點源干擾的形態(tài)學降噪技術(shù)

段中鈺,王潤秋,路長革,張曉磊,王云雷

(1.北京信息科技大學信息與通信工程學院,北京100101;2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;3.保利協(xié)鑫石油天然氣集團控股有限公司,北京100010;4.中國石油天然氣集團公司東方地球物理勘探有限責任公司國際勘探事業(yè)部,河北涿州072751)

點源干擾的形態(tài)學降噪技術(shù)

段中鈺1,王潤秋2,路長革2,張曉磊3,王云雷4

(1.北京信息科技大學信息與通信工程學院,北京100101;2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;3.保利協(xié)鑫石油天然氣集團控股有限公司,北京100010;4.中國石油天然氣集團公司東方地球物理勘探有限責任公司國際勘探事業(yè)部,河北涿州072751)

摘要:海上地震勘探采集資料中的點源干擾能量強,橫向變化幅度小且出現(xiàn)位置不固定,極大地影響了海上地震資料的成像質(zhì)量和解釋精度。采用了基于形態(tài)學的噪聲壓制技術(shù)對點源干擾進行處理,設計了形態(tài)學濾波器分離點源噪聲和有效信號,實現(xiàn)了點源干擾的壓制。采用該方法對模擬地震資料和海上實際地震資料進行處理,并與傳統(tǒng)的F-K去噪方法進行了對比,結(jié)果表明該方法在成功壓制點源繞射干擾的同時,能夠較好地保留原始地震信號的低頻信息,完全恢復了信號與噪聲重疊處的有效信號振幅。處理過程中,該方法不受隨機噪聲的影響,具有很強的抗隨機噪聲能力。

關(guān)鍵詞：形態(tài)學;噪聲壓制;線性噪聲;雙曲干擾;點源繞射

海洋油氣資源豐富,根據(jù)第3次石油資源評價結(jié)果,目前我國石油資源量為1072.7×108t,其中海洋石油資源量為246.0×108t,占總量的22.9%,我國海洋石油資源探明率為12.1%,遠低于世界平均的73.0%探明率和美國的75.0%探明率,因此我國的海洋油氣資源潛力巨大,勘探前景良好。

海上地震勘探中多次波和點源干擾是海洋地震記錄中最常見的噪聲,這兩類噪聲一直沒有得到有效的壓制[1]。點源干擾是海上地震資料采集過程中海上平臺、船只、崎嶇障礙物或地形不連續(xù)等因素引起的能量較強的噪聲信號[2]。根據(jù)點源干擾波傳播的時距曲線方程,可以將點源干擾分為線性干擾和雙曲干擾。當干擾點源與采集電纜在同一直線時,記錄的點源干擾為線性干擾。當干擾點源與采集電纜不在同一直線上時,點源干擾時距曲線為雙曲線,稱為雙曲干擾。點源干擾屬于規(guī)則干擾波,具有干擾能量強,頻率與有效信號重疊,干擾源位置不確定,干擾信號可以出現(xiàn)在時域內(nèi)任何位置,時距曲線可以是直線也可以是雙曲線,以及具有束狀、簇狀的特點[3]。由于點源干擾與有效信號的頻帶范圍基本一致,振幅強于有效波,雙曲干擾的反射波同相軸與地震反射波的時距曲線特征一致,因此點源干擾的壓制難度很大。點源干擾波在水中傳播時能量衰減緩慢,干擾分布范圍很大,因而影響速度的拾取,降低了地震資料的分辨率,對地震數(shù)據(jù)的成像質(zhì)量和可靠性影響巨大[4]。很多學者根據(jù)兩類干擾的傳播特征進行了點源干擾壓制方法的研究和處理[5-7]。LANDA等[8]提出了一種在常規(guī)偏移剖面上檢測繞射波的方法。FOOKES等[9]提出了視覺處理和模式識別壓制這類干擾的方法。GULUNAY等[10]提出了使用繞射點掃描壓制海底繞射波干擾方法。牛華偉等[11]采用分頻振幅衰減法壓制涌浪干擾、地震船干擾及強能量低頻和高頻干擾。李景葉等[3]和甘其剛等[12]采用基于f-x域預測濾波方法壓制線性干擾,通過模擬預測點源的干擾波,與實際地震資料進行匹配相減達到壓制雙曲干擾的目的。武克奮[13]采用基于拉冬變換雙向預測模型的方法壓制線性干擾。CHOO等[14]、李來林等[15]和萬歡等[16]提出了線性干擾濾波技術(shù)(linear interference filter technique,LIFT)去噪方法,在不同的信噪級別實現(xiàn)多次信噪分離和去噪。王潤秋等[17]利用地震波形態(tài)的差異采用形態(tài)濾波方法壓制地震記錄中的野值脈沖噪聲。段中鈺等[18]和劉偉等[19]采用多尺度形態(tài)學分解和數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法去除了炮集上的面波。本文根據(jù)形態(tài)學降噪的原理,沿著點源時距曲線軌跡同相軸方向開取時窗,設計形態(tài)學濾波器將時窗內(nèi)點源噪聲分離出來,將去除掉點源噪聲后的數(shù)據(jù)恢復到地震信號中,從而實現(xiàn)點源干擾的壓制。該方法對多信號重疊處分離效果好,具有很好的振幅保真性。此外,該方法還能夠很好地保留原始信號的低頻。

