李肅義,蔣善慶,王躍洋,于生寶

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130021)

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海洋可控源電磁數(shù)據(jù)中海水?dāng)_動(dòng)噪聲的小波校正方法研究

李肅義,蔣善慶,王躍洋,于生寶

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130021)

海洋可控源電磁法(Marine controlled-source electectromagnetic method,MCSEM)采集的信號(hào)極易受多種噪聲的干擾,其中由海浪、暗流運(yùn)動(dòng)引起的海水?dāng)_動(dòng)噪聲是影響信號(hào)質(zhì)量與后期處理解釋的主要噪聲之一。針對(duì)海水?dāng)_動(dòng)噪聲,提出了一種基于小波多分辨率分析的校正方法:根據(jù)水平電偶極源發(fā)射波形與小波基特點(diǎn),選取最優(yōu)小波基并研究其最佳分解層數(shù),利用最高分解層數(shù)所對(duì)應(yīng)的近似序列估計(jì)出海水?dāng)_動(dòng)噪聲并從原始信號(hào)中去除,達(dá)到消除海水?dāng)_動(dòng)噪聲的目的。對(duì)比校正前、后MCSEM信號(hào)的振幅隨偏移距變化(Magnitude versus offset,MVO)曲線,表明方法有效。

海洋可控源電磁法;海水?dāng)_動(dòng)噪聲;小波多分辨率分析;MVO

隨著世界各國(guó)對(duì)能源需求的持續(xù)增長(zhǎng),陸地與淺海資源儲(chǔ)備日益減少,全球油氣勘探的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向深海資源[1-3],傳統(tǒng)的以地震勘探技術(shù)為主的油氣勘探技術(shù)顯然不能完全適應(yīng)深海探測(cè)。海洋可控源電磁法(MCSEM)是勘探海底油氣資源和礦產(chǎn)資源的一種新興海洋地球物理技術(shù),相比傳統(tǒng)的地震勘探技術(shù)能更好地適應(yīng)海洋環(huán)境,并且人為干擾噪聲較小[4-5]。按照原理、場(chǎng)源等不同,MCSEM技術(shù)分多種方式,如時(shí)間域垂直電(磁)偶源、頻率域水平電(磁)偶源等,目前頻率域水平電偶-偶方法較為成熟,國(guó)外已將此方法成功應(yīng)用于海底油氣以及海底天然氣水合物探測(cè)[6-7]。

海水具有屏蔽空間電磁噪聲的優(yōu)勢(shì),有利于應(yīng)用MCSEM法進(jìn)行探測(cè)。但是,海水中接收到的MCSEM信號(hào)會(huì)受到隨機(jī)噪聲、海水?dāng)_動(dòng)噪聲以及空氣波的影響而失真,直接影響電磁數(shù)據(jù)的定性顯示分析及定量反演解釋效果[8]。關(guān)于MCSEM數(shù)據(jù)處理方法的研究國(guó)外已經(jīng)取得了很大進(jìn)展:1998年,MACGREGOR等[9]分析了MCSEM數(shù)據(jù)中可能包含的噪聲,基于最小二乘擬合與疊加算法進(jìn)行了數(shù)據(jù)的壓縮及噪聲估計(jì)。2005年,BEHRENS[10]提出了MCSEM數(shù)據(jù)處理的基本流程,并基于Matlab編寫(xiě)了相應(yīng)的處理程序。2006年,AMUNDSEN等[11]將電磁波分為上行波場(chǎng)與下行波場(chǎng),提出一種基于波場(chǎng)分離理論的空氣波去除技術(shù)。但是后續(xù)研究表明[12],由于遠(yuǎn)偏移距的有效信號(hào)微弱,去除空氣波的同時(shí)也損失了有效信號(hào)。因此,去除空氣波是不現(xiàn)實(shí)的,很多商用MCSEM系統(tǒng)使用簡(jiǎn)化的一維模型來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演[13]。2011年,MYER等[14]對(duì)Scarborough地區(qū)的海底進(jìn)行了勘探,采集了MCSEM與MT數(shù)據(jù),對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)先應(yīng)用一階差分預(yù)白法去除長(zhǎng)周期MT噪聲的影響,然后變換到頻域應(yīng)用后黑法去除預(yù)白對(duì)相位和振幅的影響。2014年,HSU等[15]在臺(tái)灣海域應(yīng)用MCSEM法進(jìn)行天然氣水合物勘探試驗(yàn),并對(duì)原始數(shù)據(jù)使用Butterworth濾波器進(jìn)行了濾波。國(guó)內(nèi)關(guān)于MCSEM數(shù)據(jù)處理方法的研究還處于起步階段:2009年,林昕等[16]將時(shí)域?yàn)V波及噪聲估計(jì)方法應(yīng)用于MCSEM數(shù)據(jù)的噪聲壓制,并基于模擬數(shù)據(jù)討論了提高信噪比、增加有效接收距離的可行性。2014年,譚帥[17]應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法進(jìn)行MCSEM數(shù)據(jù)的消噪處理。周潞[18]應(yīng)用小波閾值法對(duì)MCSEM模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了消噪處理。李予國(guó)等[19]提出了海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法,并指出空氣波與海浪、暗流等運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)干擾是影響電磁探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要噪聲。如何有效抑制噪聲及提高信噪比,是目前MCSEM數(shù)據(jù)處理方法研究中亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一。本文針對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)中存在的海水?dāng)_動(dòng)噪聲,提出一種基于小波多分辨率分析的校正方法。

