基于奇異值分解的角度域地震波束形成方法

姜 弢,鄒艷艷,岳永高,徐學(xué)純

(1.地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué)),吉林長(zhǎng)春130026;2.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026;3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130061)

基于奇異值分解的角度域地震波束形成方法

姜 弢1,2,鄒艷艷1,2,岳永高1,2,徐學(xué)純3

(1.地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué)),吉林長(zhǎng)春130026;2.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026;3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130061)

基于接收陣列的時(shí)域地震波束形成方法在處理低信噪比地震記錄時(shí),因疊加記錄數(shù)量過(guò)大,導(dǎo)致有效波束寬度不能覆蓋全部接收排列,波束寬度外的信號(hào)產(chǎn)生畸變。而且,當(dāng)?shù)卣鹩涗浿邢喔稍肼暫碗S機(jī)噪聲很強(qiáng)時(shí),該方法壓制噪聲不均勻,降噪效果不佳。為此,針對(duì)相干噪聲和隨機(jī)噪聲強(qiáng)、目標(biāo)信號(hào)弱的地震記錄,提出了一種基于奇異值分解的角度域地震波束形成方法。該方法根據(jù)地震記錄中噪聲與信號(hào)之間的相干性差異,利用角度域地震波束形成方法增強(qiáng)整個(gè)反射信號(hào)的能量和相干性,利用奇異值分解方法壓制相干噪聲和隨機(jī)噪聲,從降噪和增強(qiáng)有效信號(hào)的雙重處理上,較大程度地提高地震記錄的信噪比。仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)信號(hào)分析結(jié)果表明,該方法不僅能增強(qiáng)有效信號(hào),還能進(jìn)一步壓制記錄中相干噪聲和隨機(jī)噪聲,明顯提高了地震記錄的信噪比。

角度域劃分;波束形成;奇異值分解;去噪;信噪比

可控震源具有激發(fā)容易控制、觀測(cè)系統(tǒng)分布完整合理、可以進(jìn)行密集觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為地震資料采集時(shí)采用的主要激發(fā)方式之一。但這類人工震源普遍存在激發(fā)能量小,接收信號(hào)弱等問(wèn)題,加之強(qiáng)噪聲干擾和大地的吸收衰減作用,因而地震資料信噪比很低。為了提高此類地震資料的信噪比,BODINE[1]首先將地震波束形成方法應(yīng)用于震源端,設(shè)計(jì)出用于形成和控制地震波束傳播方向的系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。1977年,ARNOLD[2]通過(guò)液壓式可控震源延時(shí)激發(fā)單頻控制信號(hào)驗(yàn)證了定向地震波的存在。2003年,廖成旺等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信號(hào)疊加技術(shù)抑制噪聲的有效性。2004年,姜弢等[4]首次提出了相控震源激發(fā)定向地震波理論,通過(guò)模擬仿真和野外試驗(yàn),證明了相控震源激發(fā)的定向地震波方法的可行性和優(yōu)越性[5-7]。由于震源端地震波束形成成本高,難以保證震源間的一致性,人們發(fā)展了更便捷、高效的基于接收陣列的時(shí)域地震波束形成(Time-domain Seismic Beam-forming Based on Receiver Array,TSBBRA)方法。2012年,姜弢等[8]依據(jù)震源端波束形成原理,首次提出TSBBRA方法,在接收端形成了等同于震源端的地震波束。2014年,葛利華[9]通過(guò)多種模型仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)信號(hào)的處理,證明了TSBBRA方法的有效性,并分析了不同參數(shù)對(duì)地震主波束方向和寬度的影響。后來(lái)在TSBBRA方法的基礎(chǔ)上,宋健等[10]通過(guò)在接收端對(duì)各單炮記錄進(jìn)行余弦振幅加權(quán),解決了因疊加數(shù)據(jù)量大而導(dǎo)致的波束變窄的問(wèn)題。賈海青等[11]提出了一種全方向波束定向方法,通過(guò)不同方向有效波場(chǎng)的疊加,實(shí)現(xiàn)全方向有效信號(hào)的增強(qiáng)。賈海青等[12]依據(jù)主波束方向內(nèi)外信號(hào)與原始信號(hào)的局部相關(guān)性差異又提出了一種基于局部相關(guān)加權(quán)的時(shí)域地震波束形成方法,消除了畸變信號(hào)對(duì)有效信號(hào)的影響。由以上研究結(jié)果可知,TSBBRA方法通過(guò)控制波束方向和寬度可提高主波束方向上有效信號(hào)的信噪比。

