地震數據噪聲的過濾方法

專利名稱:地震數據噪聲的過濾方法
本發明涉及從數據信號中過濾噪聲的方法，特別涉及到用來減輕附加噪聲對在地震勘探中采集到的數據信號的影響的噪聲過濾方法。
在陸地地震勘測中，地震源引起了在地表或近地表的地震波。這些波穿過地面傳播，并從地球內部的不同地層被反射，反射波可被在地表的傳感器或地震檢波器檢測到。地震源的振動作用到地表還會產生所謂表面波或地面(ground roll)波，其通過地球的淺層進行傳播。在地震檢波器上，低頻低速地面波的發生時間與地震勘測中感興趣的深層反射波典型一致。地面波與反射信號的同時出現使得充分利用地震數據很困難，因為地面波經常掩蓋反射波。
衰減地面波干擾從而減輕它對感興趣的地震信號的影響的方法已經知道一些了。典型地，地震檢波器不是獨立被使用，而是以分-陣列或組的形式連接在一起，其被硬件連接或并在一起。這是一種與數據無關的聚束(beamforming)形式。同樣，應用自適應信號處理抑制地震勘測中的地面波的嘗試也被采用。
美國專利4,556,962試圖通過在靠近地震源處放置一傳感器檢測干擾噪聲來衰減從表面地震源發出的地面波。干擾噪聲被換算，延時并與從較遠的地震檢波器陣列發出的信號相加，然后與初始振動信號互相關。該專利還建議使用自適應濾波器修正延時信號，使其更緊密對應被更遠處的地震檢波器陣列檢測的信號。然而，靠近震源檢測到的地面波可以與被地震檢波器陣列接收到的信號有很大不同，自適應濾波器可能不能處理這種情況。
美國專利4,890,264中，抑制由表面波傳播，風，及機械產生的非均勻分布的噪聲的方法被描述。用來檢測表面波的水平地震檢波器與傳統的用來檢測地震能量的垂直地震檢波器共同使用。表面波檢測器的輸出結合自適應濾波器被使用，以消除表面波干擾的影響。抑制地面波的方法是常用的多分量方法。有些地震波能量也可通過水平地震檢波器被檢測到，這會導致信號的消除。
在英國專利申請GB-A-2273358中，提出使用線性約束自適應聚束和自適應干擾消除聚束來抑制地面波的方法。該方法過濾被地震檢波器陣列檢測到的信號并將它們以某種方式相加，以維護從優先方向發出的信號，同時抑制從其他方向發出的干擾。濾波通過使用連續地自適應方法連同對用來構成主要通道和參考通道的地震反射和地面波進行擴散差分實現。建議的應用是鉆井，當使用一鉆頭作為地震源時，由于鉆頭的緩慢移動，地面波是有效平穩的，且每個源接收器位置產生大量數據。這保證了用于本方法的自適應濾波器的算法的隨機變化率類型是能夠收斂的。然而，在表面地震實驗中，地面波的表現通常是不平穩且不均勻的，算法的隨機變化率類型可能非常慢而不能在信號包絡內收斂。
美國專利5,237,538提出從地震數據中消除附加噪聲的方法。該方法首先指出噪聲的擴散特征，定義并提取了包含噪聲的空間-時間門，并消除擴散以平滑噪聲系列。這樣，幅度和時間的變化就從門被消除。附加噪聲通過聚束控制(beamsteer)算子(在此情況下是常規的疊加)被估計或通過在傅利葉變換域的f-x濾波被估計。使用短的三到五個點的單獨濾波器，濾波噪聲估計被從包含信號-加-噪聲的數據道中減去。相反的幅度尺度被用來消除早期幅度補償的影響。信號于是被擴散存儲到原始地震記錄。該方法用于地面波衰減時有一些顯著的缺點。首先，特別地對于較短的陣列，信號總是泄漏到地面波估計中。實際上，總有一個信號分量出現在干擾通道中，其在時間上與主要通道中的信號共位。在另一方面，當陣列被容許更長一些時，地面波的分散出現使得難以完成有效的聚束。
根據本發明，一種在離散時間間隔([1，2，...，T])中從離散的帶噪聲地震信號中過濾噪聲的方法，所述方法包括以下步驟-使用所述帶噪聲地震信號對所述時間間隔決定至少一個參考通道(x(t))作為對所述噪聲的估計；-決定M個時間局部濾波器(w(i，t))的系數，所述濾波器構成濾波器組，M為大于等于2的數，通過最小化表示所述濾波器組的輸出誤差的量度的代價函數(J(t))；及-應用所述的濾波器組到至少一個估計(x(t))以決定所述噪聲的M個濾波估計。
代價函數(J(t))最好是時間的全局量，代表所述濾波器組在時間間隔([1，2，...，T])的全部輸出的誤差量度。
進而代價函數(J(t))可被最小化，利用當在時間域所述窗函數重疊時，對相同的信號，M個濾波器(w(i，t))的相鄰濾波器的輸出，被窗函數加權后的和是相等的近似。
推薦的方法包括將M個濾波估計與時間窗函數(h(i，t))相乘的步驟。
