（地球探测与信息技术专业论文）可控震源滑动扫描谐波干扰压制方法研究.pdf

t h er e s e a r c ho fh a r m o n i cn o i s er e j e c t i o n b a s e do ns l i p - s w e e p a c q u i s i t i o nm e t h o d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l if e n g l e i s u p e r v i s o r ：p r o f l iz h e n c h u n s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( h u a d o n g ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：吖年歹月弓e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：协f 年厂月弓1 日 日期：沙f1 年明弓le t 捅要 谐波干扰一直是可控震源地震采集中存在的一种干扰。在常规的地震采集方式过程 中产生的谐波干扰通过相关之后，其对地震资料产生的影响很小，所以得到的地震资料 就不再考虑谐波干扰的影响。但是随着可控震源地震采集技术的发展，基于滑动扫描采 集方式的可控震源地震资料采集已成为提高地震采集效率的重要的采集方式，利用这种 采集方式可以成倍的提高采集效率，降低采集成本，在各大地球物理公司都得到广泛的 应用。而伴随着滑动扫描方式产生的谐波干扰在对原始资料相关之后不能够去除，因 此需要新的技术来压制谐波以适应滑动扫描采集方式的要求。 针对滑动扫描的采集方式的特点，同时对滑动扫描采集得到的数据进行分析，总结 出数据本身的特点，再根据其特点利用纯相移滤波( p p s f ) ，由于此种方法只是单纯的 对未相关主数据做相位移动，而振幅不做处理，所以能够有效地去除滑动扫描资料中的 谐波干扰，并且最大限度的保留了有效信号。方法中关键的是分离力信号中的谐波与基 波信号，力信号分离的好坏决定了滤波方法的成败。在这里将力信号分离主要是通过改 进纯相移方法来实现。这种方法中采用改进的纯相移因子方式，直接利用了地震数据中 采集的到的基波扫描信号对含有谐波畸变( h d s ) 的力信号做相移，从而达到了谐波分 离的作用。 在信号的仿真过程中，采用的是利用模拟的地震道记录，分别设计了一次、二次、 三次、四次谐波信号，并将这些不同阶次的谐波组合得到谐波畸变的模拟信号。利用一 次谐波改进来的滤波因子对不同阶次合成的模拟信号进行纯相移滤波，有效的分离出谐 波信号以与基波信号。实际资料的处理过程中，通过提取滑动扫描地震数据辅助道中的 参考信号，做变换得到改进的纯相移滤波器，对实际地震道信号做纯相移滤波，得到分 离出的谐波与基波信号，并根据滑动扫描数据的特点，选择合适的处理方式，能够有效 的去除滑动扫描数据中的谐波干扰。该方法能够有效的利用地震数据，都有所提高，并 且能够最大限度的保留有效信号，在效率和精度方面有很大的提高 关键词：可控震源滑动扫描，分数傅里叶，谐波畸变，分离谐波，改进纯相移滤波 t h er e s e a r c ho fh a r m o n i cn o i s er e j e c t i o n b a s e do ns l i p - s w e e p a c q u i s i t i o nm e t h o d l if e n g l e i ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c ta n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l iz h e n c h u n a b s t r a c t t h eh a r m o n i ci n t e r f e r e n c ee x i s t si nt h ed a t aa c q u i r e df r o ms e i s m i ce x p l o r a t i o nw i t h v i b r o s e i s i nc o n v e n t i o n a ls e i s m i ce x p l o r a t i o n ，t h eh a r m o n i ci n t e r f e r e n c ec a l lb er e m o v e d w h e nt h ed a t ai sc o r r e l a t e d ，a n ds e i s m i cd a t aw i l ln o tb ea f f e c t e db