SERGIO等[13]首先將奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)方法應(yīng)用于地震勘探領(lǐng)域,提出了基于KL變換的SVD方法,并基于特征圖像濾波的概念分離VSP地震波場(chǎng)的上、下行波。1994年,陳遵德等[14]提出了應(yīng)用傾角掃描疊加方法,解決了SVD濾波法僅能提高水平同相軸信噪比問(wèn)題,還提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法確定SVD濾波參數(shù)的方法。1998年,趙德斌等[15]提出了f-x域SVD預(yù)測(cè)濾波法,在頻率域?qū)崿F(xiàn)了隨機(jī)噪聲的衰減。2004年,李文杰等[16]將SVD方法應(yīng)用到直達(dá)波和折射波衰減處理中,解決了采用切除方法會(huì)丟失淺層有效地質(zhì)構(gòu)造信息的問(wèn)題。2007年,苑益軍等[17]利用自動(dòng)追蹤SVD方法消除了疊前資料中的強(qiáng)線性干擾。近年,沈鴻雁等[18-19]利用SVD方法實(shí)現(xiàn)了地震記錄中有效信號(hào)和隨機(jī)噪聲的波場(chǎng)分離。以上研究表明,SVD方法對(duì)相干噪聲和隨機(jī)噪聲的壓制有顯著的效果。

在TSBBRA方法中,決定信號(hào)信噪比提高程度的關(guān)鍵參數(shù)為疊加記錄個(gè)數(shù)N,當(dāng)目標(biāo)信號(hào)信噪比較低時(shí),采用較小的N即可增強(qiáng)信號(hào)的能量,提高記錄的信噪比。但當(dāng)目標(biāo)信號(hào)的信噪比很低時(shí),TSBBRA方法需要較大的N進(jìn)行疊加,但已有研究結(jié)果[10]表明,N越大波束越窄,波束過(guò)窄則不能覆蓋全部檢波器排列,導(dǎo)致有效波束寬度外的信號(hào)畸變,無(wú)法滿足地震解釋的要求。另外,對(duì)于相干噪聲和隨機(jī)噪聲強(qiáng)的地震記錄,TSBBRA方法雖能壓制相干噪聲和隨機(jī)噪聲,但噪聲壓制不均勻,當(dāng)?shù)卣鸾忉寣?duì)記錄的整體信噪比要求較高時(shí),應(yīng)用效果不佳。因此,為了改善相干噪聲和隨機(jī)噪聲強(qiáng)、目標(biāo)信號(hào)弱的地震記錄的信噪比,提出了基于奇異值分解的角度域地震波束形成方法(The Angle Domain Seismic Beam-forming method based on Singular Value Decomposition,ADSBSVD)。該方法先利用自動(dòng)追蹤SVD方法對(duì)記錄進(jìn)行預(yù)處理,壓制記錄中相干噪聲。然后利用特征值法估算有效信號(hào)信噪比,當(dāng)信號(hào)信噪比滿足SVD適用條件時(shí),利用SVD直接壓制隨機(jī)噪聲,獲得高信噪比地震記錄;當(dāng)信號(hào)信噪比不滿足SVD適用條件時(shí),利用角度域地震波束形成方法增強(qiáng)信號(hào)的能量和相關(guān)性,再利用SVD方法壓制隨機(jī)噪聲,獲得高信噪比地震記錄。模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果均驗(yàn)證了ADSBSVD方法的有效性和可行性。

