許自龍 宋 林 夏洪瑞
(①中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京 211103; ②中國(guó)石油化工股份有限公司江漢石油管理局物探處物探研究中心,湖北潛江 433100)
在地震勘探中,受現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制或因地下傳播路徑復(fù)雜,所采集到的地震數(shù)據(jù)往往信噪比較低,有效信號(hào)常淹沒在強(qiáng)大噪聲背景中,致使依賴于較高信噪比的一些處理技術(shù)的應(yīng)用效果受到影響,如速度分析、靜校正量計(jì)算、地震建模及偏移成像等。因此,亟待通過采用各種更有效去噪技術(shù)提高地震資料的信噪比。
在傳統(tǒng)去噪技術(shù)中,常用減小噪聲或增強(qiáng)信號(hào),或兩者兼顧的方法。這些方法(如隨機(jī)噪聲衰減、F-X decon、奇異值分解、多項(xiàng)式擬合等)都建立在信號(hào)占優(yōu)的前提下,否則難以達(dá)到應(yīng)用目的。許多學(xué)者持續(xù)研究并改進(jìn)各自提出的方法,以期進(jìn)一步提高或拓展這些技術(shù)對(duì)不同地區(qū)、不同資料的有效性和普適性[1-6]。
小波技術(shù)的出現(xiàn)給解決此類難題帶來了新途徑,其最成功的應(yīng)用是小波變換閾值去噪。由于其算法簡(jiǎn)捷、去噪效果明顯而成為去噪環(huán)節(jié)乃至整個(gè)地震數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法之一[7-10]。然而,經(jīng)典小波閾值去噪算法采用設(shè)定全局閾值方式,而地震資料中的噪聲具有明顯時(shí)空變性質(zhì),采用全局閾值去噪方法易產(chǎn)生過扼殺/過保留現(xiàn)象。盡管人們?cè)陂撝涤?jì)算上進(jìn)行了大量嘗試,提出了一些計(jì)算局部閾值的算法[11-12]。但由于方法本身所限,求取的閾值只能是相對(duì)準(zhǔn)確; 加上小波閾值去噪技術(shù)中所用去噪算法本身在數(shù)學(xué)機(jī)理上不盡嚴(yán)謹(jǐn)[13-14],因此人們逐漸試用其他技術(shù)取代小波閾值去噪方法[15-21],并取得了顯著成效。這些方法[15-21]考慮了去噪過程的相關(guān)細(xì)節(jié),均有嚴(yán)格的應(yīng)用條件,并要求待處理地震資料具有一定信噪比。
對(duì)于低信噪比資料而言,現(xiàn)階段苛求對(duì)其準(zhǔn)確無誤地去噪只是一種奢望,能有效提取信號(hào)(包容一定的去噪誤差)是目前可供努力的方向之一。這就要求去噪方法一定要具有強(qiáng)大的噪聲壓制能力。小波閾值去噪方法持續(xù)活躍于信號(hào)處理領(lǐng)域達(dá)20余年,亦主要緣于此。為此,本文依然借用這種方法從低信噪比地震資料中提取信號(hào)。當(dāng)然,上已述及小波閾值去噪方法仍存有諸多缺陷,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行必要的修正、完善。
文獻(xiàn)[22]提出了時(shí)空變閾值去噪,且成功地應(yīng)用于可控震源地震資料。該項(xiàng)技術(shù)巧妙利用在同一震點(diǎn)上多道相關(guān)未疊加可控震源資料(同一震點(diǎn),不同震次形成的道集)滿足疊加三條件,以相鄰道的疊加結(jié)果作為小波去噪過程中的初始標(biāo)準(zhǔn)值,采用迭代方法求取方差,進(jìn)而求取時(shí)空變閾值,實(shí)現(xiàn)時(shí)空變小波閾值去噪。但非可控震源地震資料不具備上述條件,應(yīng)用上述思路及方法則需要對(duì)其進(jìn)行必要的修正和改進(jìn)。