時間窗函數的特征在于要求只有相鄰窗重疊。
時間窗函數，及所得時間窗對混合分量的應用，保證了濾波器在時間上是局部的，且容許該方法參照一全局最優判據從地震信號中自適應地消去噪聲，例如通過最小化濾波信號在時間上的均方值來解決濾波信號的最優化問題。
本發明可用于二維(2D)和三維(3D)地震測量，可被用于陸地地震，海洋地震包括海底地震，及過渡區地震。
該方法可在存儲數據或剛被采集的原始地震數據上實現。原始地震數據可根據數據采集點處的方法被過濾。這保證了從數據采集點得到“干凈的”信號，且可被以這種形式從站點直接下載。這減少了必須被發送以進行離站分析的數據量及減少了與積累足夠多的帶噪聲數據用于離站分析有關的代價和存儲問題。該方法可用于單傳感器記錄，即用于將兩個或多個地震傳感器的信號混合成的任意組形式之前的記錄。
噪聲或干擾信號可在經過自適應濾波器之前被預處理，通過將信號分解到不同的頻段，例如通過使用正交鏡象濾波器。其允許要被處理的數據點在數量上的減少，也允許在自適應濾波器中的系數在數量上的減少。
數據選擇時間窗函數最好由兩條要求決定，其一是在任何給定時間所有窗的和等于一個單位，其二是只有相鄰窗重疊。這些要求保證了被過濾信號的全局優化可通過使用一個近似來解決，對所有時間和所有濾波器和所有相鄰濾波器的和，相鄰濾波器的誤差函數被與濾波器自身相關的誤差函數代替。
數據選擇時間窗函數的應用將被用來解決過濾信號的優化問題的方程解耦合。所得的解耦合方程可被例如主分量方法或代替地衰減的最小平方方法求解。
當對方程解耦合使用主分量方法被解時，主分量的個數可以被調整以改變濾波的程度并得到所希望的濾波準確度。信噪比越小，用于完成濾波的主分量的個數越多。
推薦的自適應濾波通過使用濾波器，或由許多局部濾波器組成的濾波器組實現。每個局部濾波器可以是多通道濾波器。在本發明進一步推薦的實施方式中，另一信號被用于配置自適應濾波。
在基于陸地地震的測量中，參照本發明的方法中用到的地震數據信號可通過至少兩種地震傳感器得到，典型地，地震檢波器，該傳感器分布于網絡上，其中每個傳感器都是獨立的，每個傳感器傳送數據到一處理裝置以被參照本發明濾波。網絡被定義為傳感器或地震檢波器的分布陣列，其中每個傳感器獨立于其他所有傳感器。這不同于現有技術的分布，其中每個地震檢波器分布于內在相連的陣列上，且地震檢波器被在全部陣列平均以試圖在離站處理前減少噪聲如地面波的影響。
在本發明的另一實施方式中，濾波器的輸出信號可以被以迭代方式再次處理以進一步過濾噪聲，典型地濾波器輸出信號被反饋到至少一個參考信號和濾波器中。
參考信號可由一系列技術產生，例如通過計算數據信號的擴散差分得到。
在另一技術中，參考信號可通過中值疊加(median stacking)得到。它抑制了與要被過濾的噪聲信號不同的擴散的地震信號。這就減少了參考信號對感興趣地震信號的損害。
當這兩種技術混合時，疊后信號的擴散差分可跟在中值疊加法之后。
當從多分量傳感器得到地震數據后，參考信號可通過對傳感器的每個分量極化濾波后得到。該方法可被用來增強從相鄰傳感器得到的參考信號，其對三維勘探非常先進，即三個分量，也可與擴散差分混合。
通過下面的詳細說明及附圖，本發明的這些和其他特點，推薦的實施方式及其變形，可能的應用及先進性將會被熟練的技術人員理解。

圖1示出了使用聚束方法進行自適應消除的現有技術方法的處理框圖。
圖2A示出了根據本發明的自適應干擾消除方法。
圖2B示出了圖2A方法的一個變形。
圖3示出了在自適應干擾消除中使用的用來支持濾波器系數的數據信號采樣。
圖4示出了根據本發明對參考通道采用擴散(moveout)差分的數據自適應多通道濾波器組。
圖5示出了在自適應干擾消除中使用的用來支持濾波器系數的數據信號采樣的替換方式。
圖6示出了根據本發明基于擴散差分和中值疊加方法的參考通道的產生。
圖7示出了基于中值疊加和擴散差分方法的參考通道的產生。
圖8示出了基于極化差分的參考通道的產生。
圖9示出了基于極化和擴散差分的參考通道的產生現在參看附圖，圖1示出了在例如GB-A-2273358中說明的線性抑制自適應多通道聚束陣列。相同輸入10，12從兩列傳感器產生，輸入10從主要源或傳感器發出，隨后的輸入12′，12″…，12N從參考源或輔助傳感器發出。輸入10包括帶噪聲的信息負載信號。
參考輸入12′，12″…，12N被包含局部自適應濾波器14′，14″…，14N的自適應多通道濾波器處理，處理后的分量在加法器16上被混合以產生輸出信號y(t)18。