yh a r m o n i cn o i s e b u tw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h es e i s m i cd a t ac o l l e c t i o nm e t h o d s ，t h es l i ps w e e pe x p l o r a t i o nm e t h o d b e c a m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n te x p l o r a t i o nm e t h o d s i tc a l li m p r o v et h ee x p l o r a t i o n e f f i c i e n c ya n dc u tt h ec o s t a l s ot h i sm e t h o dh a sb e e nu s e di nm a n yg e o p h y s i c a lc o m p a n i e s w i t ht h i sn e we x p l o r a t i o nm e t h o d ，t h eh a r m o n i ci n t e r f e r e n c ec a nn o tb er e m o v e db y c o r r e l a t i o n ，s ow en e e dt of i n d n e wt e c h n o l o g yt oe l i m i n a t et h eh a r m o n i cn o i s e i n t h i sp a p e r , w es u mu pt h ec h a r a c t e r i s t i co fs l i ps w e e pd a t at h o u g ha n a l y z i n gt h er a w d a t a b a s e do nt h i s ，p h a s e - s h i f tf i l t e r ( p p s f ) i su s e d t h em e t h o do n l yr e q u i r e st h e c o m p u t a t i o no fap u r e l yd e t e r m i n i s t i cp h a s e - s h i f tf i l t e rt h a t h a st h ep h a s es p e c t r u mo fa h y p o t h e t i c a lk t hh a r m o n i cd i s t o r t i o n i tc a ne l i m i n a t et h eh a r m o n i cn o i s et h r o u g hc h a n g i n g t h ep h a s eo ft h er a wd a t aa n dd e a ln o t h i n gw i t ht h ea m p l i t u d e s o ，ic a ng e tt r u ea m p l i t u d e d a t aa tt h es a m et i m e i nt h i sp a p e r ，t h ep h a s e - s h i f tf i l t e ri si m p r o v e dw h i c ht a k e sf u n d a m e n t a l h a r m o n i ca st h ef a c t o ro ft h ef i l t e ra n ds e p a r a t e st h eh a r m o n i cn o i s ef r o mh a r m o n i c a l l y d i s t o r t e ds w e e p ( h d s ) i nt h ep r o c e s so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a ne m u l a t i o n a lh d ss i g n a lw h i c hc o n t a i n s4 o r d e r sh a r m o n i cn o i s e si sd e s i g n e d t h e1s th a r m o n i ci su s e da sp p s ff i l t e r i nt h ee x p e r i m e n t ， t h eh a r m o n i cn o i s ec a nb ec l e a r l ys e p