（信号与信息处理专业论文）基于时频信号分析的阵列声波测井信号处理研究.pdf

摘要 阵列声波测井信号处理在声波测井技术中占有及其重要的地位。目前阵列声波 测井信号处理方法分两类：时域方法和频率域方法。 常用时域处理方法主要包括：1 、门限法；2 、时间慢度相关法：3 能量积分法。 这种方法利用阵列声波测井信号的时域波形信息，建立在信号没有频散的基础上。 在应用于某些频散比较严重的地层时，得到的是对频率域主频附近慢度频散曲线的 加权平均。常用频率域方法主要包括：l 、相位法；2 、m a t r i xp e n c i l 方法。这种 方法基于傅里叶变换的时移特性。它们没有充分利用阵列声波测井信号的时频特性。 因为傅里叶变换在时域全局求取频率信息，因此它并不能分辨特定频率成份发生在 什么时间，以及在特定时刻各种频率成份的大小。同时因为傅里叶变换结果相位在 一万，万1 之间的限制，面临相位2 z 补偿的问题。 本文对部分已有阵列声波测并信号处理方法进行分析、实验和改进；对部分时 频分析方法进行了研究。使用时频分析理论探索了解决声波测井仪研发过程中遇到 的三个信号处理问题的途径。即：去噪、压缩、求模式波慢度；使用单极子相控阵 列声波测井仪器在现场采得的数据进行了实验，并与原有方法的处理效果进行对比 分析。 1 、基于小波分解的去噪处理基于如下假设：携带信息的原始信号在频域或小波 域的能量相对集中，表现为能量密集区域的信号分解系数的绝对值比较大，而噪声 信号的能量谱相对分散，所以其系数的绝对值小这样我们就可以通过作用阈值过滤 掉绝对值小于一定阈值的小波系数，从而达到降噪的效果。根据信号本身的信噪比 选取各级分解系数的阈值，因此可以保证去噪结果具有良好的时域相似性和平滑性。 实验证明该方法优于原有基于频域滤波的去噪方法； 2 、基于小波变换数据压缩算法通过对小波分解系数作用阈值，把部分信号成 份的小波系数置零，使信号在时间一频率域的分解系数所占用的存储空间尽可能小， 同时压缩后的系数能精确的反映原信号所携带的信息。实验证明该方法具有良好的 性能； 3 、基于短时傅里叶变换的时移特性，利用短时傅里叶变换的相位信息，在时频 联合域对慢度进行查找。这种方法在一定程度上克服了原有基于傅里叶变换的处理 方法的缺陷。 关键词：声波测井阵列信号处理时频分析去噪压缩慢度 a b s t r a c t t h ep r o c e s so fa r r a ya c o u s t i cl o g g i n gs i g n a lh a sv e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h e a c o u s t i cl o g g i n gt e c h n o l o g y t h e r ea r et w ok i n d so fa l g o r i t h m si nt h ea r r a ya c o u s t i c l o g g i n gs i g n a lp r o c e s sa r e a ：t h et i m e d o m a i na l g o r i t h m sa n dt h ef r e q u e n c y - d o m a i n a l g o r i t h m s t h ec o n v e n t i o n a lt i m e d o m a i na l g o r i t h m sa r ea sf o l l o w s ：1 t h r e s h o l da l g o r i t h m ；2 t i m e s l o w n e s sc o h e r e n c ea l g o r i t h m ；3 i n t e g r a le n e r g ya l g o r i t h m t 1 1 i sk i n do fa l g o r i t h m i sb a s e do nt h et i m e d o m a i ni n f o r m a t i o no ft h ea r r a ya c o u s t i cl o g g i n gw a v e s t h i sk i n do f a l g o r i t h mi sb a s e do n 坊ea s s u m p t i o nt h a tt h es i g n a l sd on o th a v ed i s p e r s i o n 。