李肅義 張 熠 張繼昆 申 春

(①吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130061； ②吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引言

隨著陸地石油資源的減少，海洋領(lǐng)域油氣勘探開始逐步吸引人類的目光。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，電磁信號(hào)極易受到各種噪聲的干擾，影響反演和解釋效果，相比于陸地勘探有著更大的風(fēng)險(xiǎn)。Eidesmo等[1]提出海底測(cè)井(Sea Bed Logging,SBL)技術(shù)，可用于檢測(cè)海底含油儲(chǔ)層；Ellingsrud 等[2]對(duì)這種方法進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用。

海洋可控源電磁(Marine Controlled Source Electromagnetic,MCSEM)法基于油氣儲(chǔ)層與圍巖的電導(dǎo)率差異判斷海底是否含有油氣層，這是勘探海底油氣儲(chǔ)層的有效方法之一，近年來已經(jīng)取得明顯成效[3-4]。Hesthanmmer等[5]利用近10年的數(shù)據(jù)分析了MCSEM勘探對(duì)鉆井成功率的影響。結(jié)果表明，對(duì)于有著明顯CSEM數(shù)據(jù)異常的目標(biāo)，鉆井成功率約為70%，而沒有明顯CSEM數(shù)據(jù)異常的鉆井成功率則降低至約35%。由此可知，MCSEM數(shù)據(jù)對(duì)于提高鉆井成功率、降低深海鉆探風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

1968年Bannister[6]首次發(fā)表了關(guān)于MCSEM的論文，提出了海底電導(dǎo)率可以通過在海面放置水平電偶極發(fā)射源、并記錄所產(chǎn)生的水平電磁場(chǎng)分量來確定；還提出水平電偶極源(Horizontal Electric Dipole,HED)的概念，這種發(fā)射源是目前實(shí)際勘探中應(yīng)用最廣泛和成熟的偶極源模式。隨著研究的深入，MCSEM法在油氣勘探中的潛力逐漸展現(xiàn)，OHM、AGO、EMGS等相關(guān)服務(wù)公司相繼成立，在世界范圍內(nèi)多次進(jìn)行了MCSEM勘探試驗(yàn)，為提高海洋鉆探成功率做出了巨大貢獻(xiàn)[7-9]。Macgregor等[10-11]對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行了概述，提出通過最小二乘法擬合儀器的背景噪聲，并利用堆棧算法減少計(jì)算量。Behrens[12]提出了MCSEM數(shù)據(jù)預(yù)處理的基本流程，對(duì)不確定因素，如導(dǎo)航、噪聲等進(jìn)行了分析，并編寫了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。

深水MCSEM勘探雖然具有屏蔽空間電磁噪聲的天然優(yōu)勢(shì)，但是接收機(jī)記錄的MCSEM信號(hào)仍會(huì)受到隨機(jī)噪聲、海水?dāng)_動(dòng)噪聲以及空氣波的影響，嚴(yán)重影響了電磁數(shù)據(jù)定性分析精度以及定量反演解釋效果[13]。因此如何抑制噪聲、提高信噪比是目前MCSEM勘探中亟待解決的重要問題之一。后文將簡(jiǎn)述MCSEM數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程、偶極子振動(dòng)噪聲和天然電磁場(chǎng)噪聲的壓制途徑，并著重介紹了隨機(jī)噪聲、“空氣波”噪聲以及海水?dāng)_動(dòng)噪聲的壓制方法，最后總結(jié)了其他噪聲的壓制方法。

1 海洋可控源電磁法原理

MCSEM常見的數(shù)據(jù)采集方式包括海底測(cè)井(SBL)式和拖纜(Towed Streamer ElectroMagnetics,TSEM)式[14]。在深水域(大于600m)，SBL系統(tǒng)的性能優(yōu)于TSEM系統(tǒng)；在水深300～600m的水域，TSEM系統(tǒng)具有不可或缺的優(yōu)勢(shì)；在淺水域(小于300m)，二者均可提供高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。以目前實(shí)際MCSEM勘探中最常用的施工方式SBL為例，圖1為該方式下電磁信號(hào)的傳播示意圖。將多分量電磁場(chǎng)接收機(jī)沿著預(yù)先設(shè)計(jì)好的測(cè)線自由下沉至海底，發(fā)射源由勘探船拖拽在海中沿測(cè)線進(jìn)行移動(dòng)式測(cè)量。由于海底沉積地層與高阻油氣儲(chǔ)層的電阻率有明顯差別，所接收到的電磁信號(hào)會(huì)有明顯的反映。圖2所示為典型的海底油氣藏電場(chǎng)振幅隨偏移距變化(Magnitude Versus Offset,MVO)曲線?？梢姡舸嬖谟蜌鈨?chǔ)層，在適當(dāng)收發(fā)距范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明顯的異常[15]。通過發(fā)射源向海底發(fā)射低頻電磁信號(hào)，接收機(jī)記錄的信號(hào)包括直達(dá)電磁波、經(jīng)各介質(zhì)傳播后的反射電磁波、折射電磁波、空氣波和其他噪聲干擾。噪聲會(huì)影響后續(xù)的反演工作。

