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地震数据时频分析与分频处理

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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第 卷 第 期年 月勘 探 地 球 物 理 进 展 ,,文 章 编 号 一 一 一地 震 数 据 时 频 分 析 与 分 频 处 理蔡 希 玲 , 吕 英 梅中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 东 方 地 球 物 理 公 司 研 究 院 , 河 北 啄 州摘 要 在 地 震 数 据 处 理 过 程 中 , 时 频 分 析 技 术 可 较 好 地 描 述 信 号 和 噪 声 的 频 率 随 时 间 变 化 的 规 律 , 即 时 频 分 析 可以 细 致 地 刻 画 数 据 中 各 类 波 的 时 频 结 构 和 性 质 , 其 重 要 性 在 于 能 直 观 地 识 别 、 检 测 和 分 类 数 据 , 因 此 , 可 采 取 有针 对 性 的 措 施 , 以 提 高 每 一 个 步 骤 的 处 理 精 度 。 简 述 了 时 频 分 析 的 方 法 原 理 , 介 绍 了 适 应 于 地 震 数 据 分 析 的 窗函 数 的 选 取 方 法 , 并 展 示 了 分 频 噪 声 压 制 的 应 用 效 果 , 说 明 分 频 处 理 是 提 高 数 据 处 理 保 真 度 的 有 效 方 法 。关 键 词 时 频 分 析 时 频 谱 图 窗 函 数 噪 声 检 测 分 频 处 理中 图 分 类 号 文 献 标 识 码地 震 波 在 地 下 介 质 中 传 播 时 , 近 地 表 的 非 均 质性 和 地 层 的 非 完 全 弹 性 导 致 地 震 波 的 弹 性 能 量 不可 逆 转 地 转 化 为 热 能 而 耗 散 , 激 发 产 生 的 原 始 地 震子 波 在 传 播 过 程 中 不 断 地 变 化 着 。 子 波 的 形 变 程度 和 形 变 速 度 受 近 地 表 的 衰 减 、 岩 石 的 吸 收 、 透 射损 失 及 散 射 等 因 素 的 制 约 , 加 上 采 集 过 程 中 各 种 噪声 的 干 涉 , 使 得 仪 器 接 收 到 的 地 震 数 据 是 多 种 因 素影 响 的 复 合 体 。 因 此 , 野 外 采 集 到 的 地 震 信 号 无 论在 时 间 上 还 是 在 空 间 上 都 是 典 型 的 非 平 稳 信 号 。长 期 以 来 , 。 盯 变 换 是 地 震 信 号 分 析 的 主要 工 具 , 但 对 于 非 平 稳 信 号 , 分 析 存 在 以 下局 限 ① 变 换 假 定 信 号 在 整 个 时 间 轴 是 平稳 的 , 在 时 间 域 和 频 率 域 互 换 时 , 只 能 反 映 信 号 的总 体 特 征 ② 盯 变 换 可 对 信 号 进 行 时 域 或 频域 分 析 , 但 无 法 准 确 描 述 非 平 稳 信 号 的 时 变 特征 一 〕 。 因 此 , 分 析 和 处 理 纵 、 横 向 均 非 平 稳 的 地震 数 据 需 要 有 相 应 的 工 具 。 本 文 介 绍 一 种 时 频 分析 方 法 , 可 细 致 地 分 析 地 震 信 号 的 时 变 特 性 , 揭 示地 震 数 据 的 内 涵 , 因 此 便 于 实 现 地 震 数 据 的 精 细 处理 — 分 频 处 理 。 文 中 展 示 分 频 处 理 在 噪 声 衰 减方 面 的 应 用 效 果 , 说 明 分 频 处 理 能 够 改 善 去 噪 结 果的 保 真 度 , 进 而 提 高 数 据 处 理 精 度 。