胁e l lt h e a l g o r i t h m sa r eu s e dt op r o c e s st h ed a t ao ft h ef o r m a t i o nw h i c hh a ss e r i o u sd i s p e r s i o n ，t h e r e s u l t so ft h et i m e d o m a i na l g o r i t h m sa r et h ew e i g h t i n ga v e r a g eo f 血ec u r v ew h i c h d e m o n s t r a t e st h ed i s p e r s i o no fs l o w n e s sa r o u n dt h em a i nf r e q u e n c yi nt h ef r e q u e n c y d o m a i n t h ec o n v e n t i o n a la l g o r i t h m so ft h ef r e q u e n c y - d o m a i na r ea sf o l l o w s ：1 t h e p h a s ea l g o r i t h m ；2 t h em a t r i xp e n c i la l g o r i t h m t m sk i n do fa l g o r i t h mi sb a s eo nt h e t i m e d e l a yc h a r a c t e ro ft h ef o u r i e rt r a n s f o r m t h e yd o n tm a k et h em o s tu s eo f t h et i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e ro ft h ea r r a ya c o u s t i cl o g g i n gd a t a a tt h es a m et i m e ，t h ep h a s e i n f o r m a t i o no ff o u r i e rt r a n s f o r l ni sl i m i t e di nt l l er a n g eo fi - l r ，7 l ，s oi fw en e e dt ou s e i tw eh a v et of a c et h ep r o b l e mo ft h ec o m p e n s a t i o no f2 n i nt h ep a p e r , e x p e r i m e n t sa r ed o n et oa n a l y z ea n dm o d i f yt h ec o n v e n t i o n a la r r a y a c o u s t i cl o g g i n gs i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ；r e s e a r c ho fs o m ek i n d so ft i m ef r e q u e n c y a n a l y s i sa r ed o n e w i t ht h et i m ef r e q u e n c ya n a l y s i st h ea u t h o rp r o b e st h es o l u t i o no f t h r e e q u e s t i o n so fs i g n a lp r o c e s s t h et h r e eq u e s t i o n sa r e ：d e - n o i s e ，c o m p r e s sa n da c q u i r i n gt h e w a v e ss l o w n e s s t h e v r ei m p o r t a n tt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f 也ea r r a ya c o u s t i c l o g g i n gi n s t r u m e n t p r o c e s st h ea r r a ya c o u s t i cl o g g i n gd a t aw i t ht h et i m ef r e q u e n c y a n a l y s i s 也e o r y c o m p a r et h ep r o c e s s e dr e s u l t so ft h en e wa l g o r i t h m sw i t ht h ee x i s t i n g o n e sa n dm a k ea n a l y s i s t h ed a t au s e di nt h ee x p e r i m e n t sa r eg o tb yt h em o n o p o l ep h a s e c o n t r o l l e da r r a ya c o u s t i cl o g g i n gi n s t r u m e n ti nt h eo i lf i e l d 1 t h ew a v e l e td e c o m p o s i t i o n sa p p l i c a t i o ni nd e n o i s ei sb a s e do nt h ef o l l o w i n g a s s u m p t i o n ：t h ee n e r g yo f 也er a wd a t aw i t hu s e f u li n f o r m a t i o ni sc o m p a r a