LIFT去噪方法在低信噪比資料處理中的應(yīng)用

崔永福, 吳國忱, 郭念民, 劉正文, 趙銳銳

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，青島 266580；2.中石油塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，庫爾勒 841000)

0 引言

塔里木盆地的勘探區(qū)塊大多是沙漠、戈壁、黃土塬、懸崖峭壁的山地、以及老油田的邊緣、深部、低滲透、小斷塊、薄互層和隱蔽型油氣藏。這些探區(qū)地表地震條件惡劣，地下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，野外采集難度大，造成原始數(shù)據(jù)存在品質(zhì)差、信噪比低的特點(diǎn)[1]。因此壓制噪聲、提高信噪比，是塔里木地震資料處理的重要環(huán)節(jié)。

高信噪比、高分辨率、高保真度和準(zhǔn)確成像，一直是地震資料處理追求的目標(biāo)，而高信噪比更是其他方面的基礎(chǔ)[2]。為了獲得高信噪比的處理成果，地球物理學(xué)家針對不同的噪聲提出了多種去噪方法，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中得到了廣泛地應(yīng)用，但是也存在一定的問題，傳統(tǒng)去噪只是通過各種方法將信號和噪聲分開，達(dá)到去噪的目的，這些傳統(tǒng)方法在去噪的過程中，忽略了信號保真的處理原則，損害了有效信號。

Choo[3]在2003年提出了一種新的去噪思路—LIFT(Leading intelligent filter design)保真去噪方法，它的優(yōu)點(diǎn)是考慮了信噪比的不同級別，在信噪分離的基礎(chǔ)上去噪，再進(jìn)行合并重構(gòu)，獲得新的具有高信噪比、高保真的地震信號。國內(nèi)許多學(xué)者利用這一新思路做了進(jìn)一步的研究工作，在壓制多次波、面波、線性干擾、海上外源干擾等方面取得了不錯的效果[4-8]。作者針對YM7井區(qū)地震資料存在的面波、線性干擾和高能量噪聲，研究了基于LIFT去噪原理的壓制方法，取得了理想的應(yīng)用效果。

1 方法原理

地震資料的信噪比可以定義為：

(1)

1.1 傳統(tǒng)去噪方法分析

常規(guī)去噪方法的思路是把地震信號分解成有效信號和噪聲，如果信號和噪聲存在頻率或者速度的差異，可以將地震信號通過數(shù)字變換到能夠區(qū)分它們的域，然后去除分離開的噪聲，再將信號轉(zhuǎn)換到時間域，恢復(fù)信號，以達(dá)到去除噪聲的目的。這些常規(guī)去噪方法存在一定的弊端：它們是對整個地震信號進(jìn)行處理。當(dāng)信號和噪聲不能很好地分開時，容易造成損失有效信號，如f-k去噪方法去除面波干擾時，雖然線性噪聲得到了去除，但是f-k去噪是對整炮進(jìn)行去噪，它把面波方向上的有效信號也去除掉了(低頻信號)，這就造成有效信號存在損失；而且在剖面容易產(chǎn)生“蚯蚓”狀的同相軸，一些小幅斷層被模糊。

每一種傳統(tǒng)的去噪方法都有各自的假設(shè)條件，如假設(shè)共炮點(diǎn)道集的有效信號或者噪聲是：雙曲線、拋物線、直線等。但是實(shí)際上，這種假設(shè)只是對理論方法的一種近似，不可能完全模擬實(shí)際情況。這樣對原始信號進(jìn)行去噪之后，再把原始信號進(jìn)行一定比例的回加，從而彌補(bǔ)假設(shè)條件的不真實(shí)性。

信號回加的方法分為兩種：

(1)利用原始信號進(jìn)行回加，假設(shè)A是原始信號，包括信號100，噪聲100；B是假設(shè)產(chǎn)生的信號模型，其中信號為90，噪聲為5；原始信號A*50%作為回加的信號；這樣重構(gòu)的信號為A*50%+B，其信噪比為：140/55。雖然信噪比得到提高，但是有效信號由100變?yōu)?40，發(fā)生了信號畸變，沒有保證有效信號的保真度。

(2)利用噪聲信號進(jìn)行回加，假設(shè)A是原始信號，其成分為有效信號100，噪聲100；去噪后的信號B，其成分為有效信號90，噪聲5；C為原始信號A減去B，其成分為有效信號10，噪聲95；D為回加的信號，為C*50%，其成分為：有效信號5，噪聲47.5；重構(gòu)的地震信號為B+D，其成分為：有效信號95，噪聲52.5，信噪比為：95/52.5，與上一種去噪方法相比，信噪比較低，去噪不理想，但是有效信號為95，而不是140，沒有發(fā)生大的畸變，保真性好。

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)去噪方法的局限性，常規(guī)去噪方法不能很好地保護(hù)有效信號，容易造成有效信號的損失，雖然信號回加的方法可以起到保護(hù)有效信號的作用，但是信號回加的去噪方法仍然存在缺陷：第一種回加信號方法雖然去噪后的信噪比較高，但有效信號失真了；第二種方法雖然保證了有效信號真實(shí)性，為原始有效信號的95%，保真性好，但是沒有達(dá)到理想的去噪目的，去噪后的資料品質(zhì)不會得到大的提高。

