可控震源滑动扫描谐波干扰压制方法研究.pdf

中图分类号 P631.4 单位代码 10425 学 号 S08010033 可控震源滑动扫描谐波干扰压制方法研究 The Research of Harmonic Noise Rejection Based on Slip-sweep Acquisition 学科专业 地球探测与信息技术 研究方向 地球物理探测方法与技术 作者姓名 李凤磊 指导教师 刘成斋（教授级高工、李振春教授 二〇一一年五月 The Research of Harmonic Noise Rejection Based on Slip-sweep Acquisition A Thesis ted for the Degree of Master Candidate Li Fenglei Supervisor Prof. Li Zhenchun School of Geosciences China University of Petroleum huadong 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学（华东）有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版 和电子版） ，使用方式包括但不限于保留学位论文 ，按规定向国家有关部门（机构） 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 指导教师签名 日期 年 月 日 i 摘 要 谐波干扰一直是可控震源地震采集中存在的一种干扰。在常规的地震采集方式过程 中产生的谐波干扰通过相关之后，其对地震资料产生的影响很小，所以得到的地震资料 就不再考虑谐波干扰的影响。但是随着可控震源地震采集技术的发展，基于滑动扫描采 集方式的可控震源地震资料采集已成为提高地震采集效率的重要的采集方式，利用这种 采集方式可以成倍的提高采集效率，降低采集成本，在各大地球物理公司都得到广泛的 应用。而伴随着滑动扫描方式 产生的谐波干扰在对原始资 料相关之后不能够去除， ，因 此需要新的技术来压制谐波以适应滑动扫描采集方式的要求。 针对滑动扫描的采集方式的特点，同时对滑动扫描采集得到的数据进行分析，总结 出数据本身的特点，再根据其 特点利用纯相移滤波（ PPSF） ，由于此种方法只是单纯的 对未相关主数据做相位移动，而振幅不做处理，所以能够有效地去除滑动扫描资料中的 谐波干扰，并且最大限度的保留了有效信号。方法中关键的是分离力信号中的谐波与基 波信号，力信号分离的好坏决定了滤波方法的成败。在这里将力信号分离主要是通过改 进纯相移方法来实现。这种方法中采用改进的纯相移因子方式，直接利用了地震数据中 采集的到的基波扫描信号对含有谐波畸变（ HDS）的力信号做相移，从而达到了谐波分 离的作用。 在信号的仿真过程中，采用的是利用模拟的地震道记录，分别设计了一次、二次、 三次、四次谐波信号，并将这些不同阶次的谐波组合得到谐波畸变的模拟信号。利用一 次谐波改进来的滤波因子对不同阶次合成的模拟信号进行纯相移滤波，有效的分离出谐 波信号以与基波信号。实际资料的处理过程中，通过提取滑动扫描地震数据辅助道中的 参考信号，做变换得到改进的纯相移滤波器，对实际地震道信号做纯相移滤波，得到分 离出的谐波与基波信号，并根据滑动扫描数据的特点，选择合适的处理方式，能够有效 的去除滑动扫描数据中的谐波干扰。该方法能够有效的利用地震数据，都有所提高，并 且能够最大限度的保留有效信号，在效率和精度方面有很大的提高 关键词 可控震源滑动扫描，分数傅里叶，谐波畸变，分离谐波，改进纯相移滤波 ii The Research of Harmonic Noise Rejection Based on Slip-sweep Acquisition Li Fenglei （ Geophysical Prospect and Ination Technology） Directed by Prof. Li Zhenchun Abstract The harmonic interference exists in the data acquired from seismic exploration with vibroseis. In conventional seismic exploration, the harmonic interference can be removed when the data is correlated, and seismic data will not be affected by harmonic noise. But with the development of the seismic data collection s, the slip sweep exploration became one of the most important exploration s. It can improve the exploration efficiency and cut the cost. Also this has been used in many geophysical companies. With this new exploration , the harmonic interference can not be removed by correlation, so we need to findnew technology to eliminate the harmonic noise. In this paper, we sum up the characteristic of slip sweep data though analyzing the raw data. Based on this, phase-shift filter PPSF is used. The only requires the computation of a purely deterministic phase-shift filter that has the phase spectrum of a hypothetical kth harmonic distortion. It can eliminate the harmonic noise through changing the phase of the raw data and deal nothing with the amplitude. So， I can get true amplitude data at the same time. In this paper, the