海洋地震資料中強(qiáng)能量噪聲壓制的分頻振幅衰減法應(yīng)用研究

牛華偉，吳春紅

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院，上海200120）

地震資料去噪處理［1］是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，疊前去噪是提高地震資料信噪比的關(guān)鍵步驟之一。由于地震噪聲產(chǎn)生的機(jī)制不同，類型很多，能量較強(qiáng)，需要針對噪聲的具體特征，采用合理、科學(xué)、有效的去噪方法，才能取得好的壓制效果。根據(jù)噪聲在海洋地震資料原始單炮和地震剖面上出現(xiàn)的特征及產(chǎn)生的原因，可以將其分為規(guī)則噪聲（地震（船）干擾、線性干擾等）和不規(guī)則噪聲（水鳥干擾、涌浪干擾及強(qiáng)能量低頻和高頻干擾等）。這些噪聲各自具有不同的特點(diǎn)，盡可能地消除地震資料中所有的噪聲始終是地震資料處理技術(shù)研究追尋的目標(biāo)。在地震勘探精度要求與日俱增的今天，疊前偏移技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，疊前偏移需要高信噪比、高保真度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此去噪效果已經(jīng)成為影響有效波成像品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。

有關(guān)海洋地震資料處理中干擾波的壓制方法，很多文獻(xiàn)［2－4］都做過探討。張占杰等［5］對利用外部噪聲模型法和信號保持隨機(jī)噪聲衰減法壓制地震干擾進(jìn)行了闡述。但每種去噪方法都有其局限性，例如外部噪聲模型法只適用于干擾波形態(tài)不隨時間和空間變化，或者變化非常小的情況；而信號保持隨機(jī)噪聲衰減法雖然適用于干擾波形態(tài)在炮集上出現(xiàn)的時間和形態(tài)隨著不同炮記錄的變化而變化的情況，但易損失有效波。本文應(yīng)用的分頻振幅衰減法不存在上述兩種方法的局限性，通過求取給定頻率段不同時窗內(nèi)地震數(shù)據(jù)的平均振幅強(qiáng)度，預(yù)測出強(qiáng)能量的噪聲，采用時變、空變方式對能量曲線平滑達(dá)到壓制強(qiáng)能量噪聲的目的。通過實(shí)際資料檢驗(yàn)，分頻振幅衰減法對海洋地震資料中存在的涌浪干擾、地震（船）干擾及強(qiáng)能量低頻和高頻干擾［6］等多種強(qiáng)能量噪聲都有較好的壓制作用。

1 分頻振幅衰減法原理與實(shí)現(xiàn)步驟

從信號處理的角度來看，疊前去噪所基于的數(shù)學(xué)模型基本可分為兩大類：一是單道數(shù)學(xué)模型；二是多道數(shù)學(xué)模型［7］?；趩蔚罃?shù)學(xué)模型的去噪方法主要是通過利用單一地震道所攜帶的信息設(shè)計(jì)去噪算子，區(qū)分出噪聲和有效信號，實(shí)現(xiàn)信號與噪聲的分離，不需要考慮相鄰道的信息；基于多道數(shù)學(xué)模型的去噪方法則是利用多個地震道所攜帶的信息設(shè)計(jì)去噪算子，區(qū)分出噪聲與弱小信號，實(shí)現(xiàn)信號與噪聲的分離，所以也是保幅處理方法。分頻振幅衰減法即基于多道數(shù)學(xué)模型。

1.1 方法原理

強(qiáng)能量噪聲在不同頻帶內(nèi)的表現(xiàn)特征不同，在不同的時間區(qū)域，反射信號與噪聲的能量之比是變化的［8］，這是分頻振幅衰減法壓制噪聲的基本依據(jù)。分頻振幅衰減法首先將地震數(shù)據(jù)分為不同的頻段，在不同的頻段范圍內(nèi)識別地震記錄中存在的強(qiáng)能量干擾，確定噪聲出現(xiàn)的空間位置，再定義相應(yīng)的門檻值和衰減系數(shù)，然后采用時變、空變及多域的方式進(jìn)行壓制，達(dá)到壓制高能干擾的目的，真正實(shí)現(xiàn)高保真去噪。也就是說在定義的相鄰道里，通過樣點(diǎn)振幅的相關(guān)頻率和時變的門檻值去檢測和壓制噪聲，這些噪聲在不同的頻帶范圍和不同的時間段內(nèi)是特殊的。