該濾波使用時間連續的自適應方法實現，即最小均方法(LMS)以優化濾波器性能。然而，隨機變化率類型算法如最小均方法可能會收斂太慢，以致不能產生無噪聲信號的估計，當附加噪聲為非平穩和非均勻的時，例如在表面地震時遇到的情況。地面波噪聲通常是彌散的，這經常表現為非平穩特性。
根據本發明的自適應干擾消除方法，當計算自適應濾波器系數時，估計了相位和幅度擾動的影響及地震信號傳播的影響。這使得自適應干擾消除方法對數據中出現的相位和幅度擾動具有耐韌性。
圖2A示出了根據本發明從地震信號過濾噪聲的方法實現的系統。該系統包括許多地震檢波器Gn，n＝1，…，N24′，24″，…，24N，其記錄了一般形式的信號{gnj(t)n＝1，…，N；j＝1，2 3}，其中j指多分量記錄，例如3C地震檢波器記錄。為避免與圖1混淆，應注意此時字母N用來表示傳感器的個數，而字母K(見下)值表示通道的最大數目。
地震檢波器24為在一網絡中放置在地表的分開的傳感器，用來檢測相應于源波在地球內的地層處通過反射產生的地震波。地震檢波器彼此互不相連，其用來提供一系列輸入到主要和參考通道產生器26。使用壓力傳感器如水聽器的等效系統，可代替地震檢波器被使用。
收到所述記錄信號的信號產生器26指明了主要通道d(t)28，其帶有被附加干擾n0(t)損害的信息負載信號s(t)，即[1] d(t)＝s(t)+n0(t)及干擾參考信號通道xk(t)30[2]----xk(t)=F{gnj(t)}]]>其中k＝1，…，K表示參考通道的數目。運算符F可以是用于記錄信號并產生一個或多個參考通道的任何運算，參考通道可被看作附加干擾的第一次估計。因此，有以下假設相對于xk(t)與n0(t)的互相關，信號s(t)與主要通道中的干擾n0(t)的互相關，及與參考通道xk(t)的互相關可忽略不計。例如，運算符F可為從已知的許多方法中選出的一種。一些用來產生參考信號30的特別先進的方法在下面被討論。
參考通道xk(t)被作為自適應濾波器組34的一系列局部自適應濾波器32′，32″，…32M、加法器36’，36”，…36M、乘法器38’，38”，…38M和混合器40處理，以產生輸出信號[3]----y(t)=Σi=1MΣk=1KΣτ=0L-1hi(t)wikτxk(t-τ)]]>其中Wikτ(t)是自適應濾波器的可調整的系數，hi(t)是在輸出末端用到的窗函數，M是局部多通道自適應濾波器的個數(或輸出窗的個數)，L是每個通道的的系數的個數。每個自適應濾波器可以是圖1所示類型的多式[3]可被改寫為使用抽頭-輸入向量x(t)在時間t的標量積的(加窗)和，定義為x(t)≡[x1(t)，...，x1(t-L+1)，[4] x2(t)，...，x2(t-L+1)，xK(t)，...，xK(t-L+1)]T抽頭-加權向量wi定義為wi(t)≡[wi10(t)，...，wi1(L-1)(t-L+1)，[5] wi20(t)，...，wi2(L-1)(t-L+1)，wiK0(t)，...，wiK(L-1)(t-L+1)]T濾波器組輸出被與主輸入混合以產生一過濾后的輸出信號e(t)44，[6] e(t)＝d(t)-y(t)在圖2A中主輸入在每個濾波器32的輸出端求和。一個決定e(t)的等價方法如圖2B所示，其中窗函數hi(t)與每個濾波器的輸出相乘，在所有輸出被混合后加上主要通道。
信號e(t)也可作為誤差信號，代價函數J被定義為等于對全部采樣值輸入的e2(t)的和，即[7]----J=Σt=1Te2(t)]]>其中T是采樣值的總個數。代價函數J對應于全部的誤差能量，通過最小化代價函數，也就是最小化全局判據，e(t)就變為s(t)即無噪聲純信號的最小平方估計。
最小化全局判據的一個方法是使用窗函數hi(t)以保證濾波器在時間上是局部的，即陣列具有有限的時間跨度，且可處理非平穩的噪聲。窗口可以是100個采樣值長的矩形窗。
窗42被下式約束[8]----Σi=1Mhi(t)=1]]>對t＝1，2，...，T，其中T為采樣值的總個數，且[9] hi(t)hj(t)＝0對j≠i-1，i，i+1。第一個限制保證了濾波器組34等效于單濾波器情況，如果所有局部濾波器32是相同的。第二個限制保證了窗口具有緊湊支持性。利用這兩個限制能夠解決誤差信號e(t)的全局最優化。