phase-shift filter is improved which takes fundamental harmonic as the factor of the filter and separates the harmonic noise from harmonically distorted sweep HDS. In the process of computer simulation, an emulational HDS signal which contains 4 orders harmonic noises is designed. The 1st harmonic is used as ppsf filter. In the experiment, the harmonic noise can be clearly separate from harmonically distorted sweep HDS. Then we conduct calculation using real data. In accordance with the data’s characteristic feature, the reference sweep signal is chose from the auxiliary channels and the improved ppsf filter is obtained. After that, we separate the harmonic noise and fundamental harmonic from the harmonically distorted sweep HDS by improved ppsf filter. The improved ppsf filter has to be applied in the slip sweep seismic data, so we do some improvement and choose suitable iii mode for processing. Through all of the improvement, the harmonic noise can be removed from harmonically distorted sweep HDS which is acquired from the slip sweep seismic exploration. This can not only get the accurate processing data but also promote the processing efficiency. Key words vibroseis slip sweep, FRFT, harmonically distorted sweep HDS, decomposition of HDS, improved phase-shift filter iv 目 录 第一章 绪 论 ................................................................................................................ 1 1.1 论文的研究意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外研究进展 .................................................................................................... 1 1.3 论文的研究内容 .................................................................................................... 3 第二章 滑动扫描采集产生的谐波干扰 ........................................................................ 5 2.1 可控震源谐波干扰 ................................................................................................ 5 2.1.1 可控震源产生谐波畸变信号的原因 .............................................................. 5 2.1.2 谐波干扰的主要类型 ...................................................................................... 6 2.1.3 可控震源滑动扫描谐波干扰的特征 .............................................................. 6 2.2 可控震源谐波干扰压制方法 .............................................................................. 11 第三章 分数傅里叶变换压制谐波方法研究 .............................................................. 13 3.1 分数阶傅里叶变换的基本理论 .......................................................................... 13 3.1.1 分数阶傅里叶变换的引入 ............................................................................ 13 3.1.2 分数阶傅里叶变换的基本性质 .................................................................... 14 3.2 分数阶傅里叶变换滤除 CHIRP 信号的随机噪音 ............................................... 17 3.3 分数阶傅里叶变换压制力信号中的谐波干扰 .................................................. 20 3.3.1 力信号谐波压制的仿真试验 ........................................................................ 