hangzhou310012,China)

The lateral reflections from passing vessels and obstacles always cause external noise on the marine seismic data,which are hardly attenuated with conventional methods in practice due to non-linear and wide frequency band characteristics.In this paper we analyzed the formation mechanism of the two external noise and proposed an external noise attenuation method based on seeds extraction within window.Based on that,the coordinate values of the obstacles reflection sources or external noise sources can be extracted from the seeds shot containing external noises and noise patterns are controlled automatically.Then the anti-alias FK filter was applied to eliminate the external noise after optimizing the noise time windows.This method is tested on both the synthetic data of shot records containing simulated external noise and the 3D actual seismic data containing external noise.The results proved that this method can attenuate the external noise effectively and preserve the desired signals,and has significant practicability to marine seismic data processing.

lateral reflections,noise attenuation,extracting noise from the seeds shot,2D FK filtering,marine seismic data processing

2014-07-03;改回日期：2014-11-05。

王征(1972—),男,高級(jí)工程師,博士在讀,現(xiàn)主要從事地球物理勘探與數(shù)據(jù)處理方法研究工作。

吳自銀(1972—),男,博士,研究員,主要研究方向?yàn)楹５滋綔y(cè)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41476049)、中國海油科技開發(fā)項(xiàng)目(YFWT0601)和科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2013FY112900)共同資助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0274-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.005