目前,任何去噪技術(shù)都不可能徹底去除噪聲,小波閾值去噪也不例外。若能對(duì)去噪結(jié)果再應(yīng)用疊加技術(shù),才能更準(zhǔn)確地從低信噪比資料中提取信號(hào)。多個(gè)小波基函數(shù)的出現(xiàn),給這一思路的實(shí)現(xiàn)帶來了可能。應(yīng)用多個(gè)小波對(duì)同一地震記錄道分別進(jìn)行時(shí)空變小波閾值去噪,得到多道去噪記錄。這些去噪后的多道記錄具有信號(hào)同相、噪聲相關(guān)性差或不相關(guān)的特點(diǎn),為應(yīng)用疊加技術(shù)創(chuàng)造了條件。
基于上述分析,本文所提方法的實(shí)現(xiàn)思路為:通過改進(jìn)的小波閾值技術(shù)進(jìn)行去噪,并采用多個(gè)不同小波重復(fù)上述處理,得到多道去噪后地震記錄; 將所得多道去噪地震記錄進(jìn)行疊加。兩種技術(shù)中,前者為后者的基礎(chǔ),后者是前者的完善,兩者緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)低信噪比資料中的信號(hào)提取。
1.1.1 經(jīng)典小波閾值去噪
小波變換具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)相關(guān)性,它不僅能使信號(hào)能量在小波域集中到一些大的有限的系數(shù)中,而且可使噪聲的能量分布于整個(gè)小波域。因此經(jīng)小波分解后,信號(hào)的小波變換系數(shù)大于噪聲的小波變換系數(shù),可認(rèn)為幅值較大的小波系數(shù)一般以信號(hào)為主,而幅值較小的小波系數(shù)在很大程度上是噪聲。于是找到一個(gè)合適的λ作為閾值,當(dāng)?shù)趈層第k個(gè)小波系數(shù)wj,k小于該閾值時(shí),可認(rèn)為這時(shí)的wj,k主要是由噪聲引起,則將系數(shù)wj,k減小至零; 當(dāng)wj,k大于該閾值時(shí),認(rèn)為此時(shí)的wj,k主要是由信號(hào)引起,則將該系數(shù)予以保留,從而實(shí)現(xiàn)了信噪分離。
從上述分析可見,小波閾值去噪是通過壓制噪聲、保留有效信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。
經(jīng)典的小波閾值去噪公式為
(1)
由式(1)可知,去噪是否徹底取決于閾值λ的準(zhǔn)確求取、權(quán)系數(shù)a的適當(dāng)選用及噪聲處理細(xì)節(jié)的嚴(yán)謹(jǐn)。顯然,基于地震資料中噪聲具有明顯的時(shí)空變性,只有時(shí)空變地求取λ、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)a,并對(duì)去噪處理方式進(jìn)行必要修正,才能較徹底地壓制噪聲。
1.1.2 改進(jìn)的時(shí)空變小波閾值去噪方法
文獻(xiàn)[22]已初步實(shí)現(xiàn)了時(shí)空變閾值去噪,本文沿用這一思路。但非可控震源資料中有效信號(hào)并非一定呈水平排列,在利用文獻(xiàn)[22]方法時(shí),需進(jìn)行相鄰道信號(hào)同相軸方向掃描,然后沿同相軸方向求疊加結(jié)果作為初始標(biāo)準(zhǔn)值,并通過迭代方法修正方差,進(jìn)而求取時(shí)空變閾值。但因式(1)中a并無時(shí)空變化,故該方法去噪結(jié)果仍有誤差。a是為調(diào)節(jié)去噪強(qiáng)度而設(shè),若存有某種依據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)閾值作出過大還是過小的判斷,并對(duì)其進(jìn)行必要的修正,就可較好地控制閾值的大小以減小去噪誤差,即實(shí)現(xiàn)了a的時(shí)空變。事實(shí)上,根據(jù)單道信息無法判別求取的閾值是否適當(dāng),但多道地震記錄的存在,且相鄰道信號(hào)具有相關(guān)性,給判斷閾值是否準(zhǔn)確提供了依據(jù)。