谱 图 〔 〕 。设 地 震 信 号 , 其 频 谱 为 动 。 用 频 率 窗函 数 动 给 频 谱 动 加 窗 , 并 且 取 时 间 变 换 , 即。 盯 逆 变 换 。 用 下 面 的 方 程 定 义 短 频 时 间 变 换。 , 、 、 。 , , 。 , , 、 , , ,凡 ‘ , 一 忘 创 “ ‘ ‘ 田 ‘ ’ “ 一 ‘ ’ 山 “ ‘ ’建 立 时 间 窗 函 数 与 频 率 窗 函 数 动 的关 系 式 , 即厂 , , 、 。 , , ‘月 气 田 , 一 厉 舜 」 ” 、 ‘ , ‘ 一 “ 石时 频 分 析 方 法 原 理时 频 谱 图短 时 盯 变 换 是 研 究 非 平 稳 信 号 较 常 用的 方 法 。 在 短 时 变 换 中 , 我 们 强 调 研 究 在时 间 上 的 频 率 特 性 。 同 理 , 也 可 以 要 求 在 某 一 特定 的 频 率 范 围 内 研 究 信 号 时 间 特 性 。 当 要 求 估 计某 一 频 率 的 时 间 特 性 时 , 取 短 的 频 率 和 长 的 时 间 ,以 这 种 方 式 对 信 号 进 行 时 一 频 域 的 分 析 , 计 算 时 频那 么, 田 尸 田 ‘短 时 变 换 除 了 相 位 因 子 一 “ 之 外 和 短 频时 间 变 换 是 一 样 的 。 无 论 是 短 时 盯 变 换 还是 短 频 时 间 变 换 都 可 以 用 来 定 义 联 合 时 频 分 布 。也 就 是, 。 一 , 。 “ 一 凡 “该 式 表 明 , 时 频 谱 图 可 以 用 来 研 究 在 某 一 特 定频 率 的 时 间 特 性 。 可 通 过 选 择 窄 的 或 等 效地 取 宽 的 来 进 行 。对 于 一 个 地 震 道 , 应 用 上 述 方 法 可 产 生一 个 二 维 时 频 谱 图 , 动 , 对 于 二 维 地 震 数 据 , 时频 分 析 的 结 果 为 三 维 数 据 体 。时 间 窗 函 数 的 选 取时 频 分 析 中 窗 函 数 的 选 择 有 多 种 方 式 , 可 根 据所 解 决 问 题 的 实 际 情 况 选 择 适 当 的 窗 函 数 。 如 在频 率 域 可 选 择 三 角 窗 、 汉 明 窗 等 , 在 时 间 域 选 择子 波 及 子 波 等 。 我 们 根 据 地 震数 据 的 特 征 和 实 际 处 理 中 应 用 的 习 惯 , 选 择 带 通 子收 稿 日 期 一 一 改 回 日 期 一 一 。第 一 作 者 简 介 蔡 希 玲 一 , 女 , 高 级 工 程 师 , 长 期 从 事 地 震 数据 分 析 和 处 理 方 法 研 究 工 作 。勘 探 地 球 物 理 进 展 第 卷波 和 俞 氏 子 波 作 为 窗 函 数 。带 通 子 波 图 。 是 地 震 数 据 处 理 中 最 常用 的 子 波 之 一 , 具 有 效 果 直 观 、 应 用 方 便 灵 活 的 特点 , 低 截 频 和 高 截 频 分 别 为 五 和 介 的 理 想 带 通 子波 的 表 达 式 为二 九二 一 儿二 几 一兀 儿二 一 二二。 。 , 一 毛 。 二 儿 ‘ 一 , 。 二 了 ,「 九 , , , 八下 尸 丁 一 一 卜 下 二 一 气 叮 夕 一‘ 、 一 兀 少二 “介 一 二 五、产曰一﹄口石另了、实 际 应 用 中 常 对 理 想 子 波 进 行 处 理 ,子 波· 一 二 , 」式 中 , 九 一 人 , 几 一 九 分 别 为 频 率 域 低 截 频 和 高 截频 处 的 斜 坡 带 。图 带 通 子 波 及 其 频 谱 和 俞 氏 子 波 及 其 频 谱俞 氏 子 波 困 。 