20 3.3.2 实际资料中力信号提取基波的试验 ............................................................ 23 3.3.3 压制实际资料中力信号谐波的试验 ............................................................ 25 3.4 分数傅里叶变换压制时延信号中的谐波干扰 .................................................. 28 3.4.1 压制时延信号谐波的仿真实验 .................................................................... 28 3.4.2 实际的滑动扫描数据测试 ............................................................................ 33 3.4.3 差值对比计算滑动扫描实际地震道扫描长度 ............................................ 37 3.4.4 实际滑动扫描数据谐波畸变保幅压制 ........................................................ 38 3.5 本章小结 .............................................................................................................. 43 第四章 纯相移滤波器压制谐波方法研究 .................................................................. 45 4.1 纯相移滤波基本理论 .......................................................................................... 45 4.1.1 纯相移滤波技术的提出 ................................................................................ 45 v 4.1.2 纯相移滤波器的设计 .................................................................................... 45 4.1.3 仿真实验 ........................................................................................................ 47 4.1.4 改进纯相移滤波器的设计 ............................................................................ 50 4.2 直接相关减去滤波技术 ...................................................................................... 54 4.2.1 滑动扫描数据及其相关数据 ........................................................................ 54 4.2.2 直接相关减去法的基本原理 ........................................................................ 55 4.3 改进纯相移滤波器在滑动扫描数据中应用 ...................................................... 60 4.3.1 可控震源滑动扫描数据 ................................................................................ 60 4.3.2 可控震源谐波畸变数据中各次谐波的关系 ................................................ 60 4.3.3 利用基波信号获取相移因子尝试 ................................................................ 63 4.4 改进纯相移滤波器处理实际滑动扫描资料 ...................................................... 65 4.4.1 利用改进纯相移技术直接处理滑动扫描数据 ............................................ 65 4.4.2 改进纯相移技术的效率分析 ........................................................................ 82 4.5 本章小结 .............................................................................................................. 85 第五章 滑动扫描互相关滤波压制谐波方法研究 ..................................................... 87 5.1 相关估计方法研究意义 ...................................................................................... 87 5.2 相关估计方法的理论基础 .................................................................................. 87 5.2.1 滤波器设计的理论基础 ................................................................................ 87 5.2.2 滤波器应用理论基础 .................................................................................... 