地震數(shù)據(jù)處理中,中值、疊加結(jié)果常被用作評(píng)判處理結(jié)果是否準(zhǔn)確。同樣,可將處理點(diǎn)作為中心,選擇左右各N道記錄沿信號(hào)方向求取中值和疊加結(jié)果,將去噪結(jié)果限制在以上述兩結(jié)果為上、下限的局部值域中,進(jìn)而在去噪過程中減少過扼殺/過保留現(xiàn)象。具體實(shí)施方案:若待去噪樣點(diǎn)值大于閾值,取中值、疊加結(jié)果和利用式(1)得到的去噪結(jié)果三者之間的中值為去噪結(jié)果; 對(duì)于小于閾值的樣點(diǎn)去噪結(jié)果也以中值、疊加結(jié)果和0三者的中值取代“充零”處理。即改進(jìn)的小波閾值去噪公式為
(2)
式(2)隱含了應(yīng)用中值和疊加結(jié)果對(duì)式(1)中a進(jìn)行了實(shí)時(shí)修正這一事實(shí)。當(dāng)thre為式(2)中的中值時(shí),表示此時(shí)a較準(zhǔn)確,不需實(shí)時(shí)修改; 若中值為med或stack,暫令其為b,式(1)中a為待定系數(shù),有
(3)
通過式(3)可反求a,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正的目的(實(shí)施中沒必要多此一舉),即改進(jìn)的小波閾值去噪是通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)a實(shí)施。這種修正既限定了閾值大小,修正了加權(quán)系數(shù)的不變性,也完善了去噪方式。
從另一角度看,將式(1)修改為式(2)是將經(jīng)典小波閾值去噪由單道去噪改為多道去噪,當(dāng)式(2)中用于計(jì)算中值的道數(shù)N取0時(shí),式(2)退化為式(1)。這種變化可滿足同一工區(qū)不同區(qū)域的去噪需求。
去噪可采用多道或單道方式。多道方式的優(yōu)勢(shì)是利用相鄰道信號(hào)相關(guān)的特點(diǎn),增加識(shí)別噪聲的準(zhǔn)確度及去噪的穩(wěn)定性,缺陷是可能會(huì)模糊突變點(diǎn)信息; 而單道方式的優(yōu)劣正好與之相反。對(duì)式(2)兩次應(yīng)用相鄰道信息,保證了去噪結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí),應(yīng)用求中值的方法對(duì)去噪中的減法和充零進(jìn)行修正,減小了該去噪方法對(duì)去噪結(jié)果的損害。
當(dāng)然,這種修改程度隨閾值的準(zhǔn)確度而變化。當(dāng)閾值準(zhǔn)確且待處理樣點(diǎn)的絕對(duì)值大于閾值時(shí),利用式(2)求取的中值大多為閾值,此時(shí)實(shí)際上是應(yīng)用式(1)進(jìn)行去噪處理,但閾值的求取過程中依然應(yīng)用了多道的信息; 當(dāng)閾值存有較大誤差時(shí),則應(yīng)用中值/疊加結(jié)果進(jìn)行修正,進(jìn)而減小去噪過程中的過扼殺/過保留現(xiàn)象。當(dāng)待處理樣點(diǎn)的絕對(duì)值小于閾值,將充零處理修正為求中值。這種處理緩解了充零處理后引起的信號(hào)重構(gòu)畸變。
由式(2)可知,閾值的準(zhǔn)確求取依賴于信號(hào)同相軸方向的準(zhǔn)確度,因此方向掃描是該方法的重要環(huán)節(jié)。由于小波變換后各小波尺度下的小波系數(shù)信噪比高低不同,為提高信號(hào)掃描的準(zhǔn)確度,宜選用信噪比最高的小波尺度進(jìn)行方向掃描,本文即采用此方法。限于篇幅,文中未對(duì)此內(nèi)容展開討論。
取多個(gè)不同小波,分別應(yīng)用改進(jìn)的小波閾值去噪技術(shù)對(duì)某道地震記錄進(jìn)行去噪處理,一道地震記錄通過多次處理可得到與所應(yīng)用小波個(gè)數(shù)一樣的多道地震記錄。由式(2)可知,對(duì)同一地震道應(yīng)用不同小波去噪的結(jié)果上,信號(hào)位置不會(huì)移動(dòng),即這些地震道在同一位置具有類似的信號(hào)信息,但有幅度大小及形態(tài)差異。因所用小波的不同,導(dǎo)致其分解、閾值計(jì)算、去噪及重構(gòu)方面的差異,致使去噪后的地震記錄殘留不同的隨機(jī)噪聲。簡(jiǎn)言之,去噪后的多道地震記錄在同一位置信號(hào)強(qiáng)相關(guān),而噪聲特征為弱相關(guān)/不相關(guān)。這一特殊特征使疊加技術(shù)中最重要的應(yīng)用條件“信號(hào)時(shí)間對(duì)齊”得以滿足。
(4)
式中Sm(t)、Nm(t)分別為去噪后的保留信號(hào)及殘余噪聲。
應(yīng)用疊加技術(shù)可得去噪后數(shù)據(jù)的疊加結(jié)果
(5)
該式右邊第一項(xiàng)信號(hào)同相疊加,能量增強(qiáng); 第二項(xiàng)噪聲同相性差,相加后有一定程度互相抵消。
需要說明的是,不同的小波具有不同的特征,適應(yīng)不同類型的噪聲。理論上,應(yīng)選用盡可能多的小波以適應(yīng)地震資料中噪聲的多變性。但在實(shí)際應(yīng)用中,面對(duì)各種不同的噪聲,很難選取最適用的小波。本文選用Morlet、Marr及Sym2三種小波進(jìn)行去噪,其適用性及有效性基本符合要求。
2.1.1 改進(jìn)的小波閾值去噪方法應(yīng)用效果
影響經(jīng)典小波閾值去噪效果的三個(gè)因素(λ、a及去噪方式)中,前兩個(gè)因素上文已述及,此處主要測(cè)試第三個(gè)因素對(duì)去噪結(jié)果的影響及改進(jìn)后的去噪效果。為使測(cè)試因素單一,這里選擇信號(hào)同相軸呈水平層狀,以避開信號(hào)方向掃描不準(zhǔn)影響閾值計(jì)算結(jié)果;減小外加噪聲,使求取閾值更準(zhǔn)確,并突顯去噪處理方式對(duì)去噪結(jié)果的影響。
圖1a是由22道40Hz雷克子波構(gòu)成的記錄,對(duì)該記錄各道加入不同的隨機(jī)噪聲(信噪比為0.6),得到相差迥異的含噪記錄(圖1b)。應(yīng)用Morlet小波通過經(jīng)典小波變換公式進(jìn)行去噪,所得結(jié)果(圖1c)中噪聲顯著衰減,淹沒于噪聲背景的有效信號(hào)突顯出來。但因仍采用減法運(yùn)算和充零處理,致使提取的記錄產(chǎn)生了明顯形變,有些道(第8道和第9道的0.8s處)甚至嚴(yán)重失真。
為進(jìn)一步分析經(jīng)典小波閾值去噪產(chǎn)生誤差的原因,以兩種方案進(jìn)行測(cè)試: ①小波系數(shù)不小于小波閾值時(shí),用經(jīng)典公式計(jì)算; 而當(dāng)小波系數(shù)小于小波閾值時(shí),采用“求中值”方法取代充零實(shí)施去噪處理; ②小波系數(shù)不小于小波閾值時(shí),采用求中值方式; 而當(dāng)其小于小波閾值時(shí),采用充零方法實(shí)施去噪處理。這兩種測(cè)試可清楚觀察到經(jīng)典小波閾值壓制噪聲技術(shù)中減去閾值和充零處理兩種方式對(duì)噪聲的壓制效果。從第一種測(cè)試方案處理結(jié)果(圖1d)可見,其效果優(yōu)于圖1c(第8道和第9道在0.8s處有改善),盡管其記錄形態(tài)也存在明顯失真,但失真程度遠(yuǎn)低于圖1c,且在信號(hào)同相軸的上、下方噪聲明顯減少,有效地減小了因充零處理而導(dǎo)致的畸變。