1.1.1 頻段劃分

對于同一地震數(shù)據(jù)，反射信號與噪聲的能量之比在不同的頻段范圍內(nèi)是變化的。換句話說，對于特定的噪聲，在某一頻段范圍內(nèi)相對于有效信號將更加容易識別，因此作好頻段的劃分非常重要。

圖1是噪聲頻帶的分解示意圖，其中f1～f4表示地震數(shù)據(jù)的全頻率范圍，f2～f3表示噪聲集中所在的頻率范圍。處理中把噪聲分布的f2～f3頻率范圍分為N個頻率段，每個頻率段的帶寬為d＋qd，各頻率段之間的重復(fù)段為qd，其中q為比例系數(shù)，用百分比表示，滿足圖1中所示的公式f3－f2＝Nd＋（N－1）qd。重復(fù)段是為了更好地消除兩個頻率段范圍結(jié)合部位的噪聲。在實(shí)際資料處理時，f3和f4的值通過對噪聲的頻譜分析獲得，頻率段的帶寬d和比例系數(shù)q通過試驗(yàn)確定。

1.1.2 噪聲檢測

分頻振幅衰減法通過檢測地震樣點(diǎn)的振幅強(qiáng)度來確定強(qiáng)能量噪聲存在的異常值區(qū)域。通常估算樣點(diǎn)振幅強(qiáng)度的方法有4種［9］：①均方根振幅估算法；②平均絕對振幅估算法；③最大絕對振幅估算法；④頻率項(xiàng)估算法。在估算振幅時一次可使用多種估算方法。

圖1 噪聲頻帶分解示意

平均絕對振幅估算法和均方根振幅估算法的主要區(qū)別在于二者的精度和計(jì)算時間，在噪聲與周圍有效波的振幅能量級差別較大時，采用平均絕對振幅估算法有利于節(jié)省時間。其算法公式為

式中：Pi表示第i個時窗內(nèi)地震道的平均絕對振幅值；i是時窗數(shù)；t為時窗的起始時間；N是時窗內(nèi)采樣點(diǎn)個數(shù)；j是以起始時間為t，終止時間為t＋N的時窗范圍；a（j）是采樣點(diǎn)j的振幅。

均方根振幅估算法雖然計(jì)算耗時較多，但適應(yīng)強(qiáng)能量噪聲的振幅與周圍有效波的振幅能量級差別微小的情況。其算法公式為

式中：Pi表示第i個時窗內(nèi)地震道的均方根振幅值；i，t，N，j和a（j）的物理含義同公式（1）。

最大絕對振幅估算法和頻率項(xiàng)估算法都適用于壓制尖脈沖類型的強(qiáng)能量噪聲。當(dāng)強(qiáng)能量尖脈沖噪聲振幅與周圍有效波的振幅有很大的區(qū)別時，就采用最大絕對振幅算法，該方法省機(jī)時，也能有效的壓制噪聲。其算法公式為

式中：Pi表示第i個時窗內(nèi)地震道的最大絕對振幅；i，t，N，j和a（j）的物理含義同公式（1）。

但是，當(dāng)強(qiáng)能量尖脈沖噪聲振幅與周圍有效波的振幅的區(qū)別不大，而二者在頻率項(xiàng)差別很大時，這種情況應(yīng)采用頻率項(xiàng)估算法，其算法公式為

其中，Pi表示第i個時窗內(nèi)地震道的主頻率值（單位Hz）；n表示第i個時窗內(nèi)地震道過零次數(shù)；N為第i個時窗內(nèi)的采樣數(shù)；Δt為采樣間隔。