圖1 MCSEM法電磁信號(hào)傳播示意圖

圖2 含高阻油氣層和不含高阻油氣層MVO曲線對(duì)比

海水的高導(dǎo)電性使其具有屏蔽電磁噪聲的天然優(yōu)勢(shì)，因此常將其視作一個(gè)低通濾波器。高頻電磁信號(hào)在海水中會(huì)迅速衰減，因而空氣中的高頻噪聲很難到達(dá)海底。因此，一些高頻成分的噪聲和人類活動(dòng)產(chǎn)生的電磁噪聲對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)基本不會(huì)產(chǎn)生影響。但海洋電磁勘探依然會(huì)受到由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲和隨機(jī)噪聲、由發(fā)射源發(fā)射的信號(hào)向上傳播到達(dá)海水—空氣分界面后又向下穿過海水層到達(dá)接收端的“空氣波”以及由海水感應(yīng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁噪聲的干擾[9,16-17]。表1為Pethick[18]總結(jié)的MCSEM數(shù)據(jù)噪聲分類及描述，這些噪聲會(huì)降低MCSEM數(shù)據(jù)的解釋精度，影響電磁數(shù)據(jù)的定性分析以及反演效果。

表1 MCSEM數(shù)據(jù)噪聲來源分類

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

迄今為止，大多數(shù)海洋電磁數(shù)據(jù)都是在頻率域進(jìn)行處理，但接收機(jī)接收到的MCSEM數(shù)據(jù)是在時(shí)域記錄的[19]，并且不同公司開發(fā)的接收機(jī)采集到的原始數(shù)據(jù)通常有其特定的存儲(chǔ)格式，如美國(guó)OHM公司的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為NetCDF(Network Common Data Form)。因此，需將記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、格式轉(zhuǎn)換、歸一化及幅度校正等，轉(zhuǎn)換成能夠處理的數(shù)據(jù)格式，再對(duì)其進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波。然后，利用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分解，將時(shí)域電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域電磁信號(hào)。

在MCSEM數(shù)據(jù)的采集過程中，接收機(jī)是自由下落至海底。海水的流動(dòng)會(huì)改變接收機(jī)投放的位置；海底地面不完全水平也會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)在海底不是水平放置的；接收機(jī)的方位也不確定。這些不確定因素會(huì)影響MCSEM信號(hào)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在數(shù)據(jù)處理時(shí)為了消除接收端的不確定性，需要對(duì)接收機(jī)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位校正[20]。方位校正主要分為極化橢圓分析和旋轉(zhuǎn)電性主軸分析兩個(gè)方面。

2.1 極化橢圓分析

原始MCSEM數(shù)據(jù)的電場(chǎng)分量Ex與Ey有一定的相位差，表現(xiàn)為極化橢圓模式。極化橢圓分析的原理是當(dāng)發(fā)射源向接收機(jī)靠近時(shí)，極化橢圓的主軸平行于發(fā)射源的運(yùn)動(dòng)軌跡方向，以此得到較為精準(zhǔn)的方位角[21]。如圖3所示，設(shè)正交水平復(fù)數(shù)電場(chǎng)分別為Ex=|Ex|eiφ1和Ey=|Ey|eiφ2，其對(duì)應(yīng)的幅值分別為|Ex|和|Ey|，對(duì)應(yīng)的相位為φ1和φ2，相位差Δφ=φ1-φ2，α是從x軸正方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至極化橢圓長(zhǎng)軸方向的夾角。

圖3 極化橢圓分析示意圖

通過計(jì)算可得

(1)

Pmax=||Ex|eiΔφsinα+|Ey|cosα|

(2)

Pmin=||Ex|eiΔφsinα-|Ey|cosα|

(3)

式中Pmax和Pmin分別代表極化橢圓的長(zhǎng)軸和短軸方向上的電場(chǎng)分量幅值。

由式(1)～式(3)可知，α是Δφ的函數(shù)，因此相比單一電場(chǎng)值，Pmax不依賴于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的具體位置以及信號(hào)的絕對(duì)相位。另外，Pmin大于任何單一的電場(chǎng)幅值，在一定程度上降低了隨機(jī)噪聲的干擾[21]。

2.2 旋轉(zhuǎn)電性軸分析

在MCSEM數(shù)據(jù)采集過程中，由于信號(hào)發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)發(fā)生傾斜或者翻轉(zhuǎn)，使采集到的電磁數(shù)據(jù)幅值降低，因此需要將電磁場(chǎng)分量旋轉(zhuǎn)到電性主軸，再分析不同方位角和傾角的電場(chǎng)分量。

將電場(chǎng)分量旋轉(zhuǎn)到電性主軸后，Ex和Ey的實(shí)部和虛部分別為[12]

(4)

圖和旋轉(zhuǎn)到電性軸示意圖

3 噪聲壓制

MCSEM勘探會(huì)受到隨機(jī)噪聲、海水?dāng)_動(dòng)以及“空氣波”等噪聲的影響，為了提高后期數(shù)據(jù)定性分析效果及反演精度，地球物理學(xué)家們對(duì)上述噪聲的壓制展開了研究。

