王 征,金翔龍,吳自銀,方念喬,董水利,王海昆

(1.中國地質大學(北京),北京100083;2.中海油田服務股份有限公司,天津300451;3.國家海洋局海底科學重點實驗室,浙江杭州310012;4.國家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州310012)

基于時窗種子提取的海洋地震資料側面噪聲壓制方法

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.中國地質大學(北京),北京100083;2.中海油田服務股份有限公司,天津300451;3.國家海洋局海底科學重點實驗室,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等障礙物側反射的影響,導致海洋地震勘探資料中存在側面反射噪聲,該類噪聲具有非線性和寬頻帶的特征,常規(guī)方法對其難以有效衰減。為此,分析了側反射和大船干擾兩種主要側面噪聲的形成機理,提出了一種基于時窗種子提取的側面噪聲壓制方法。通過對含側面噪聲的種子炮提取障礙物反射源或側面噪聲源的坐標值,自動控制噪聲形態(tài);再通過噪聲時窗優(yōu)化,實現(xiàn)了f-k域無假頻濾波衰減側面噪聲。含模擬側面噪聲單炮記錄的測試和實際含側面噪聲三維地震數(shù)據(jù)的試處理結果表明,該方法能有效壓制側面噪聲并保護有效信號,在海洋地震資料處理中具有實際的應用價值。

側面反射;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,側面干擾噪聲是嚴重影響地震資料信噪比和成像質量的因素之一[1-7]。由于側面噪聲的非線性運動學特征和幾乎等于震源子波頻帶寬度的特性,導致常規(guī)去噪方法效果很不理想。目前針對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噪聲衰減方法或采用中值濾波法[11-12],但當噪聲在Crossline方向相干時就會失效,而大量的側面干擾噪聲恰恰是在Inline和Crossline兩個方向都是相干的;③自動掃描確定噪聲位置,再加以去除[13-14]的方法,由于自動掃描噪聲有時識別不準確,該方法會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面噪聲,會引起嚴重的偏移畫弧噪聲,影響成像質量,給后續(xù)地質解釋造成假象。

針對上述問題,本文在全面分析海洋地震資料側面干擾噪聲形成機理及其運動學特征和動力學特征的基礎上,提出了基于時窗種子提取的側面噪聲壓制方法,利用側面干擾噪聲的產生機制和雙曲線特征,實現(xiàn)了噪聲定位、變形和衰減處理。通過含模擬噪聲數(shù)據(jù)和實際三維地震資料的試處理驗證了該方法的有效性。

1 側面噪聲類型與形成機理

1.1 側面噪聲的主要類型

海洋地震資料采集過程中,側面干擾噪聲的產生主要有兩種類型：一種是震源激發(fā)的地震波在海水中傳播,遇到采集測線附近的平臺、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反射噪聲;另一種是附近噪聲源產生的震動,經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、鉆井機械噪聲等,將這類噪聲稱為外源噪聲。

側反射噪聲能量主要來自于采集震源本身,地震波在海水中經障礙物反射后被檢波器接收記錄下來,與同一時刻到達的反射波干涉在一起,形成噪聲(圖1)。當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,經障礙物反射到達檢波器,不過此種情況較為少見,且一般噪聲能量較弱,對資料影響小。

外源噪聲的路徑更簡單一些,它由外部干擾源經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個單炮記錄

對上述兩種噪聲,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變換衰減側面反射噪聲的一個例子,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 側面噪聲產生的基本機制

對于側反射干擾波,由圖4可見,炮點到障礙物的傳播距離S保持不變,經障礙物反射后,反射波被各個檢波點接收,從障礙物到檢波點的距離設為L,各檢波器到炮點的距離X是變量,設由障礙物到電纜的垂直距離為L0,對應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變換去除側面反射噪聲效果示例

公式(2)為雙曲線方程,頂點在X=X0,L=L0處可見側反射弧狀噪聲是符合雙曲線規(guī)律的,它的頂點位于離障礙物最近的檢波器所產生的地震道上。側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,由于障礙物反射點與震源和排列的相對位置變化,因此反映在單炮上的側反射干擾波形態(tài)可能是雙曲線的一支,或是近似線性部分,亦或是包含頂點在內的整個雙曲線。

同理,對于外源噪聲,參照圖4有以下關系：

(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,它的頂點位于噪聲源到電纜垂足處的檢波器所產生的地震道上。在炮記錄過程中,假定干擾源和地震船之間的相對運動不計,則在整個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 側面噪聲形成機制示意圖解

