可控震源記錄中的脈沖噪聲分析

賈海青，姜 弢，徐學純，葛利華，林 君，楊志超

1.吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 1300262.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 1300263.吉林大學地球科學學院，長春 130061

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可控震源記錄中的脈沖噪聲分析

賈海青1,2，姜 弢1,2，徐學純3，葛利華1,2，林 君1,2，楊志超1,2

1.吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130026
2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026
3.吉林大學地球科學學院，長春 130061

噪聲分析一直是地震資料信噪比得以改善的重要基礎方法?？煽卣鹪聪虻叵螺斎胨矔r低能量信號，易受到可控震源系統內部以及背景中的瞬時脈沖噪聲(如電噪聲、震動噪聲等)的干擾。用于提取有效信號的相關檢測方法將脈沖噪聲的干擾范圍擴大，嚴重影響了對可控震源有效信號的提取。為了從理論上分析脈沖噪聲對可控震源相關記錄的干擾，通過仿真實驗，系統分析了單點脈沖和多點脈沖噪聲對相關記錄中可控震源信號的干擾程度和特點。結果表明，可控震源相關記錄中的信號主要受脈沖噪聲強度、所在時間位置以及可控震源非相關記錄脈沖點數比例三方面因素影響，脈沖噪聲所占記錄的比例大于2.5%且平均強度高于100時，相關檢測后的可控震源信號會完全被噪聲淹沒。

可控震源；信噪比；相關檢測；脈沖噪聲

0 引言

在地震勘探[1]生產中，同傳統爆炸震源[2]相比，可控震源[3-7]由于具有安全、控制方便和作業(yè)效率高的優(yōu)勢，已成為目前地震勘探中重要的激發(fā)手段。

圖1 可控震源工作(a)及相關檢測(b)原理Fig. 1 Vibrator system operational principle (a) and correlated detection method (b)

可控震源通過向地下長時間輸入低能量掃頻信號，利用相關檢測技術將接收到的數據壓縮為克勞德(Klauder)子波[8]形式的有效信號。因此，可控震源的原始地震記錄存在兩種記錄形式：相關前的可控震源地震記錄和相關后類似于爆炸震源記錄的可控震源地震記錄[9]。在實際地震勘探中，隨機噪聲始終伴隨著地震數據的采集過程。在相同的噪聲條件下，可控震源相關前記錄和爆炸震源記錄的隨機噪聲是一樣的。爆炸震源所產生的子波信號能量強，隨機噪聲對其干擾的程度較弱，而且利用隨機噪聲的隨機分布特點就可以極大改善爆炸震源地震記錄的質量；而可控震源相關前記錄中的信號為掃頻信號，不能直接將爆炸震源的隨機噪聲壓制方法[10-11]應用到相關前記錄中。通過相關檢測[12-13]可以將相關前記錄轉換為相關記錄，但相關算子是非線性算子，在對可控震源相關前記錄進行相關檢測時，同時對其中的隨機噪聲進行了非線性運算，使得可控震源相關記錄中的隨機噪聲發(fā)生了非線性變化；因此，不能利用爆炸震源的隨機噪聲壓制方法。

當噪聲較弱時，相關檢測方法可以壓制大部分隨機噪聲。當噪聲較強或者存在一定量的強脈沖噪聲時[14]，相關檢測方法不僅難以壓制這些隨機噪聲和強脈沖噪聲，還會引起可控震源相關記錄的質量明顯變差。對于直接采集相關記錄的可控震源地震勘探而言，這些采集資料的質量難以保證。因此，可控震源中脈沖噪聲的分析就顯得尤為重要。

筆者通過數值模擬，系統分析脈沖噪聲在相關處理前后的特點，并研究脈沖噪聲對可控震源地震記錄的干擾程度，為可控震源記錄中脈沖噪聲的檢測及處理[15-16]提供理論依據。

1 可控震源相關的檢測原理及方法

可控震源勘探[17]通過向地下輸入一個長時間的線性掃頻地震波信號，在地下介質中傳播后，利用采集系統進行長時間的記錄。這種未經過相關的地震記錄是可控震源最原始的地震記錄(圖1)。

設u(t)為可控震源掃描信號：

式中：A為掃描信號振幅；f1和f2分別為掃描起始頻率和終止頻率；t為時間；T為掃描時間長度。

由于可控震源激發(fā)的地震波u(t)持續(xù)時間T遠大于地下各反射界面之間的反射時差，相關前的各種信號都是以掃描信號u(t)的模式體現，不同的信號相互疊加以至于難以直接分辨有效信號的類型。但由于u(t)滿足確定的函數關系式，通過將原始可控震源地震記錄s(t)與掃描信號u(t)進行互相關，就可實現對信號的壓縮(圖1)，即

D(t)=s(t)?