t i v e l y c o n c e n t r a t i v ei n 也ef r e q u e n c yd o m a i na n dt h ew a v e l e td o m a i n t h em a n i f c s t a t i o ni st h a t t h ed e c o m p o s i t i o nc o e f f i c i e n t so ft h eu s e f u ls i g n a li nt h ee n e r g yi n t e n s i v ea r e ah a v e c o m p a r a t i v e l yb i g g e rv a l u e o nt h es a m et i m e t h en o i s e se n e r g y i sc o m p a r a t i v e l y d i s p e r s i v ea n di t sd e c o m p o s i t i o nc o e m c i e n t sh a v es m a l l e ra b s o l u t ev a l u e s ow ec a r lf i l t e r p a r to ft h ed e c o m p o s i t i o nc o e m c i e n t sw h i c ha r es m a l l e rt h a nat h r e s h o l d t h et h r e s h o l d s o ft h ed e c o m p o s i t i o nc o e f f i c i e n t si ne v e r yl e v e la r eg o ta c c o r d i n gt ot h es n ro f 也es i g n a l s ot h ep r o c e s sw i l le f f e c t i v e l yr e d u c et h en o i s e t h e r e f o r et h ed e n o i s e dr e s u l t sh a v eg o o d g l i d i n gp r o p e r t ya n dc o m p a r a b i l i t yi n 也et i m ed o m a i n i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n t st h a t t h en e wm e t h o di sb e t t e rm a l lt h ee x i s t i n go n ew h i c hu s e st h ef i l t e ri nt h ef r e q u e n c y d o m a i nt od e n o i s e 2 t h ep r o c e s so fc o m p r e s sb a s e do nt h ew a v e l e td e c o m p o s i t i o ns e tp a r to ft h e d e c o m p o s i t i o nc o e 伍c i e n t st o z e r ow i t ht h r e s h o l d 砸sp r o c e s sw i l lm i n i m i z et h e m e m o r ys p a c eu s e dt os a v et h ed e c o m p o s i t i o nc o e f f i c i e n t si nt h et i m e f r e q u e n c yd o m a i n o nt 1 1 eo t h e rh a n d ，t h ec o m p r e s s e dc o e f f i c i e m sc a l la c c u r a t e l yr e f l e c tt h ei n f o r m a t i o no f 也er a wd a t a e x p e r i m e n t sp r o v et h em e t h o dl l l a k e sg o o dp e r f o r m a n c e ； 3 w i 也t h ep h a s ei n f o r m a t i o no ft h ed a t a ss h o f tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m s w ec a n s e a r c ht h ew a v e ss l o w n e s si nt h et i m e f r e q u e n c yd o m a i nu s i n gt h et i m e - d e l a yc h a r a c t e r o ft h es h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o m t h i sm e t h o do nal a r g