3.1 隨機(jī)噪聲

隨機(jī)噪聲包括系統(tǒng)隨機(jī)干擾和系統(tǒng)本身的噪聲。由于隨機(jī)噪聲與信號(hào)不具有相關(guān)性，因此在時(shí)域通常利用多次疊加的方法進(jìn)行壓制，在頻域通過計(jì)算互功率譜進(jìn)行壓制。但是有限的船速和空間采樣決定了可以用于疊加的數(shù)據(jù)量是有限的；且數(shù)據(jù)中的噪聲并不總是遵從高斯分布，這也會(huì)降低疊加去噪的效果[20]。

Myer等[22-23]指出，與單個(gè)或僅使用幾個(gè)相隔緊密的頻率數(shù)據(jù)相比，使用寬頻數(shù)據(jù)能夠更好地解釋地質(zhì)構(gòu)造；基于雙對(duì)稱波形具有緊湊性、相位可控、不極化且可通過簡(jiǎn)單的閉式數(shù)學(xué)解描述的特性，提出可改進(jìn)時(shí)間序列的處理方法；通過使用短時(shí)窗和一階差分預(yù)增白劑可減少M(fèi)T噪聲和其他低頻噪聲帶來的頻譜污染；緊湊波形時(shí)間窗口的數(shù)據(jù)疊加可減少時(shí)間序列瞬變帶來的偏差；從時(shí)間序列的波形長(zhǎng)度傅里葉變換(Fourier Transform,FT)窗口的平均值中可得出準(zhǔn)確的方差估計(jì)值。Attias等[24-25]將MCSEM時(shí)間序列數(shù)據(jù)變換到頻域處理，使用1s的時(shí)間窗對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到振幅和相位，并以60s的間隔堆疊數(shù)據(jù)，明顯提高了信噪比；Hsu等[26]為了更好地了解臺(tái)灣西南部潛在的天然氣水合物情況，首次在該地區(qū)進(jìn)行了MCSEM勘探實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為采集數(shù)據(jù)中的高頻噪聲可能是海底劇烈起伏造成的，并使用了0.00001～5Hz的帶通Butterworth濾波器平滑視電阻率曲線，消除離群值的影響。

Lu等[27]提出了壓制MCSEM噪聲的兩種方法，即時(shí)域?yàn)V波方法和噪聲估計(jì)方法。其中，時(shí)域?yàn)V波方法選取較長(zhǎng)的時(shí)間窗會(huì)得到更好的效果；噪聲估計(jì)方法是通過濾除主動(dòng)頻率噪聲提高M(jìn)CSEM的信噪比，一般利用最小二乘法建立主動(dòng)頻率噪聲和周邊頻率噪聲的關(guān)系，并通過處理模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證了提高信噪比以及增加有效收發(fā)距的可行性。林昕等[28]對(duì)此方法進(jìn)行了應(yīng)用分析，在模擬電場(chǎng)數(shù)據(jù)中疊加隨機(jī)噪聲，對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換，選用2、8、20s的時(shí)間窗分別對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行處理，得出當(dāng)采用越長(zhǎng)的時(shí)間窗時(shí)收到噪聲的影響越小。并根據(jù)最小二乘法原理，建立主動(dòng)頻率噪聲與周邊頻率噪聲的關(guān)系，對(duì)一維模型進(jìn)行MCSEM信號(hào)模擬，利用隨機(jī)噪聲模擬海底噪聲環(huán)境，最后得出結(jié)論，在加入噪聲時(shí)可獲得有效信號(hào)的收發(fā)距離約為2km，濾除主動(dòng)噪聲后的有效收發(fā)距可增加到5km。

于彩霞[20]基于MCSEM數(shù)據(jù)具有非線性、非平穩(wěn)性的特征提出利用Hilbert時(shí)—頻能量對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在MCSEM模擬數(shù)據(jù)中加入頻率為1Hz的正弦噪聲和5%的隨機(jī)噪聲，對(duì)其進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)，自適應(yīng)分解后得到7階IMF，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行希爾伯特—黃變換(Hilbert Huang Transform,HHT)得到Hilbert譜。對(duì)比原始信號(hào)固有模態(tài)函數(shù)(IMF)，利用具有原始信號(hào)特征的IMF重構(gòu)信號(hào)，去除其他含有噪聲的各階IMF，對(duì)比發(fā)現(xiàn)此方法能夠壓制大部分隨機(jī)噪聲和正弦噪聲，從而提高數(shù)據(jù)處理的效果。譚帥等[29-30]將自適應(yīng)空域相關(guān)濾波方法應(yīng)用到MCSEM數(shù)據(jù)的處理。仿真結(jié)果證明該方法可極大程度地濾除了重構(gòu)邊緣信號(hào)的噪聲，并保留了有效信號(hào)；還利用EMD對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪處理，并指出EMD方法具有模態(tài)混疊的問題，提出了一種改進(jìn)EMD方法——集成平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒?Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)。在原始信號(hào)中加入服從正態(tài)分布的高斯白噪聲，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行EMD得到多個(gè)IMF 分量，多次重復(fù)上述步驟，加入不同的白噪聲。將得到的IMF分量進(jìn)行集成平均運(yùn)算，抵消所加白噪聲對(duì)IMF的影響，最后得到一組避免模態(tài)混疊的IMF分量。這種方法不僅能去除大部分噪聲，還去除了低頻段的混雜信號(hào)，提取了清晰的信號(hào)特征。