其中：D(t)為子波形式的地震記錄；?為相關算子。

對各向同性層狀模型的地下介質而言，采集信號中通常包含多種有效信號，這里僅以單個反射波為例。在不考慮外界噪聲干擾的情況下，檢波器接收到的信號s(t)=u(t-tp)，tp為反射波到時，則

D(t)=s(t)?u(t)=u(t-tp)?

2 脈沖噪聲對可控震源地震記錄的干擾

在實際可控震源地震勘探中，地震記錄中伴隨的隨機電脈沖、微震、強外源噪聲等表現為持續(xù)時間短、相對地震信號幅度大的特點，根據脈沖噪聲在地震記錄中延續(xù)的采樣點數可分為單點脈沖噪聲和多點脈沖噪聲，兩種脈沖噪聲隨采樣率的不同可互相轉換。將脈沖持續(xù)長度為一個采樣點的脈沖噪聲定義為單點脈沖噪聲。此外，單點脈沖噪聲進行高采樣率采樣時，就轉化為多點脈沖噪聲,多點脈沖噪聲又可以視為多個單點脈沖噪聲的集合。在提取可控震源地震記錄中的有效信號時，需要用到相關算子，加載到地震記錄中的各種脈沖噪聲經過非線性的相關運算后，產生了不可預期的變化。本文主要通過仿真實驗，分析單點和多點脈沖噪聲在相關檢測后對有效信號的干擾。

2.1 單點脈沖

令S(t)為含單點脈沖噪聲的可控震源地震記錄，則

以可控震源掃描信號u(t)為相關參考信號，S(t)經相關處理即得相關域數據D(t)：

D(t)=S(t)?u(t)=S(t)*u(-t)=

(u(t-tp)+an(t-t1))*u(-t)=

u(t-tp)*u(-t)+an(t-t1)*u(-t)=

式中，*為卷積算子。令

則

由式(7)可以看出，數據D(t)由兩部分組成：DS(t)是有效反射波；DN(t)是脈沖噪聲N(t)引起的干擾，其特點是將參考信號u(t)翻轉移位t1時間，干擾振幅放大a倍，因而引起的干擾范圍擴大?？煽卣鹪磾祿南嚓P過程使得數據存在正向數據和負向數據，正向數據是所需的有效數據[18]。由公式(6)可知：當t1≤T時，干擾范圍為0～t1；當t1>T時，干擾范圍為(t1-T)～t1。

令u(t)中的A=1，f1=10 Hz，f2=100 Hz，T=5 s，采樣間隔為1 ms，由公式(1)得到震源的線性升頻控制信號如圖2a所示；圖2b為t1=2.5 s、a=1的單點脈沖；圖2c為圖2a中的線性升頻控制信號與圖2b中的脈沖信號的相關結果；圖2d和圖2e分別為圖2a和圖2c的時頻圖。對比圖2a和圖2c以及圖2d和圖2e可以明顯看出，單點脈沖信號在相關后引起的干擾實際上相當于將參考信號反轉移位后的結果。定義頻率的變化梯度[19]G=(f2-f1)/T，則u(t)的頻率變化梯度為18 Hz/s。因此，單點脈沖干擾后的頻率變化梯度為-18 Hz/s。由公式(6)可知，DN(t)的截止頻率等于u(t)的初始頻率f1，其對應的時刻為單點脈沖所在時刻，因此可以計算圖2c中0～2.5 s內任意點的噪聲頻率，0 s處的頻率為65 Hz。噪聲的干擾范圍由單點擴大為0～2.5 s。

下面從單點脈沖的強度a和出現時刻t1來定量分析這種干擾程度。

設可控震源掃描信號振幅為A，時間長度為T，采樣間隔為ts，由相關運算可得有效信號的最大幅度為Amax=AT/(2ts)，則單點脈沖對可控震源相關后的記錄信號完全覆蓋的最小幅度即為Amax。

采用上述u(t)參數，令a=0、500、1 000、1 500、2 000、2 500，tp=1 s，t1=2.5 s，ts=1 ms，T=5 s。此時Amax=2 500，得到相關域單道數據模擬結果如圖3所示。

a. 線性升頻(10～100 Hz)chirp信號；b. 單點脈沖信號；c. chirp信號與單點脈沖信號相關結果；d. a圖信號時頻圖；e.c圖信號時頻圖。圖2 單點脈沖噪聲在相關域中的干擾Fig.2 Interference of one-point pulse in the correlated field

在本文中，筆者選取時窗長度為0.04 s，采用能量疊加法[20]求取信噪比：

式中：ES為信號功率；EN為噪聲功率。

圖3 單點脈沖噪聲強度a對相關后數據干擾Fig.3 Interference with the amplitude of one-point pulse inference in the correlated data