89 5.2.3 相关滤波的基本处理流程 ............................................................................ 90 5.3 实际单道数据处理 .............................................................................................. 92 5.3.1 设计滤波器 .................................................................................................... 92 5.3.2 实际地震道数据试验 .................................................................................... 93 5.3.3 实际道集资料处理 ........................................................................................ 94 5.4 结论 ...................................................................................................................... 96 总 结 .............................................................................................................................. 97 参考文献 .......................................................................................................................... 99 攻读硕士学位期间取得的学术成果 ............................................................................ 103 致 谢 ............................................................................................................................ 104 中国石油大学（华东）硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 论文的研究意义 本论文目的是研究可控震源滑动方法的勘探中产生的谐波干扰压制方法，是实际地 震勘探中急需解决的问题，主要是期待最终能够得到有效的压制谐波的方法，找到一种 方法使之能够适应当前勘探领域高效的采集方式。 作为实际勘探中的震源激发装置，可控震源具有例如低施工成本、环保安全、灵活 的施工组织方式、可人为控制激发信号等优点。而现如今许多新的应用技术不断的投入 实际的生产，这使得效率可以提高不止一倍，远远高于炸药震源的施工效率。此外，今 后的石油勘探发展逐渐向高密度、高分辨率勘探方向发展。在这种情况下，这种优势就 会更加的明显可以任意将炮点做加密，同时配合使用滑动扫描等先进的采集方式，可 以做到效率和成本两者兼顾 [1] 。 可控震源机械要产生地震信号，不可避免的会有耦合问题存在，由于这种机械与地 面之间存在的固有原因，导致了信号传播之初就产生了谐波畸变。首先说明。谐波畸变 与需要的实际扫描信号其实是同一类信号，都是频率随时间以固有的规律变化的扫描信 号，只是谐波畸变相对于基波信号来说，其时间与频率的关系是成倍的关系，依据倍数 关系，可以将谐波畸变分为二次谐波、三次谐波及 N 次谐波。实际的资料中的扫描信号 若产生畸变的话会严重影响地震资料的品质。对于滑动扫描这种采集方式，由于其工作 原理是在一炮接收尚未完成时就开始下一炮的激发，得到相邻的两炮的道数据中有一部 分是相互重合的，对原始数据利用参考信息做相关之后，中的下一炮中的谐波的相关数 据会对上一炮的相关资料造成了严重的影响 [2] 。 当前的去除谐波的方法效果不甚理想，作为高效的采集方式，可控震源在滑动扫描 采集方式中产生的谐波有处理效率低，处理效果不好的问题，这严重制约了可控震源勘 探的效率。特别是在滑动扫描每天得到近万炮的资料的时候，必须要求在前期处理的时 候能够以最快的效率处理掉原始资料中的谐波，这就是现在遇到的问题，需要找一种可 靠快速的方法去除谐波干扰，以便提高处理效率，得到更好的经济效益。 1.2 国内外研究进展 在谐波压制方面，虽然国内外很早就已经认识到谐波产生的影响，但是由于在滑动 第一章 绪 论 2 扫描之前使用的扫描方式中产生的谐波对资料品质的影响有限，因此可以忽略谐波对实 际资料所产生的影响。但是滑动扫描中产生的谐波对资料的影响很大，特别是滑动扫描 采集效率越来越高的情况下，谐波压制的效率远不能满足采集效率的要求，所以更加要 求谐波的处理技术不断的改进。 与可控震源地震观测系统中降低实际操作 成本和增强采集质量相关的技术主要包 括同步激发、分级扫描、滑动扫描和同步滑动扫描技术。 Silverman（ 1979）提出了称之 为同步激发的技术。这一方法增强了可控震源的激发质量，它是通过在震源方向设置多 个可控震源或者成组的可控震源在同一时间激发来实现。同步激发主要是用于提高采集 速度。在这一技术中，已经开发出了区分 同步采集的炮集数据的信号处理方法 [3] 。 Anderson（ 1995）提出的技术可以提高可控震源陆上采集的效率，也就是分级扫描技术。 这一方法通过并置扫描重置时间和减少接收时 间，能够达到减少采集时间的目的。 Anderson 的方法通过将大量的扫描部件进行分级连接能够减少接收时间。 在可控震源采 集中，通常要考虑扫描进行过程中产生的谐波能量。分级扫描方法用的扫描部件有不同 的相位角度，而且可以针对扫描相关信号增加一个额外的扫描部件，因而这种方法可以 起到衰减谐波能量的目的。分级扫描技术中选用部件的数量是高次谐波的函数，而这一 函数可能会产生畸变，因此必须在相关处理过程中进行压制。选用部件的数量也是采集 数据信噪比的函数。 在 1996 年，滑动扫描技术由 Petroleum Development Oman Rozemond， 1996 年 提 出，这一技术可以减少采集时间。该方法包括的一组可控震源，进行扫描时不必等到前 一组震源扫描结束。它的实现是非常简单的。这一方法的唯一缺点是数据容易受到液压 振动器产生的谐波噪音的影响 [4] 。 Jeffres（ 2002 年）提出了称之为同步滑动扫描的方法， 这一方法用到的可控震源是两套或者更多套的，不同组之间的滑动扫描是互相重叠的。 每组内的炮集可以通过同步激发时不同的初始相位进行区分。 Jeffres 提出的技术可以在 同步滑动扫描观测系统中达到压制谐波噪音的目的。在滑动扫描的基础上，为了降低震 源谐波畸变噪音的影响， 2005 年 CGGVeritas 公司推出了 HPVAHigh Productivity Vibroseis Acquisition，高效震源采集 专利技术，进而为了进一步提高生产效率和降低震 源组合效应的影响， 2007 年又将这一技术扩展到单 台震源上实现，开发了 V1Single Vibrator,单台震源施工 专利技术 [4] 。 从另一方面来看，这几种技术都是通过衰减原始数据中的谐波来提高数据质量而不 是通过增强采集效率来达到的。 在这方面做出贡献的有 Sorkin， 1972； Eisner 1974； Rietsch 中国石油大学（华东）硕士学位论文 3 1981； Schrodt 1987; Martin 和 White1989； Okaya 等人， 1992； Martin 1993； Li et al. 1995； Walker 1995； Li 1997； Polom 1997； Dal Moro 等人， 2007。 Sorkin（ 1972）提出了一种 压制谐波的技术，而 Rietsch（ 1981）提出了这一方法需要几个相邻的扫描进行。 Sorkin 的技术依赖于相邻扫描的相位不同。组成这一序列的 M 个扫描中的每一个的初始相位 都要与之前的那个扫描相差 2π /M。 可以证明第 M 次谐波可以得到压制。 Li 等人 （ 1995） 提出了压制高次谐波的新方法。这一方法要利用一个纯相移滤波器计算假定的“ k 次谐 波畸变”的相位谱。通过这一特定的相移滤波器，基底信号中存在的所有谐波畸变以及 可控震源道中那些由第一个强初至产生的谐波畸变都可以得到去除。 Meunier 和 Bianchi （ 2002）提出了可以显著衰减滑动扫描得到的原始数据中存在的谐波。这一方法将数据 分解为不同的基波和谐波分量。该方法的第一步是将数据分离出来的基波分量 F1 和谐 波分量 H2 和 H3 进行相关处理。相关后的结果在第一个初至周围进行切除。然后重建 数据的谐波分量并将其滤除。 Moro 等人（ 2007）利用遗传算法流程来提高数据的质量， 并去除滑动扫描数据的谐波噪音，这一方法考虑了高次谐波和基波的比，并基于遗传算 法提出了一个最优化的处理流程。他们设计了基于遗传算法的工具可以将地震道中高次 谐波出现的部分进行最小化。 在国内，目前可控震源地震勘探主要集中在东方地球物理公司的业务中，张慕刚、 张宏乐、曹务祥、李明星等人在谐波的产生、基本特征、压制方面做了很多的工作 [19] 。 近几年随着滑动扫描在东方地球物理勘探公司的广泛应用，采集数据中产生的谐波严重 影响了采集资料的品质，所以在解决问题上，张宏乐（ 2003）提出合理地选用扫描信号 参数，使谐波对地震资料的影响程度降到最低 [12] 。曹务祥等（ 2004） ，通过总结提出了 可行的滤除谐波的方法 [14] 。李明星（ 2008）分析了在采集前对仪器的参数,做到谐波压 制处理 [16] 。 总的来说，由于国外的可控震源应用比较广泛，对可控震源的研究也走在前面。在 可控震源谐波压制方面主要是国外的一些方法，但是现在来看在实际应用中都存在着， 处理效果不是很好，处理速度较慢不能适应现在可控震源滑动扫描的采集速度等问题， 所以针对上述国内外研究现状及存在的问题，确定了论文的主要研究内容。 1.3 论文的研究内容 本论文研究的内容来源于地震勘探中急需解决的关键生产技术难题，主要是研究压 制可控震源滑的勘探中滑动扫描采集方式产生的谐波干扰的方法，从滑动扫描采集的谐 第一章 绪 论 4 波特点入手，对分数傅里叶方法以及纯相移滤波方法做改进对比，最终得到的压制谐波 的有效方法，并且通过编程处理实现实际资料处理的谐波压制，使该方法适应当前勘探 领域高效的采集方式。 （ 1）根据实际试验数据结合可控震源滑动扫描采集方法的特点分析出可控震源滑 动扫描采集得到采集资料的特点，其中滑动扫描数据中的初至、近道中的谐波干扰明显 强于其他区域的谐波干扰，这样下面的处理就有针对性。 （ 2）谐波干扰除了频率范围的成倍增长之外，还有其自己的相关特性、时间特性 及振幅特性。在此基础上根据各种方法的基本原理，推导相应的公式；分析时频域谐波 的特点，利用小波变换提取对数据做回拨提取；研究了分数阶傅里叶方法在滑动扫描数 据中的应用，分析其优缺点；进一步分析纯相移滤波器，对其做改进并推导相应的相移 值使其能够高效的处理滑动扫描谐波畸变数据。 （ 3）综合分析几种方法，并对仿真信号进行试算，并对比几种压制谐波方法的效 果和效率，尝试着对其中几种方法进行整合优化，最终确定了改进纯相移滤波方法，并 对参数的选取进行理论验证，使其适用于所有的可控震源滑动扫描的数据。 （ 4）确定和完善处理流程，编程实现仿真数据以及实际资料的处理，最后做改进 使其适用于所有的滑动扫描数据，实现高效的可控震源的谐波压制。 中国石油大学（华东）硕士学位论文 5 第二章 滑动扫描采集产生的谐波干扰 2.1 可控震源谐波干扰 2.1.1 可控震源产生谐波畸变信号的原因 某一特定的地表条件下，可控震源与地表两者之间就会产生特殊的耦合，这种耦合 就间接的导致了可控震源产生的基波扫描信号会伴随着谐波畸变的存在。这里谐波的数 学公式如下，假设可控震源向地下传播的理想信号为 0min sin 2 / 2AA f at tπ （ 2-1） 耦合情况下，大地表面与可控震源的底板振动的关系为 1 22 2 22 11 4 A B bkωω （ 2-2） 式中各个分量的表示如下 0001 1 11 0 ,,,2/2 2 AE Ab k fat dsdl ρν ρν ωπ ρρρ 其中 ν 为地表层的速度， ρ 为地表层的密度， E 则是杨氏模量。 通过分析地表与震板之间的耦合公式（ 2-2） ， B 在当且只有当 00 11 ρνρν 的情况之 下才会存在极大值。 这种情况下， 大地表层的土层与可控震源系统的底板才会形成耦合， 从而整个可控震源系统与大地构成了谐振耦合响应系统 （见图 2-1） ， 也因此产生了谐波。 图 2-1 可控震源底板与大地表面组成的耦合系统以及大地的受力图 第二章 滑动扫描采集产生的谐波干扰 6 2.1.2 谐波干扰的主要类型 根据实际的勘探资料分析，通过理论上的研究，可以基本确定可控震源激发过程中 产的的谐波畸变主要有