李予國(guó)等[31]提出了系列MCSEM數(shù)據(jù)處理方法，包括預(yù)白處理、時(shí)鐘漂移補(bǔ)償、隨機(jī)噪聲估計(jì)以及疊加窗口選擇等，并通過實(shí)驗(yàn)說明了這些方法能夠有效壓制噪聲。Li等[32]結(jié)合傅里葉變換和相關(guān)分析，提出了一種新的CSEM數(shù)據(jù)處理方法：首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FT，在頻域中消除供電電線的噪聲；其次，對(duì)去噪后的頻譜執(zhí)行傅里葉逆變換(Inverse Fourier Transform,IFT)，再計(jì)算發(fā)送和接收數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性、定量評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量；最后通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝但@取高質(zhì)量的接收數(shù)據(jù)，降低噪聲影響。Chen等[33]提出了一種適用于復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)的f-xEMD新型降噪方法，通過預(yù)測(cè)過濾的方式壓制隨機(jī)噪聲，提高信噪比?；趂-xEMD的框架，Gan等[34]通過局部相似度檢測(cè)噪聲中的有效信號(hào)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)用于提取信號(hào)的加權(quán)算子檢索丟失的有用信號(hào)，以保留更多的有效信號(hào)。Yang等[35-36]通過逆離散傅里葉變換(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT)、連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform,CWT)以及超定方程(Over Determined Equations,ODE)對(duì)周期性變化的CSEM數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，可大幅度地提高信噪比；又基于IDFT和僅存在幾個(gè)高斯白噪聲的時(shí)間窗的逆問題消除非周期噪聲，通過一種新的最小二乘法估計(jì)非周期噪聲的系數(shù)，然后將其從原始數(shù)據(jù)的系數(shù)中減去，得到去噪數(shù)據(jù)。

3.2 空氣波噪聲

MCSEM數(shù)據(jù)中的空氣波是由HED源激發(fā)的、沿空氣—海水界面?zhèn)鞑サ碾姶挪āＴ谏钏?，由于海水的衰減作用，空氣波的影響較小。在海水深度小于300m時(shí)，使用常規(guī)的HED發(fā)射源，接收到的有效信號(hào)，尤其是來自高阻油氣層的電磁信號(hào)會(huì)被空氣波成分掩蓋，嚴(yán)重影響反演效果[37]。因此，壓制空氣波噪聲在淺水域MCSEM勘探中顯得尤為重要[38]。

Kees等[39]提出了通過反卷積進(jìn)行干涉測(cè)量的方法，可以忽略介質(zhì)是無(wú)損的這一大多數(shù)地震干涉測(cè)量方案的主要假設(shè)。這個(gè)方法不僅適用于地震波，也適用于任何類型的耗散介質(zhì)及其波場(chǎng)。在淺水域，導(dǎo)致MCSEM數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化的兩個(gè)主要因素是直接場(chǎng)和空氣波。通過去卷積的干涉測(cè)量法可消除這兩種效應(yīng)，從而在理論上解決了CSEM應(yīng)用中的淺水域空氣波噪聲問題。

Amundsen等[40]提出將電磁場(chǎng)分解成上行成分和下行成分的方法去除空氣波的影響。該方法首先以頻率—波數(shù)域中的微分方程矩陣的形式編寫麥克斯韋方程，通過FT將原始數(shù)據(jù)變換到波數(shù)域，在波數(shù)域進(jìn)行特征方程分析，將數(shù)據(jù)分解為上行波場(chǎng)和下行波場(chǎng)，其中上行波是高阻層的電磁響應(yīng)，下行波是直達(dá)波和空氣波等噪聲的場(chǎng)分量，再利用傅里葉逆變換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，屏蔽下行波場(chǎng)后，電場(chǎng)上行分量相位數(shù)據(jù)幾乎呈線性特征，表明已經(jīng)去除大部分空氣波成分的影響。Michael等[41]提出基于電磁場(chǎng)的水平梯度分離電磁場(chǎng)的上、下波場(chǎng)，以消除空氣波在淺水域中的影響。合成MCSEM數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，該方法可以得到穩(wěn)定可靠的分離結(jié)果。David[42]提出將響應(yīng)信號(hào)分解為四部分，以更好地分析淺水域MCSEM空氣波的影響。該方法還可以用于分析不同的空氣波去除方案對(duì)某些參數(shù)(如海底電阻率)的有效性和靈敏度的影響。王書明等[43]基于麥克斯韋方程組推導(dǎo)了一種利用觀測(cè)場(chǎng)水平梯度進(jìn)行場(chǎng)分解的方法。該方法能夠快速準(zhǔn)確地將電磁場(chǎng)分解為上、下行波場(chǎng)，有效消除淺水域MCSEM勘探時(shí)空氣波的影響。Wang等[44]進(jìn)一步提出基于Stratton-Chu積分變換提取MCSEM數(shù)據(jù)中的有效異常場(chǎng)，消除了空氣波的影響。這種方法實(shí)際是一種基于離散數(shù)據(jù)集的有限脈沖響應(yīng)濾波器，數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明該方法可有效壓制空氣波的影響。