優化問題是[10]----minw1,...,wMΣt=1Te2(t).]]>總的誤差能量可被擴展為Σt=1Te2(t)=Σt=1T[Σi=1Mhi(t)fi(t)]2=]]>[11]----=Σt=1T[Σi=1Mhi2(t)fi2(t)+Σi=1MΣj=i-1i+1hi(t)hj(t)fi(t)fj(t)]]]>其中fi(t)是與局部濾波器wi相關的局部誤差函數[12]----fi(t)=d(t)-wiT(t)x(t).]]>從式[11]可見最優化問題導致了關于濾波器的大量聯立方程組。使用第二個條件，式[9]加在窗上及下面對方程[11]第二項的近似[13]，方程可被分解。Σt=1TΣi=1NΣj=i-1i+1hi(t)hj(t)fi(t)fj(t)≈]]>[13]----Σt=1TΣi=1NΣj=i-1i+1hi(t)hj(t)fi2(t)]]>首先這是一個非常適度的近似，式[11]中近似的第二項遠小于第一項，其次該近似比wi≈wi+l或wi≈wi-1更適合。式[13]的近似要求，當用于在相鄰窗重疊的時間域上相同的輸入數據時，相鄰的濾波器產生相似的結果，而不是要求相鄰濾波器在點到點的基礎上相似。因此，該近似等同于要求兩個函數的積分是近似的，而不是要求函數本身。
雖然優化導致了大量關于濾波器的聯立方程組的產生，式[13]的近似分解了優化因此[14]----minw1,...,wMΣt=1Te2(t)⇔minwiΣt=1Thi(t)f2(t)]]>其中I＝1，2，0...M。
求濾波器組分量的矩陣標準方程可被得到，例如通過設變化率為零，或通過正交定理，對[15]----[Σt=1Thi(t)x(t)xT(t)]wi=Σt=1Thi(t)d(t)x(t).]]>這可通過不同的方法被解，其中兩種方法是主分量法和衰減最小平方法。
式[15]的右邊可被解釋為相關矩陣Φ與濾波器系數的乘積。Φ的奇異值分解是[15.1]----Φ=Σn=1KLσnunuN′T]]>其中σ1＞σ2＞...＞σNL是奇異值。奇異值分解給出了好的結果，即使矩陣是病態條件的。應用奇異值分解的另一優點是它允許主分量方法的使用。
在系統和控制理論文獻中，術語′主分量′是指在平方矩陣的奇異值分解中的優勢項，例如參見B.C.Moore，″Principal component analysis inlinear systemscontrollability，observability，and model reduction″，IEEETrans.Autom.Control，Vol.AC-26，pp.17-31，1981。
對應于矩陣Φ的主分量矩陣Φ1是[15.2]----Φ1=Σn=1pσnununT]]>其中1≤p≤NL。主分量矩陣Φ1提供給Φ最優低秩近似值。式[15]的最優化問題可通過確定逆Φ1-1解決。
主分量方法混合時間延遲以定義濾波器支持(support)的使用允許濾波器集中于波的分量(即地面波)，其具有一定的擴散并附加在擴展的數據集范圍中。進一步，只使用給定數目的主分量導致只有最具優勢的附加分量會影響濾波器系數的計算。主分量的數目是可調整的參數，其允許用戶改變濾波器的長度。使用的主分量的數目越多，濾波越強。通常，信噪比越小，應該被應用的濾波越強。
解矩陣方程的另一替換方法是衰減最小平方方法，使用Φ2=Φ+ϵ2I=Σn=1NL(σn+ϵ2)ununT]]>[15.3]----Φ2-1=(Φ+ϵ2I)-1=Σn=1NL(σn+ϵ2)-1ununT]]>其中I是NL×NL單位矩陣，ε2是一個小的參數。在衰減最小平方方法中，在具有小的相關奇異值的分量被忽略的意義上，病態條件被防止，主分量結果被近似。主分量的分布只有輕微的改變。該方法的主要優點在于，由于矩陣Φ+ε2I是對稱的，它可被使用如Cholesky分解解決，該方法比奇異值分解快得多。
而在如上所述的本發明的變形中，依靠主要地面波速度，最小信號保護間隔和濾波器長度，多通道濾波器支持在應用的開始被固定。該建立對水平分量作為參考的應用不理想，由于垂直和水平分量間的有效擴散在三個通道間不固定。改變濾波器長度可能會不錯，為了局部地調整多通道濾波器支持，以便跟隨最高相關的擴散。
下面，產生根據本發明的方法使用的干擾參考通道30的幾個方法將被通過舉例進行描述。