a r a t ef r o mh a r m o n i c a l l yd i s t o r t e ds w e e p ( i - 1 d s ) t h e n w ec o n d u c tc a l c u l a t i o nu s i n gr e a ld a t a i na c c o r d a n c ew i t ht h ed a t a sc h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e ， t h er e f e r e n c es w e e ps i g n a li sc h o s ef r o mt h ea u x i l i a r yc h a n n e l sa n dt h ei m p r o v e dp p s ff i l t e ri s o b t a i n e d a f t e rt h a t ，w es e p a r a t et h eh a r m o n i cn o i s ea n df u n d a m e n t a lh a r m o n i cf r o mt h e h a r m o n i c a l l yd i s t o r t e ds w e e p ( h d s ) b yi m p r o v e dp p s ff i l t e r t h ei m p r o v e dp p s f f i l t e rh a st o b ea p p l i e di nt h es l i ps w e e ps e i s m i cd a t a ，s ow ed os o m ei m p r o v e m e n ta n dc h o o s es u i t a b l e m o d ef o rp r o c e s s i n g t h r o u g ha l lo ft h ei m p r o v e m e n t ，t h eh a r m o n i cn o i s ec a nb er e m o v e d 舶mh a r m o n i c a l l yd i s t o r t e ds w e e p ( h d s ) w h i c hi sa c q u i r e df r o mt h es l i ps w e e ps e i s m i c e x p l o r a t i o n t h i sm e t h o dc a nn o to n l yg e tt h ea c c u r a t ep r o c e s s i n gd a t ab u ta l s op r o m o t et h e p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：v i b r o s e i ss l i ps w e e p ，f r f t ，h a r m o n i c a l l y d i s t o r t e ds w e e p ( h d s ) ， d e c o m p o s i t i o no fl i d s ，i m p r o v e dp h a s e s h i t tf i l t e r 目录 第一章绪论1 1 1 论文的研究意义1 1 2 国内外研究进展l 1 3 论文的研究内容3 第二章滑动扫描采集产生的谐波干扰5 2 1 可控震源谐波干扰5 2 1 1 可控震源产生谐波畸变信号的原因5 2 1 2 谐波干扰的主要类型6 2 1 3 可控震源滑动扫描谐波干扰的特征6 2 2 可控震源谐波干扰压制方法l 1 第三章分数傅里叶变换压制谐波方法研究13 3 1 分数阶傅里叶变换的基本理论一13 3 1 1 分数阶傅里叶变换的引入13 3 1 2 分数阶傅里叶变换的基本性质l4 3 2 分数阶傅里叶变换滤除c h i r p 信号的随机噪音1 7 3 3 分数阶傅里叶变换压制力信号中的谐波干扰。2 0 3 3 1 力信号谐波压制的仿真试验2 0 3 3 2 实际资料中力信号提取基波的试验2 3 3 3 3 压制实际资料中力信号谐波的试验2 5 3 4 分数傅里叶变换压制时延信号中的谐波干扰2 8 3 4 1 压制时延信号谐波的仿真实验2 8 3 4 2 实际的滑动扫描数据测试3 3 3 4 3 差值对比计算滑动扫描实际地震道扫描长度3 7 3 4 4 实际滑动扫描数据谐波畸变保幅压制3 8 3 5 本章小结4 3 第四章纯相移滤波器压制谐波方法研究4 5 4 1 纯相移滤波基本理论4 5 4 1 1 纯相移滤波技术的提出4 5 4 1 2 纯相移滤波器的设计4 5 4 1 3 仿真实验4 7 4 1 4 改进纯相移滤波器的设计5 0 4 2 直接相关减去滤波技术5 4 4 2 1 滑动扫描数据及其相关数据5 4 4 2 2 直接相关减去法的基本原理5 5 4 3 改进纯相移滤波器在滑动扫描数据中应用。6 0 4 3 1 可控震源滑动扫描数据6 0 4 3 2 可控震源谐波畸变数据中各次谐波的关系6 0 4 3 3 利用基波信号获取相移因子尝试。6 3 4 4 改进纯相移滤波器处理实际滑动扫描资料6 5 4 4 1 利用改进纯相移技术直接处理滑动扫描数据6 5 4 4 2 改进纯相移技术的效率分析8 2 4 5 本章小结。8 5 第五章滑动扫描互相关滤波压制谐波方法研究8 7 5 1 相关估计方法研究意义8 7 5 2 相关估计方法的理论基础。8 7 5 2 1 滤波器设计的理论基础8 7 5 2 2 滤波器应用理论基础。8 9 5 2 3 相关滤波的基本处理流程9 0 5 3 实际单道数据处理9 2 5 3 1 设计滤波器9 2 5 3 2 实际地震道数据试验9 3 5 3 3 实际道集资料处理9 4 5 4 结j 沦9 6 总结9 7 参考文献9 9 攻读硕士学位期间取得的学术成果1 0 3 j 谢10 4 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 论文的研究意义 第一章绪论 本论文目的是研究可控震源滑动方法的勘探中产生的谐波干扰压制方法，是实际地 震勘探中急需解决的问题，主要是期待最终能够得到有效的压制谐波的方法，找到一种 方法使之能够适应当前勘探领域高效的采集方式。 作为实际勘探中的震源激发装置，可控震源具有例如低施工成本、环保安全、灵活 的施工组织方式、可人为控制激发信号等优点。而现如今许多新的应用技术不断的投入 实际的生产，这使得效率可以提高不止一倍，远远高于炸药震源的施工效率。此外，今 后的石油勘探发展逐渐向高密度、高分辨率勘探方向发展。在这种情况下，这种优势就 会更加的明显：可以任意将炮点做加密，同时配合使用滑动扫描等先进的采集方式，可 以做到效率和成本两者兼顾l l j 。 可控震源机械要产生地震信号，不可避免的会有耦合问题存在，由于这种机械与地 面之间存在的固有原因，导致了信号传播之初就产生了谐波畸变。首先说明。谐波畸变 与需要的实际扫描信号其实是同一类信号，都是频率随时间以固有的规律变化的扫描信 号，只是谐波畸变相对于基波信号来说，其时间与频率的关系是成倍的关系，依据倍数 关系，可以将谐波畸变分为二次谐波、三次谐波及n 次谐波。实际的资料中的扫描信号 若产生畸变的话会严重影响地震资料的品质。对于滑动扫描这种采集方式，由于其工作 原理是在一炮接收尚未完成时就开始下一炮的激发，得到相邻的两炮的道数据中有一部 分是相互重合的，对原始数据利用参考信息做相关之后，中的下一炮中的谐波的相关数 据会对上一炮的相关资料造成了严重的影响1 2 j 。 当前的去除谐波的方法效果不甚理想，作为高效的采集方式，可控震源在滑动扫描 采集方式中产生的谐波有处理效率低，处理效果不好的问题，这严重制约了可控震源勘 探的效率。特别是在滑动扫描每天得到近万炮的资料的时候，必须要求在前期处理的时 候能够以最快的效率处理掉原始资料中的谐波，这就是现在遇到的问题e 需要找一种可 靠快速的方法去除谐波干扰，以便提高处理效率，得到更好的经济效益。 1 2 国内外研究进展 在谐波压制方面，虽然国内外很早就已经认识到谐波产生的影响，但是由于在滑动 第一章绪论 扫描之前使用的扫描方式中产生的谐波对资料品质的影响有限，因此可以忽略谐波对实 际资料所产生的影响。但是滑动扫描中产生的谐波对资料的影响很大，特别是滑动扫描 采集效率越来越高的情况下，谐波压制的效率远不能满足采集效率的要求，所以更加要 求谐波的处理技术不断的改进。 与可控震源地震观测系统中降低实际操作成本和增强采集质量相关的技术主要包 括同步激发、分级扫描、滑动扫描和同步滑动扫描技术。s i l v e r m a n ( 1 9 7 9 ) 提出了称之 为同步激发的技术。这一方法增强了可控震源的激发质量，它是通过在震源方向设置多 个可控震源或者成组的可控震源在同一时间激发来实现。同步激发主要是用于提高采集 速度。在这一技术中，已经开发出了区分同步采集的炮集数据的信号处理方法 3 1 。 a n d e r s o n ( 1 9 9 5 ) 提出的技术可以提高可控震源陆上采集的效率，也就是分级扫描技术。 这一方法通过并置扫描重置时间和减少接收时间，能够达到减少采集时间的目的。 a n d e r s o n 的方法通过将大量的扫描部件进行分级连接能够减少接收时间。在可控震源采 集中，通常要考虑扫描进行过程中产生的谐波能量。分级扫描方法用的扫描部件有不同 的相位角度，而且可以针对扫描相关信号增加一个额外的扫描部件，因而这种方法可以 起到衰减谐波能量的目的。分级扫描技术中选用部件的数量是高次谐波的函数，而这一 函数可能会产生畸变，因此必须在相关处理过程中进行压制。选用部件的数量也是采集 数据信噪比的函数。 在19 9 6 年，滑动扫描技术由p e t r o l e u md e v e l o p m e n to m a n ( r o z e m o n d ，19 9 6 年) 提 出，这一技术可以减少采集时间。该方法包括的一组可控震源，进行扫描时不必等到前 一组震源扫描结束。它的实现是非常简单的。这一方法的唯一缺点是数据容易受到液压 振动器产生的谐波噪音的影响【4 1 。j e f f r e s ( 2 0 0 2 年) 提出了称之为同步滑动扫描的方法， 这一方法用到的可控震源是两套或者更多套的，不同组之间的滑动扫描是互相重叠的。 每组内的炮集可以通过同步激发时不同的初始相位进行区分。j e f f r e s 提出的技术可以在 同步滑动扫描观测系统中达到压制谐波噪音的目的。在滑动扫描的基础上，为了降低震 源谐波畸变噪音的影响，2 0 0 5 年c g g v e r i t a s 公司推出了h p v a ( h i g hp r o d u c t i v i t y v i b r o s e i sa c q u i s i t i o n ，高效震源采集) 专利技术，进而为了进一步提高生产效率和降低震 源组合效应的影响，2 0 0 7 年又将这一技术扩展到单台震源上实现，开发了v l ( s i n g l e v i b r a t o r , 单台震源施工) 专利技术【4 j 。 从另一方面来看，这几种技术都是通过衰减原始数据中的谐波来提高数据质量而不 是通过增强采集效率来达到的。在这方面做出贡献的有s o r k i n ，1 9 7 2 ；e i s n e r1 9 7 4 ；r i e t s c h 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 9 8 1 ；s c h r o d t1 9 8 7 ；m a r t i n 和w h i t e l 9 8 9 ；o k a y a 等人，1 9 9 2 ：m a r t i n1 9 9 3 ；l ie ta 1 1 9 9 5 ； w a l k e r1 9 9 5 ；l i1 9 9 7 ；p o l o m1 9 9 7 ；d a lm o r o 等人，2 0 0 7 。s o r k i n ( 1 9 7 2 ) 提出了一种 压制谐波的技术，而r i e t s c h ( 1 9 8 1 ) 提出了这一方法需要几个相邻的扫描进行。s o r k i n 的技术依赖于相邻扫描的相位不同。组成这一序列的m 个扫描中的每一个的初始相位 都要与之前的那个扫描相差2 m 。可以证明第m 次谐波可以得到压制。“等人( 1 9 9 5 ) 提出了压制高次谐波的新方法。这一方法要利用一个纯相移滤波器计算假定的“k 次谐 波畸变 的相位谱。通过这一特定的相移滤波器，基底信号中存在的所有谐波畸变以及 可控震源道中那些由第一个强初至产生的谐波畸变都可以得到去除。m e u n i e r 和b i a n c h i ( 2 0 0 2 ) 提出了可以显著衰减滑动扫描得到的原始数据中存在的谐波。这一方法将数据 分解为不同的基波和谐波分量。该方法的第一步是将数据分离出来的基波分量f 1 和谐 波分量h 2 和h 3 进行相关处理。相关后的结果在第一个初至周围进行切除。然后重建 数据的谐波分量并将其滤除。m o r o 等人( 2 0 0 7 ) 利用遗传算法流程来提高数据的质量， 并去除滑动扫描数据的谐波噪音，这一方法考虑了高次谐波和基波的比，并基于遗传算 法提出了一个最优化的处理流程。他们设计了基于遗传算法的工具可以将地震道中高次 谐波出现的部分进行最小化。 在国内，目前可控震源地震勘探主要集中在东方地球物理公司的业务中，张慕刚、 张宏乐、曹务祥、李明星等人在谐波的产生、基本特征、压制方面做了很多的工作0 9 。 近几年随着滑动扫描在东方地球物理勘探公司的广泛应用，采集数据中产生的谐波严重 影响了采集资料的品质，所以在解决问题上，张宏乐( 2 0 0 3 ) 提出合理地选用扫描信号 参数，使谐波对地震资料的影响程度降到最低【1 2 1 。曹务祥等( 2 0 0 4 ) ，通过总结提出了 可行的滤除谐波的方法【1 4 1 。李明星( 2 0 0 8 ) 分析了在采集前对仪器的参数，做到谐波压 $ | j 女k n t 蚓。 总的来说，由于国外的可控震源应用比较广泛，对可控震源的研究也走在前面。在 可控震源谐波压制方面主要是国外的一些方法，但是现在来看在实际应用中都存在着， 处理效果不是很好，处理速度较慢不能适应现在可控震源滑动扫描的采集速度等问题， 所以针对上述国内外研究现状及存在的问题，确定了论文的主要研究内容。 