這表明通過對(duì)式(1)充零處理方式的改進(jìn)可克服待處理樣點(diǎn)小于閾值時(shí)簡(jiǎn)單采用充零處理導(dǎo)致的有效信號(hào)損失。再觀察第二種測(cè)試方案處理結(jié)果(圖1e),雖也可見記錄道形變,但總體效果優(yōu)于圖1d(第8道和第9道在0.8s處有明顯改善)。這表明對(duì)式(1)中減法處理的改進(jìn)明顯減弱了對(duì)信號(hào)的損害。圖1f是利用式(2)的去噪結(jié)果,可見隨機(jī)噪聲得到有效壓制,并成功地提取了有效信號(hào),產(chǎn)生的形變比圖1e顯著減弱,且信號(hào)上方和下方的噪聲也得到有效壓制,與圖1a非常接近。
實(shí)際上,經(jīng)典小波閾值去噪存有的三項(xiàng)缺陷對(duì)處理結(jié)果的影響是一個(gè)綜合效應(yīng),特別是應(yīng)用于低信噪比資料。此例僅用于直觀觀測(cè)經(jīng)典小波閾值去噪中去噪方法存有的去噪誤差。
圖1 改進(jìn)的時(shí)空變小波閾值去噪效果分析
2.1.2 不同小波去噪效果及疊加技術(shù)增強(qiáng)效果
類似于圖1,此算例依然選擇水平狀信號(hào)。通過商用軟件對(duì)由主頻為16Hz的雷克子波構(gòu)成的原始模型(圖2a)加入信噪比為0.4的噪聲(圖2b),加噪后有效信號(hào)完全淹沒于噪聲之中。分別應(yīng)用Morlet、Marr、Sym2三種小波進(jìn)行改進(jìn)的小波閾值去噪,從處理結(jié)果(圖2c~圖2e)可見,信號(hào)大體顯露,位置相同,但形態(tài)稍有差異,且不同小波所得到的去噪結(jié)果呈現(xiàn)較明顯差異,第4、6、8道尤為突出。圖2f為圖2c~圖2e的加權(quán)疊加,可見多個(gè)小波去噪結(jié)果疊加增強(qiáng)了有效信號(hào),形變信號(hào)得以恢復(fù),彌補(bǔ)了單小波閾值壓制噪聲缺陷,波形很接近圖2a,疊加技術(shù)的作用一目了然。
2.1.3 模擬單炮試處理
有效信號(hào)淹沒于噪聲背景的實(shí)際資料無法直觀觀察信號(hào)提取是否真實(shí),本文采用對(duì)合成單炮加噪的方式測(cè)試本文方法的有效性及適應(yīng)性。
采用簡(jiǎn)單平層地質(zhì)模型,通過商用軟件GX2D進(jìn)行正演模擬,得到原始單炮記錄(圖3a)。該記錄共有128道,道長(zhǎng)為3s,采樣率為2ms; 由加噪軟件對(duì)圖3a做加噪處理(圖3b,信噪比為0.1)。選用已廣泛應(yīng)用的增強(qiáng)信號(hào)軟件F-X decon做測(cè)試處理,所得處理結(jié)果(圖3c)中未呈現(xiàn)有效波同相軸,可見常規(guī)軟件難以有效提取低信噪比資料中的信號(hào)。分別應(yīng)用Morlet、Marr、Sym2三種小波做經(jīng)典小波閾值去噪及加權(quán)疊加,將處理結(jié)果(圖3d)與圖3c進(jìn)行對(duì)比,可見小波閾值法去噪能力明顯優(yōu)于F-X decon。另外,雖然強(qiáng)同相軸顯露出來,但提取的信號(hào)不太清晰,層間噪聲依然存在,同相軸的連續(xù)性、光滑性存有明顯缺陷,表明經(jīng)典小波閾值去噪因自身存有的缺陷,處理效果仍有很大改進(jìn)空間。圖3e是本文方法(即分別應(yīng)用Morlet、Marr、Sym2三種小波進(jìn)行改進(jìn)的小波閾值去噪并疊加)的處理結(jié)果,可見強(qiáng)同相軸更連續(xù)光滑,弱同相軸的連續(xù)性也有所改善,層間噪聲基本消除干凈,也沒有出現(xiàn)遺漏和新增的同相軸,與圖3a非常接近,充分展現(xiàn)了本文方法的優(yōu)勢(shì)。
圖2 不同小波去噪結(jié)果及疊加技術(shù)增強(qiáng)有效信號(hào)效果分析