方法1-基于擴散差分的多參考通道在地震采集中，反射能量的擴散通常與附加噪聲如地面波的擴散不同。該性能可被用到自適應干擾消除中以抑制地面波。圖3示出了從地震測量中得到的地震軌跡(traces)的實例。地震反射46的擴散和地面波48的擴散有不同的變化率。可以看到，地面波具有比地震反射陡峭的斜度。在主要通道50，即中央軌跡上，地震信號在地面波的某個相位被疊加。在相鄰軌跡上，地面波的相同相位沒有與地震信號重疊。因此，通過對相鄰地震道的適度采樣，可得到用于自適應干擾消除的噪聲參考。采樣區52、54提供作用于參考通道的濾波器系數的支持(support)，且由主要軌跡50的當前采樣值定義的距離得到。多通道濾波器分量的相應支持可通過適當地延遲主要通道和參考通道輸入被調整。采用所描述的產生參考通道的方法，所得到的數據自適應多通道如圖4所示，其中與圖2所示的已描述過的部件等效的部件用相應的參考數字顯示出來。在圖3和4中，[16 ] Δτ1＝τ0-τ1并且[17] Δτ2＝τ2-τ0-L其中L為與第二種采樣相關的自適應濾波器使用的系數的個數。
為了圖示的目的，在本應用余下部分，在要被濾波的軌跡的兩邊最近的軌跡被作為噪聲參考。
Δτi的選擇主要依靠兩個因素，即為地震反射波形的自相關函數，和地面波的擴散。地震反射波的自相關函數依賴于地震反射的功率譜。通常，在時間上被Δτi定義的窗被選擇大于延遲，其地震反射波的自相關函數具有可忽略的值。其次，最近軌跡的采樣被選擇，所有地面波的主要擴散平分了采樣區域。這減少了影響，由于地面波的擴散性和它的明顯速度范圍。
方法2-基于擴散和時空相關差分的多參考通道目標信號和干擾可以有不同的擴散(視在速度)和時空相關。這經常發生在表面地震采集中。地面波不只在擴散上與反射信號不同，而且有比地震反射強的多的時空相關，特別是在時間方向。這使得用來定義方法1中列出的多通道濾波器分量的支持的準則可被確定。圖5示出該準則是如何用在從地震測量中得到的地震道的。地震信號56的擴散和地面波58的擴散具有不同的變化率。濾波器支持的兩個域被說明為主要通道60的每個最近的地震道的兩邊，至于圖3中的采樣，采樣區或濾波器支持62、64、66、68留出由t0定義的中央采樣值周圍的一個時間采樣值的距離。這是為了保護地震信號。
地面波通常具有比地震信號大的多的在時間尺度上的時間相關，在這種情況下，中央軌跡(即主要通道)的適當部分70，72可被作為參考。
該準則在很多應用中都很有用。當選擇兩個參考通道，相對于方法1中描述的直接地面波的發出方向，一個通道是隨機的，另一個是反隨機的，輸出將包含反射波，以及趨前波(一個領先的事件)，其大約為該事件低通的一半，以及一個相似的滯后波(一個延遲的事件)。如果在所有處理步驟中都要求最小相位響應，就不希望出現趨前波。如果參考通道是通過使用相對于主要通道更接近信源的參考軌跡確定的，或通過使用相對于輸出點是隨機的參考軌跡的部分，則只有延遲波會出現在濾波數據中。
當干擾參考只通過使用時間延遲以定義濾波器支持而產生，而沒有使用任何預處理，參考通道的反射波的出現會在處理過的主要通道上產生小的趨前波和/或滯后波。
例如，當兩個相鄰軌跡被用作參考時，趨前波和滯后波被產生。該影響也能在頻域被觀察到當參考通道集中于與主要通道中的地面波有相同極性的地面波相位時，每個濾波器的低頻增益約為-1/K，其中K是參考通道的個數。這樣，在零頻率處的總響應為空。
衰減(roll-off)依賴于K；對K＝4，角頻率約為5Hz，對K＝2，角頻率約為11-12Hz。響應在中間頻率也顯示出相同的增益。當參考通道集中在與主要通道中的地面波相位相反極性的地面波相位時，每個濾波器的低頻增益約為+1/K。于是就沒有低頻衰減，通常在中間頻率具有衰減。
由于具有正和負極性的響應非常互補，對同樣的數據分別用不同的極性實現兩次自適應干擾消除是可能的，在每個頻率從兩個實驗中選擇響應幅度最高的響應，其在絕大部分頻率上大于1個單位。這樣，在絕大多數頻率上反卷積增益小于1個單位，這就減少了噪聲而更理想地維持了地震反射波形。
方法3-基于中值疊加的單個參考通道對一系列數字的中值濾波是通過將一矩形窗傳至該序列，并將該序列中的每個點用集中于當前點的窗內點的中值替代的方法實現的。該1-D中值濾波運算可應用于在一特定方向上的2-D數據集以得到在那個方向的發出波形分量估計。
參考通道可通過使用圖6所示的中值疊加運算沿主要擴散增加地面波被產生。疊加運算采用了典型的3到5個相鄰軌跡被完成。如圖6所示，傳感器，或地震檢波器，72，74，76產生參考軌跡78、80和主要軌跡82。這些軌跡用于疊加運算。與該法或傳統運算法不同，中值運算并不抹掉地震反射(其與地面波不具有相同的擴散)，而是抑制它們。因此，由中值疊加運算產生的參考通道90包含了對干擾地面波的更好估計，且可能比傳統平均疊加法更少地損壞感興趣的地震信號。該方法可在重疊窗上比實現以重新調整疊加擴散。