從圖3和表1中可以看出，不同脈沖噪聲強度的單點脈沖對相關后的有效信號干擾程度不同，脈沖噪聲強度越大，干擾有效信號的程度就越強。由表1可以直觀地看出：當a為1 500時，單點脈沖已經對有效信號產生了較強的干擾，信噪比為-1.42 dB；當a為2 500時，有效信號幾乎被噪聲淹沒，信噪比降低至-5.89 dB。由此可見，當單點脈沖的強度a大于Amax的60%時，有效信號就會受到較強的干擾，以至于難以提取到有效信號。

脈沖噪聲對可控震源地震數據的干擾不僅與a有關，還與t1有關。令a=1 500，tp=1 s，t1分別等于0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5、5.5、6.0 s，單點脈沖噪聲的時間位置對相關域數據的干擾如圖4所示。

圖4直觀地反映了DN(t)隨t1的變化：當t1≤T時，單點脈沖噪聲對可控震源地震數據的干擾時間長度隨t1的增加而線性增加，受到單點脈沖干擾的時間范圍為0～t1；當t1>T時，單點脈沖噪聲對可控震源地震數據的干擾時間長度不變，為(t1-T)～t1。表2為受不同t1的單點脈沖干擾后的信噪比。圖4和表2表明不同到時的單點脈沖對信號的干擾程度不同：當tp>t1或者tp<(t1-T)時，單點脈沖對信號幾乎沒有干擾；當信號的到時t1

圖4 單點脈沖噪聲的時間位置對相關域數據的干擾Fig.4 Interference of the one-point pulse’s time position in the correlated data

Table 1 Signal-to-noise ratio with different intensities of one-point pulse in the correlated field

aSNR/dB(a/Amax)/%0不受噪聲干擾05008.332010002.16401500-1.42602000-3.94802500-5.89100

2.2 多點脈沖

實際數據的脈沖噪聲經常表現為一個或者多個具有一定延續(xù)度的多個單點脈沖噪聲的集合，即多點脈沖噪聲。下面從理論上分析多點脈沖對可控震源地震記錄的干擾。

表2 單點脈沖噪聲的時間位置對相關域數據的干擾范圍及信噪比

Table 2 Signal-to-noise ratio and inference range with different time positions in the correlated data

t1/sSNR/dB干擾范圍/s0.5不受噪聲干擾0～0.51.51.220～1.52.52.160～2.53.52.180～3.54.52.040～4.55.01.940～5.05.52.100.5～5.56.02.251.0～6.0

由多點脈沖噪聲定義，多點脈沖噪聲可表示為

式中：m為多點脈沖采樣點數；ti為多點脈沖第i點處脈沖出現的時刻(ti

以震源控制信號為相關參考道，S(t)經相關處理即得相關域數據D(t)：

D(t)=S(t)*u(-t)=

則

對比公式(6)和公式(10)可知，多點脈沖對可控震源地震記錄的干擾DNp(t)實際上是多個單點脈沖對可控震源地震記錄的干擾DN(t)的線性疊加。

a. 1個10點脈沖信號(3 s處)；b. 參考信號與1個多點脈沖信號相關；c. 2個10點脈沖信號(3 s和4 s處)；d. 參考信號與2個多點脈沖信號相關。圖5 多點脈沖噪聲在相關域中的干擾Fig. 5 Interference of multi-point pulse noise in the correlated field

對比公式(6)、公式(10)和公式(11)可知，采樣點數為nq、平均強度為a的脈沖噪聲對相關后0～t1時間內數據的干擾程度最大可以達到脈沖強度為a的單點脈沖噪聲對相關后結果干擾的nq倍。

考慮更符合實際的情況，根據系統和環(huán)境噪聲是隨機的，且服從正態(tài)分布[21]，構造時間位置和噪聲強度都服從正態(tài)分布的隨機脈沖噪聲，相關檢測結果如圖6所示。

圖6 脈沖平均強度為100時不同脈沖點數比例的相關疊加結果Fig. 6 Correlation results with different point scales when a=100

圖6中的相關參考信號為震源激發(fā)信號，表3為圖6信噪比數據。由圖6可以直觀看出，相關檢測后噪聲的平均強度和干擾程度，總體上隨q增加而加強。當a≥100、脈沖噪聲比例超過記錄點數的2.5%時，SNR小于0，信號淹沒于噪聲中。

為了更準確地分析q的干擾情況，針對上述仿真數據，可以得到相關后信噪比隨脈沖噪聲點數比例q變化曲線(圖7)。由圖7可以看到，脈沖噪聲在相關域的干擾導致SNR隨q的增加整體上先降低而后升高，在1.92%

下面分析多點脈沖的a對相關后結果的干擾程度。令q=1.5%，a=0、10、50、100、200、400、600、800和1 000，其相關檢測結果如圖8所示。表4為圖8中不同脈沖平均強度的信噪比數據。

表3 脈沖點數比例變化對信噪比的干擾

Table 3 Signal-to-noise ratio with different point scales whena=100

q/%SNR/dB0.1714.870.678.911.502.412.50-1.706.67-2.8511.66-4.2920.00-5.5633.33-10.9149.99-9.9066.66-6.0283.32-3.74

圖7 信噪比隨脈沖噪聲點數比例的變化Fig.7 Signal-to-noise ratio with different point scales

由圖8和圖3可以看出：多點脈沖噪聲在相關域引起的噪聲干擾和單點脈沖噪聲引起干擾的現象一樣，a愈大，引起的干擾愈強；當脈沖噪聲的比例達到記錄的1.5%、脈沖平均強度a超過200時，SNR小于0，有效信號被噪聲淹沒。

圖8 q=1.5%時不同的脈沖平均強度相關疊加結果Fig.8 Correlation results with different mean intensities when q=1.5%

同時，為了準確分析脈沖平均強度的干擾程度，針對圖8數據計算得到信噪比隨脈沖平均強度的變化曲線(圖9)。由圖9可得：在多脈沖噪聲的干擾下，可控震源相關記錄的SNR隨a的增加單調減小。整個曲線先快速減小，而后緩慢變化，說明平均強度對信噪比的干擾由強變弱；SNR約為0時對應的a為132，當a大于132時，SNR小于0，信號完全被噪聲淹沒。

表4q=1.5%時不同脈沖平均強度的信噪比

Table 4 Signal-to-noise ratio with different mean intensities whenq=1.5%

aSNR/dB1022.89508.911002.88200-3.13400-9.15600-12.67800-15.171000-17.11

圖9 信噪比隨平均強度的變化曲線Fig. 9 Signal-to-noise ratio with different mean intensities

3 結論

通過上述研究，可以得到以下認識：

1)相關檢測方法不僅難以壓制可控震源非相關域記錄中的脈沖噪聲，而且將脈沖噪聲的干擾程度擴大化。

2)可控震源非相關域記錄的脈沖噪聲對可控震源相關記錄的干擾程度主要與脈沖噪聲強度、所在時間位置以及可控震源非相關記錄脈沖點數比例三方面因素有關。

因此，無論在野外進行可控震源數據采集還是對可控震源數據進行相關處理時，都應該首先進行脈沖噪聲控制或壓制，減弱隨機脈沖噪聲對有效信號的干擾，以保證良好的可控震源數據質量。

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Analysis of the Pulse Noise in Seismic Vibrator Record

Jia Haiqing1,2, Jiang Tao1,2, Xu Xuechun3, Ge Lihua1,2, Lin Jun1,2, Yang Zhichao1,2

1.KeyLaboratoryofGeo-ExplorationInstrumentationofMinistryofEducation，JilinUniversity，Changchun130026，China2.CollegeofInstrumentScienceandElectricalEngineering，JilinUniversity，Changchun130026，China3.CollegeofEarthSciences，JilinUniversity，Changchun130061，China

Noise analysis is always the important basic method to improve the signal-to-noise ratio of seismic data. Seismic vibrator system emits instantaneous low energy to the underground, so its record is easier to be disturbed by the pulse noise from interior of vibrator system and background. The cross-correlation detection method, which is used to pick signals, can not suppress this kind of noise, and it even widen the noise level seriously. To study pulse noise interference, the authors analyze the impact and characteristics of the record by the single pulse and multi-point pulse noise in theory and simulation. The results showed that the interference is mainly depended on the strength of the impulse noise, the position time and proportion of pulse noise. When 2.5% pulse noise is mixed into vibrator non-correlated data with average intensity is 100, the vibrator signal would be submerged in correlated data.

vibrator; signal-to-noise ratio (SNR); correlated detection; pulse noise

10.13278/j.cnki.jjuese.201501304.

2014-07-20

國家重大科技專項項目(SinoProbe-09-06 201011083，SinoProbe-09-04 201011081，201311197)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20110061110053)

賈海青(1987——)，男，博士研究生，主要從事可控震源技術及地震信號處理研究，E-mail:jiahq13@mails.jlu.edu.cn

姜弢(1969——)，女，教授，博士生導師，主要從事地震儀器及信號處理研究，E-mail:jiang_t@jlu.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501304

P631.4

A

賈海青，姜弢，徐學純，等. 可控震源記錄中的脈沖噪聲分析.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(1):302-311.

Jia Haiqing, Jiang Tao, Xu Xuechun, et al. Analysis of the Pulse Noise in Seismic Vibrator Record.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):302-311.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501304.