ee x t e n to v e l e o l l l e s 也ed e f e c t s o ft h ee x i s t i n ga l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nt h ef o u r i e rt r a n s f o r m k e yw o r d s ：a c o u s t i c l o g g i n g ，a r r a ys i g n a lp r o c e s s ，t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ， d e n o i s e ，c o m p r e s s ，s l o w n e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鲞鲞盘壁或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鳓 签字日期： 刎7 年月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘查太茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞壅态茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：矽口甲年月岁e 1 日 导师签名。 角勺喑 签字日期：沙秒7 年月岁 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了声波测井技术的发展现状及应用。着重介绍了声波测井仪器的发展 及阵列声波测井信号的特点，阐述了本文研究的目的、内容和方法，突出了本文中 声波测井信号处理方法的创新之处。 1 1 声波测井技术简介 声波测井技术从2 0 世纪4 0 年代开始出现，到现在经历了几十年的发展，已经 成为地球物理测井学科的重要领域，是发展最快和应用最广泛的现代测井方法之一。 声波测井是油气勘探和开发的重要手段，在国外2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初期， 为了满足复杂油气藏勘探和开发的需求，开展了偶极和多极声波测井，声波成像测 并，声波随钻测井、井间声波测井新方法、仪器及应用方面的研究。声波测井的物 理基础是研究与岩石性质密切相关的声振动沿钻井的传播特征。因为声波测井的仪 器具有快速，轻便的特点。近十余年来在我国地质、工程等领域逐渐推广应用，并 取得了较好的效果。u 声波测井技术的特点是记录了地层的纵波、横波及流体波的慢度、幅度、频率、 相位等信息，而这些信息对于计算孔隙度、判断岩性、定性识别流体性质、评价岩 石力学弹性参数等具有重要作用，并且还可以为较深的砂泥岩储层估算岩石破裂压 力值，为油藏工程提供参数因此声波测井是油气勘探和开发的重要手段。在油气藏 勘探和开发中主要解决储油层分布、油井固井质量的检测、出砂等问题。 随着我国大量基础设施的兴建和近年我国频繁发生的灾害性地质事件，声波测 井在过程勘察、施工和灾害地质中的应用而逐渐展开的，并且收到了较好的效果。 目前用到的声波测井方法有声波速度测井、声波全波列测井、声波层析成像测井、 井下超声成像测井。上述方法在实际应用中各有其独特的特点和优势：声波速度测 井可以划分地层和换算相应的岩石弹性参数；声波全波列测井在具有声波速度测井 的优势外，还可以得到横波的速度，求得更全面的岩石弹性参数；声波层析成像测 井可以概括的、直观的反映地质体或者工程体内部波速场的分布情况，主要用于水 泥材质质量的检测；而井下超声成像测井是利用超声波对井壁进行扫描并根据井壁 回波幅度和传播时间进行成像测井，可以直观的判断岩性和岩石的物理特性。但是 声波测井受到井径的影响，只能探测井壁周围很窄范围内的情况，具有一定的局限 性，此外由于成像算法等原因，声波成像测井无法获得理想的成像效果。昭1 第一章绪论 利用电子、计算机等技术的最新发展成果，声波曩0 井仪器正朝着高分辨率、大 信息量、高抗环境干扰能力、彩色成像显示等方向发展，且多种测井仪器组合提 供全面生产服务。声渡测井仪器经历了肌单源距向多源距、单极子向多极子、单一 功能向多功能、一维成果显示向三维成果显示发展的过程。n ， 我国声波测井技术与国外先进水平的差距主要体现在井下信息采集的硬件设备 j _ _ 在信息采集规模和可靠性方面都明显落后但信号处理及测井资料的地质解释 评价技术，己形成自己的特色。 1 2 声波测井仪器简介及发展综述 首先介绍声波测井的基础知识。 p 一渡：也就是纵波，表示初至波的意思。( 也叫c o m p r e s s l o n a lw a v e ) s 一波：就是横波它取s e c o n d a r y 的字首，表示次到波的意思。( 也叫s h e a r w a v e ) 手j 9 ， “，7 h 一 图卜1 纵、横波震动原理 围卜2 纵、横波传播示意图 斯通利波( s t o n e l e yw a v e ) ：是一种沿井壁传播的、在井壁和声波探头之间环 状空间中的流体( 一般式井内泥浆) 中产生的导波，即当声波脉冲与并壁和井内流 体的界面相遇是就会产生斯通利波。