是 由 不 同 宽 度 的 子 波合 成 的 , 它 的 主 瓣 窄 、 旁 瓣 幅 度 小 、 波 形 简 单 , 在 分辨 率 、 保 真 度 和 信 噪 比 方 面 都 优 于 常 用 的 带 通 子 波和 子 波 图 。 其 数 学 表 达 式 为地 分 析 各 个 子 波 出 现 的 时 间 位 置 、 频 带 范 围 及 其 能量 强 度 。, , 一 高 〔 ‘ 一 · 、 , 〕 够 “ ,, “ , 一 六 、 、 。 一 , 哪式 中 , 为 子 波 表 征 频 率 的 一 个 参 数 , 和是 俞 氏 子 波 式 中 参 数 的 积 分 限 。时 频 分 析 方 法 在 地 震 数 据 分 析 中的 应 用合 成 数 据 分 析图 为 一 合 成 信 号 , 在 , , 处 分别 有 个 不 同 频 带 宽 度 的 子 波 。 图 为变 换 后 的 振 幅 谱 , 在 振 幅 谱 上 可 以 分 析 合 成 数 据 的频 率 成 份 及 各 成 份 的 能 量 强 弱 , 但 不 能 分 辨 不 同 的频 率 分 量 所 出 现 的 时 间 位 置 , 即 无 法 跟 踪 信 号 的 时变 特 征 。 图 。 为 该 合 成 信 号 的 时 频 谱 图 , 通 过 时频 分 析 将 一 维 信 号 变 换 到 二 维 时 频 平 面 , 可 以 细 致第 期 蔡 希 玲 等 地 震 数 据 时 频 分 析 与 分 频 处 理实 际 地 震 数 据 分 析图 为 我 国 东 部 某 区 采 集 的 原 始 单 炮 记 录 。这 张 记 录 中 的 有 效 反 射 信 号 几 乎 被 不 同 速 度 的 线性 干 扰 所 掩 盖 , 采 用 常 规 的 分 析 方 法 得 到的 振 幅 谱 图 主 要 反 映 的 是 线 性 干 扰 的 能 量 和频 率 以 下 。 而 当 我 们 分 别 取 出 不 同 炮 检距 的 两 道 记 录 炮 检 距 分 别 为 和 做时 频 分 析 时 , 可 以 清 楚 地 看 出 单 炮 记 录 中 除 了 能 量较 强 的 线 性 干 扰 外 , 还 有 频 带 相 当 宽 的 有 效 反 射 信号 , 在 时 频 谱 图 图 上 , 有 效 信 号 和 噪 声 的 能 量以 及 频 率 随 时 间 的 变 化 规 律 可 以 清 晰 地 反 映 出 来 。可 见 , 在 时 间 一 频 率 域 对 地 震 数 据 进 行 分 析 , 能 使 处理 人 员 更 全 面 地 认 识 数 据 的 特 征 。 因 此 , 将 时 频 分析 方 法 用 于 地 震 数 据 的 分 析 中 , 可 以 快 速 有 效 地 综合 出 数 据 的 全 部 特 征 。图 原 始 单 炮 记 录眼眼眼眼眼眼砰砰砰砰砰砰砰‘‘ 协协 阮阮阮阮阮图 和 两 道 记 录 的 时频 谱 图分 频 噪 声 压 制 技 术 的 应 用‘ 今一一一门门门决决决决决决决决决决了了了了 , 九九 ‘图 一 地 震 道 的 振 幅 谱 和震 道 的 振 幅 谱地根 据 时 频 分 析 规 律 , 对 地 震 数 据 进 行 合 理的 频 带 分 隔 , 认 识 不 同 频 带 内 信 号 和 噪 声 的 展布 规 律 , 对 各 个 频 带 的 数 据 实 施 针 对 性 的 处 理 ,这 种 分 频 噪 声 压 制 的 方 法 可 以 提 高 信 号 的 保 真度 。线 性 噪 声 的 分 频 压 制林 盛 等 人 提 出 的 线 性 噪 声 压 制 方 法 称 为 倾 斜滤 波 法 圈 。 他 指 出 为 了 提 取 干 扰 波 的 特 性 并 得 到较 好 的 滤 波 效 果 , 有 必 要 对 地 震 记 录 作 分 频 处 理 。