1形態(tài)學降噪基本原理

數(shù)學形態(tài)學是一種圖像和信號處理方法,基本運算有4種：膨脹、腐蝕、開啟和閉合,它們的組合成為一種復雜的圖像處理技術(shù)[20-22]。王潤秋等[17]提出了形態(tài)學在地震數(shù)據(jù)處理應用中的理論依據(jù)。利用該技術(shù)選擇具有特定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素對目標信號進行變換、量度和提取其中的對應形狀,識別和簡化信號數(shù)據(jù),并且保持信號的基本形狀特征,排除不相干的信號結(jié)構(gòu)。該方法能夠保證在壓制噪聲的同時對有效信號的影響很小。假設原始地震數(shù)據(jù)為f(z),結(jié)構(gòu)元素函數(shù)為g(z)。膨脹算子的運算符表示為“⊕”。利用結(jié)構(gòu)元素g膨脹數(shù)據(jù)可表示為f⊕g,即：

(1)

腐蝕算子的運算符表示為“Θ”。利用結(jié)構(gòu)元素g腐蝕數(shù)據(jù)可表示為fΘg,即：

(2)

開啟和閉合是基于腐蝕與膨脹的運算。開啟運算對信號進行先腐蝕后膨脹,運算符表示為“°”;閉合運算是對信號進行先膨脹后腐蝕,運算符表示為“·”。開啟和閉合的運算表達式為：

(3)

(4)

壓制的噪聲F可以由公式(5)計算得到:

(5)

公式(5)中,對信號進行先閉合后開啟和先開啟后閉合運算求平均,所起作用相當于對信號進行了兩次平滑,具有去除毛刺的效果。圖1為運用形態(tài)學采用半圓形的結(jié)構(gòu)元素對折線信號進行開啟和閉合的運算效果。圖2的信號為正弦信號與高頻雷克子波之和,其中正弦信號為有效信號,雷克子波為要壓制的噪聲,通過對信號進行開閉與閉開運算求平均,能夠有效地去除掉噪聲。在圖2中A,B兩點的位置既包含信號又包含噪聲。

圖1　形態(tài)學開閉運算效果a 折線信號; b 開啟運算; c 閉合運算; d 結(jié)構(gòu)元素; e 開閉運算

圖2　開閉形態(tài)學運算基礎(chǔ)

根據(jù)以上形態(tài)學去除線性噪聲的基本原理,我們將其拓展到點源噪聲的分離和壓制中,其點源壓制的方法原理用模型數(shù)據(jù)處理過程加以說明。

2模型數(shù)據(jù)驗證

圖3a是含有線性點源干擾的合成記錄的理論模型。模型共包括3個同相軸,分別為雙曲線形態(tài)的信號、具有一定傾斜角度的噪聲以及直線噪聲(圖中紅色方框所示)。圖3展示了形態(tài)學濾波的過程：首先確定噪聲的區(qū)域,其次沿著噪聲同相軸方向開取一個時窗,將要壓制的噪聲包含其中,此處將水平同相軸作為線性干擾進行分離,然后在這個時窗內(nèi)沿著道集方向(圖3a中黑色箭頭方向)執(zhí)行開啟運算和閉合運算,在A點與B點處的處理情形與圖2中A,B兩點同理,完整過程見圖3。執(zhí)行形態(tài)學運算濾波后使得圖3a紅色方框內(nèi)的線性噪聲與其它信號完全分離,成為圖3c和圖3d所示的兩部分,且相互之間不影響。最后將去除噪聲