1 方法原理

對(duì)于相干噪聲和隨機(jī)噪聲強(qiáng)、目標(biāo)信號(hào)弱的地震記錄,采用ADSBSVD方法時(shí),首先利用SVD方法壓制記錄中相干噪聲,再利用角度域地震波束形成方法增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)的能量和相干性,最后再由SVD方法重構(gòu)相干信號(hào)壓制記錄中隨機(jī)噪聲。

1.1 角度域地震波束形成原理

角度域地震波束形成以傳統(tǒng)地震單波束為基礎(chǔ),首先將目標(biāo)加強(qiáng)區(qū)域劃分成若干個(gè)角度區(qū)間,通過(guò)改變延時(shí)參數(shù),改變主波束方向,在每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)均形成地震單波束,然后提取每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)被加強(qiáng)的信號(hào)替換原來(lái)位置處信號(hào),實(shí)現(xiàn)整個(gè)目標(biāo)區(qū)域信號(hào)能量的增強(qiáng)。角度域地震波束形成的工作原理如圖1所示。

為了清晰展示延時(shí)參數(shù)的求取過(guò)程,以共接收點(diǎn)道集為例進(jìn)行演示(圖2)。圖2中震源點(diǎn)等間距排列,震源點(diǎn)與檢波點(diǎn)共線。設(shè)震源激發(fā)的地震波與震源法向夾角為θmax,相鄰震源激發(fā)的地震波到反射點(diǎn)的波程分別為ri-1和ri,由于震源點(diǎn)距反射點(diǎn)的距離遠(yuǎn)大于震源間距,所以近似認(rèn)為相鄰震源激發(fā)的地震波平行。由此相鄰震源激發(fā)地震波的波程差為ri-1-ri=dsinθmax,則相鄰震源間延時(shí)參數(shù)為:

圖1 角度域地震波束定向的工作原理

圖2 地震波束形成原理

(1)

式中:d為炮間距;θmax為主波束方向;v為目標(biāo)層上覆介質(zhì)平均速度。

設(shè)采集的多炮地震記錄為R=[R-n,…,R-1,R0,R1,…,Rn],n為奇數(shù),R0為中間炮地震記錄,對(duì)R中記錄依次引入延時(shí)-nτ,…,-τ,0,τ,…,nτ,按照公式(2)進(jìn)行疊加,即形成中間震源處的定向地震記錄:

(2)

式中:-n≤j≤n,j取整數(shù)。

在形成角度域地震波束之前,需要將目標(biāo)加強(qiáng)區(qū)域劃分為若干個(gè)角度區(qū)間,而決定劃分角度區(qū)間個(gè)數(shù)的因素為主波束寬度,主波束寬度通常用半功率寬度2α0.5來(lái)表示。地震波場(chǎng)方向因子[8]:

(3)

式中:k為自由空間波數(shù);N為震源疊加個(gè)數(shù)。

令F(α)=0.707,根據(jù)公式(4)可得半功率點(diǎn)α1和α2:

(4)

令2α0.5=α1-α2,定義角度區(qū)間Δα=2α0.5。記目標(biāo)加強(qiáng)區(qū)域的起始角度為αs,終止角度為αf,若αs和αf選取滿足αf-αs大于反射同相軸的寬度,那么,欲劃分的角度區(qū)間個(gè)數(shù)為:

(5)

令每個(gè)角度區(qū)間的中心角為主波束方向,則第i個(gè)角度區(qū)間的主波束方向?yàn)?