斯通利波在全波列上具有波幅相对较大、频率 较低、速度低于井内的流体纵波速度等突出的特点。斯通利波的相速度一般为纵波 速度的08 9 09 6 倍，其频率小于5 0 0 0 h z ，斯通利被在流体和固体交界面址波幅最 大t 在流体介质中斯通剥波的衰减最快。应用斯通利波的衰减可以进行地层渗透率 的评价。 不同地层中各种岩石的结构不同，声波在其中的阻抗不同，园此声波的传播速 嘲_r 侈 一玎 螽， 一了 赣 第章绪论 度、声能衰减或声波的相位等发生变化，这就是岩石结构反应的声学特性，利用岩 石的这种物理量的改变，设计一种能发射及接收反、折射信号的仪器，研究沿井剖 面的异常来测定各种岩石性质的测井方法叫做声波测井。 声速测井也叫声波时差测井，是用有发射声源和接收探头的下井仪器，测量在 一定距离内介质中声波传播的时间叫做时差5t ，主要用来提供地层的孔隙度资料。 声幅测井是测量纵、横波的衰减指数，他们能很好地指示岩石中裂缝的存在。声波 测井是以研究井下岩石声学特征为基础的。利用声波测井可以：1 、确定地层孔隙度、 裂缝、岩性；2 、检查固井质量进行地层对比。对于声波测井来说，声源的能量较小， 作用时间较短，岩石可以看作是弹性体，在外力的作用下，产生切变弹性形变和压 缩弹性形变，所以岩石既能传播纵波又能传播横波；在气体和液体中，只能产生压 缩弹性形变，不能产生切变弹性形变，因此只能传播纵波，不能传播横波。一般情 况下，声波速度随岩石密度的增加而增加，近似线性关系。岩性、岩石的结构、地 质年代、埋藏深度决定声波速度、因此可以根据声波的传播速度来研究岩石的岩性， 岩石的孔隙度等。本文的主要研究目的就是求得声波慢度。 声波测井是地球物理测井的主要方法之一。地球介质的声波特性如速度、衰减 等与岩石种类及地层流体性质紧密相关，因此，测量地球介质的密度及衰减可以提 供重要的介质及其变化信息。声波测井中测井仪器置于井内，声波由仪器内部的声 源产生并沿井壁传播，最后被同一仪器中的接收换能器接收。测井时，测井仪器由 电缆连接而上下移动，该电缆既被用来拉动仪器本身，同时又用来为仪器提供电源 并传导数据。这种测井叫做电缆测井。测井数据经过处理后可提供井壁周围介质的 声学性质的连续曲线。1 当仪器在井中连续向上( 或向下) 移动时，地层的声学参数可以通过处理测井 声波数据得到。井中声波是由井中声源发射，并由一系列接收换能器记录得到的。 早期声波测井仪器通常使用两个接收换能器( 如图1 - 3 ) ，接收器间的间距已知。 因此，通过测量两个接收换能器接收到得信号之间的到时差可以计算介质中p 波( 又 称压缩波或者纵波) 的慢度( 即波速的倒数，也称时差) 。 第一章绪论 誉，。嵯髓翮。三 女籍w “孰，j ，- ，。+ 。10 图1 - 3 早期双接收器声波测量仪慢度测量原理示意图 因为井径的变化( 变大或变小) 会影响到声波到时的测量，从而发明了一种井 径补偿声波测井仪。这种仪器从原来的单发双收换能器型改进为双发双收型，其中 一组发射接收换能器装置乃足r 1 相对于另外一组发射接收换能器装置正冠r 来说方 向相反，其原理图如图1 - 4 所示。由于在井径大的地方声波在井中液体的传播距离 增长。因此当两个接收器之间有并径突变时，置于井径大处的接收器的到时将延后。 这会导致当两个接收器之间有井径突变时，正足足与z 属足测得的慢度一个大一个 小，把两者平均就可对由井壁直径变化造成的测量误差起到一定的补偿作用。然而 这种井径补偿仪也有严重的缺陷，例如，当井壁表面很粗糙或者存在裂隙带的时候， 声波信号将严重衰减，到达时刻很难识别，结果使很多早期声波测井资料存在所谓 的“周期缺失”现象。这种现象就是由于初始到达时刻标识不准造成的。为了克服 这种双发双收型仪器的弱点，人们发明了阵列型声波测井仪器。， k 。“一鼹发双收声系一盛 图1 - 4 双发双收声波测量仪原理图 阵列声波测井的原理是利用阵列波形的大量重复的信息来弥补由于各种可能的 测量误差造成的信息损失。由于要从有大量重复信息的阵列数据中提取有用信息， 第章绪论 阵列数据必须经过数字化处理，从而要求声波测井资料必须数字化的记录下来。当 把连续波形进行离散化处理后，声波信号的复杂性逐渐显露出来。除去前面提到的 弹性纵波外，声波源还产生其它很多声波信号。图1 - 5 给出了当弹性纵波波速和横 波波速均大于井中流体介质的声波波速时，声波换能器接收到的各种声波信号。首 先到达的是弹性纵波( p ) ，其后是横波( s ) ，再后面是一大串导波。导波有两种不 同的振型组成，一种是所谓的伪瑞利波( p s e u d o r a y 一1e ig h ) ，它与限制在井壁附近 的声能有关，而且只有当井外介质的横波波速大于井内液体波速时存在。另外一种 就是斯通利波( s t o n e l y ) ，它是一种井壁导波。阵列声波测井仪器有一个很大的优 点，那就是不同的振型到达接收换能器的时间不同，可用来分析各种波的传播特性， 从而进一步了解井壁周围的介质特性。这些分析方法大致分为两类：频域方法和时 域方法。频域方法可用来分析各种波形的传播及频散特性，时域方法用来从测井波 形中提取井壁周围的介质特性。口， 阵列声波测井的另一个优点就是在井径补偿可由阵列数据的不同组合及处理而 实现。 