圖3　線性干擾的形態(tài)學降噪過程a 理論模型; b 包含噪聲的時窗; c 線性噪聲; d 分離出時窗內(nèi)信號; e 形態(tài)濾波結(jié)果

后的地震數(shù)據(jù)(圖3d)恢復到地震信號中,結(jié)果如圖3e所示。

圖4a是含有雙曲點源干擾的合成記錄的理論模型。首先沿著雙曲噪聲同相軸方向開取一個雙曲型的時窗(圖4b),然后將時窗內(nèi)的噪聲水平拉平(圖4c),此處產(chǎn)生一個校正量,執(zhí)行形態(tài)學運算濾波使得線性噪聲與其它信號分離,然后應用校正量恢復噪聲和信號到原來的位置,即可得到噪聲剖面(圖4d)和噪聲被壓制后的剖面(圖4e)。

從點源干擾的合成記錄模擬處理結(jié)果可知,該方法能夠有效壓制點源干擾,沒有對信號和其它線性噪聲產(chǎn)生影響,是一種有效的線性降噪技術(shù)。研究外源干擾的特點和形態(tài)學降噪方法發(fā)現(xiàn),形態(tài)學降噪技術(shù)在壓制能量隨偏移距變化不大的噪聲時優(yōu)勢突出;其次,能夠壓制的噪聲類型是直線型噪聲或任何可以轉(zhuǎn)化為直線型的噪聲;如果噪聲是雙曲點源干擾,其與一次波的頂點應在不同的位置。

在實際的地震采集記錄中都含有一定的隨機噪聲,因此任何地震資料處理方法的抗隨機噪聲的性能也是衡量處理方法優(yōu)劣的重要因素。在含有線性干擾的模型中加入隨機噪聲(圖5a),信噪比為3,從圖5b降噪效果來看,線性干擾被完全濾除,隨機噪聲依然存在,形態(tài)學壓制點源干擾技術(shù)具有良好的抗隨機噪聲的能力。

圖4　形態(tài)學壓制雙曲型點源干擾過程a 雙曲點源干擾模型; b 開啟雙曲型時窗; c 校平點源干擾; d 歸位點源干擾; e 降噪后信號

圖5　加入隨機噪聲的理論模型(a)與形態(tài)學降噪結(jié)果(b)

3實際資料驗證

3.1單炮記錄上的降噪效果分析

前文通過不同的模型資料驗證了形態(tài)學降噪技術(shù)的可靠性和可行性,下面采用實際海洋采集的地震資料說明該方法的應用效果。針對海上地震單炮記錄進行了疊前濾波降噪處理,將目前廣泛使用且較為有效的F-K濾波方法和形態(tài)學降噪方法進行對比。圖6a為原始單炮記錄,可以清楚地看到在剖面上存在兩個點源干擾,點源干擾具有束狀、簇狀的特點。圖6b是F-K濾波的結(jié)果：上部干擾壓制效果較好,但造成了空間假頻;在深部通過放大還能看見噪聲,并且造成振幅局部缺失,部分有效信號也被削弱,破壞了振幅的相對關(guān)系。圖6c 是形態(tài)學降噪的結(jié)果,可見,該方法能夠有效去除點源干擾,而且能夠保持有效信號與干擾交疊處的連續(xù)性。圖7a,圖7b和圖7c分別是對圖6a,圖6b,圖6c的地震單炮記錄的深層局部放大結(jié)果。圖7d,圖7e和圖7f分別為其對應的頻譜。分析圖7中紅色時窗內(nèi)資料的頻譜發(fā)現(xiàn),在頻率為5Hz的位置,原始信號的峰值是42(圖7d),F-K濾波后的峰值為31(圖7e),而形態(tài)降噪方法的峰值保持在41(圖7f),說明F-K濾波壓制了低頻信息,形態(tài)學方法能夠很好地保持原始信號的低頻信息,而地震資料的低頻信息對于地震巖性預測和解釋是非常重要的。此外,分析頻譜結(jié)果可知,在頻率為50Hz附近,原始信號的峰值約為39(圖7d),F-K濾波后的峰值為24(圖7e),形態(tài)降噪后的峰值為37(圖7f),可見,形態(tài)降噪方法具有更好的保幅性。綜合對比分析結(jié)果可知,形態(tài)學降噪方法對信號幾乎沒有損傷,總體上優(yōu)于F-K濾波法。