(6)

式中:1≤i≤n,i為整數(shù)。

根據(jù)公式(6)和公式(1)計(jì)算每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)的延時(shí)參數(shù),再按照公式(2)依次在每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)形成地震波束,即完成角度域地震波束定向的工作。因?yàn)樵诿總€(gè)主波束方向外均存在畸變波場(chǎng),因此,為了防止不同地震波束所在波場(chǎng)相互干擾,需要提取每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)的地震波場(chǎng)信號(hào)。

設(shè)每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)地震波場(chǎng)信號(hào)的提取函數(shù)為I·,則提取每個(gè)角度區(qū)間信號(hào)后的地震波場(chǎng)為:

H′=I[H-n]+…+I[H0]+…+I[Hn]

(7)

1.2SVD壓制噪聲技術(shù)

設(shè)地震記錄為X,道數(shù)為M,每道的采樣點(diǎn)數(shù)為N,一般取M

(8)

X中存在兩個(gè)正交矩陣UM×M和VN×N,使得:

(9)

式中:1≤i≤r,r為X的秩;ui是XXT的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量;vi是XTX的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量;EM×N=diag(σ1,σ2,…,σi,…,σr,0,…,0),其中σi為XXT(或XTX)的特征值的非負(fù)平方根,即σi≥0,且按遞減順序排列。

依據(jù)所使用奇異值的分布范圍,可定義SVD重構(gòu)的低通濾波器XLP:

(10)

式中:q一般選取奇異值分布曲線拐點(diǎn)處的值[14],1≤q≤r;E1,q=diag(σ1,σ2,…,σq,0,…,0);XLP代表相關(guān)性強(qiáng)的地震信號(hào)。按照公式(10)重構(gòu)地震記錄,即可實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)分離。

林下養(yǎng)雞模式的實(shí)施，能夠提供就業(yè)崗位，讓水秧村農(nóng)民在養(yǎng)殖場(chǎng)就業(yè)，增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入；通過(guò)土地流轉(zhuǎn)，把部分農(nóng)戶閑置的土地流轉(zhuǎn)給養(yǎng)殖場(chǎng)，可為村民帶來(lái)一部分收入；科學(xué)先進(jìn)的養(yǎng)殖技術(shù)帶來(lái)良好的養(yǎng)殖效益，可以吸引更多村民按照養(yǎng)殖場(chǎng)的養(yǎng)殖技術(shù)、管理方式進(jìn)行林下雞養(yǎng)殖，掌握養(yǎng)殖本領(lǐng)帶動(dòng)致富，并且可輻射到周邊村組帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

利用公式(10)重構(gòu)相干噪聲,再?gòu)脑涗浿袦p去重構(gòu)相干噪聲,即可實(shí)現(xiàn)相干噪聲的壓制。利用公式(10) 重構(gòu)具有相關(guān)性的目標(biāo)信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)噪聲的壓制。

1.3 方法與步驟

基于奇異值分解的角度域地震波束形成方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示,其主要步驟如下。

1) 壓制地震記錄中的相干噪聲。由于相干噪聲能量強(qiáng),常將信號(hào)淹沒(méi),所以首先利用SVD壓制記錄中相干噪聲。因相干噪聲和信號(hào)都具有線性相干性,為了避免SVD壓制相干噪聲時(shí)破壞有效信號(hào),先采用自動(dòng)追蹤線性干擾斜率的方法[17]提取包含相干噪聲的小窗口數(shù)據(jù),再利用SVD壓制相干噪聲。

2) 利用特征值法對(duì)壓制相干噪聲后的記錄進(jìn)行信噪比分析。特征值法估算信噪比RSN的計(jì)算公式[20]:

(11)

式中:r為奇異值個(gè)數(shù);λi為奇異值。是否需要進(jìn)行角度域地震波束定向,取決于SVD方法是否仍然適合壓制隨機(jī)噪聲。本文利用不同信噪比地震數(shù)據(jù)進(jìn)行SVD實(shí)驗(yàn),得出決定SVD是否仍然適用于壓制隨機(jī)噪聲的因素,即信號(hào)信噪比的臨界點(diǎn)RSN0,如圖4所示。圖4中,S1為奇異值分布曲線拐點(diǎn)之前的奇異值之和,代表具有相關(guān)性的有效信號(hào);S2為奇異值分布曲線拐點(diǎn)之后的奇異值之和,代表不具有相關(guān)性的隨機(jī)噪聲。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:當(dāng)信號(hào)RSN>RSN0時(shí),可直接利用SVD壓制隨機(jī)噪聲;當(dāng)RSN≤RSN0時(shí),需要進(jìn)行角度域地震波束定向,再利用SVD壓制隨機(jī)噪聲。