2 基于時窗種子提取的側面噪聲壓制方法

采用常規(guī)的線性噪聲衰減方法或是與振幅和頻率相關的去噪方法對側面噪聲進行衰減,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,如果能夠準確地描述出該類噪聲的位置形態(tài),該去噪難題可轉為確定性問題加以解決。據(jù)此,我們研究并提出了基于時窗種子提取的側面噪聲壓制方法。

對于側面反射噪聲,已知其傳播介質為海水,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有輕微變化,野外采集施工時一般會提供實際測量的電纜深度處的海水聲波速度值);同時,炮點、檢波點的位置以及激發(fā)、接收時間都是已知的;據(jù)此,當確定了側反射波雙曲線的頂點位置后,就可以確定雙曲線的形態(tài),進而計算出反射障礙物的位置。對于外源干擾噪聲,根據(jù)前面推導的公式(4),確定出與震源激發(fā)同時刻發(fā)出并被記錄下來的外源噪聲的曲線形態(tài),就可推導出外部噪聲源的位置并控制其在整個單炮上的噪聲形態(tài)。同理可得外源干擾噪聲的位置。

我們利用含有“較好”側面干擾噪聲的種子炮來拾取噪聲雙曲線的頂點,從而確定雙曲線的形態(tài)(圖5),進而推導出障礙物或側面噪聲源的位置,再利用已知的炮點、檢波點位置和海水中聲波的傳播速度,就可以直接正演確定側反射噪聲在每個地震道上的反射時間,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,因此可逐炮拾取控制噪聲形態(tài)。

圖5 種子炮側反射噪聲提取

從側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,側反射噪聲往往并不是表現(xiàn)為一個規(guī)則的雙曲線,大部分情況下是幾個相近曲率的雙曲線組合。為了保證去噪效果,在這里針對上面確定的噪聲雙曲線形態(tài),設計一個包含噪聲的、并沿雙曲線變化的時窗,將整個噪聲完整地包含在時窗內。時窗一般可設計為300ms左右的高度。這樣的時窗設計將最大限度地保護有效信號,保證所有針對側反射干擾的噪聲衰減僅在時窗內進行,而時窗外信號保持直接輸出。對應過往船舶的干擾,時窗為整個單炮。

圖6 過往大船噪聲形態(tài)提取

用時窗控制了噪聲后,就可以通過改變時窗的形態(tài)來改變噪聲的形態(tài),通過時窗校正將雙曲線噪聲變換為線性噪聲(這時一次波彎曲)再進行衰減,這時可采用二維FK濾波進行衰減。

設二維時域信號為g(x,t),其相應的二維譜為G(k,f),它們的關系(即時間域同相軸與頻率-波數(shù)域信號的對應關系)如下：

(5)

式中：x為道方向變量;t為時間方向變量;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不會產生纏繞[21]。根據(jù)此性質,可以把側面噪聲時窗變換成一個水平的矩形,這樣時窗內的噪聲就成為一系列近似水平的同相軸(這時一次波彎曲),再應用FK濾波衰減干擾波就不會產生空間假頻了。

因為干擾源位置已經確定,所以可算出各道的干擾波出現(xiàn)時間t,設干擾波為X(t),對干擾波進行動校正,則校正后的干擾波Y(t)=X(t+Δt),其中,Δt為動校正時間,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)進行編程：

(7)

(8)

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

基于時窗種子提取的側面噪聲壓制方法的實現(xiàn)流程見圖7所示。

圖7 基于時窗種子提取的側面噪聲壓制方法實現(xiàn)流程

3 測試分析與實際資料驗證

3.1 方法測試

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

圖8 含模擬側反射噪聲單炮數(shù)據(jù)的本文方法去噪效果

從上述含模擬噪聲和實際含噪聲單炮數(shù)據(jù)的測試結果可以看出,本文方法對含側反射噪聲和外源噪聲這兩種側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)處理驗證

為進一步驗證本文方法衰減側面反射噪聲的有效性,選取了一塊帶有平臺障礙物側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行試處理,從圖11和圖12顯示的去噪前、后疊加剖面對比及其差值可見,本文提出的方法對側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。

圖9 含側反射噪聲的實際資料經本文方法去噪前(a)、后(b)及其差值(c)

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

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

4 結論

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

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

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

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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,主要研究方向為海底探測。

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

P631

A

1000-1441(2015)03-0274-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.005