采 用 倾 斜 叠 加 方 法 识 别 线 性 干 扰 , 利 用 预 测 误 差 滤波 理 论 将 前 向 、 后 向 预 测 误 差 作 为 滤 波 器 的 输 出 ,即 有 效 信 号 。 图 和 分 别 为 分 频 压 制 线 性 干扰 前 、 后 的 单 炮 记 录 图 和 为 去 噪 前 、 后 其 中一 道 记 录 。 一 的 时 频 分 析 结 果 。勘 探 地 球 物 理 进 展 第 卷图 原 始 单 炮 记 录 和 线 性 干 扰 分 频 压 制 后 的 单 炮 记 录通 过 时 频 分 析 也 可 以 看 出 , 干 扰 波 的 压 制 首 先应 该 从 它 的 识 别 开 始 。 时 频 分 析 已 经 展 示 出 信 号 和噪 声 的 分 布 规 律 , 分 频 处 理 的 优 势 在 于 可 以 利 用 干扰 波 的 优 势 频 带 提 取 其 特 征 , 而 在 非 优 势 频 带 内 利用 已 得 到 的 特 征 作 为 约 束 , 进 而 识 别 干 扰 波 。 采 用分 频 的 方 式 可 以 在 保 持 有 效 信 号 的 前 提 下 , 最 大 程度 地 压 制 噪 声 。 地 震 数 据 在 各 个 频 带 以 及 各 个 时 段的 信 噪 比 是 不 一 样 的 , 在 一 些 带 内 可 以 有 效 地 分 离信 号 和 噪 声 的 频 带 , 尽 可 能 地 压 制 线 性 干 扰 而 在 其他 频 带 , 尽 可 能 保 持 有 效 信 号 不 受 损 失 。强 能 童 干 扰 的 分 频 压 制强 能 量 干 扰 可 能 以 各 种 方 式 出 现 在 地 震 记 录上 , 如 面 波 、 碎 发 脉 冲 、 串 状 高 频 干 扰 等 , 它 们 各 自 占据 一 定 的 频 带 范 围 , 分 别 在 某 一 频 带 内 具 有 较 强 的能 量 。 由 于 传 播 机 理 的 不 同 , 它 们 与 有 效 反 射 信 号图 线 性 干 扰 压 制 前 和 压 制 后 的 时 频 谱 图 在 诸 多 方 面 存 在 着 差 异 。 因 此 , 对 其 在 时 间 一 空 间 域第 期 蔡 希 玲 等 地 震 数 据 时 频 分 析 与 分 频 处 理和 不 同 频 带 内 进 行 分 析 , 可 以 较 准 确 地 识 别 出 这 类干 扰 波 叫 。 通 过 对 实 际 数 据 中 强 能 量 噪 声 频 率 分 布状 况 的 调 查 , 我 们 认 为 , 在 不 同 的 频 带 范 围 内 对 噪 声进 行 检 测 , 仅 在 噪 声 所 占 据 的 频 带 内 压 制 噪 声 , 可 以保 持 其 他 频 带 内 的 信 号 , 使 处 理 结 果 具 有 较 高 的 保真 度 。 笔 者 在 文 献 中 详 细 描 述 了 强 能 量 异 常 噪声 的 分 频 检 测 方 法 , 这 里 展 示 应 用 实 例 。图 为 单 炮 记 录 , 图 为 分 频 压 制 强 能 量 干扰 后 的 记 录 。 对 比 这 两 幅 图 , 不 难 看 出 分 频 压 制 噪声 的 效 果 。 这 种 方 法 基 于 频 域 分 频 技 术 , 以 稳 健 的加 权 中 值 为 参 量 识 别 噪 声 , 并 根 据 信 号 与 噪 声 的 数值 关 系 确 定 衰 减 曲 线 , 压 制 强 能 量 干 扰 。 本 方 法 在不 同 地 区 的 二 维 、 三 维 资 料 处 理 中 均 见 到 良 好 的 应用 效 果 。结 论图 原 始 单 炮 记 录 和 异 常 噪 声 分 频 压 制 后 的 单 炮 记 录况 圈 。 