声源信号 接收信号 图1 - 5 地层横波速度小于井内流体声速时地层中的声波振相 传统的声波测井仪器使用的声源通常是一个井中的压力脉冲源。声源的辐射一 般是各向同性的，至少在井的横截面内是如此。这种声波源称为单极子源 ( m o n o p o l e ) 。在单极子测井中，井中换能器接收的纵波和横波均为沿井壁传播的酋 波( 临界反射波) ，一次只有当地层的横波波速大于井中流体声速时，横波才会被井 内换能器接收到。这种地层通常称为快速地层( f a s tf o r m a t i o n ) 。当地层中横波波 速小于井内流体声速时，单极子源发射的横波信号在井壁上无法满足临界折射条件， 故而井内换能器接收不到横波。这种地层称为慢地层( “s l o w ”f o r m a t i o n ) 。通常 人们说慢地层没有横波就是这个道理。图卜6 和图1 - 7 为单极子模式下声波在不同 地层中的传播的示意图。 第一章堵论 盯 | f 4 一u ，k“+ 图卜6 单极子模式声波在快地层中传播 i 、 图i - 7 单极子模式声波在慢地层中传播 为了确定慢地层中的横被波速，人们发明了偶极子( d i p o l e ) 声波测井仪器 图卜8 和图卜9 为偶极于模式下声波在不同地层中的传播示意图。 1 图卜8 偶极子模式声波在快地层中传播图卜9 偶极子模式声波在慢地层中传播 为了有效进行声波测井测量人们通常把单板子换能器和偶极子换能器结合起 来形成多极于声波测井仪器。偶板子源还有一个优势：因为它是指向性发声，以此 可以用来测量波速随角度的变化。这一事实导致了正交偶极子测井仪器的诞生。因 为正变偶极子的接收系统也可以用于单极子铡井，因此导致了正交多极子仪器的诞 生，有了这种正变多极子仪器，只需要进行一次测井测量，就可以同时得到单极子， 偶极子，正交偶极子声波数据。采集井处理正交偶板子声波数据可以用来确定横波 环向各向异性特征，并进一步获得井壁周围地层的各向异性信息，特别是在底层裂 隙特征的研究及地应力的测量中有着广泛的应用0 1 。 雷 互蟊 第一章绪论 1 3 现代声波测井信号处理方法 随着声波测井技术的发展，对声波测井处理的解释的要求也越来越高。新型声 波测井仪可获取极为丰富的地层信息，其数据量也增大了数百倍。科学和有效的数 据处理和分析方法，已成为当前声波测井的主要课题之一。但是传统方法的局限性 和不适应性暴露的越来越明显，并且无法满足实际中的应用。如傅里叶分析是信号 处理的重要手段，但是傅里叶变换不能作局部分析，无法由函数的傅里叶变换知道 函数在任一点处的性态。随着现代信号处理的发展，各种新的信号处理方法应用到 了阵列声波测井信号处理领域。幢1 时频分析始于2 0 世纪4 0 年代。时频分布的主要任务是描述信号的频谱含量是 怎样随时间变化的，研究并了解时变频谱在数学和物理上的含义和概念。时频分析 的最终目的是要建立一种分布，以便能在时间和频率上同时表示信号的能量或者强 度，得到这种分布后，我们就可以对信号进行分析、处理，提取信号中所包含的特 征信息，或者综合得到具有期望的时频分布特征的信号。 小波理论是近年来发展起来的一种新的数学理论，小波的概念首先由地质学家 j m o r l e t 等人提出。并成功的应用到地震数据处理。小波分析是傅里叶分析发展的 新阶段，它被认为是传统的傅里叶方法的突破性进展，其优于傅里叶变换之处主要 在于它在时间域和频率域都有良好的局部化性质，同时由于对高频成份采用了逐渐 精细的时间或空间或采样步长，因此可以在任何细节上聚焦成像，它的基本方法已 在许多领域广泛应用。根据小波分析理论将小波变换、小波多分辨率分析运用于声 波全波列测井波形的提取中；例如将其用于声波测井数据的压缩；用来提高声波测 井曲线纵向分辨率等。晗1 小波分析理论广泛应用于各种信号处理，其中基于小波分 析的信号压缩和去噪信号处理方法已经较为成熟。l im e n gl o n g ，、q ih u a y i 、n i e f us h c n ge ta l ，( ( a p p i l c a t i o no fe m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e tt ot h ec o m p r e s s i o no f i n f r a r e ds p e c t r a ) ) 一文中利用嵌入式零数小波和霍夫曼编码对红外线谱进行压缩处 理。3 何蕊、罗文波和王本利的an e wm e t h o do fc h o o s i n gs c a l e si nw a v e l e tt r a n s f o r i l l f o rd a m p i n gi d e n t i f i c a t i o n ) ) 一文对利用小波分析理论在频域进行衰减识别时的尺度选 取方法进行了系统研究。嘲柯永振、张加万、孙济洲等人的e m c i e n th i e r a r c h i c a l s t r u c t u r eo f w a v e l e t b a s e dc o m p r e s s i o nf o rl a r g ev o l u m ed a t as e t s ) ) 一文利用小波系 数的内在相关性对三维数据进行高效压缩，降低了数据传输的开销。