方法4-基于中值疊加和擴散差分的多參考通道通過先應用中值疊加114再進行時移τ1、τ2以產生參考通道x1(t)、x2(t)可進一步發展先前的實施方式。圖7證明了五個軌跡91、92、93、94、96是怎樣被用來產生兩個參考通道的。通過中值濾波被泄漏的信號能量被進一步抑制。本實施方式在過濾從少量地震檢波器或聽音器發出的少量軌跡時特別有用。
方法5-基于極化差分的單參考通道地面波和地震反射經常有不同極性，地震反射是線性極化的而地面波經常表現為橢圓性極化的。當地震波被多分量傳感器或地震檢波器測量的時候，極化濾波通過固有的極性被用來區別地震事件。
從多分量傳感器產生的分量的極化濾波得到參考通道的方法示于圖8，多分量傳感器116檢測反射波的三個正交分量ux118、uy120、uz122。極化濾波器124過濾橢圓型極化的地面波信號，且過濾后的信號被用作自適應干擾消除的噪聲參考126。初始的未過濾軌跡128被作為主要通道。自適應濾波器的使用減少了殘余能量因此改進了地震波衰減。該方法使用從單個三分量(3C)地震檢波器發出的數據并可被用于每個獨立分量以恢復地面波衰減多分量數據。
方法6-基于極化和擴散差分的多參考通道如圖9所示，該方法使用至少是3C的參考地震檢波器130，132和主要地震檢波器134。主要檢波器產生主要通道136，如在時間t0處定義。極化濾波器138和140如方法4中所用，用來過濾橢圓型極化的地面波信號和產生參考軌跡142、144。參考軌跡142、144被延遲t1和t2以便根據方法1中描述的擴散差分方法采樣參考軌跡。延遲的參考軌跡被用來提供參考通道。采用兩個參考檢波器實現該方法是可能的，主要通道從過濾前的一個分量得到。
在得到參考通道的該方法中，兩個完全獨立的判據擴散和極化被同時用來在地震信號和地面波之間求差分。該方法比方法4具有更強的衰減地面波的能力。
方法7-使用迭代自適應干擾消除產生的多參考通道如上所述，自適應干擾消除的概念依賴于在噪聲參考通道中信號分量的消失。事實上，這是不可能的，總是有一些信號的泄漏。從剛開始運行的自適應干擾消除中估計的噪聲可以被用作第二個運行的噪聲參考，其改進了從原始數據得到的信號和噪聲的分離。采用迭代方法，利用過濾后的輸出信號持續地改進了輸出信號，可被使用多次且認為是先進的。對具有多參考通道的方法，該方法仍有增加有效陣列口徑且只在計算復雜性上有線性增加的效果。
方法8-參量波形域分解作為參考產生器在參量波形域分解中，分解地震數據集到其分支波形域的問題被作為參量求逆，其中每個波形域被它的傅利葉分量和頻率無關參數(如明顯的慢速)建模。該方法通過最小化頻域中模型與數據波形間的最小平方誤差解得波形域參數。由于明顯慢速的參數非線性地進入問題，基于變化率的搜索技術被用來決定最優參數值。通過在每一頻率解一線性系統然后進行傅利葉反變換，波形域被從數據中重構。
參量波形域分解方法可用于最初將數據分為地面波和地震反射信號分量中。由參量波形域分解提供的地面波估計隨后被自適應干擾消除法作為噪聲參考使用。參量波形域分解通常可完成好的地面波與信號的分離；然而它受數據中幅度和時間波動的影響。混合使用參量波形域分解和自適應干擾消除則有改進的效果。
本實施方式可進一步發展為，首先使用參量波形域分解然后時間移動來產生參考通道。在參量波形域分解中可能泄漏的信號能量被進一步抑制。參量波形域分解的實例可見C.Esmersoy，″Inversion of P and SV wavesfrom multicomponent offset vertical seismic profiles，″Geophysics，Vol.55，pp.39-50，1990。
方法9-水平分量作為參考通道在多分量記錄中，絕大多數被壓縮的體波能量在垂直分量。水平分量(橫向和徑向的)包含地面波和剪切波能量，因此可被作為自適應干擾消除中的干擾參考。與基于假設地面波為橢圓型極化的極化濾波方法不同，這種3-C自適應干擾消除假設局部地(在時間域)，垂直與水平地面波分量之間有某種未知的聯系，并有效地估計了該聯系。由于地震反射信號也會出現在水平分量中，參考通道通過對水平分量進行時移而產生。
采用水平傳感檢波器作為表面波檢測器用于自適應過濾垂直分量的一般思想參見G.A.Crews和D.R.Martinez的專利(美國_A_4,890,264)的描述。
