海上掛網(wǎng)噪音的組合衰減思路及應(yīng)用

曹 軍，邱鐵成

海上掛網(wǎng)噪音的組合衰減思路及應(yīng)用

曹 軍1，邱鐵成2

（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司，天津 300459；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

通過(guò)對(duì)掛網(wǎng)噪音特征的分析，可以將其分解為兩側(cè)相對(duì)稱的線性噪音和中部野值噪音兩部分，并分析了它們?cè)陬l譜、波速、能量等方面與背景有效信號(hào)的差別，結(jié)合噪音衰減原則和試驗(yàn)效果對(duì)比，將掛網(wǎng)噪音的衰減思路設(shè)計(jì)為頻率—空間域相干噪音壓制法和自適應(yīng)中值濾波法相串聯(lián)的兩步組合衰減思路。實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用效果表明，這一組合衰減思路能夠?qū)炀W(wǎng)噪音進(jìn)行有效衰減，并且未損傷有效信號(hào)，達(dá)到了噪音衰減目的。

掛網(wǎng)噪音；頻率—空間域；自適應(yīng)；中值濾波；組合衰減

由于很多海洋油氣探區(qū)同時(shí)也是漁業(yè)活動(dòng)區(qū)，因此在地震勘探船進(jìn)行拖纜勘探作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電纜掛網(wǎng)現(xiàn)象，掛網(wǎng)噪音是一類(lèi)較為典型的干擾波，干擾源就在電纜上的檢波器附近，因此產(chǎn)生的噪音能量較強(qiáng)，當(dāng)然，根據(jù)掛網(wǎng)情況的不同，掛網(wǎng)噪音造成的影響也不同，掛網(wǎng)在電纜中前部位產(chǎn)生的噪音主要干擾近道的有效信號(hào)，而掛網(wǎng)在電纜尾部時(shí)產(chǎn)生的噪音主要干擾遠(yuǎn)道的有效信號(hào)。

無(wú)論是何種掛網(wǎng)噪音情況，以往在對(duì)待這一問(wèn)題時(shí)，出于節(jié)省機(jī)時(shí)、人力等方面考慮，往往將其作為壞炮編輯掉，這一思路已經(jīng)不符合當(dāng)前精細(xì)處理的要求了，目前的去噪方針是：盡可能少地進(jìn)行壞炮壞道的編輯以保持采集數(shù)據(jù)的完整性，因此，這就對(duì)去噪工作提出了更高要求：必須對(duì)各種噪音進(jìn)行最大程度地衰減，并要求有效信號(hào)不受損失。掛網(wǎng)噪音作為一種特殊的海上噪音類(lèi)型，如果采用某種單一的去噪方法并不能將其有效衰減，因此需要單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)的特征分析和噪音衰減試驗(yàn)，以期找到一種最佳的衰減思路。

1 掛網(wǎng)噪音特征分析

圖1為掛網(wǎng)噪音與拖纜關(guān)系在單炮上的不同表現(xiàn)特征示意圖，掛網(wǎng)在電纜中前部位時(shí)產(chǎn)生的噪音主要干擾近道的有效信號(hào)，掛網(wǎng)在電纜尾部時(shí)產(chǎn)生的噪音主要干擾遠(yuǎn)道的有效信號(hào)。

圖1掛網(wǎng)噪音與拖纜關(guān)系在單炮上的不同表現(xiàn)特征示意圖

圖2 為一包含掛網(wǎng)噪音的實(shí)際單炮，可以看出，這是一種較為特殊的噪音類(lèi)型，可以將其分解為兩部分，一部分為兩側(cè)相對(duì)稱的線性噪音（箭頭①），另一部分為中部的野值噪音（箭頭②）。

圖2 包含掛網(wǎng)噪音的實(shí)際單炮

從頻譜上分析，兩側(cè)對(duì)稱的線性噪音的主頻（20Hz）明顯比背景有效信號(hào)（35Hz）低，中部的野值噪音的主頻（25Hz）也比背景有效信號(hào)（35Hz）低，但中部的野值噪音的頻帶與背景有效信號(hào)有少量重疊；從能量上分析，兩側(cè)線性噪音和中部野值噪音能量均較強(qiáng)，嚴(yán)重干擾了背景有效信號(hào)能量；從波速上分析，兩側(cè)線性噪音和中部野值噪音均明顯比背景有效信號(hào)的波速低。

另外，兩側(cè)對(duì)稱的線性噪音是一種純粹的相干干擾，而中部野值噪音既有近似線性噪音的相干干擾的特點(diǎn)，也有隨機(jī)干擾的特點(diǎn)，因此，前者相對(duì)來(lái)說(shuō)更容易衰減。

2 組合衰減思路分析及應(yīng)用

結(jié)合以上對(duì)掛網(wǎng)噪音特征的分析，考慮先易后難、先強(qiáng)（振幅）后弱（振幅）的噪音衰減原則，可以將掛網(wǎng)噪音的衰減思路設(shè)計(jì)為兩步組合衰減法：第一步為兩側(cè)線性噪音衰減，第二步為中部野值噪音衰減。

2.1 兩側(cè)線性噪音衰減

目前衰減線性噪音的方法有多種，根據(jù)以上對(duì)掛網(wǎng)的兩側(cè)線性噪音特征的分析，可以看出，該噪音衰減難點(diǎn)在于其能量比背景有效信號(hào)強(qiáng)，如果衰減思路選擇不當(dāng)，很容易有噪音殘余。當(dāng)然，由于掛網(wǎng)噪音在頻譜和波速上與背景有效信號(hào)差異較大，應(yīng)當(dāng)從這兩方面入手來(lái)選擇去噪方法。結(jié)合試驗(yàn)效果，這里優(yōu)選出的去噪方法為頻率—空間域相干噪音壓制法。

頻率—空間域相干噪音壓制法主要是在F-X域預(yù)測(cè)去噪基本原理[1-8]基礎(chǔ)上充分利用空間中X方向和Y兩方向的數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用扇形濾波器，使用最小平方法估算特定視速度范圍內(nèi)的噪音。該方法能夠?qū)⒁痪S預(yù)測(cè)升級(jí)為二維預(yù)測(cè)，以更準(zhǔn)確地求取預(yù)測(cè)算子，使去噪能力大幅增強(qiáng)，信號(hào)預(yù)測(cè)精度大大提高。具體方法為首先對(duì)各道作傅氏正變換，使其變換到頻率—空間域，變換后的炮記錄數(shù)據(jù)集可以表示如下：

式中：S(ω,x)為有效信號(hào)，r(ω,x)為隨機(jī)噪音，再使用最小平方誤差準(zhǔn)則，估算頻率域中的線性相干噪音。最小平方誤差估算公式如下：

相 干 噪 音C(ω,x)是 由f(ω,xn)α(ω,xn)決定的，其中f(ω,xn)是時(shí)間延遲和超前算子，α?(ω, xn)是加權(quán)函數(shù)。

其中 bm= F-1Pm(ω)

將炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)按照方位進(jìn)行分組，然后按照炮檢距重新排列，則每個(gè)方位面元可代表一個(gè)可以獨(dú)立處理的二維徑向測(cè)線。因?yàn)橄喔稍胍舻墓浪阆拗圃陬l率—偏移距范圍內(nèi)，則可以在方位面元內(nèi)進(jìn)行不規(guī)則取樣。消除數(shù)據(jù)中的線性相干噪音并對(duì)各道做傅氏反變換，數(shù)據(jù)則返回到時(shí)間—空間域，這樣就可以得到有效消除相干噪音后的數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上原理，在本次掛網(wǎng)的兩側(cè)線性噪音衰減試驗(yàn)中，對(duì)去噪?yún)?shù)進(jìn)行了掃描試驗(yàn)，理論分析和試驗(yàn)后認(rèn)為，本次采用的頻率—空間域相干噪音壓制方法的關(guān)鍵參數(shù)有四個(gè)，分別是線性噪音的最小視速度Vmin、線性噪音的最大視速度Vmax、線性噪音的最小頻率Fmin、線性噪音的最大頻率Fmax。本次試驗(yàn)的具體步驟是：首先對(duì)本次掛網(wǎng)兩側(cè)線性噪音的視速度進(jìn)行了測(cè)量分析，其次對(duì)噪音的頻率進(jìn)行了分頻段掃描，最后根據(jù)上述分析結(jié)果有針對(duì)性地進(jìn)行了參數(shù)試驗(yàn)。

最終優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)分別是：Vmin為500，Vmax為2000，F(xiàn)min為3，F(xiàn)max為60。采用優(yōu)選后的關(guān)鍵參數(shù)的去噪效果見(jiàn)圖3，可以看出，兩側(cè)線性噪音得到了有效衰減，掛網(wǎng)噪音背景中的其它低速線性噪音也得到一定程度的壓制，并且未損傷有效信號(hào)。

圖3 兩側(cè)線性噪音衰減前后單炮對(duì)比

2.2 中部野值噪音衰減

衰減野值的方法也有多種，根據(jù)以上對(duì)掛網(wǎng)的中部野值噪音特征的分析，可以看出，該噪音衰減難點(diǎn)一方面是其能量比背景有效信號(hào)強(qiáng)，另一方面是該噪音的頻帶與背景有效信號(hào)有重疊。當(dāng)然，該噪音有近似線性噪音的特點(diǎn)，在波速上與背景有效信號(hào)差異較大，在第一步的兩側(cè)線性噪音衰減時(shí)可以將其衰減掉一部分，殘余的噪音則主要表現(xiàn)為隨機(jī)干擾的特點(diǎn)，運(yùn)用隨機(jī)噪音衰減方法可以對(duì)其較好去除。

結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)效果，這里優(yōu)選出的去噪方法為自適應(yīng)中值濾波法[9-18]。

中值濾波法被廣泛應(yīng)用于消除數(shù)據(jù)中的脈沖噪聲，中值濾波法可以細(xì)分為許多種，其中的自適應(yīng)中值濾波方法在衰減噪音和保護(hù)細(xì)節(jié)不受損失兩方面效果最好[19]。

中值濾波的實(shí)質(zhì)是把與相鄰數(shù)據(jù)相差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)改變?yōu)榕c相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)接近的值，以消除孤立的噪聲點(diǎn)[20]。但是，數(shù)據(jù)中往往含有如線段、銳角等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，中值濾波方法容易破壞掉這些細(xì)節(jié)。為了提高濾波效果，降低破壞作用，在中值濾波原理的基礎(chǔ)上又發(fā)展出許多改進(jìn)型的中值濾波算法。

自適應(yīng)中值濾波算法就是一種改進(jìn)后的算法，其原理是根據(jù)噪聲特征控制濾波強(qiáng)度，并對(duì)噪聲點(diǎn)和有效信號(hào)采取不同的處理方法，從而達(dá)到對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行中值濾波，對(duì)信號(hào)點(diǎn)則保持其數(shù)據(jù)值不變的目的[21]。分析可知，若濾波窗口中心點(diǎn)為窗口中的極值時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)是噪聲點(diǎn)，通過(guò)改變時(shí)窗大小以達(dá)到理想的濾波效果。

根據(jù)以上原理，在本次掛網(wǎng)的中部野值衰減試驗(yàn)中，對(duì)去噪?yún)?shù)也進(jìn)行了掃描試驗(yàn)，理論分析和試驗(yàn)后認(rèn)為，本次采用的中值濾波方法的關(guān)鍵參數(shù)有兩個(gè)，一個(gè)是濾波窗口M，一個(gè)是濾波后的輸出樣點(diǎn)個(gè)數(shù)N，通常情況下，M和N均為奇數(shù)，M試驗(yàn)的參數(shù)有3、5、7、9、11、13、15、21、31，其中3代表窗口尺寸為3×3，5代表窗口尺寸為5×5，依次類(lèi)推，當(dāng)數(shù)值越大時(shí)，衰減野值噪音越好，但對(duì)信號(hào)細(xì)節(jié)的保護(hù)越差，試驗(yàn)對(duì)比后認(rèn)為M值為5時(shí)效果最好；N的缺省值是1，N試驗(yàn)的參數(shù)有1、3、5、7、9，試驗(yàn)后認(rèn)為使用缺省值1效果最好。

最終優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)分別是：M為5，N為1。采用優(yōu)選后的關(guān)鍵參數(shù)的去噪效果見(jiàn)圖4，可以看出，中部野值噪音得到了徹底衰減，掛網(wǎng)噪音背景中的其它野值噪音也得到了壓制，并且未損傷有效信號(hào)，達(dá)到了有效衰減掛網(wǎng)噪音的最終目的。

圖4 中部野值噪音衰減前后單炮對(duì)比

3 結(jié)論

（1）掛網(wǎng)噪音作為一種特殊的海上噪音類(lèi)型，如果采用單一的去噪方法，并不能將其有效衰減，因此，對(duì)這一噪音的特征進(jìn)行仔細(xì)分析，并結(jié)合噪音衰減試驗(yàn)對(duì)比，是找到最佳衰減思路的重要前提。

（2）通過(guò)對(duì)掛網(wǎng)噪音特征的分析，可以將其分解為兩部分，一部分為兩側(cè)相對(duì)稱的線性噪音，另一部分為中部的野值噪音，分析了它們?cè)陬l譜、波速、能量等方面與背景有效信號(hào)的差別。

（3）以掛網(wǎng)噪音的特征分析為依據(jù)，考慮先易后難、先強(qiáng)（振幅）后弱（振幅）的噪音衰減原則，可以將掛網(wǎng)噪音的衰減思路設(shè)計(jì)為兩步組合衰減法：第一步為兩側(cè)線性噪音衰減，第二步為中部野值噪音衰減。結(jié)合試驗(yàn)效果和算法對(duì)比，以上兩步采用的衰減方法分別是頻率—空間域相干噪音壓制法和自適應(yīng)中值濾波法。

（4）將上述的兩步組合衰減思路應(yīng)用到實(shí)際數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，掛網(wǎng)噪音中的兩側(cè)線性和中部野值噪音均得到了有效衰減，掛網(wǎng)噪音背景中的其它低速線性和野值噪音也得到了一定程度地壓制，并且未損傷有效信號(hào)，達(dá)到了有效衰減掛網(wǎng)噪音的最終目的。

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Combined Attenuation Method and Application in Seismic Data with Marine Net Noise

CAO Jun1, QIU Tiecheng2
（1. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co. Tianjin 300459, China; 2. China Oil fi eld Servicos Limited, Tianjin 300452, China）

According to the characteristics of marine net noise, it can be decomposed into linear noise and wild values. The authors analyzed the differences of these noises and signals in spectral, wave velocity and energy. Combined with the principle of noise attenuation and test results, the attenuation method of marine net noise can be designed as the combined method of frequency-space domain coherent noise suppression and adaptive median fi ltering. The application of this method shows that the combined attenuation method can effectively attenuate marine net noise without any damage to the effective signal, and achieve the purpose of noise attenuation.

net noise; frequency-space domain; adaptive; median fi ltering; combined attenuation

P631.4+6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.03.012

1008-2336（2017）03-0012-04

2016-12-09；改回日期：2017-04-13

曹軍，男，1982年生，工程師，碩士，畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)勘查技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)，從事海上油田地球物理資料錄取解釋及相關(guān)

作業(yè)管理工作。E-mail：caojun3@cnooc.com.cn。