【6 3 孙继平、马 凤英和吴东旭等人的i m p r o v e dw a v e l e ta n a l y s i s i ne n h a n c i n ge l e c t r o m a g n e t i c c a m p a t i b i l i t yo fu n d e r g r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e mi nc o a lm i n e ) ) 一文提出了一种利用小 波分析理论间接测量地下电磁界面的新方法。h 1 另外，z h a n gw e i 和s h iy i b i n g 的 ( ( a p p l i c a t i o no fw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k i nt h ea c o u a i cl o g g i n g w h i l e d n l l 啦w a v e f o r m 第一章绪论 d a t ap r o c e s s i n g ，j o u r n a lo f c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e r ) ) 一文利用小波神经网络对随 钻测井数据进行压缩，满足了实时声波测井信号处理的要求。嘲 许多关于时频分析理论应用于阵列声波测井信号处理的研究已经取得了一定的 成果与应用。张学涛，王祝文，原镜海等人利用时频分析方法在阵列声波测井中 区分油水层一文，应用c o h e n 类时频分析方法对阵列声波测井测得的声波资料进 行时频分析，对油水层的分布特征进行分析，进而尝试用时频分析方法对油水层进 行识别归1 。江万哲，章成广的时频分析方法在声波测井信息提取中的应用一文 利用短时傅里叶变换和对信号开窗的方法求取声波测井信号各个模式波的慢度信息 n 伽。王祝文，刘菁华，聂春燕的时频分析的重排方法及其在声波测井信号处理中 的应用一文就非平稳信号时频分析的重排方法及其在阵列声波测井信号处理中的 应用进行初步的探讨，根据不同的岩石、结构、构造等信号的时频特征，以期寻找 一种新的识别、判断不同岩石、结构、构造的方法。n u 王祝文、刘菁华、聂春燕的 基于h i i b e r t - h u a n g 变换的真理声波测井信号时频分析给出了阵列声波信号的 经验模态分解及其时频分布，并对实际阵列声波波形进行h h t 时频处理与剖析。【1 2 1 林盛，刘业新和李衍达的基于时频分解技术的全波列声波测井信号处理提出了 基于时频分解技术的各个模式波的分离方法。根据时频平面上的信号能量分布，可 以得到各种模式波的一种可能分解，并由此计算纵、横波慢度。n 3 ，杨慧娟、曲喜强、 韩炎的基于小波变换的声波信号包络提取利用小波变换提取声波信号包络。n 射焦 翠华、李洪奇、李冰等的小波分析在提高声波测井曲线纵向分辨率中的应用利 用小波变换对声波测井曲线进行了时频分析和处理，提高了声波测井曲线的纵向分 辨率。n 鄙王祝文、刘菁华、聂春燕的阵列声波测井信号的时频局域相关能量分析 提出了一直基于信号时、频局域相关能量的新的时频信号分析方法- - r i h a c z e k 分 布，声波的r i h a c z e k 分布对不同的岩性，以及由不同岩性组成的构造破碎带具有明 显不同的表现特征，利用相应的模式识别方法可以对岩性构造进行有效的区分和识 别。n 钔柳建新、韩世礼、马捷的小波分析在地震资料去噪中的应用阐述了小波 变换和去噪的基本原理，讨论了如何选择小波基，及去噪中的阈值问题，实现了对 地震资料的去噪。刀吕菱、强智的时频分析在阵列信号处理中的应用一文分析 讨论了时频分析在阵列信号处理中的应用，主要分为时频删s i c 和空时频分布两方 面的应用。n 川孙卫涛、陶果、杨慧珠等的基于多尺度分析的正交偶极子声波测 井反演地层各向异性一文对四分量数据进行了多尺度分析，在时间一频率域内提取 了挠曲波的动力学特征，基极了时间数据处理中遇到的波形畸变和干扰问题。n 钔他 得安和刘镇清的二维信号分析法在超声无损检测中的应用一文综述了近年来二 维信号分析法在超声无损检测中的应用，其中包括二维快速f o u r i e r 变换， w i g n e r - v i l l e 分布，g a b o r 变换和小波变换等。1 胡建平、包乾宗和陈亚东等的时 第一章绪论 频分析在实测瞬态瑞雷波相速度提取中的应用一文利用时频分析方法提高了瑞雷 波波速提取的稳定性和可靠性。昭”于洪斌、王鸿樟的基于时频分析的反射超声无 损测温新方法利用魏格纳分布函数的时频图分析，到处分层截止目标中相邻层上 回拨脉冲频谱幅度之比与相邻层声速差之间的关系，解得声聚焦点临区内沿层面法 线方向上的温度分布。乜舶龚仁荣，顾建祖、骆英和柳祖亭的( g a b o r 小波时频分析 在声发射信号处理中的应用一文利用g a b o r 小波时频分析得到声发射源定位中传 感器接收到的声发射信号在时间和频域上的分布，并用于区分声发射信号的传播模 式和不同信号的组成，得到声发射波群的准确到达时间，从而提高了时差定位的精 度。