基于空氣波是側(cè)波，即由垂直的電偶極子或磁偶極子在空氣—海水界面附近產(chǎn)生的橫向電磁波，可用雙半空間電阻率模型分析表達(dá)，Chen等[45]提出了三種降低空氣波影響的方法： ①通過對(duì)兩次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行加權(quán)相減的方法，將不同收發(fā)距條件下測(cè)量的電場(chǎng)分別乘以收發(fā)距的立方，所得結(jié)果中含有空氣波的項(xiàng)應(yīng)相等，通過相減可將空氣波的影響去除； ②基于空氣波場(chǎng)對(duì)頻率求導(dǎo)后其系數(shù)與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)到海面的距離之和成正比，其他波場(chǎng)對(duì)頻率求導(dǎo)后的系數(shù)與收發(fā)距成正比這一結(jié)論，提出利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)頻率求導(dǎo)的方法可以壓制空氣波； ③利用空氣波場(chǎng)對(duì)頻率求導(dǎo)后系數(shù)與其他波場(chǎng)對(duì)頻率求導(dǎo)后系數(shù)的不同正比關(guān)系，提出利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)頻率求導(dǎo)的方法可以壓制空氣波。通過下式

(5)

Mittet等[49-50]利用改進(jìn)的歸一化振幅比方法分析了水深的影響。這種歸一化振幅比是基于電磁場(chǎng)的振幅和絕對(duì)相位計(jì)算的，可以將相位變化轉(zhuǎn)換為異常振幅。通過對(duì)背景模型進(jìn)行估計(jì)，計(jì)算不含高阻油氣層的模型響應(yīng)，再利用改進(jìn)的歸一化表達(dá)式處理與解釋MCSEM數(shù)據(jù)。這種方法能夠應(yīng)用于淺水域MCSEM勘探，已形成了一套系統(tǒng)方法，主要用于研究MCSEM數(shù)據(jù)對(duì)高阻目標(biāo)體的敏感性；Mittet等[51]還指出，水平電偶極子引起的空氣波振幅隨著水深的減小而增大，并通過補(bǔ)償效應(yīng)使發(fā)射源中的埋入式薄電阻器產(chǎn)生的散射場(chǎng)幅度隨水深的減小而增大，獲得了包括薄電阻器在內(nèi)的淺水電阻率模型近似但精度較高的總場(chǎng)表達(dá)式，使淺水域MCSEM勘探得以實(shí)現(xiàn)。Mittet等[52]提出了一種基于MCSEM數(shù)據(jù)估算海底淺部地層電阻率的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，得到的電阻率數(shù)據(jù)可應(yīng)用于分解海底地層中傳播電場(chǎng)的上、下行波場(chǎng)，可有效抑制空氣波對(duì)上行電場(chǎng)的影響，提高電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)海底地層電阻率變化的敏感度。沈金松等[53]提出，在其他參數(shù)相同的情況下，電磁場(chǎng)的水平分量受空氣波的影響嚴(yán)重，而垂直分量受空氣波影響則較小，因此測(cè)量垂直電場(chǎng)分量有利于削弱空氣波的影響。Zhou等[54]采用時(shí)頻分析技術(shù)研究如何抑制空氣波，比較了短時(shí)傅里葉變換(Short-time Fourier Transform,STFT)、希爾伯特—黃變換和偽W-V分布三種頻譜分析方法，結(jié)果表明平滑的偽W-V分布更適合于海洋電磁信號(hào)分析中壓制空氣波。Singer[55]考慮到空氣波遵從幾何定律衰減，提出使用水平電偶和磁偶極子的組合發(fā)射源。研究結(jié)果表明，使用組合發(fā)射源的水平電流的幅值及相位和磁矩可使遠(yuǎn)區(qū)垂直磁場(chǎng)最小化，減弱了空氣波的影響。Yoon等[56]為了消除淺水域油氣儲(chǔ)層由于空氣波的作用而出現(xiàn)的失真效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種Boxcar函數(shù)形式的合成孔徑數(shù)據(jù)，該函數(shù)覆蓋了預(yù)期的儲(chǔ)層異常區(qū)域，基于這種Boxcar函數(shù)設(shè)計(jì)的合成孔徑方法能夠明顯減弱淺水域空氣波的影響。

3.3 海水?dāng)_動(dòng)噪聲

海水?dāng)_動(dòng)噪聲主要是由海浪、海流等海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)海洋電磁探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響，具有頻率低、幅值高的特點(diǎn)。在較大偏移距時(shí)，測(cè)量的MCSEM信號(hào)十分微弱，受海水?dāng)_動(dòng)噪聲的影響會(huì)很嚴(yán)重。

