摘要:使用零相位化处理和非线性叠加方法提取低信噪比记录中的有效信号,通过定量评估结果波形的走时和振幅等信息的精准程度,探究此处理流程是否可提高提取气枪震源有效信号波形的准确性。对合成波形和云南宾川主动源实验中实际资料数据进行零相位化处理,选用相似性加权、时间域相位加权、时频域相位加权、改进的时频域相位加权4种非线性叠加方法提取有效信号。结果表明,基于上述处理方法可有效提高提取波形的准确性:(1)零相位处理可以提高波形数据的分辨率,使有效信号到时点变为波形峰值点,有利于在非线性叠加后拾取出准确的到时位置;(2)零相位化数据的非线性叠加结果卷积震源子波可基本恢复地震信号波形记录,可降低非线性叠加对有效信息的损失;(3)使用时间域相位加权叠加和相似性加权叠加方法可获得较好结果,但可能会压制低信噪比小振幅信号;基于时频域的相位加权类叠加方法对有效波形成分影响较大,但对小振幅信号保幅较好。
关键词:主动源;气枪震源;零相位化处理;非线性叠加;信号提取
中图分类号:P315.3文献标识码:A文章编号:1000-0666(2017)04-0581-14
0引言
人工震源技术可以克服传统天然震源时空分布不均的制约,为获得高时空分辨率的区域尺度地下结构和介质变化信息提供可能(陈颙,朱日祥,2005;王宝善等,2016)。与天然震源相比,人工震源单次激发能量较低、远距离传播易受噪声干扰,需要大量重复激发再从中提取有效信号(张军华,2011;杨微等,2013;倪宇东,2014;顾庙元等,2016;武安绪等,2016)。提取结果的可靠性将直接影响后续地震资料处理结果的准确性。因此,如何从低信噪比的重复激发地震记录中获取高质量有效信号,是人工震源实验中的重点研究问题之一。
非线性叠加类方法是从低信噪重复激发记录中提取有效信号最为常用的方法之一。此类方法利用了有效信号的一致性,从而实现保留有效随机信号、压制噪声的目的(Kennett,1987;Schimmel,Paulssen,1997;Schimmel,Gallart,2007;Li,Gao,2014)。相比线性叠加,非线性叠加可大幅提高信噪比,但会造成信噪比过低的信号发生波形畸变和相位偏移等(武安绪等,2016)。在主动源实验中,非线性叠加方法也被应用于大容量气枪震源、低频可控震源等地震资料有效信号提取中。武安绪等(2016)使用线性叠加、时间域相位加权叠加、时频域相位加权叠加方法对接收到的波形記录直接处理并定量评估提取结果的可靠性。经合成测试和实际数据处理后,认为加权叠加会影响有效信号提取的波形质量和时间精度。与大容量气枪震源不同,低频可控震源选用震动时间较长的扫频信号激发且激发能量更低(陶知非等,2011)。为了降低不同震相的地震信号重叠干扰并提高数据分辨率,需要对接收到的原始波形做零相位化处理,通常是将地震记录与震源子波做互相关,将地震记录转化为地下介质脉冲响应与震源信号自相关子波的卷积记录(熊翥,2008;倪宇东,2014)。顾庙元等(2016)使用线性叠加、非线性叠加、直接分离类多种方法对主动源实验中零相位化的低频可控震源数据进行处理,获得了较好的有效信号信息。本文将零相位化处理流程引入气枪震源资料有效信号提取中,通过定量评估提取结果波形的走时和振幅等信息的准确性,探究使用零相位化数据是否可降低非线性叠加对低信噪比记录中有效信号波形的影响。
本文首先使用相似性加权叠加、时间域相位加权叠加、时频域相位加权叠加、改进的时频域相位加权叠加4种非线性叠加方法提取未经零相位化处理的加噪合成低信噪比信号,提出了非线性叠加直接提取气枪震源信号所存在的问题。然后,引入零相位化处理流程,分别使用互相关和反褶积两种常用的零相位化处理方法对气枪震源子波零相位化,对比两种处理手段得到的零相位化子波形态特征来确定适合气枪震源资料的零相位化处理方法。最后,通过对合成地震剖面数据和云南宾川主动源实验实际数据的处理,探究并验证先对数据做零相位化处理再叠加的可行性及优势,为主动源实验的信号提取提供参考。
1非线性叠加
1.1方法原理
非线性叠加是在线性叠加基础上发展起来的,是基于记录中有效信息波形或相位等的一致性来计算各采样点的叠加权重以提高信噪比,又称加权叠加。此类叠加方法既可在时间域中实现,又可在时频域中实现。时间域非线性叠加可表示为:yws(t)=w(t)γ yls(t)(1)式中:yws(t)为时间域加权叠加结果;w(t)表示时间域的加权系数;γ为加权指数因子,用于控制加权强度,一般在1.5~2.5之间;yls(t)为线性叠加结果,即:yls(t)=1N∑Nj=1xj(t)(2)式中:N为叠加次数;xj(t)为第j次激发所接收的地震记录;yls(t)为线性叠加结果。而时频域非线性叠加利用了有效信号时频域分布的一致性,可表示为:yws(t)=T-1wγ(t,f)1N∑Nj=1T{xj }(t,f)(3)式中:T和T-1分别表示某种时频变换及其逆变换算子,通常使用Stockwell变换及其逆变换;w(t,f)为时频域下的加权系数。下面,介绍本文所用非线性叠加方法的具体原理。
1.1.1相似性加权叠加
相似性加权叠加是以波形相似性系数(Semblance)作为一致性测量准则而实现非线性叠加的(Kennett,1987)。所谓波形相似性系数是多道记录叠加后瞬时总能量与各单道记录瞬时能量总和之比,用于测量多道记录一致性程度的常用参数(Taner,Koehler,1969;Neidell,Taner,1971),可直接用于加权系数计算:w(t)=∑n/2i=-n/2wG(i)∑Nj=1sj(t+i)2N∑n/2i=-n/2wG(i)∑Nj=1s2j(t+i)(4)式中:wG(i)为高斯窗函数exp[-(τ-t)22k2],这里k为高斯窗宽度因子,一般应大于震源子波宽度,合理选取可使加权系数光滑稳定;n为窗函数的个数。