分頻振幅衰減法噪聲檢測采用了平均絕對振幅估算法，通過平均絕對振幅估算法對各道振幅值進(jìn)行分析，確定出涌浪干擾、地震（船）干擾及強(qiáng)能量低頻和高頻干擾存在的異常值區(qū)域。圖2顯示了平均絕對振幅估算的原理。首先求取每個原始地震道的振幅的絕對值，得到一個由絕對振幅值表示的地震道；然后將此地震道劃分為多個時窗，利用公式（1）分別求取各個時窗內(nèi)的平均絕對振幅值，得到一個由平均絕對振幅值表示的地震強(qiáng)度道。依次采用同樣的做法，求取出每個地震道的以平均絕對振幅值表示的地震強(qiáng)度道。在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出相鄰N道在同一時窗長度內(nèi)任一給定時刻數(shù)據(jù)樣點(diǎn)的平均絕對振幅值（多道樣點(diǎn)強(qiáng)度值）。

圖2 平均絕對振幅估算原理

1.1.3 噪聲衰減

噪聲衰減是在經(jīng)頻帶分解劃分出的每個頻段范圍內(nèi)分別進(jìn)行的。首先在每個頻段范圍內(nèi)分別求取衰減因子［10－11］。衰減因子求取的數(shù)學(xué)模型為

式中：c（i）是噪聲衰減因子；s（ti）為單個地震強(qiáng)度道在ti時刻的樣點(diǎn)強(qiáng)度值；mean（i）是相鄰多道在ti時刻的樣點(diǎn)強(qiáng)度均值；A為設(shè)定的門檻值（可以根據(jù)實(shí)際資料調(diào)整）。當(dāng)不存在強(qiáng)能量噪聲時，s（ti）與 mean（i）應(yīng)該非常接近，當(dāng)兩者之差的絕對值小于門檻值A(chǔ)時，衰減因子為1，即不衰減；當(dāng)存在強(qiáng)能量噪聲時，s（ti）與 mean（i）的差會變大，當(dāng)其絕對值大于門檻值A(chǔ)時，其衰減因子將不等于1（由（5）式求得），且隨二者差值的增大而減小（衰減越大）。求得衰減因子后，就可以針對不同強(qiáng)度的噪聲求取不同的衰減系數(shù)進(jìn)行噪聲衰減處理（見以下1.2.4節(jié)）。對于圖1中頻率在f1～f2，f3～f4的數(shù)據(jù)仍存在有噪聲，也需要進(jìn)行衰減，其衰減因子由相鄰頻段的衰減因子和0之間內(nèi)插獲得。

1.2 實(shí)現(xiàn)步驟

分頻振幅衰減法消除強(qiáng)能量噪聲多應(yīng)用于疊前道集，也可以用于疊后數(shù)據(jù)；輸入數(shù)據(jù)可以是炮集、共接收點(diǎn)道集、CDP道集、共偏移距道集及疊加數(shù)據(jù)；適用于地震資料處理的任何階段，如反褶積前后、靜校正前后、動校正前后、疊前偏移前等。

1.2.1 輸入數(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于本方法識別衰減噪聲是基于一種假設(shè)：對于任何一組相鄰道，其中每一道的有效信號在同一時間點(diǎn)上有相同的振幅級別。因此，為了達(dá)到理想的噪聲衰減效果，在應(yīng)用此方法前最好對數(shù)據(jù)進(jìn)行地表一致性補(bǔ)償處理。

1.2.2 參數(shù)定義與自動拾取

本方法采用的是平均絕對振幅估算法，用戶在該步驟中完成時窗定義、頻帶定義（采用圖1所示的頻帶定義方法對資料作具體分析）及振幅計(jì)算（按圖2所示在給定的時窗內(nèi)計(jì)算平均絕對振幅）。

1.2.3 門檻值的定義

門檻值A(chǔ) 表示s（ti）與 mean（i）之差的絕對值，因此它是大于或等于0的。根據(jù)上一步拾取的量，定義不同的門檻值：門檻值越大，強(qiáng)能量噪聲衰減的比例越小；反之，門檻值越小，強(qiáng)能量噪聲衰減的比例越大。

門檻值A(chǔ)通過線性內(nèi)插的方式定義為時間和頻率的函數(shù)。圖3是在不同時段范圍、不同頻段范圍的門檻值插值方式示意圖。如圖3所示，對于超出噪聲分布頻率范圍（圖3中f1～f2和f3～f4），門檻值A(chǔ)進(jìn)行常數(shù)外推；在f2～f3，在據(jù)圖1所劃定的不同頻段范圍內(nèi)，門檻值A(chǔ)進(jìn)行線性內(nèi)插；在同一頻段內(nèi)，門檻值在時間方向上也是線性內(nèi)插的。