現在描述根據本發明實現三維表面測量，即基于陸地的測量的方法。
3-D勘測的實現在3-D表面地震堪測中，目前的實踐是利用檢波器的2-D地震檢波器的天線陣列且對源位置的變化的水平分布收集數據。這些陣列典型地包含24個地震檢波器，輸出信號通過硬連接檢波器及對它們的輸出求和得到。
本文描述的自適應干擾消除可用于3-D勘測中，其具有地震檢波器陣列模式，或網絡，例如帶中央檢波器的六邊形分布。如果直接地面波的發出方向(或，等效地，源位置)沒有在處理時刻被提供，它可通過互相關任意參考軌跡與其他軌跡被估計。每個軌跡被依次作為主要通道，并選擇一系列相應的參考軌跡，這樣在主要軌跡和參考軌跡之間就存在足夠的地面波擴散。通過使用根據本發明的方法得到的所有過濾過的軌跡被以常規聚束(平均運算)或中值疊加方法疊加。每個過濾后的軌跡的延遲為不同的1和2值保證了信號的趨前和滯后特征通常是不被強調的，而地震反射被強調。
這些檢波器網的表面維數遠小于目前使用的連接天線陣列。另外，過濾后的軌跡的隨后疊加比目前的實踐更多地維持了信號帶寬，特別對于大的源到接收器的偏置。
使用完備重構濾波器組的實現在絕大多數地震勘探中，附加噪聲只占可得時間帶寬的小部分。例如，在本文使用的測試數據，奈奎斯特頻率為250Hz，而絕大部分地面波能量在30Hz以下。為減輕計算負擔，集中濾波作用到附加噪聲所在頻段是希望的。達到此目標的一種方法是增加QMF(正交鏡象濾波器)完備重構濾波器組到使用自適應多道濾波器組的噪聲抑制系統。因此，兩個濾波器組被有效地包含在系統中。QMF濾波器組在使用自適應濾波前將軌跡分解到頻段并抽取，然后用于重新合成。使用QMF濾波器組抽取減少了要處理的點數并允許自適應濾波器系數的減少，明顯節省了計算機處理時間和對計算機內存的要求。
由于在QMF濾波器組設計中需要頻率重疊，在頻帶間存在一些泄漏。該泄漏的影響可通過展寬處理頻段被解決。對殘余地面波的附加抑制可通過構成被視為簡單K-域濾波器或聚束器的常規組被完成。根據本發明的本方法避免了如地面波之類的混疊噪聲出現的數據處理問題。
當地震檢波器(或源)的采樣間隔大于奈奎斯特定理的要求時出現混疊的地面波。在有些采集幾何中，這可通過設計減少在該域采用的地震檢波器(與/或源)的個數來實現。
要求合適的采樣的方法，如k或f-k域濾波器不能有效地分離信號和地面波，如頻域(f或f-k)濾波器在變換域為信號和噪聲分配明確的區域來將地震信號和地面波一步分離那樣。混疊的出現阻止了這樣做。根據本發明的方法不變換數據，所以它不被混疊影響。它集中于噪聲并消除它；剩余的信號為過濾后的信號。
現在討論根據本發明的方法用于真實數據集合時與傳統方法的比較。所用數據集合從一般的接收器集中得到，其中連續射點的位置相距4米。為了能考察對疊前信號和噪聲兩者的處理效果，增加了兩個合成反射。對處理的進一步評價在給數據集增加任意尖峰噪聲后被實現。
傳統的分組技術的性能被相鄰道在滑動窗內的算術平均仿真。對一傳統的六個檢波器的組(20米組)，某些地面波抑制可被完成，但增加了地震事件的失真。
當在自適應干擾消除中使用已知的歸一化算法分析數據時，歸一化的LMS算法無法跟蹤地面波。采用LMS算法自適應干擾消除抑制地面波的效果有限。LMS算法不能足夠快地收斂以跟上地面波的瞬變和非平穩性質。
根據本發明的方法用于測試數據集，多通道濾波器組的使用很好地維護了地震反射，地面波被有效地抑制。在本例設k＝2，即對每個主要通道有兩個參考通道，L＝30，即每個道有30個系數，輸出窗是長度為100的矩形窗，Δτ1＝Δτ2＝3個采樣值；p＝5是使用的主分量個數。
根據本發明的方法除用于地面波外還可用于不相干的噪聲源，如海洋地震勘探或海底勘探中的輪船噪聲和鉆井噪聲。
在海洋環境中的實現在海洋地震勘探中，聲音源產生從水中傳到地球內的波。這些波隨后被表面下的地層結構反射或折射，返回水中并通過常的水聽器陣列被記錄，水聽器陣列被拖到地震船后水面的附近。水聽器被固定在拖纜上，通常有2-12個拖纜被拖著，每個拖纜通常有幾公里長。拖纜由100米長的部分組成；每部分由里面的水聽器和浸油外殼組成。拉力繩和墊圈構成了拖纜的骨架。
當拖纜被拖到船后時，由于源的變化產生了自-噪聲。船的搖晃，特別在浪大的海上，導致拉力繩的振蕩，拉力繩與連接器和油浸外殼相互作用，產生沿著拖纜傳播的凸起波(或呼吸波)。壓力變化被水聽器檢測到，增加并損壞了檢測到的地震信號。隨著拖纜在水中的移動，邊界層擾動導致在外層壁的壓力波動，其也傳到水聽器中。