圖6　海上單炮記錄的F-K濾波和形態(tài)學降噪后的結(jié)果a 原始單炮記錄; b F-K濾波后的單炮記錄; c 形態(tài)降噪后的單炮記錄

圖7　地震單炮數(shù)據(jù)(局部放大)及其頻譜a 原始地震單炮記錄;b F-K濾波的數(shù)據(jù);c 形態(tài)降噪的數(shù)據(jù);d 原始地震單炮頻譜;e F-K濾波數(shù)據(jù)的頻譜;f 形態(tài)降噪數(shù)據(jù)的頻譜

3.2疊后數(shù)據(jù)降噪效果分析

圖8顯示了形態(tài)學降噪技術(shù)效果。圖8a為海上地震資料的疊后處理剖面。從圖8a 中可以清楚地觀察到帶狀干擾,這些帶狀噪聲降低了同相軸的連續(xù)性,嚴重影響了剖面的成像質(zhì)量。圖8b為采用形態(tài)學降噪技術(shù)壓制點源干擾后的效果,可以清楚看到同相軸的連續(xù)性顯著增強。圖8c為形態(tài)學降噪方法壓制的點源干擾噪聲剖面。對比形態(tài)學降噪前、后的剖面可以發(fā)現(xiàn),該方法能夠改善地震資料處理剖面的成像質(zhì)量,提高地震解釋的精度。

圖8　形態(tài)學降噪技術(shù)效果a 原始地震數(shù)據(jù)疊加剖面; b 形態(tài)濾波后的地震疊加剖面; c 壓制的噪聲剖面

4結(jié)束語

點源干擾的形態(tài)學降噪技術(shù),對包含點源噪聲的時窗內(nèi)的信號進行形態(tài)學運算,設計形態(tài)學濾波器將點源噪聲分離出來。該技術(shù)能夠壓制直線型噪聲或任何可以轉(zhuǎn)化為直線型的噪聲,對隨偏移距能量變化不大的噪聲壓制效果突出,并具有很強的抗隨機噪聲的能力。對出現(xiàn)位置不固定的點源干擾有較好的壓制效果,同時不會對有效信號和其它類型噪聲產(chǎn)生影響,該方法在時間域進行濾波,解決了信號和噪聲在頻率域很難分離的難題,并且避免了傳統(tǒng)方法容易損失有效頻率信號的問題。從模型數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的處理結(jié)果可以看出,形態(tài)學降噪方法明顯提高了同相軸的連續(xù)性,同時很好地保留了原始地震信號的低頻信息,具有很好的振幅保真性。

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(編輯：顧石慶)

The morphologic noise attenuation technology for point source diffracted interference

DUAN Zhongyu1,WANG Runqiu2,LU Changge2,ZHANG Xiaolei3,WANG Yunlei4

(1.InformationandCommunicationEngineeringInstitute,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100101,China;2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;3.POLY-GCLPetroleumGroupHoldingsLimited,Beijing100010,China;4.BGPInternational,CNPC,Zhuozhou072751,China)

Abstract:The point source diffracted interference in marine seismic data has the characteristics of large energy,narrow lateral variation and non-fixed position,which greatly affect the imaging quality and interpretation accuracy of the marine seismic data.The noise suppression technique based on the morphology is used to suppress point source diffracted noise.The morphologic filters are designed to separate the signal from the noise and complete the suppression of the point source diffracted noise.The proposed morphologic noise attenuation method was tested on simulation data and actual marine seismic data.Compared with the conventional F-K filter techniques,this method shows it can successfully suppress the point source diffracted noise as well as better retain the low frequency information of the original seismic signal.Moreover,it has a full recovery of the signal amplitude at the position where signal and noise overlap.During processing,the method avoids the effect of random noise and has strong ability of resisting random noise.

Keywords:morphology,noise suppression,linear noise,hyperbolic interference,point source diffracted interference

收稿日期：2015-08-20;改回日期：2016-01-13。

作者簡介：段中鈺(1977—)，男，博士，主要從事信息與信號處理、地震資料處理解釋和油氣預測等方面的研究工作。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB228602)、國家科技重大專項(2011ZX05042-003-002)、北京信息科技大學科研基金項目(1425009)共同資助。

中圖分類號：P631

文獻標識碼：A

文章編號：1000-1441(2016)03-0388-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.03.009

This research is financially supported by National Key Basic Research Project and Development Program of China (973 Program) (Grant No.2013CB228602),National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05042-003-002) and Science Foundation of Beijing Information Science and Technology University (Grant No.1425009).