Willen[57]提出對(duì)MCSEM信號(hào)進(jìn)行離散小波變換以壓制噪聲。周潞等[58-59]在原始信號(hào)中加入高斯白噪聲，使用小波收縮閾值去噪方法，利用sym8小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行4層分解處理，并通過不同的閾值函數(shù)比較去噪效果。對(duì)比處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軟閾值去噪后信號(hào)較平滑；硬閾值去噪后有較多尖峰； semisoft閾值去噪效果粗糙； Garrote閾值函數(shù)的去噪效果優(yōu)于其他三種函數(shù)，可以很好地還原真實(shí)的信號(hào)。馬海舲[16]對(duì)疊加信噪比為5的MCSEM原始數(shù)據(jù)，將小波變換模極大值應(yīng)用于MCSEM信號(hào)的去噪，對(duì)信號(hào)進(jìn)行4尺度的小波分解，經(jīng)過信號(hào)二進(jìn)變換、去噪和重構(gòu)后，對(duì)比原始信號(hào)去噪效果明顯，同時(shí)還具有抑制偽Gibbs震蕩的效果。Hussain等[60]根據(jù)Daubechies小波的正交性和緊密支撐性將其作為求解MCSEM波動(dòng)方程的基函數(shù)壓制噪聲，證明了基于小波的數(shù)值處理方法對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)的去噪處理是有效的。李肅義等[61]針對(duì)海水?dāng)_動(dòng)噪聲處理提出一種基于小波多分辨率分析的校正方法，通過建立海底均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，證明了該方法能夠很好地壓制海水?dāng)_動(dòng)噪聲，提高了MCSEM數(shù)據(jù)的信噪比。為了進(jìn)一步提升小波方法對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)消噪的效果，李肅義等[62]根據(jù)MCSEM數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型小波基，提出了相應(yīng)去噪方法。通過與傳統(tǒng)小波基去噪方法進(jìn)行對(duì)比，基于仿真與實(shí)測(cè)MCSEM數(shù)據(jù)，證明了使用新型小波基的去噪方法優(yōu)于傳統(tǒng)小波基的去噪方法。于彩霞等[20,63]通過HHT壓制海浪電磁噪聲，并對(duì)南海實(shí)測(cè)MT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了較理想的去噪效果。并進(jìn)一步在HHT的基礎(chǔ)上進(jìn)行小波濾波，實(shí)現(xiàn)了更加有效的噪聲壓制。

Yutaka[64]指出，對(duì)于深水油藏模型，電場(chǎng)響應(yīng)的畸變主要源于電流效應(yīng)，對(duì)MCSEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正，可以消除電場(chǎng)響應(yīng)中的測(cè)深曲線形變。Johan[65]提出了拖拽式MCSEM數(shù)據(jù)的去噪技術(shù)，通過使用空間平均和低秩近似模擬高密度空間數(shù)據(jù)，可以減少拖拽式MCSEM數(shù)據(jù)的電場(chǎng)噪聲。Mo等[66]提出了將灰色系統(tǒng)理論與魯棒M估計(jì)相結(jié)合的方法抑制MCSEM噪聲，通過灰色建模求解測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)合閾值法識(shí)別、剔除異常值。并采用魯棒M估計(jì)估算測(cè)量結(jié)果，以壓制異常值的影響，提高處理結(jié)果的精度。處理結(jié)果與預(yù)期值非常接近。

劉寧等[67-68]根據(jù)MCSEM噪聲的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)平滑濾波的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的時(shí)變平滑濾波方法，在電場(chǎng)x分量數(shù)據(jù)時(shí)間序列上截取收發(fā)距大于7500m的低信噪比數(shù)據(jù)，建立20個(gè)固定長(zhǎng)度的時(shí)間窗口。隨著收發(fā)距增大，與第一個(gè)窗口卷積的平滑濾波器的初始平滑半徑參數(shù)線性增加(迭代次數(shù)為5)。以濾波后的數(shù)據(jù)代替原數(shù)據(jù)，得出在中、遠(yuǎn)收發(fā)距處的振幅值相對(duì)含噪數(shù)據(jù)降低了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，一定程度上提高了信噪比；同時(shí)還基于傳統(tǒng)的雙邊濾波方法提出了時(shí)變雙邊濾波方法壓制MCSEM噪聲。理論模型和實(shí)際數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗(yàn)證了這兩種方法能夠有效地提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，利于提高反演精度。Sato等[69]提出使用獨(dú)立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)將電場(chǎng)信號(hào)和海底噪聲分離為多個(gè)信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)疊加方式去除噪聲。Imamura等[70]開發(fā)了一種基于獨(dú)立分量分析的魯棒方法，從含噪MCSEM數(shù)據(jù)中提取有用的信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明效果良好。

3.4 其他噪聲

前文根據(jù)噪聲的成因?qū)⒃肼暦诸悾偨Y(jié)了不同種類噪聲的壓制方法。然而在實(shí)際勘探中，并不只存在上文提到的三類噪聲。也有些去噪算法并不僅僅只針對(duì)一種噪聲，而是對(duì)含噪信號(hào)整體去噪。抑制噪聲的手段也不僅限于后期數(shù)據(jù)處理階段，硬件設(shè)備的改進(jìn)同樣可以在一定程度上壓制噪聲。

針對(duì)表1中接收機(jī)偶極子天線振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲可以通過接收機(jī)天線上加裝玻璃棒、增加重量的方式抑制[68]。天然電磁場(chǎng)噪聲是由于地磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)相互作用產(chǎn)生的，由于海水的衰減作用，其能量隨著海水深度的增加會(huì)逐漸減小。Bhatt[71]指出微震在站間MCSEM數(shù)據(jù)中是相干噪聲，根據(jù)其分布特征、相干性質(zhì)和強(qiáng)度可知，在較大偏移處，微震是MCSEM數(shù)據(jù)的重要噪聲源，可通過建模將其去除，以提高目標(biāo)檢測(cè)的可能性和解釋精度。Nyamasvisva等[72]指出，直達(dá)波在MCSEM數(shù)據(jù)中需要量化并消除，提出了一種輔助方法，可以根據(jù)天線的發(fā)射電流、天線頻率、接收機(jī)相對(duì)于天線的偏移量量化直達(dá)波。通過估算給定頻率的任意給定偏移距處直達(dá)波的幅度，可有效補(bǔ)充直達(dá)波的偏移量，提高數(shù)據(jù)的可靠性。丁學(xué)振等[73]指出，激電效應(yīng)也會(huì)對(duì)海洋可控源電磁場(chǎng)響應(yīng)造成影響，導(dǎo)致反演結(jié)果中油氣儲(chǔ)層電阻率偏大。

Oleg等[74]提出一種快速而穩(wěn)健的可控源電磁數(shù)據(jù)處理方案，詳細(xì)分析了各種噪聲成分，并提出了抑制噪聲的方法。通過使用中值均值和Hodges-Lehmann估計(jì)抑制瞬態(tài)噪聲，采用線性陷波濾波抑制工業(yè)噪聲，以及通過頻域累積的方法處理噪聲數(shù)據(jù)，都能夠從含噪原始數(shù)據(jù)中恢復(fù)出質(zhì)量較高的響應(yīng)函數(shù)。周文強(qiáng)等[75]提出一種MT噪聲降噪效果評(píng)估方法，驗(yàn)證了短時(shí)窗結(jié)合預(yù)白化濾波降噪方法的有效性。相比于未進(jìn)行降噪處理的直接反演結(jié)果，均方相對(duì)誤差減小了126%，有效地壓制了噪聲。Wang等[76]利用FFT和單頻正弦波擬合兩種方法提高了MCSEM信號(hào)的信噪比。Dehiya等[77]通過利用堆疊緊鄰的發(fā)射器響應(yīng)壓縮數(shù)據(jù)，從而減少了數(shù)據(jù)冗余，提高計(jì)算優(yōu)勢(shì)，降低了噪聲。Xuan等[78]提出一種基于瞬時(shí)離群功率的冪律衰減規(guī)則的新型半自動(dòng)降噪方法，可以輕松地識(shí)別和衰減STFT頻譜圖中暴露的常規(guī)噪聲，并對(duì)其進(jìn)行校正，壓制噪聲，提高信噪比。楊洋等[79]基于小波變換和希爾伯特解析包絡(luò)提出一種新的CSEM信號(hào)噪聲評(píng)價(jià)方法，能夠在頻率域快速提取CSEM信號(hào)中的有效頻率成分，篩選出高信噪比的主頻和諧波信號(hào)；之后又進(jìn)一步提出一種新的方法估計(jì)CSEM數(shù)據(jù)主頻率及其諧波的可靠性[80]：首先計(jì)算原始CSEM數(shù)據(jù)的頻譜，然后對(duì)CSEM頻率處的頻譜進(jìn)行預(yù)處理，獲得處理后的頻譜，通過應(yīng)用基于HHT的包絡(luò)算法獲得頻譜上的包絡(luò)；最后，將CSEM頻率處的包絡(luò)值除以原始頻譜，得到噪聲比，用于指示響應(yīng)CSEM頻率處的噪聲，可以從原始CSEM數(shù)據(jù)中提取出具有高信噪比的頻率成分。張必明等[81]提出了一種自適應(yīng)雙向均方差閾值法，實(shí)現(xiàn)電磁勘探數(shù)據(jù)粗大誤差的自動(dòng)判別和剔除。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選取30～90范圍內(nèi)(經(jīng)驗(yàn)值)的均方差閾值，能夠有效地剔除電磁勘探原始電場(chǎng)數(shù)據(jù)中的粗大誤差，提高信噪比。