1.2 LIFT去噪方法原理

常規(guī)的去噪方法，一直局限于如何區(qū)分開有效信號和噪聲，達(dá)到提高信噪比的目的。改進(jìn)的方法是為了保證有效信號的真實(shí)性，對去噪后的信號進(jìn)行一定比例的回加原始信號。我們可以轉(zhuǎn)換一下思路，從以下兩方面考慮：其一是提高信號模型的逼真度；其二是在回加的噪聲信號上下工夫，而不是簡單的回加。

圖1是LIFT去噪的技術(shù)原理示意圖，假設(shè)其中A是原始地震信號，其成分為：有效信號100，噪聲100，其信噪比為100/100，非常低；S1是建立的信號模型，假設(shè)其有效信號為90，噪聲為10；N1是原始信號A減去建立的信號模型S1的剩余信號，其成分為有效信號為10，噪聲為90；S2是剩余數(shù)據(jù)信號N1經(jīng)過去噪后的結(jié)果，其成分為有效信號8，噪聲為6；重構(gòu)的地震信號為S1+S2，其成分為有效信號98，噪聲16，信噪比為：98/16，結(jié)果是非常高的，有效信號98，與原始有效信號100相比，沒有大的損失，在去噪的同時做到了保真性處理。如果進(jìn)行一次去噪后效果不理想，還可進(jìn)行循環(huán)迭代再次去噪，以獲得更加理想的結(jié)果，最終的結(jié)果可以表示為：

圖1 LIFT去噪原理示意圖Fig．1 LIFT de-noising flow chart

s=s1+s2+s3+…sn

(2)

LIFT去噪的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有兩點(diǎn)：

(1)信號模型的建立。信號模型必須與實(shí)際有效信號比較接近，只有這樣才能保證S1(信號模型)中的有效信號達(dá)到更高的百分比，減少在去噪過程中對有效信號的損失。

(2)對剩余數(shù)據(jù)N1中的噪聲進(jìn)行去噪處理。在N1中，由于噪聲信息比重較高，可高達(dá)90%甚至更多，而有效信號只占10%左右，這樣對剩余數(shù)據(jù)N1的去噪效果將直接影響整個去噪的好壞。在這里應(yīng)根據(jù)地震數(shù)據(jù)中噪聲的實(shí)際情況，選擇不同的去噪方法和手段。

在實(shí)際野外采集的地震數(shù)據(jù)中，噪聲可以分為規(guī)則噪聲和隨機(jī)噪聲，規(guī)則噪聲細(xì)分有：面波、50Hz的工業(yè)干擾、高能量噪聲、線性干擾、多次波等。信號模型的建立必須要根據(jù)原始地震信號中的噪聲特點(diǎn)進(jìn)行求取，如壓制面波時，可通過高通濾波方法建立信號模型；去除線性干擾時，可以利用動校正后的CMP道集數(shù)據(jù)，通過AVO反演的方法，求出AVO的P波屬性，利用這種屬性來重構(gòu)一次反射波CMP道集的有效信號模型；壓制多次波時，可以利用一次波的速度對含有多次波的CMP道集進(jìn)行動校正，校正后的CMP道集一次波被拉平，而多次波仍然是彎曲線，這樣就可以利用τ-p變換，分解出一次波，建立起一次波的有效信號模型。建立好信號模型，就可以將原始數(shù)據(jù)減去信號模型，得到剩余信號，從而進(jìn)行去噪處理。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

本次研究的地震數(shù)據(jù)為2003年采集的YM井區(qū)的三維地震資料，覆蓋次數(shù)為8×4次，面元20 m×20m，該數(shù)據(jù)的覆蓋次數(shù)較低，對資料的后續(xù)處理，尤其是對于成像品質(zhì)的改善帶來了很大的約束。工區(qū)的中淺層信噪比較高，但目的層埋藏較深(4 000 m～5 500 m)，反射弱，各種噪聲等干擾波發(fā)育，干擾波比較嚴(yán)重的層段信噪比也非常低。主要干擾波為淺層折射波、強(qiáng)能量面波、高頻干擾、高能野值和視速度較高的線性干擾。結(jié)合YM地區(qū)的地震資料特點(diǎn)，利用LIFT去噪方法進(jìn)行了面波、線性干擾和高能噪聲的壓制。

2.1 面波干擾的壓制

LIFT去噪首先要建立有效波的信號模型，根據(jù)面波相對有效信號頻率低的特點(diǎn)，可以利用高通濾波的方法，建立信號模型，圖2是利用這種方法建立的有效信號模型。

圖2 (a)是原始地震數(shù)據(jù)信號A，(b)是利用頻率域高通濾波的方法建立的信號模型S1，(c)是(a)減去(b)得到剩余信號N1。因?yàn)樾盘柲Ｐ?b)不可能是完整的有效信號，這樣得到的N1中就包含了少量的有效信號成分，但其主要成分為面波噪聲，接下來就可以利用自適應(yīng)頻率衰減方法壓制N1中面波，同時也會得到N1中的有效信號S2，將S1與S2相加就可以得到保真的去噪結(jié)果，這就是LIFT去噪壓制面波的實(shí)現(xiàn)方法。