1　海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算

1.1MCSEM測(cè)量原理

圖1為海洋可控源電磁法測(cè)量原理示意圖,通常將多分量電磁場(chǎng)接收器沿測(cè)線下沉至海底固定,再利用勘察船拖曳發(fā)射源在海水中沿測(cè)線距海底一定高度進(jìn)行移動(dòng)式測(cè)量。當(dāng)發(fā)射源向海底發(fā)射低頻電磁信號(hào)時(shí),布設(shè)在海底的接收器可以接收到直達(dá)波、電磁反射波和折射波信號(hào)。如果海底地層中存在高阻油氣層,在一定接收距內(nèi)接收到的高阻層返回的能量就會(huì)超過(guò)直達(dá)波與空氣波產(chǎn)生的能量[20]。

圖1　MCSEM測(cè)量原理

1.2水平電偶極源的電磁場(chǎng)計(jì)算

如圖2所示,假設(shè)水平電偶極源MN與直角坐標(biāo)系的x軸一致,MN的中點(diǎn)O到海底面(xOy)上任意一點(diǎn)Q的距離為R,MN與OQ的夾角為θ,MN的長(zhǎng)度為L(zhǎng),水平電偶極源MN的電流為I。

假設(shè)諧變電磁場(chǎng)的時(shí)間因子為e-iω t,當(dāng)頻率很低的時(shí)候,可以忽略位移電流,即ε(?E/?t)=0,非鐵磁性介質(zhì)的磁導(dǎo)率可以近似為μ=μ0=4π×10-7H/m。

圖2　直角坐標(biāo)系中的電偶極源

由頻率域麥克斯韋方程組和描述介質(zhì)性質(zhì)的本構(gòu)方程聯(lián)合,可以推導(dǎo)出亥姆霍茲方程:

(1)

(2)

式中:E表示電場(chǎng)強(qiáng)度;H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度;k為波數(shù),k2=-iωμ0σ,σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率。

建立如圖3所示的均勻半空間簡(jiǎn)化模型,其中k0,k1分別為海水和海底兩種均勻介質(zhì)的波數(shù),σ0,σ1分別為海水和海底兩種均勻介質(zhì)的電導(dǎo)率,水平電偶極源和接收器均置于海水和海底分界面上[21]。

圖3　均勻半空間簡(jiǎn)化模型

由公式(1)、公式(2)和分界面上的銜接條件,可以推導(dǎo)出水平電偶極源的電磁場(chǎng)。本文給出了實(shí)際應(yīng)用中常用于繪制振幅隨偏移距變化(MVO)曲線的電磁場(chǎng)分量Ex,其它電磁場(chǎng)分量計(jì)算方法類似[22]。