根據本發明的自適應干擾消除方法可直接用于凸起波。先前的針對地震勘測的自適應干擾消除不得不使用特殊的傳感器(傳感器或過載傳感器)來形成噪聲參考通道，參見美國4821241，美國5251183。根據本發明的方法只通過水聽器數據來形成噪聲參考通道。使用3分量數據或極化濾波的方法不能用于拖纜噪聲問題，但其他方法可用。
在有些海洋地震勘測中，存在從交叉線方向發出到拖纜的干擾。出現這種干擾的一種情況為由油井的鉆探活動產生。由于可以有至少兩個拖纜在船后，在干擾方向構成的水聽器陣列將沒有足夠的水聽器陣列以使用常規的聚束，或數據無關多通道濾波，例如f-k濾波。另一方面，根據本發明的自適應干擾消除方法可直接用于此問題。沿著交叉線的陣列，干擾將有更大的擴散，和明顯地慢于地震信號，在應用自適應干擾消除方法時這一特點被利用。
根據本發明的方法的使用允許用來采集地震數據的地震檢波器或水聽器在數量上有明顯減少。
權利要求
1.在時間間隔([1，2，...，T])中從離散的帶噪聲地震信號中過濾噪聲的方法，所述方法包括以下步驟-使用所述帶噪聲地震信號對所述時間間隔決定至少一個參考通道(x(t))作為對所述噪聲的估計；-決定M個時間局部濾波器(w(i，t))的系數，所述濾波器構成濾波器組，M為大于或等于2的數，通過最小化表示所述濾波器組的輸出誤差的量度的代價函數(J(t))；及-對所述至少一個估計(x(t))應用所述的濾波器組，以決定所述噪聲的M個濾波估計。
2.根據權利要求
1的方法，其中代價函數(J(t))是時間的全局函數，代表所述濾波器組在時間間隔([1，2，...，T])的總輸出的誤差量度。
3.根據權利要求
1的方法，包括將M個濾波估計與時間窗函數(h(i，t))相乘的步驟。
4.根據權利要求
3的方法，其中時間窗函數的特征在于要求只有相鄰窗重疊。
5.權利要求
3的方法，其中，利用當在所述窗函數重疊的時間域應用于相同信號時M個濾波器(w(i，t))的相鄰濾波器的輸出由窗函數加權后的和相等這一近似，將代價函數(J(t))最小化。
6.權利要求
1的方法，其中作為輸入的離散帶噪聲信號是來自在任何組形式技術前的獨立地震傳感器中的記錄。
7.根據權利要求
1到5中任一項的方法，其中過濾輸出信號的全局最優化是通過主分量方法解決的。
8.根據權利要求
1到4中任一項的方法，其中過濾輸出信號的全局最優化是通過衰減最小平方方法解決的。
9.根據權利要求
7的方法，其中主分量的個數被調整以改變濾波程度。
10.根據權利要求
1到6之一的方法，其中通過使用包括一系列局部濾波器的濾波器裝置進行自適應濾波。
11.根據權利要求
10的方法，其中每局部濾波器是多通道濾波器。
12.根據權利要求
1到6之一的方法，其中過濾輸出信號被用迭代的方式再處理以進一步過濾噪聲。
13.根據權利要求
1到6之一的方法，其中參考信號是通過數據信號的擴散差分得到的。
14.根據權利要求
1到6中任一項的方法，其中參考信號是通過中值疊加方法得到的。
15.根據權利要求
14的方法，其中中值疊加后面是疊加信號的擴散差分。
16.根據權利要求
1到6中任一項的方法，其中地震數據從多分量傳感器得到，參考信號通過對傳感器得到的每個分量進行極化濾波得到。
17.根據權利要求
15的方法，其中極化濾波與擴散差分混合。
18.根據權利要求
1的方法的迭代的使用，其中在該濾波方法的前一個應用中確定的濾波噪聲估計被用作隨后的濾波步驟中的噪聲估計。
19.權利要求
1的方法在陸地、海洋或過渡區的2D或3D地震勘測中的使用。
專利摘要
一種用于在時間間隔([1，...，T])從離散帶噪聲的地震信號中過濾噪聲的方法被提出，所述方法包括以下步驟利用所述帶噪聲的地震信號對所述時間間隔確定至少一個參考通道(x(t))作為所述噪聲的估計；確定M個時間局部濾波器(w(i，t))的系數，所述濾波器構成濾波器組，M為大于或等于二的數，通過最小化代表所述濾波器組輸出的誤差的量度的代價函數(J(t))；并將所述濾波器組用于所述的至少一個估計(x(t))以確定所述噪聲的M個濾波估計。濾波估計與時間窗(hi(i，t))相乘。
文檔編號G01V1/36GKCN1129801SQ97191638
公開日2003年12月3日 申請日期1997年1月8日
發明者阿利·奧茲博克 申請人:維斯特恩格科公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan