地震面波去噪應(yīng)用型綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王保麗，印興耀，張廣智

（中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

教育部“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”（簡稱“卓越計(jì)劃”）是促進(jìn)我國由工程教育大國向工程教育強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的重大舉措［1－3］。中國石油大學(xué)（華東）勘查技術(shù)與工程專業(yè)是國家第一批“卓越計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)，旨在為石油石化行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的卓越石油工程師［4－5］。作為該專業(yè)的核心課程，“信號分析與處理”在人才培養(yǎng)體系中占有十分重要的地位。新形勢下，“信號分析與處理”教學(xué)如何改革和調(diào)整，以適應(yīng)“卓越計(jì)劃”的要求，已成為相關(guān)教育工作者的工作重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)實(shí)踐能力的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)，也是“卓越計(jì)劃”的重要教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容［6－12］。本文根據(jù)卓越計(jì)劃的要求與特點(diǎn)，結(jié)合中國石油大學(xué)（華東）勘查技術(shù)與工程專業(yè)的本科人才培養(yǎng)目標(biāo)，將與專業(yè)知識聯(lián)系密切的實(shí)際應(yīng)用題目引入該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了“地震面波去噪應(yīng)用型綜合實(shí)驗(yàn)”。該實(shí)驗(yàn)不僅需要信號分析與處理的相關(guān)理論知識，更與后續(xù)專業(yè)知識密切結(jié)合，在鍛煉學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力前提下，更能為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法原理

面波是地震勘探中一種廣泛存在的規(guī)則干擾波，一般在炮集上呈線性分布，具有能量強(qiáng)、頻率低、視速度低等特點(diǎn)［13］。根據(jù)面波的這種特性可以借助信號分析理論中變換域的思想對其進(jìn)行處理，即將面波由時間域轉(zhuǎn)換到變換域，根據(jù)其在變換域的特點(diǎn)，在保護(hù)有效反射波的前提下進(jìn)行面波的去除。二維小波變換只具有點(diǎn)奇異的特性，對處理具有線性特性的面波噪聲存在不足，從而無法表達(dá)圖像邊緣的方向特性［14］。curvelet（曲波）變換利用“楔形基”逼近曲線的奇異點(diǎn)，具有更好的方向性［15］。curvelet變換包含粗尺度和精細(xì)尺度下的成分，粗尺度下的curvelet變換不具有方向性，整個curvelet變換可以看作是由精細(xì)尺度下的方向元素和粗尺度下各向同性的小波組成。curvelet變換的尺度按照頻率由低到高劃分為最內(nèi)層的coarse層，中間的detail層，最外層的fine層，每個尺度上的方向劃分為從方向1（箭頭所指楔形為該尺度的方向1）順時針旋轉(zhuǎn)依次為方向2，3，…，N，每個方向由相應(yīng)頻率的曲波系數(shù)組成［15－16］，其示意圖如圖1所示。

圖1 曲波變換的尺度方向分割圖

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

地震數(shù)據(jù)中有效反射波和面波的傳播方向不同，利用curvelet變換將地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到curvelet域，在不同的尺度和方向上，地震有效反射波和面波的能量和分布各有不同，面波系數(shù)在detail和fine層上的低頻高波數(shù)區(qū)域有較大的值，在其他區(qū)域系數(shù)基本為零，這與有效反射波在曲波域的分布基本相反。利用二者在曲波域基本不重疊的特性，在含面波的curvelet域?qū)γ娌ㄟM(jìn)行有效壓制，對不含面波的區(qū)域不作處理，從而達(dá)到最大限度地壓制面波、保護(hù)有效反射波信號的目的。該綜合性實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）curvelet變換。應(yīng)用curvelet變換對含面波的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分析，將地震數(shù)據(jù)分解為不含面波的尺度和含面波尺度。

（2）方向確定。根據(jù)面波和有效反射波視速度的分布特點(diǎn)，對含面波的各個尺度進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，確定面波所在的方向，得到初始的面波系數(shù)，將不含面波的尺度和方向上的數(shù)據(jù)設(shè)定為初始的有效波數(shù)據(jù)。

（3）閾值去噪。對僅含面波的區(qū)域進(jìn)行迭代閾值處理，得到只含有效反射波信號的數(shù)據(jù)和面波數(shù)據(jù)。

（4）曲波反變換。對不含面波的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲波反變換，得到去噪后的地震數(shù)據(jù)，即有效反射波數(shù)據(jù)。

綜合實(shí)驗(yàn)具體流程圖如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

圖2 綜合實(shí)驗(yàn)流程圖

該應(yīng)用型綜合實(shí)驗(yàn)對實(shí)際的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試與分析。圖3為原始地震數(shù)據(jù)的多尺度分解圖，尺度范圍為1～6。在不同的尺度下面波的強(qiáng)度和分布各有不同，尺度1～2的數(shù)據(jù)能量小，不包含面波，對其不作處理。對含面波數(shù)據(jù)的尺度3～6進(jìn)行多方向分解，分別分解為64方向、128方向和256方向。根據(jù)面波的視速度范圍確定curvelet域面波的角度方向，對僅含面波的區(qū)域進(jìn)行迭代閾值處理，逐步更新面波的curvelet系數(shù)，并作置零處理，得到各尺度只含有效反射波信號的數(shù)據(jù)如圖4所示。將去噪后的各尺度數(shù)據(jù)和不含面波的尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，即可得到有效反射波。

圖5是利用不同方法去除的面波數(shù)據(jù)對比，圖5（a）為面波所在區(qū)域的原始數(shù)據(jù)，圖5（b）為FK濾波法去除的面波，圖5（c）為curvelet方法去除的面波。從圖5（c）中可以看到，本實(shí)驗(yàn)有效地去除了面波，并且基本上不含有效反射波的剩余，而在FK濾波法去除的面波中，如圖5（b）中的橢圓區(qū)域明顯可見有效反射波。

4 實(shí)驗(yàn)拓展

要求學(xué)生在完成該綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容之后，發(fā)揮自己的想象力，突破實(shí)驗(yàn)本身的限制，進(jìn)一步深入和擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深入分析。在完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之后，學(xué)生要對實(shí)驗(yàn)原理方法進(jìn)行深入的思考，將編程實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行不同參數(shù)的調(diào)整測試，分析不同參數(shù)對程序的影響，加深對理論知識的理解。

（2）隨機(jī)噪聲的壓制。學(xué)生借鑒該實(shí)驗(yàn)面波噪聲的壓制思想，分析地震資料中其他隨機(jī)噪音的特點(diǎn)，利用信號理論知識進(jìn)行隨機(jī)噪聲的壓制。

（3）地震信號的時頻分析。學(xué)生將傅里葉變換的相關(guān)理論知識應(yīng)用于實(shí)際地震資料的分析，對地震信號進(jìn)行頻率域的分析，深入體會地震信號在時頻域的不同特點(diǎn)，進(jìn)一步鍛煉應(yīng)用理論知識分析解決實(shí)際問題的能力。

圖3 原始地震數(shù)據(jù)的多尺度分解圖

圖4 去噪后的各尺度數(shù)據(jù)

圖5 不同方法去除的面波數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)束語

本文提出的應(yīng)用型綜合實(shí)驗(yàn)以解決實(shí)際工程問題為解決目標(biāo)，以課程的基本理論和重要知識點(diǎn)的綜合運(yùn)用為訓(xùn)練重點(diǎn)。通過教師對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生在問題、方法以及所學(xué)知識之間建立聯(lián)系，有計(jì)劃有步驟地解決問題，為學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識、尋求實(shí)施對象和解決方案提供了有效的驅(qū)動力和真實(shí)的實(shí)踐載體。實(shí)踐結(jié)果表明，該綜合性實(shí)驗(yàn)不僅可以幫助學(xué)生鞏固所學(xué)理論知識，而且激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考問題、靈活運(yùn)用知識的能力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)。近2年，在應(yīng)用型綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和支撐下，勘查技術(shù)與工程專業(yè)的4位學(xué)生分別獲2013年和2014年全國大學(xué)生勘探地球物理大賽一等獎和特等獎。

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