(3)

由公式(3)可以看出Ex信號(hào)由兩部分組成:①在表層傳播經(jīng)過(guò)折射到達(dá)地下的信號(hào);②直接在地下傳播并按指數(shù)衰減的信號(hào)。

1.3海底均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型建立

假設(shè)海底地層模型如圖4所示,海水深度為1000m,油氣層位于海底2000m深度,厚度為100m,海水的電阻率為0.3Ω·m,沉積層的電阻率為1.0Ω·m,油氣層電阻率為100.0Ω·m。

圖4　海底地層模型

1.4勘探仿真參數(shù)設(shè)定及其相應(yīng)電磁響應(yīng)分析

MCSEM系統(tǒng)勘探中用于正、反演計(jì)算的參數(shù)主要有:發(fā)射波形、發(fā)射頻率、發(fā)射系統(tǒng)航跡、接收器位置與接收器采樣頻率、船速等。本文結(jié)合實(shí)際勘探應(yīng)用,設(shè)定勘探仿真參數(shù)如下:發(fā)射波形為基頻0.08Hz的雙對(duì)稱方波;發(fā)射頻率為0.08,0.24,0.40Hz;發(fā)射系統(tǒng)在海底上方50m,沿y軸方向移動(dòng),測(cè)線長(zhǎng)18km;接收器置于海底,位于發(fā)射系統(tǒng)航跡正下方;接收器采樣頻率為10Hz;船速為10m/s。

利用以上仿真參數(shù),結(jié)合KEY[23]編制的海底均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型一維海洋可控源電磁正演程序,計(jì)算了多個(gè)發(fā)射頻率下的電磁響應(yīng)信號(hào)及相應(yīng)的MVO曲線。計(jì)算MVO曲線是頻率域MCSEM數(shù)據(jù)最常用、最簡(jiǎn)易的定性解釋方法,可以初步推斷勘探區(qū)域是否含有油氣儲(chǔ)層。由時(shí)域信號(hào)計(jì)算MVO曲線的基本過(guò)程為:首先對(duì)整體信號(hào)進(jìn)行分段;然后對(duì)每一段數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),取出每段變換結(jié)果中表示信號(hào)基頻的頻率成分的幅值,根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)行進(jìn)的速度、每段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和采樣頻率確定偏移距;最后根據(jù)每段數(shù)據(jù)獲得的幅值和相應(yīng)的偏移距繪制出MVO曲線。圖5為發(fā)射頻率0.24Hz時(shí)計(jì)算的理論含油與無(wú)油MVO曲線,當(dāng)海底存在高阻油氣層時(shí),隨著偏移距的增大,由海底高阻油氣層返回的折射波和反射波能量衰減較少,在接收信號(hào)中占據(jù)主導(dǎo)地位,因此MVO曲線出現(xiàn)較強(qiáng)的幅值,如圖5中虛線部分所示。若海底不存在高阻油氣層,折射波和反射波能量衰減較多,與存在高阻油氣層時(shí)的接收信號(hào)能量相比存在明顯差別,MVO曲線的幅值下降速度較快,如圖5中實(shí)線部分所示。

圖5　理論含油與無(wú)油MVO曲線

2　海水?dāng)_動(dòng)噪聲的模擬與校正

2.1MCSEM噪聲分析及海水?dāng)_動(dòng)噪聲模擬

由于海水的高導(dǎo)電性,高頻電磁信號(hào)在海水中衰減嚴(yán)重,高頻噪聲也很難到達(dá)海底,但是海洋電磁探測(cè)過(guò)程中依然會(huì)受到隨機(jī)噪聲、空氣波和海水?dāng)_動(dòng)噪聲的干擾。隨機(jī)噪聲主要由隨機(jī)的干擾和系統(tǒng)本身的噪聲所組成,它和信號(hào)不相關(guān),在時(shí)間域可以利用多次疊加的方法進(jìn)行壓制,在頻率域可以通過(guò)計(jì)算互功率譜的方法進(jìn)行抑制。空氣波指的是發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)穿過(guò)海水層到達(dá)海水與空氣界面,又穿過(guò)海水到達(dá)接收端的電磁信號(hào)。在淺水海域,接收端從海底介質(zhì)中接收的電磁信號(hào)很容易被淹沒(méi)在空氣波中,但在深水海域,空氣波對(duì)電磁信號(hào)的影響相對(duì)較小。海水?dāng)_動(dòng)噪聲主要來(lái)源于海浪、暗流等運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng),具有頻率低、幅值高的特點(diǎn),在遠(yuǎn)偏移距時(shí),測(cè)量的MCSEM信號(hào)非常微弱,量級(jí)通常僅為10-15,受海水?dāng)_動(dòng)噪聲的影響嚴(yán)重[24]。

圖6a為發(fā)射頻率0.24Hz時(shí)計(jì)算的理論電磁響應(yīng)信號(hào)s(n)。根據(jù)海水?dāng)_動(dòng)噪聲的特點(diǎn),我們模擬了多組頻率在0～1Hz,幅值在10-16～10-13的正、余弦疊加信號(hào),并隨機(jī)選取了其中一組來(lái)模擬海水?dāng)_動(dòng)噪聲e(n)。圖6b為s(n)疊加e(n)后的含噪信號(hào)x(n)。由于近偏移距信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度,因此,圖6中我們截取了偏移距為3000～18000m的含噪信號(hào)。

圖7為由時(shí)域理論信號(hào)和模擬含噪信號(hào)計(jì)算的MVO曲線,可見(jiàn)噪聲嚴(yán)重影響了MVO曲線的形態(tài)以及解釋的偏移距范圍。

圖6　時(shí)域理論信號(hào)s(n)(a)與模擬的含噪信號(hào)x(n)(b)

圖7　理論信號(hào)及其加入海水?dāng)_動(dòng)噪聲后信號(hào)的MVO曲線

2.2基于小波的校正算法

2.2.1小波基的選擇

本文MCSEM系統(tǒng)發(fā)射波形采用雙對(duì)稱方波,常用的dbN,symN,coifN正交緊支小波系中,dbN小波系與發(fā)射波形較接近,代表消失矩的N越高,光滑性越好,頻域局部化能力越強(qiáng),但是支撐長(zhǎng)度變寬,運(yùn)算量增大,細(xì)節(jié)信息損失也會(huì)加大[25]。我們分別使用db1,db2,…,db10小波基做了10組校正實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)比消噪前、后信號(hào)的信噪比,最終選擇了db8小波基,既保證了信號(hào)的光滑度,又保留了信號(hào)的細(xì)節(jié)。

2.2.2分解層數(shù)

采樣頻率與采樣時(shí)間決定了小波的分解層數(shù),我們推導(dǎo)了最優(yōu)分解層數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式:

(4)

式中:t表示MCSEM數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間;fs表示MCSEM數(shù)據(jù)的采樣頻率;wL表示低通分解濾波器的長(zhǎng)度;fix表示向零取整函數(shù)。本文應(yīng)用該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的最優(yōu)分解層數(shù)為9。

2.2.3噪聲估計(jì)

采用db8小波將信號(hào)分解L層,得到L個(gè)細(xì)節(jié)序列D1,D2,…,DL與近似序列AL,利用AL重構(gòu)出海水?dāng)_動(dòng)噪聲e(n)。

2.2.4信號(hào)重構(gòu)

校正后的信號(hào)s(n)=x(n)-e(n)。

2.3校正結(jié)果分析

采用db8小波將信號(hào)分解9層(圖8),其中圖8a,圖8b分別為理論信號(hào)和含噪信號(hào),圖8c 至圖8k分別為利用第1層至第9層細(xì)節(jié)序列D1～D9重構(gòu)出的信號(hào),圖8l為第9層近似序列A9重構(gòu)出的噪聲。從含噪信號(hào)中去除估計(jì)的噪聲,得到消除擾動(dòng)噪聲后的信號(hào)(即校正信號(hào))。

圖9分別為利用理論信號(hào)、含海水?dāng)_動(dòng)噪聲信號(hào)以及校正信號(hào)所計(jì)算的MVO曲線。

圖8　9層小波分解a 理論信號(hào); b 含噪信號(hào); c 第1層細(xì)節(jié)分量; d 第2層細(xì)節(jié)分量; e 第3層細(xì)節(jié)分量; f 第4層細(xì)節(jié)分量; g 第5層細(xì)節(jié)分量; h 第6層細(xì)節(jié)分量; i 第7層細(xì)節(jié)分量; j 第8層細(xì)節(jié)分量; k 第9層細(xì)節(jié)分量; l 第9層近似分量

圖9　利用時(shí)域信號(hào)計(jì)算的MVO曲線a 理論信號(hào); b 含噪信號(hào); c 校正后信號(hào); d 理論信號(hào)、含噪信號(hào)及校正后信號(hào)的MVO曲線對(duì)比

從圖9可以看出,利用小波校正方法校正后的信號(hào)MVO曲線與理論信號(hào)的MVO曲線重合。利用信號(hào)和噪聲的有效值計(jì)算的信噪比RSN=20lg(S/N)(S,N分別表示信號(hào)和噪聲的有效值)從68.7066提高到104.1170,只是在信號(hào)的末端出現(xiàn)失真現(xiàn)象,如圖9d放大部分所示。總的說(shuō)來(lái),本文方法較為有效地去除了海水?dāng)_動(dòng)噪聲,提高了信號(hào)的信噪比,增加了MVO曲線解釋的偏移距范圍。

3　結(jié)束語(yǔ)

海水?dāng)_動(dòng)噪聲是影響海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)質(zhì)量和后期反演解釋精度的主要噪聲之一,特別是對(duì)于深海電磁勘探。本文首先建立了海底均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型,根據(jù)設(shè)置的仿真參數(shù)計(jì)算了相應(yīng)的電磁響應(yīng);然后根據(jù)海水?dāng)_動(dòng)噪聲的特點(diǎn),在仿真結(jié)果中疊加了模擬的海水?dāng)_動(dòng)噪聲;最后應(yīng)用基于小波多分辨率分析的方法很好地消除了海水?dāng)_動(dòng)噪聲,提高了MCSEM數(shù)據(jù)信噪比,增加了數(shù)據(jù)解釋的偏移距范圍,為MCSEM數(shù)據(jù)的后期反演解釋奠定了基礎(chǔ)。

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(編輯:戴春秋)

A wavelet correction method for the seawater turbulence noise in marine controlled-source electectromagnetic data

LI Suyi,JIANG Shanqing,WANG Yueyang,YU Shengbao

(CollegeofInstrumentationandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130021,China)

The signals acquired by marine controlled-source electromagnetic method (MCSEM) are seriously disturbed by various noises,and the interferences generated by the movement of waves and undercurrent are the main noise (i.e.seawater turbulence noise,) that affects the signal quality and the processing & interpretation for MCSEM data.To suppress the seawater turbulence noise,we propose a correction method based on wavelet multi-resolution analysis.According to the characteristics of the waveform transmitted by horizontal electric dipole source and the wavelet basis,we selected the optimal wavelet basis and studied its optimum decomposition levels;by using the approximate arrays corresponding to the highest decomposition level,the seawater turbulence noise is estimated,and the seawater turbulence noise is suppressed by removing the estimated noise from the original signals.By comparing the magnitude versus offset (MVO) curve before and after correction,we verified the effectiveness of the method based on wavelet multi-resolution analysis.

marine controlled-source electectromagnetic method (MCSEM),seawater turbulence noise,wavelet multi-resolution analysis,magnitude versus offset (MVO)

2015-11-27;改回日期：2016-06-21。

李肅義(1972—),女,教授,主要從事信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。

于生寶(1963—),男,教授,主要從事航空、海洋電磁勘探研究。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA09A20103)資助。

P631

A

1000-1441(2016)05-0657-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.05.004

This research is financially supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (Grant No.2012AA09A20103).