3) 當(dāng)信號(hào)RSN>RSN0時(shí),利用SVD直接壓制隨機(jī)噪聲;當(dāng)信號(hào)的信噪比RSN≤RSN0,對(duì)地震記錄進(jìn)行角度域地震波束定向。

圖3 ADSBSVD方法處理流程

圖4 信號(hào)的信噪比與S2/S1關(guān)系曲線

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證ADSBSVD方法在提高信噪比方面的作用,本文采用如圖5所示的水平層狀介質(zhì)速度模型進(jìn)行數(shù)值模擬。第1層介質(zhì)速度為1000m/s,厚度為300m,第2層介質(zhì)速度為1200m/s,厚度為700m。數(shù)值模擬的信號(hào)主頻為45Hz,炮間距為20m,道間距為20m,道數(shù)為150,采用中間激發(fā),兩邊接收的觀測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)射線追蹤模擬得到包含兩組反射波信號(hào)的模擬地震記錄如圖6a所示,采樣間隔為0.5ms,記錄時(shí)長(zhǎng)為3.0s。在圖6a記錄中添加相干噪聲和高斯白噪聲后的單炮記錄如圖6b所示。

提取圖6b中相干噪聲,根據(jù)自動(dòng)追蹤線性干擾波斜率方法得到相干噪聲的斜率為p=0.053。以p=0.053為基準(zhǔn),上下截取Δt=0.1s長(zhǎng)度的小窗口數(shù)據(jù),順序存放,得到水平相干噪聲(圖7a)。對(duì)圖7a按照公式(9)進(jìn)行SVD。圖7b為圖7a對(duì)應(yīng)的奇異值譜,令q=1,按照公式(10)提取相干噪聲,再?gòu)膱D6b 中減去所提取的相干噪聲,即可得到壓制相干噪聲后的單炮記錄,如圖7c所示。

圖5 水平層狀介質(zhì)速度模型

圖6 模擬單炮地震記錄a 無(wú)噪聲單炮記錄; b 加入噪聲后的單炮記錄

圖7 相干噪聲的壓制a 提取的相干噪聲; b 相干噪聲對(duì)應(yīng)的奇異值譜; c 壓制相干噪聲后的單炮記錄

去除相干噪聲后,分析兩層有效信號(hào)信噪比。根據(jù)特征值法計(jì)算出第1層有效信號(hào)的RSN=0.3506dB,RSN>RSN0,因此,直接用SVD方法提取第1層有效信號(hào)。由于記錄中存在兩層反射信號(hào),為了避免利用傳統(tǒng)的全局SVD提取第1層有效信號(hào)時(shí)損壞第2層有效信號(hào),采用小窗口SVD技術(shù)。針對(duì)第1層反射信號(hào),選取小窗口的尺寸為1800ms×150道,利用相關(guān)檢測(cè)法計(jì)算信號(hào)間時(shí)移量,利用時(shí)移量校平第1層有效信號(hào)如圖8a所示。圖8b為校平后第1層有效信號(hào)對(duì)應(yīng)的奇異值譜。令q=1,按照公式(10)提取第1層有效信號(hào)如圖8c所示。圖8d 為按照時(shí)移量還原后的第1層有效信號(hào)。

圖8 利用SVD提取第1層有效信號(hào)a 校正后第1層有效信號(hào); b 圖8a對(duì)應(yīng)的奇異值譜; c SVD方法提取圖8a中有效信號(hào); d 還原圖8c中有效信號(hào)

針對(duì)第2層反射信號(hào),選取小窗口的尺寸為1200ms×150道,根據(jù)特征值法估算出第2層有效信號(hào)的RSN=0.0136dB,因RSN

圖9 不同延時(shí)9元波束定向單炮記錄a -14.5ms; b 0; c 14.5ms

利用小窗口提取每個(gè)角度區(qū)間內(nèi)有效信號(hào)替換原位置處有效信號(hào),得到圖10a記錄,計(jì)算其信噪比RSN=0.3552dB,RSN>RSN0,則可利用SVD提取第2層有效信號(hào)。首先利用相關(guān)檢測(cè)法計(jì)算信號(hào)間時(shí)移量,利用時(shí)移量對(duì)第2層有效信號(hào)校平,圖10b為校平后第2層有效信號(hào)對(duì)應(yīng)的奇異值譜,令q=1重構(gòu)第2層有效信號(hào),圖10c為按照時(shí)移量還原后的第2層有效信號(hào)。

圖10 利用SVD提取第2層有效信號(hào)a 角度域定向后第2層有效信號(hào); b 校正后第2層有效信號(hào)對(duì)應(yīng)的奇異值譜; c 還原后的第2層有效信號(hào)

經(jīng)過(guò)ADSBSVD方法處理后的地震記錄如圖11所示。由圖11可知,處理后的地震記錄不僅提高了有效信號(hào)的能量和相關(guān)性,而且明顯壓制了相干噪聲和隨機(jī)噪聲,提高了整個(gè)地震記錄的信噪比。根據(jù)圖8b 和圖10b的奇異值譜,按照公式(11)計(jì)算出兩層有效信號(hào)信噪比分別改善14.20dB和14.18dB。

圖11 ADSBSVD方法處理后單炮記錄

3 實(shí)測(cè)信號(hào)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證ADSBSVD方法的可行性,利用ADSBSVD方法對(duì)野外采集的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖12a 是興城地區(qū)一個(gè)相干噪聲和隨機(jī)噪聲強(qiáng)、有效信號(hào)弱的地震記錄,道間距10m,炮間距50m,有效信號(hào)頻率范圍25～100Hz,反射層上覆介質(zhì)的平均速度為2500m/s。在1.0s左右可以看到一個(gè)模糊的反射同相軸。首先利用自動(dòng)追蹤SVD方法壓制記錄中相干噪聲,結(jié)果如圖12b所示。壓制相干噪聲后,利用特征值法對(duì)記錄中有效信號(hào)進(jìn)行信噪比分析,經(jīng)估算,有效信號(hào)信噪比RSN=0.0638dB,RSN

為了更清楚地認(rèn)識(shí)處理前、后記錄的變化,選取了3個(gè)小窗口數(shù)據(jù)H1,H2和H3分別定量計(jì)算相干噪聲和隨機(jī)噪聲的壓制程度以及有效信號(hào)信噪比的提高程度。H1和H3分別代表相干噪聲和隨機(jī)噪聲,H2代表有效信號(hào)。利用處理后窗口內(nèi)能量與處理前窗口內(nèi)能量的百分比定義相干噪聲和隨機(jī)噪聲壓制程度,經(jīng)計(jì)算,相干噪聲壓制了92%,隨機(jī)噪聲壓制了86%。圖13a和圖13b分別為圖12b和圖12d 中H2矩形框內(nèi)的數(shù)據(jù)放大顯示(道數(shù):148～189,時(shí)間:0.9～1.1s)。從圖13中可以看出,有效信號(hào)的連續(xù)性和信噪比都得到明顯的提高。根據(jù)反射信號(hào)對(duì)應(yīng)的奇異值譜,按照公式(11)利用特征值法估算信噪比,經(jīng)計(jì)算,處理后H2內(nèi)數(shù)據(jù)的信噪比比處理前的提高了3.62dB。由此從實(shí)踐角度證明了ADSBSVD方法的有效性。

圖12 ADSBSVD方法處理野外地震記錄a 原始地震記錄; b 壓制相干噪聲后記錄; c 角度域波束定向后記錄; d 提取定向地震記錄中的有效信號(hào)