1 3 论文的研究内容 本论文研究的内容来源于地震勘探中急需解决的关键生产技术难题，主要是研究压 制可控震源滑的勘探中滑动扫描采集方式产生的谐波干扰的方法，从滑动扫描采集的谐 3 第一章绪论 波特点入手，对分数傅里叶方法以及纯相移滤波方法做改进对比，最终得到的压制谐波 的有效方法，并且通过编程处理实现实际资料处理的谐波压制，使该方法适应当前勘探 领域高效的采集方式。 ( 1 ) 根据实际试验数据结合可控震源滑动扫描采集方法的特点分析出可控震源滑 动扫描采集得到采集资料的特点，其中滑动扫描数据中的初至、近道中的谐波干扰明显 强于其他区域的谐波干扰，这样下面的处理就有针对性。 ( 2 ) 谐波干扰除了频率范围的成倍增长之外，还有其自己的相关特性、时间特性 及振幅特性。在此基础上根据各种方法的基本原理，推导相应的公式；分析时频域谐波 的特点，利用小波变换提取对数据做回拨提取；研究了分数阶傅里叶方法在滑动扫描数 据中的应用，分析其优缺点；进一步分析纯相移滤波器，对其做改进并推导相应的相移 值使其能够高效的处理滑动扫描谐波畸变数据。 ( 3 ) 综合分析几种方法，并对仿真信号进行试算，并对比几种压制谐波方法的效 果和效率，尝试着对其中几种方法进行整合优化，最终确定了改进纯相移滤波方法，并 对参数的选取进行理论验证，使其适用于所有的可控震源滑动扫描的数据。 ( 4 ) 确定和完善处理流程，编程实现仿真数据以及实际资料的处理，最后做改进 使其适用于所有的滑动扫描数据，实现高效的可控震源的谐波压制。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章滑动扫描采集产生的谐波干扰 2 1可控震源谐波干扰 2 1 1 可控震源产生谐波畸变信号的原因 某一特定的地表条件下，可控震源与地表两者之间就会产生特殊的耦合，这种耦合 就间接的导致了可控震源产生的基波扫描信号会伴随着谐波畸变的存在。这里谐波的数 学公式如下，假设可控震源向地下传播的理想信号为： a = 4s i n 2 x ( f b + a t 2 ) t ( 2 - 1 ) 耦合情况下，大地表面与可控震源的底板振动的关系为 式中各个分量的表示如下： 4 = 土, o o d s a z ，扣警，b 后，q 砌“相班) 1 。 2 风1 f 风。 1 一 。 其中：y 为地表层的速度，p 为地表层的密度，e 则是杨氏模量。 ( 2 2 ) 通过分析地表与震板之间的耦合公式( 2 2 ) ，b 在当且只有当p o v o 尼嵋的情况之 下才会存在极大值。这种情况下，大地表层的土层与可控震源系统的底板才会形成耦合， 从而整个可控震源系统与大地构成了谐振耦合响应系统( 见图2 1 ) ，也因此产生了谐波。 可控震源 大地表面 一， a = a s i n2 7 r c & h + a t ，2 ) t i l 图2 1 可控震源底板与大地表面组成的耦合系统以及大地的受力图 5 第二章滑动扫描采集产生的谐波干扰 2 1 2 谐波干扰的主要类型 根据实际的勘探资料分析，通过理论上的研究，可以基本确定可控震源激发过程中 产的的谐波畸变主要有以下四种： ( a ) 高次谐波，这种谐波的的分布很广，广泛的存在于震源的资料中，其频率范 围是震源理论激发的扫描基波的整数倍。 ( b ) 低次谐波，主要是指频率范围为基波的二倍或者一半的谐波部分。该部分谐 波的分布范围比高次谐波的分布范围小，在资料中分布有限。 ( c ) 超次谐波，这部分是相对于低次谐波来讲的，是其中的那一部分谐波，其频 率相对来说是该部分中比较高的。 ( d ) 不规则或随机振荡信号，这种信号存在于力信号中，而由于力信号是向地下 传播的实际信号，因此这种信号会在整个的地震记录中存在。 2 1 3 可控震源滑动扫描谐波干扰的特征 可控震源勘探中的谐波干扰是伴随着基波扫描出现的，在一般的勘探中一般采用升 频扫描的基波信号，所以一般勘探中的谐波也是线性的升频扫描信号，下面给出k 次谐 波的时频关系式为： 石：吮n + 继等盆， ( 2 3 ) 三角函数表达的k 次谐波为： s k ( t ) = 彳( f ) s i n ? ：粤+ ( 五m x 一五劬) 7 7 2 d ( 2 - 4 ) = a ( t ) s i n2 磁( f ) m s o ) = ( f ) r a = o ( 2 5 ) 其中： 是k 次谐波的瞬时频率，k 是谐波阶次，石一是扫描信号的终止频率，以曲 是扫描信号的起始频率，r 是扫描信号的长度，不同阶次的谐波，其在时频域以不同的 斜率出现【1 8 】。 在本文中谐波畸变扫描信号噪声压制方法使用的是未相关可控震源地震数据。高次 谐波干扰的问题可以认为是一个基波信号和高次谐波信号合起来的振幅，分析显示这些 高次扫描信号的振幅值是伴随频率变化的。