时 频 分 析 可 以 描 述 信 号 的 频 谱 含 量 在 时 间上 的 变 化 规 律 , 建 立 一 种 分 布 , 以 便 能 在 时 间 和 频率 上 同 时 表 示 信 号 的 能 量 或 强 度 。 通 过 对 理 论 记地 震 信 号 是 非 平 稳 的 , 在 单 独 的 时 间 域 或 频 率域 , 都 不 能 精 确 地 反 映 频 率 在 局 部 时 间 点 的 变 化 情录 和 实 际 数 据 的 分 析 , 可 以 看 出 时 频 分 析 技 术 在 地震 信 号 分 析 和 处 理 中 的 作 用 。 在 时 间 一 频 率 域 对 地勘 探 地 球 物 理 进 展 第 卷震 数 据 进 行 分 析 , 能 使 我 们 更 全 面 地 认 识 数 据 的 特征 , 在 时 频 域 可 以 对 数 据 做 更 细 致 的 处 理 。 图为 原 始 单 炮 记 录 的 局 部 显 示 , 图 为 叠 前 多 步 分频 处 理 后 的 记 录 , 其 中 包 括 面 波 压 制 、 分 频 线 性 干扰 压 制 、 分 频 振 幅 处 理 及 分 频 异 常 噪 声 压 制 等 。 分频 处 理 的 综 合 效 果 优 于 常 规 处 理 方 法 。除 了 采 用 时 频 分 析 技 术 深 人 了 解 地 震 数 据 中噪 声 特 征 , 对 噪 声 进 行 分 频 检 测 和 分 频 压 制 外 , 还可 将 时 频 分 析 方 法 用 于 监 控 数 据 处 理 的 各 个 环 节 ,分 析 不 同 处 理 模 块 对 数 据 时 频 特 性 的 影 响 , 如 分 析反 褶 积 、 叠 加 等 方 法 对 数 据 时 频 特 性 的 改 变 程 度等 , 使 我 们 及 时 了 解 每 个 处 理 步 骤 的 结 果 , 对 所 处理 数 据 的 状 态 心 中 有 数 , 以 提 高 每 一 个 步 骤 的 处 理精 度 。图参 考 文 献分 频 处 理 前 和 处 理 后 记 录 的 放 大 显 示析 〔 〕 石 油 地 球 物 理 勘 探 , , 一俞 寿 朋 宽 带 子 波 〕 石 油 地 球 物 理 勘 探 ,, 〕, 。 , 一, , 叫。 〕 , ,邹 文 , 陈 爱 萍 , 顾 汉 明 联 合 时 频 分 析 技 术 在 地 震 勘 探 中的 应 用 勘 探 地 球 物 理 进 展 , ,蔡 希 玲 , 赵 波 , 贺 振 华 , 等 短 频 时 间 变 换 与 地 震 信 号 分,林 盛 , 吴 峰 , 李 衍 达 相 干 干 扰 滤 除 — 倾 斜 滤 波 法〕 北 京 国 际 地 球 物 理 会 议 , 北京 ,蔡 希 玲 声 波 与 强 能 量 干 扰 的 分 频 自 适 应 检 测 与 压 制 方法 」 石 油 地 球 物 理 勘 探 , ,印 兴 耀 , 张 奎 , 张 广 智 联 合 时 频 分 布 及 其 属 性 的 应 用〕 石 油 地 球 物 理 勘 探 , , 一第 卷 第 期 勘 探 地 球 物 理 进 展,年 月,一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一二一一 一 一 一 一 一二一 一二一 一 一 一 一,叭 〕 、 , 士月既 雌 让 飞, ,犷一 ,器 王 犷,至, ,卜 即, 一川 犷眼一盯, 一 ,, ,一一 不 获 才即 而 》叭 ” 六坛,明 雌 尸 里 “, ,’, ,明 爪, ,拼 拼 班 二 班时 伴 曲,明朗, , , ,朋,叭 盛“‘ 而 咯 尸 ‘, ,一夏 ,七 ‘ , 一 〕士纽 寸弊 渊 姗 蒸 撰·川州 斤‘至、,玉, ,,一成 壬 , 呱 秘,对 门,, 日伪,乍 及 子, ,

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