2 铂 对阵列声波测井信号有重要作用的另外一个技术是匹配追踪技术。匹配追踪类 似于小波变换。匹配追踪算法也是用一个函数库中的函数对信号进行分解。m a l l a t s t e p h a n e ，z h a n gz h i f e n g s m a t c h i n gp u r s u i t sw i t ht i m e f r e q u e n c yd i c t i o n a r i e s ) ) 提 出了一种可以将任一信号分解为一组冗余的基元函数的线性展开的匹配追踪算法。 文中的冗余基元函数基于g a b o r 原子库。疆们范虹，费晓琪，孟庆丰的基于混合编 码遗传算法的匹配追踪算法一文介绍了一种提高匹配追踪算法计算效率和精度的 算法，这种算法用浮点数和格雷码的混合编码遗传算法来实现匹配追踪算法。3 付 瑶，王红军，吴国新的e m d 信号处理方法在l a b v i e w 和m a t l a b 中的实现利用 l a b v i e w 和m a t l a b 实现e m d 方法( 经验模态分解方法) ，分解后使得瞬时频率有了 物理意义。瞳6 3 杜秀丽，沈毅的匹配追踪方法在超声检测信号去噪中的应用一文 利用匹配追踪方法把信号表示成与超声检测中回波信号结构匹配的线性展开。它能 够白适应的提取和原子相关的信号结构，从而实现噪声抑制。此文对阵列声波测井 信号的降噪处理有一定的借鉴意义。堙刀 1 4 本文的内容、手段、目的和意义 本文的主要研究内容为： ( 1 ) 对已有阵列声波测井信号求模式波慢度的方法进行分析、实验和改进。 这些方法包括常用时域处理方法和频域处理方法； ( 2 ) 对部分时频分析方法进行研究，并探索使用时频分析方法解决阵列声波 测井仪器研发过程中遇到的三大信号处理问题，即去噪、压缩和求模式 波慢度； ( 3 ) 研究基于时频分析的阵列声波测井信号的去噪和压缩处理方法，并与已 有方法进行对比分析： ( 4 ) 在已有阵列声波测井信号求模式波慢度方法的基础上，探索基于时频分 第章绪论 析理论的新型处理方法，以求克服原有方法的缺陷，提高产量质量和精 度。 本文通过使用已有阵列声波测井信号处理方法对单极子相控阵列声波测井仪器 在油田采得的实际测井数据进行实验，并对这些已有方法进行理论和性能方面的分 析，发现了其存在的缺陷，证明了利用时频分析方法处理阵列声波测井信号的必要 性和可行性。 本文在m a t l a b 平台上，使用时频分析理论，对单极子相控八接收声波测井仪器 在油田实测的信号进行去噪，压缩和提取模式波慢度处理。并把小波变换去噪后的 效果与傅里叶变换去噪效果对比分析。对基于小波变换压缩处理进行了实验。利用 短时傅里叶变换的时移特性，对基于时频分析的时频三维谱进行近似于相位法的处 理，进而得到慢度信息。本文通探索出了一种通过时频分析方法求模式波慢度的方 法。并把小波变换引入了阵列声波测井信号的预处理，以提高阵列声波测井信号处 理的质量和更多更准确的信息。 这一套对阵列声波测井信号进行处理的新方法能求得模式波的慢度信息，并克 服基于傅里叶变换是基于时域全局信息求频谱的缺点，充分利用了阵列声波测井信 号的时频特点，提高了信息提取的准确性。有利于充分利用阵列声波测井信号中的 大量信息进行地质解释等实际应用。本文的实验和结论对仪器故障检测和无损探伤 等领域的具有时频特性的阵列信号处理有广泛的应用价值和理论意义。 第二章常用阵列声波测井信号处理方法 第二章常用阵列声波测井信号处理方法 目前处理阵列声波测井信号的常用方法主要分两大类：时域方法和频率域方法。 频率域方法可用来分析各种波型的传播及频散特征。时域方法可以用来从测井波形 中准确的提取出井壁周围介质的特性。 本章将详细介绍目前各种阵列声波测井仪器常用的几种方法的原理、实现及效 果，并对其优劣点进行分析。进而说明使用时频分析方法进行阵列声波测井仪器处 理的必要性及本论文研究的意义。 2 1 常用时域阵列声波测井信号处理方法原理及性能分析 时域方法主要有：首波提取法、时间一慢度相关法( s t c ) 、能量积分法。首波提 取法利用波形特征提取不同源距不同振型波的初始到达时刻，根据声波在特定已知 间距间的传播时间计算不同振型波的波速。时间一慢度相关法( s t c ) 利用阵列声波 接收换能器接收到波形的相似性确定波的传播慢度。能量积分法是首波提取法的改 进，主要通过对时间窗内的波形求能量积分，减小弱信号及噪声的影响进而提高首波 提取的准确性。 2 1 1 首波提取法( 门限法) 声波测井接收信号的特性如下： ( 1 ) 、在声波全波列图上，横波幅度大于纵波幅度； ( 2 ) 、在声波全波列图上，纵波和横波首波相位相反，即相位相差1 8 0 。； ( 3 ) 、从到达时间上可以区分慢度较小的纵波和慢度较大的横波及其它慢度更 大的斯通利波。 单发八接收阵列声波测井仪器在井场实地测得的波形如下图2 - 1 所示：图中横 轴表示时间单位为( u s ) ，纵轴表示不同源距处的波形幅度。 第二章常用阵列声波测井信号处理方法 蓉收羹阵劂 图2 - 1 井场实测波形 首波提取方法( 门限法) 的原理是：设定一定的信号幅度门限值。然后查找第 一个达到此门限值的信号采样点以及其对应的时间，该时间就是波形的首波到达时 刻。根据不同源距波形首波到达时刻( 已八