Myer等[23]討論了2009年澳大利亞西北海岸斯卡伯勒氣田MCSEM勘測(cè)的調(diào)查結(jié)果，表明關(guān)于發(fā)射機(jī)導(dǎo)航和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的最新改進(jìn)可以提高頻域數(shù)據(jù)的質(zhì)量。Duan等[82]使用雙絞線屏蔽和磁環(huán)設(shè)計(jì)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信線路抑制環(huán)境噪聲和共模干擾，采用算術(shù)平均濾波方法減少隨機(jī)干擾。Knaak等[83]將二維合成孔徑陣列和十字線合成孔徑陣列應(yīng)用于電場(chǎng)噪聲模擬，與原始CSEM信號(hào)相比，兩種合成孔徑陣列都降低了噪聲水平，并增加了模擬儲(chǔ)存器的可檢測(cè)性。Yoon等[56]通過選擇數(shù)據(jù)權(quán)重構(gòu)建合成孔徑源，并開發(fā)了一種通用的優(yōu)化技術(shù)，找到合成孔徑方法的最佳參數(shù)(數(shù)據(jù)權(quán)重)，對(duì)含噪MCSEM數(shù)據(jù)，有助于增強(qiáng)由于油氣儲(chǔ)層引起的異常。Ma等[84]利用合成孔徑技術(shù)，通過在每個(gè)源點(diǎn)上施加實(shí)際加權(quán)因子構(gòu)造加權(quán)2D合成孔徑，數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明MCSEM有效信號(hào)得到顯著增強(qiáng)。Wang等[85]將粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization,PSO)用于MCSEM的相移和合成孔徑振幅補(bǔ)償系數(shù)優(yōu)化，并利用本征態(tài)分析(Eigenstate analysis,EA)優(yōu)化非線性合成孔徑權(quán)重，將該方法應(yīng)用于MCSEM數(shù)據(jù)的處理，結(jié)果表明這兩種方法都可以壓制噪聲，提高信噪比，提高儲(chǔ)層的可探測(cè)性。李盼等[86]研究了MCSEM電磁場(chǎng)合成源干涉法，利用雷達(dá)領(lǐng)域合成孔徑思想的合成源處理方法突出儲(chǔ)層的電阻率異常相應(yīng)，從而更好地識(shí)別高阻油氣層。

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)MCSEM信號(hào)不同種類噪聲進(jìn)行分析和總結(jié)，隨機(jī)噪聲、空氣波噪聲以及海水?dāng)_動(dòng)噪聲是影響海洋電磁探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要噪聲，基于數(shù)據(jù)預(yù)處理、方位校正以及噪聲壓制這3個(gè)處理流程，簡(jiǎn)述了原始信號(hào)的處理過程和多種噪聲壓制方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外消除這三種主要噪聲的方法進(jìn)行總結(jié)。

(1)在淺水域，空氣波噪聲幾乎能夠淹沒儲(chǔ)層的有效信息。盡管Andreis等[87]指出空氣波與地層有效信號(hào)之間有著復(fù)雜的耦合關(guān)系，但仍然缺乏全面定量的分析，這是淺水區(qū)海洋電磁勘探的最大障礙。去除空氣波的方法大體可以分為兩類，一類將是對(duì)觀測(cè)到的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，從中分離出有效信號(hào)與空氣波，再屏蔽空氣波分量以達(dá)到去噪的效果；另一類則是通過時(shí)頻分析，利用數(shù)值模擬等方法從觀測(cè)電磁信號(hào)中直接去除空氣波；也可以通過建立模型、求解模型的方法削弱空氣波。

(2)在深水域，空氣波經(jīng)過海水的衰減，到達(dá)海底時(shí)已經(jīng)非常微弱，因此在深水探測(cè)中常?？珊雎钥諝獠ㄔ肼?，主要考慮隨機(jī)噪聲和海水?dāng)_動(dòng)噪聲的影響。隨機(jī)噪聲的壓制常常通過在時(shí)域疊加、在頻域計(jì)算功率譜密度的方法，其中經(jīng)常用到最小二乘法和傅里葉變換；而小波變換和希爾伯特—黃變換則是海水?dāng)_動(dòng)噪聲常用的壓制方式。本文除了上述常用方法外，還總結(jié)了其他一些相關(guān)的消噪算法或措施，為進(jìn)一步提高M(jìn)CSEM數(shù)據(jù)的信噪比、增加有效收發(fā)距的范圍、提升后期反演效果奠定基礎(chǔ)。

(3)抑制噪聲的方式并不只有后期數(shù)據(jù)處理，利用合成孔徑技術(shù)對(duì)發(fā)射源和接收機(jī)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)、采用新的導(dǎo)航技術(shù)以及使用改進(jìn)的通信線路都可增強(qiáng)有效信號(hào)、壓制噪聲，也是未來發(fā)展的重要方向之一。

海洋可控源電磁法是未來勘探海底油氣資源的重要方法，對(duì)初始電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理則是數(shù)據(jù)解釋過程中重要的一環(huán)，是在后期反演中定性解釋油氣儲(chǔ)層的重要因素，因此有效抑制噪聲以提高信噪比是未來海洋可控源電磁數(shù)據(jù)處理的重要研究?jī)?nèi)容之一。本文總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外研究人員所使用的去噪算法，希望能為未來海洋可控源電磁信號(hào)噪聲壓制技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。