圖3 門檻值插值示意

1.2.4 噪聲衰減方式的選擇

噪聲的衰減是通過噪聲衰減系數(shù)與地震道數(shù)據(jù)相乘完成的。根據(jù)噪聲強(qiáng)度的大小，可以選用3種噪聲衰減方式，即3種不同的噪聲衰減系數(shù)求取方法。

第1種是針對強(qiáng)度較大的噪聲，用（6）式來求取噪聲衰減系數(shù)S（i），即

第2種是針對強(qiáng)度較小的噪聲，則采用（7）式求取噪聲衰減系數(shù)，即

（6）式和（7）式中的 mean（i），c（i）和s（ti）含義同（5）式。

第3種是針對尖脈沖類的強(qiáng)噪聲，可以直接將檢測到的噪聲樣點(diǎn)振幅值用多道平均振幅值來替換。

2 海洋地震資料強(qiáng)能量噪聲特點(diǎn)

在海洋地震資料的采集過程中，存在各種各樣的干擾源，如風(fēng)浪及海流、海底障礙物、船舶航行與各種海工作業(yè)以及地震采集裝備自身的影響等。這里主要介紹涌浪干擾、地震（船）干擾、強(qiáng)能量低頻和高頻干擾和近道強(qiáng)能量剩余多次波等強(qiáng)能量噪聲的特點(diǎn)。

涌浪噪聲［12］是海洋地震資料中常見的噪聲類型（圖4a），它是海況條件較差情況下進(jìn)行地震資料采集時所導(dǎo)致的，特別是拖纜沉放深度較淺時涌浪噪聲更嚴(yán)重，其特點(diǎn)是振幅強(qiáng)度較高，頻率較低，一般在2～10Hz。由于其衰減很慢，因此在單炮記錄上顯示為干擾波振幅幾乎不隨時間而衰減。它通常影響相鄰連續(xù)幾道，在原始炮集記錄上的形態(tài)呈條帶狀，或一串斑點(diǎn)，對地震資料的中深層形成強(qiáng)烈的低頻噪聲背景。一個低截濾波（如3Hz）可以消除一定量的涌浪噪聲，但不能完全消除。

地震（船）干擾是海洋地震資料采集時常見的一種干擾。當(dāng)兩條地震船在同一區(qū)域采集時，如果相距很近，則必須采取分時作業(yè)。如果協(xié)調(diào)不好或相距較遠(yuǎn)，則會出現(xiàn)兩船同時作業(yè)的情況。這時一艘船的記錄上會出現(xiàn)另一艘船震源發(fā)出的信號，行業(yè)內(nèi)稱為地震（船）干擾。這是一種特殊的干擾［13］（圖4b），由于其干擾波頻帶和有效波幾乎一致，在目標(biāo)層段甚至寬于有效波頻譜，而且干擾波能量很強(qiáng)，因此不能用簡單的時變?yōu)V波予以消除。

強(qiáng)能量低頻和高頻干擾［14］（圖4c）的特點(diǎn)是：頻率寬，振幅強(qiáng)，成隨機(jī)特點(diǎn)，分布無規(guī)律。如船體自身的螺旋槳產(chǎn)生的噪聲會在單炮記錄上表現(xiàn)出較為明顯的低頻噪聲。這種干擾的存在給地震資料疊前處理帶來很大難度。近道強(qiáng)能量剩余多次波（圖4d）是指原始地震資料經(jīng)過多次波壓制處理（SRME等）后的殘余多次波，其特點(diǎn)是振幅強(qiáng)，集中在近偏移距處。

只要干擾波具備以下兩個特性：一是強(qiáng)能量；二是隨機(jī)性，即可采用分頻振幅衰減法進(jìn)行壓制。根據(jù)有效信號在任何道集上都具有相干性的原則，可以把在某種道集上具有相干分布的強(qiáng)能量噪聲通過數(shù)據(jù)重構(gòu)［15］變成隨機(jī)噪聲，利用分頻振幅衰減法就可以有效地壓制這些強(qiáng)能量噪聲。對于三維數(shù)據(jù)而言，在Inline方向的某些強(qiáng)能量規(guī)則干擾，無法通過針對隨機(jī)噪聲的方式衰減，規(guī)則化處理后，在共偏移距數(shù)據(jù)體上轉(zhuǎn)換到X－line方向，規(guī)則干擾則表現(xiàn)為隨機(jī)性的，這時應(yīng)用分頻振幅衰減法則可以把地震數(shù)據(jù)分為不同的頻段范圍，在每個頻段范圍內(nèi)對地震數(shù)據(jù)不同時窗內(nèi)的平均振幅值進(jìn)行估算，預(yù)測出強(qiáng)能量的噪聲，采用時變的門檻值來有效壓制噪聲。

圖4 海洋地震資料常見的強(qiáng)能量噪聲

上述4種干擾波的共性是都具有很強(qiáng)的能量，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)使其具有隨機(jī)性后，這些噪聲都適合應(yīng)用分頻振幅衰減法進(jìn)行有效壓制。

3 分頻振幅衰減法實(shí)際應(yīng)用效果

受特定地震地質(zhì)條件的影響，東海某海域原始地震資料上干擾波類型多，中深層有效信號能量弱，信噪比低，處理結(jié)果不理想。采用本文所述的去噪方法后，得到了比較理想的效果。

圖5是利用振幅衰減法消除強(qiáng)能量噪聲技術(shù)在炮域?qū)τ坷烁蓴_壓制前、后的單炮記錄對比結(jié)果。從圖5中可以看出，壓制前涌浪干擾表現(xiàn)為頻散、低頻、強(qiáng)能量及無規(guī)律的特征，壓制后的資料有效反射波凸顯了出來，中深層信噪比明顯提高。圖6是采用振幅衰減法消除強(qiáng)能量噪聲技術(shù)在共偏移距域?qū)?qiáng)能量低頻和高頻干擾壓制前、后的剖面對比結(jié)果。從圖6中可以看出，強(qiáng)能量噪聲得到有效壓制，有效反射波組突出，信噪比大幅度提高，為后續(xù)的疊前偏移提供了高品質(zhì)的基礎(chǔ)資料。

圖7a是地震（船）干擾在連續(xù)單炮記錄上的表現(xiàn)形態(tài)，圖7b是將地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到CDP域的分布特征，可見，干擾波呈局部隨機(jī)分布，在其影響區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)振幅。圖8是利用分頻振幅衰減法在共CDP域?qū)?qiáng)能量隨機(jī)分布的噪聲壓制前、后的對比結(jié)果，原來被高能量地震噪聲干擾的有效反射波得以清晰顯現(xiàn)。圖9是利用分頻振幅衰減法在CDP域?qū)缽?qiáng)能量剩余多次波壓制前、后的對比結(jié)果，明顯看到，近道剩余多次波壓制的效果很好，對于后續(xù)的疊前偏移提供高品質(zhì)的數(shù)據(jù)輸入。圖10是干擾波壓制前、后的剖面對比結(jié)果，可見，地震資料的信噪比得到顯著的改善。

4 結(jié)束語

分頻振幅衰減法將地震數(shù)據(jù)分為不同的頻段范圍，通過求取給定頻率段不同時窗內(nèi)地震樣點(diǎn)的振幅強(qiáng)度，預(yù)測出強(qiáng)能量的噪聲，以地震樣點(diǎn)組的平均絕對振幅值作為標(biāo)定，確定地震樣點(diǎn)的振幅衰減曲線，采用時變的門檻值來有效壓制強(qiáng)能量噪聲干擾。東海某海域?qū)嶋H地震資料去噪處理的應(yīng)用研究表明，分頻振幅衰減法具有去噪能力強(qiáng)、振幅保真性好、不降低縱向分辨率等特點(diǎn)，能適應(yīng)面向中深層的海上地震資料目標(biāo)處理。它的優(yōu)點(diǎn)是可以在炮域、CDP域及共偏移距域使用，在不同的處理階段，針對不同能量的噪聲，采用不同的門檻值進(jìn)行干擾壓制。同時，分頻振幅衰減法的有效應(yīng)用也拓展了地震資料處理的新思路，即采用噪聲壓制方法來去除近道剩余多次波。

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