圖13 H2區(qū)域局部放大顯示a 圖12b中H2內(nèi)數(shù)據(jù); b 圖12d中H2內(nèi)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于奇異值分解的角度域地震波束形成方法,該方法通過(guò)角度域波束定向?qū)崿F(xiàn)了目標(biāo)區(qū)域整個(gè)反射同相軸能量的增強(qiáng),通過(guò)SVD方法實(shí)現(xiàn)了定向前相干噪聲的預(yù)處理和定向后隨機(jī)噪聲的壓制,提高了地震記錄的信噪比。根據(jù)模型試驗(yàn)和實(shí)測(cè)信號(hào)分析得出如下結(jié)論。

1) 角度域地震波束形成方法克服了傳統(tǒng)單波束不能覆蓋整個(gè)反射同相軸的缺陷,SVD方法的應(yīng)用又解決了角度域地震波束形成方法噪聲壓制不均勻的問(wèn)題。因此,針對(duì)人工震源或藥量較小的炸藥震源激發(fā)的地震記錄,ADSBSVD方法比傳統(tǒng)地震波束形成方法和SVD方法應(yīng)用效果更佳。

2) ADSBSVD方法適用于噪聲強(qiáng),信號(hào)弱,定向時(shí)所需疊加記錄個(gè)數(shù)較大,并且信號(hào)所在同相軸排列較長(zhǎng)的情況。

3) 當(dāng)?shù)卣鹩涗浿泻卸鄠€(gè)交叉反射波組時(shí),為了避免校正工作和奇異值分解過(guò)程中反射信號(hào)間相互干擾,仍需進(jìn)一步研究小窗口的截取方式。

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(編輯：顧石慶)

Angledomainseismicbeam-formingmethodbasedonsingularvaluedecomposition

JIANG Tao1,2,ZOU Yanyan1,2,YUE Yonggao1,2,XU Xuechun3

(1.KeyLaboratoryofGeophysicalExplorationEquipment,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130026,China; 2.CollegeofInstrumentation&ElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130026,China;3.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China)

When a time-domain seismic beam-forming method based on the receiving array processes low signal-to-noise ratio (SNR) seismic records,owing to the large number of stack records,the effective beam width can not cover all the receiving arrangements,resulting in signal distortion outside the beam width.In addition,when encountering seismic records with strong coherent noise and random noise,the above method suppresses the noise unevenly,resulting in poor denoising effect.In this paper,for seismic records with strong coherent noise,random noise,and weak target signals,an angle domain seismic beam-forming method based on singular value decomposition is proposed.According to the correlation difference between the noise and the signal in seismic records,this method enhances the energy and correlation of the whole reflection signal by using an angle domain seismic beam-forming method,and suppresses the coherent noise and random noise by singular value decomposition (SVD).By considering both the noise reduction and the signal enhancement,the method can effectively improve the signal-to-noise ratio of the seismic records.The tests results of simulation experiment and the measured signal showed the effectiveness of the proposed method.

angle domain division,beam-forming,singular value decomposition,denoising,SNR

P631

：A

1000-1441(2017)05-0667-09DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.05.007

姜弢,鄒艷艷,岳永高,等.基于奇異值分解的角度域地震波束形成方法[J].石油物探,2017,56(5):675

JIANG Tao,ZOU Yanyan,YUE Yonggao,et al.Angle domain seismic beamforming method based on singular value decomposition

[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(5):675

2016-12-05;改回日期：2017-04-13。

姜弢(1969—),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事可控震源及地震信號(hào)處理研究。

深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)SinoProbe09-06(201311197,201011083)、高等學(xué)校博士學(xué)科專項(xiàng)科研基金(20110061110053)聯(lián)合資助。

This research is financially supported by the Deep Exploration in China (SinoProbe 09-06) (Grant Nos.201311197,201011083) and the Doctoral Program of Higher Education (Grant No.20110061110053).