高次谐波和基波信号两者的相位关系是稳定 的( 至少是绝大多数的频率范围) ，谐波信号的特征可以通过基波信号来描述。这里假 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 设有未相关的时间域检波数据g ( ，) ，g ( t ) 可以描述为： g ( f ) = d s ( t ) 木p ( f ) ( 2 6 ) 这里g ( ，) 是相关前的检波器输出信号， 是时间域褶积符号，凼( ，) 是可控震源底板 产生的谐波畸变信号而p ( f ) 是地层反射率( 地球脉冲响应) 。理想的情况是实际向地下 传播的地震信号是只包含有一次扫描信号的地面力信号，表达式为凼( f ) = ( r ) 。这种 情况下的记录信号就是凼( r ) = 必( ，) 幸p ( f ) 。在这种情况下，记录信号与基波扫描信号做 相关会产生声( ，) 幸p ( ，) o s ( f ) f s 2 ( f ) 宰p ( f ) ，这一表达式是基于褶积法则的变化性以及实 际情况声( f ) o 声( f ) f s 2 ( ，) 得到，所以可以用f s ：( f ) 来表示克劳德子波。克劳德子波是 一个表现为零时间对称脉冲，这是因为其在零时刻有最高的幅值同时沿着零时刻向两侧 快速的减弱。一般情况下，它可以由带通滤波的迪拉克6 函数估计出来。实际上，向地 下传播的谐波畸变信号( 地面力信号) 同样是包含有谐波的基波畸变信号和地层反射率 的时不变系统。在这种情况下，地层反射率函数可以被描述为各个地层反射率分量的有 限和，如下： p ( r ) = ( ，) ( 2 - 7 ) p = i p = i ，2 ，3 是反射响应的顺序。在这种情况下，畸变信号可以被分解为包含有基波和 谐波分量的各个部分。 幽= 声+ 凰何 ( 2 8 ) 其中声何是基波扫描信号，凰是由于可控震源与地面耦合问题所产生的高次谐波 干扰。而高次谐波干扰又可以写成是其各个谐波分量的有限和，如下： 凰= t u n ( t ) ( 2 9 ) n = i ，2 ，3 是各次谐波分量的序号。这里如果考虑到基波信号含有n 次谐波信号的 时候，向地下传播进过了p 个地层反射率的响应。公式( 2 1 ) 可以表示为： ， n 、 p 蜊2 lf s ( o + h s 。何卜 ( 2 1 0 ) n - = l p = ， 7 第二章滑动扫描采集产生的谐波干扰 ( 2 1 1 ) 删：声木圭似+ 兰兰厅品f j c ) ( 2 - 1 2 ) 公式( 2 7 ) 提供了相关处理之前检波器的记录信号。当考虑到降频扫描数据，记 录数据与基波扫描信号的互相关会在公式( 2 7 ) 的第二部分产生大部分的能量，也就 是说谐波能量移往信号的正时间轴。然而，针对升频扫描数据来说，地震数据与基波扫 描信号互相关之后得到的信号，其主要能量移往负时间域。也就是说，互相关之后，降 频和升频扫描数据的第二和第一部分的信号，都会分别受到谐波噪音的影响。所以，经 过基波扫描信号相关的记录数据，基波信号可以由基板信号所估计，我得到下式： l p n p 、 蜊。声= lf s ( o 宰似+ 办& 何l 固奔 ( 2 - 1 3 ) p = j jp ；j ， 重新利用褶积写出互相关公式，所以一似自相关一定是一似力f ，- 0 = 一自相关。 公式( 2 1 3 ) 可以写成如下形式： ，p ，p、 g o ) 幸f s ( - o = if s ( t ) 幸e o + y 奴渺l 一例 ( 2 1 4 ) 酬宰声f ，卅= 声例幸i 毋宰勺l + 硝一砂幸e e h s c o * e j o ( 2 - 1 5 ) p = lijp = l 这里的g 宰f s f ，砂是原始记录与底板信号或者是基波扫描信号经过褶积之后得到 的互相关记录。其中f s ( 卅l 声何 荟p p j 表示的是经过累计反射层的基波能量。 声f ，- 砂宰慨何* e p f j c ) 表示的是相关之后的谐波分量部分的能量，其中升频扫描信号 的相关能量会在相关记录的负时间轴显示，而降频信号的相关能量则会在相关记录的正 时间轴显示。 8 砂 p 一 半 渺 办 耐 + 何 ，川 木 何 奔 = 何g 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 信号记录 m 1 0 1i 时频分析图 02 0 04 0 0鼬哪! 