同時(shí)從圖3e可以看出,應(yīng)用本文方法后面波也得以有效壓制,而經(jīng)典小波閾值去噪結(jié)果仍存有較強(qiáng)的面波干擾(圖3d),這是由于本文方法對(duì)面波的處理采用了先假設(shè)面波為信號(hào),在面波所在的小波尺度下進(jìn)行面波方向掃描,并沿面波方向計(jì)算小波閾值,應(yīng)用式(3)求取面波,再?gòu)脑摮叨认略夹〔ㄏ禂?shù)減去該值,從而達(dá)到消除面波的目的。
此例表明,本文方法同樣適用于信號(hào)同相軸為非水平排列的炮集記錄。
圖3 模擬單炮資料處理效果對(duì)比
人工模擬單炮、人工加噪模擬與實(shí)際單炮記錄存在諸多不同。針對(duì)實(shí)際單炮,將常規(guī)信號(hào)增強(qiáng)軟件、經(jīng)典小波閾值去噪與本文方法進(jìn)行比較,以測(cè)試本文方法對(duì)實(shí)際地震資料的有效性和適用性。
圖4a為原始單炮,信號(hào)淹沒于隨機(jī)噪聲、強(qiáng)能量環(huán)境噪聲、面波、50Hz工頻干擾等多種背景噪聲中。觀察F-X decon方法處理結(jié)果(圖4b),由于用該方法去噪時(shí)利用了多道信息,而其中噪聲能量占優(yōu),去噪結(jié)果中隱藏在噪聲中的信號(hào)難以僅通過應(yīng)用該技術(shù)得以顯露。在應(yīng)用Morlet小波的經(jīng)典小波閾值去噪結(jié)果(圖4c)中,顯露出圖4a中僅能隱約可見的同相軸,并大體上可連續(xù)追蹤。圖4d是本文方法(應(yīng)用了Morlet、Marr、Sym2三種小波及疊加)的處理結(jié)果,與圖4c相比有效信號(hào)更清晰,同相軸的連續(xù)性、光滑性均增強(qiáng),剖面清晰度大幅度地提高,整個(gè)剖面面貌得到較明顯的改觀,達(dá)到了預(yù)期的處理效果。另外,圖4a中的隨機(jī)噪聲、強(qiáng)能量環(huán)境噪聲、面波等經(jīng)處理后均得到有效壓制。與圖3e算例類似,圖4d的良好處理效果主要?dú)w功于在去噪閾值的求取過程中采用了多道技術(shù),增強(qiáng)了小波閾值去噪技術(shù)的噪聲識(shí)別能力。
圖4 實(shí)際單炮資料試處理效果對(duì)比
本文采用去噪與疊加相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)從低信噪比地震記錄中提取信號(hào),取得了較好應(yīng)用效果。通過理論分析、數(shù)據(jù)測(cè)試處理,得到如下認(rèn)識(shí)。
(1)采用改進(jìn)的小波閾值去噪方法實(shí)施去噪。即用實(shí)時(shí)修正去噪系數(shù)a的方式對(duì)經(jīng)典小波閾值去噪技術(shù)進(jìn)行改進(jìn); 將小波閾值去噪由單道計(jì)算改進(jìn)為多道計(jì)算,以提高噪聲識(shí)別和壓制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
(2)采用疊加技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)信號(hào)。以多個(gè)小波進(jìn)行小波閾值去噪處理,達(dá)到一道地震記錄變多道的效果,為疊加技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
(3)先后應(yīng)用去噪技術(shù)和疊加技術(shù)提高地震資料的信噪比,將這兩種不同思路的去噪方法有機(jī)結(jié)合并成功地從低信噪比資料中提取信號(hào)。
(4)雖仍依賴于原始資料的信噪比,但本文方法將多道思想應(yīng)用于小波閾值去噪,去噪結(jié)果對(duì)信噪比的適應(yīng)性遠(yuǎn)超同類常規(guī)處理方法。