圖3和圖4分別為單炮記錄和疊加剖面進(jìn)行LIFT去噪面波壓制處理前、處理后以及壓制的噪聲聲顯示和頻譜圖，從圖中可以清晰的看到LIFT去噪處理不僅有效地壓制了面波干擾，而且有效波得到了很好地保護(hù)。

圖3 LIFT去噪—單炮記錄的面波壓制效果圖Fig．3 LIFT de-noising effect of suppressing surface wave(a)面波壓制前單炮記錄及頻譜；(b)面波壓制后單炮記錄及頻譜；(c)去除的面波噪聲及其頻譜

圖4 LIFT去噪—面波壓制前后的疊加剖面效果對比圖Fig．4 LIFT de-noising effect of suppressing surface wave(a)面波壓制前疊加剖面及頻譜；(b)面波壓制后疊加剖面及頻譜；(c)去除的噪聲剖面及頻譜

2.2 線性干擾的壓制

在壓制了面波干擾后，單炮記錄上還有線性干擾波的存在，與面波壓制的技術(shù)思路一樣，可用 LIFT 去噪方法進(jìn)行線性干擾波的壓制。圖5為單炮記錄進(jìn)行LIFT去噪處理前、處理后、以及壓制的噪聲顯示，圖6是LIFT去噪前后的疊加剖面對比及其噪聲剖面顯示。可以看出，LIFT去噪對線性干擾波進(jìn)行了有效地壓制，從去除的噪聲信息上(圖5(c)、圖6(c))可以看到有效波成分并沒有損失，去噪的保真效果好。

2.3 高能量噪聲的壓制

通過對疊前地震數(shù)據(jù)中的主要噪聲壓制后，地震數(shù)據(jù)中仍然存在一些高能量隨機(jī)噪聲，這些強(qiáng)能量噪聲會對后續(xù)的疊前偏移處理帶來影響，我們又用LIFT去噪方法對高能噪聲進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膲褐?疊前地震數(shù)據(jù))。針對這種強(qiáng)能量隨機(jī)噪聲，可以采用多道統(tǒng)計的方法，計算地震信號的振幅大小，來建立信號模型數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行去噪。圖7為進(jìn)行高能噪聲壓制處理前后的疊加剖面顯示。

圖5 LIFT去噪—單炮記錄的線性干擾壓制效果圖Fig．5 LIFT de-noising effect of suppressing linearity noise(a)線性干擾壓制前單炮記錄；(b)線性干擾壓制后單炮記錄；(c)去除的線性干擾噪聲

圖6 LIFT去噪—線性干擾壓制前后的疊加剖面效果分析圖Fig．6 LIFT de-noising effect of suppressing linearity noise(a)線性干擾壓制前疊加剖面；(b)線性干擾壓制后疊加剖面；(c)去除的線性干擾噪聲

應(yīng)用上述 LIFT 去噪方法進(jìn)行疊前噪聲壓制處理后，噪聲干擾得到了有效地壓制，而且對有效信號沒有造成影響和損失。圖8給出了主測線 900 噪聲壓制前、后的疊加剖面效果對比，可以看到多種干擾波得到了很好地去除，信噪比得到大幅度提高，通過 LIFT 去噪得到了新的具有高信噪比、高保真度的有效地震信號。

3 結(jié)論與認(rèn)識

通過對傳統(tǒng)去噪方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其在實(shí)際地震資料處理的過程中存在一些不足，尤其是針對當(dāng)前的復(fù)雜隱蔽型油氣藏勘探，不能作到真正的保真處理，容易損失有效信號。LIFT 去噪方法是將地震信號分解為信號模型和剩余信號，通過現(xiàn)有的噪聲壓制方法對剩余信號進(jìn)行去噪處理，得到剩余有效信號，再將這部分剩余有效信號和信號模型進(jìn)行合并重構(gòu)，得到去除噪聲后的完整有效信號。信號模型的建立是 LIFT去噪的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)地震信號的特點(diǎn)可以利用 AVO 反演方法、τ-p 變換方法、f-x 隨機(jī)去噪、多道平均值統(tǒng)計等方法建立信號模型。LIFT 去噪方法在去除噪音的過程中，能夠很好地保護(hù)有效信號的動力學(xué)特征(振幅，頻率等)，可以做到保真性處理，為后續(xù)的處理和偏移工作打下了良好的基礎(chǔ)。

圖7 LIFT去噪—高能噪聲壓制前后的疊加剖面效果分析圖Fig．7 LIFT de-noising effect of suppressing strong energy noise(a)高能噪聲壓制前疊加剖面；(b)高能噪聲壓制后疊加剖面；(c)去除的高能噪聲干擾

圖8 LIFT去噪綜合效果圖Fig．8 Comprehensive effect of LIFT de-noising(a)LIFT去噪前疊加剖面；(b)LIFT去噪后疊加剖面；(c)去除的噪聲干擾

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