咖1 2 0 01 4 0 01 6 ( a ) 谐波畸变( b ) 基波与畸变信号的互相关结果 ( c ) 基波信号( d ) 基波与基波信号的自相关结果 在实际生产中，对于非滑动扫描之前的扫描方式，也就是交替扫描来说，也会产生 谐波干扰，一般为了消除谐波干扰，扫描信号一般采用升频扫描，因为在得到的扫描记 录相关之后，升频信号相关后的谐波干扰会出现在记录之外，如图2 2 ，这样谐波对相 关记录产生的影响就比较小，而对于滑动扫描信号来说，经相关之后，各波的形态如图 2 2 ( b ) 所示，扫描基波转换为零相位子波，而谐波干扰出现在相关记录的负时间轴，反 向干扰了其他记录，如图2 3 所示的就是谐波信息在时频域的显示。 图2 - 3 滑动扫描的谐波时频分布( 根据曹务祥、张慕刚，2 0 0 5 ) ( a ) 相关前记录( b ) 相关后记录 9 第二章滑动扫描采集产生的谐波干扰 分割 | 1 擒l 的 帽芙后记玻 即一一一 扫辐2 的 棚荚后记囊 缸一一一 扫描3 的 相盖后记采 欺一一一 招接4 的 相关后记球 图2 - 4 滑动扫描原理示意图( 根据曹务祥、张慕刚，2 0 0 5 ) 滑动扫描工作方式采用多组震源同时振动，各组扫描在时间上相互重叠，根据图2 4 可以看出，连续的四炮记录是通过剪切之后得到单独的炮资料。在普通的非滑动扫描中， 各炮是单独存在的，升频扫描信号经过相关后谐波干扰会产生在负时间轴，得到相关资 料不会存在谐波干扰。而在滑动扫描中，由于得到资料是连续的，因此除了第一炮，其 余的炮中的谐波信号相关后都会对前一炮集造成影响。特别是在提高扫描效率，减小滑 动时间的时候，下一炮对上一炮造成的谐波干扰更不容小视，图2 5 中显示的是扫描信 号，扫描信号自相关，以及传统扫描相关记录和滑动扫描相关记录。从图2 5 中可以看 出，滑动扫描中的谐波干扰是十分明显的i 引。 考铺膏 捕簟号白美骨赡扫胜，e 记量膏萌扭t 氍枣记量 至上 萋i ： 气 季耋 时闩 董j 量 - 姜 睾 妻毒 馨歹 图2 5 传统扫描相关信号与滑动扫描相关记录的比较( 根据曹务祥、张慕刚，2 0 0 5 ) 1 0 糟濯搓糯耀糯幡啊睫慢堰 隧艚鄹豳： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 总结起来，滑动扫描采集中谐波干扰有以下主要特点 ( a ) 频率范围： 谐波的频率为有效波频率的整数倍，其频率范围是随着设定的基波信号的频率的变 化而变化； ( b ) 出现地区： 在同一施工区域，较为集中的同一工区中，谐波是成片出现的，这与施工区域的地 表条件是有关系的： ( c ) 出现位置： 谐波分布在整个剖面上，近道尤为明显，实际数据中初至谐波的能量远远高于地层 反射上来的谐波信号的能量； ( d ) 影响区域： 滑动扫描采集方式的到的记录是连续的，实际地震记录中的谐波分布在当前相关前 道集中，但是相关后的炮记录中的谐波干扰是由下一炮产生的，当前炮产生的谐波影响 对前一炮造成干扰。 2 2 可控震源谐波干扰压制方法 图2 - 6 一般的谐波压制方法的分类 在当前的谐波压制方法，主要是对野外试验采集参数做改进，图2 - 6 中所示的三种 方法是野外采集时候工程师们常常采用的方法，通过这些参数的调整可以最大限度的降 低可控震源采集过程中产生的谐波干扰。但是，这样做仅仅是降低谐波能量，而不能做 1 1 度幅 号 动 信 驱 描源尼扫 震阻位 控统相可系变 小大用减增采 rl 数第 怯 采 方 踞 理 测 处 整 字 溅 数 厂liiill 谐法号方信变制畸压波 第二章滑动扫描采集产生的谐波干扰 到消除谐波，因此用数字滤波技术去除可控震源地震资料中的谐波畸变影响势在必行， 通过调研整理了几种谐波压制的数字滤波方法【2 l 】，例如：三阶累积量、高阶统计量、双 谱时延估计、小波变换回波提取、分数f o u r i e r 变换在可控震源信号处理中的应用、纯 相移滤波器方法、反褶积滤波技术、h f v s 技术等等，通过理论分析与实验对比已经筛 选出纯相移滤波器方法、相关滤波技术是滑动扫描谐波压制比较有效的两种方法。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章分数傅里叶变换压制谐波方法研究 3 1分数阶傅里叶变换的基本理论 分数阶傅里叶变换是一种基于傅里叶变换改进的时频分析工具，可以说是傅里叶变 换的广义化形式，其必然与经典的傅里叶变换存在着联系，但是其又具备了傅里叶变换 自身不具备的一些特点。近年来，不少研究人员做了许多关于分数傅里叶变换的研究， 在时频分析的应用方面也做了一些简单的研究工作。 3 1 1 分数阶傅里叶变换的引入 假设有一扫描信号s ( f ) ，其经过经典的傅里叶变换得到频谱值： ) = 研m ) 】= 击弘矽们屠 ( 3 - 1 ) 那么该频谱函数的反变换为： 踯) 寸b 洲= 去! 盯矽聊盘 ( 3 - 2 ) 从公式可以看出，两者是对称的，其系数中都含有l 2 万。如果对信号s ( t ) 连续做 两次傅里叶变换，则有： 丹1 【s ( f ) 】_ f 2 【s ( ，) 】一j ( - 彳) ，f 3 p ( f ) 】= s (