LIFT去噪方法在低信噪比资料处理中的应用

崔永福, 吴国忱, 郭念民, 刘正文, 赵锐锐

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，青岛 266580；2.中石油塔里木油田分公司 勘探开发研究院，库尔勒 841000)

0 引言

塔里木盆地的勘探区块大多是沙漠、戈壁、黄土塬、悬崖峭壁的山地、以及老油田的边缘、深部、低渗透、小断块、薄互层和隐蔽型油气藏。这些探区地表地震条件恶劣，地下地质构造复杂，野外采集难度大，造成原始数据存在品质差、信噪比低的特点[1]。因此压制噪声、提高信噪比，是塔里木地震资料处理的重要环节。

高信噪比、高分辨率、高保真度和准确成像，一直是地震资料处理追求的目标，而高信噪比更是其他方面的基础[2]。为了获得高信噪比的处理成果，地球物理学家针对不同的噪声提出了多种去噪方法，在实际的生产过程中得到了广泛地应用，但是也存在一定的问题，传统去噪只是通过各种方法将信号和噪声分开，达到去噪的目的，这些传统方法在去噪的过程中，忽略了信号保真的处理原则，损害了有效信号。

Choo[3]在2003年提出了一种新的去噪思路—LIFT(Leading intelligent filter design)保真去噪方法，它的优点是考虑了信噪比的不同级别，在信噪分离的基础上去噪，再进行合并重构，获得新的具有高信噪比、高保真的地震信号。国内许多学者利用这一新思路做了进一步的研究工作，在压制多次波、面波、线性干扰、海上外源干扰等方面取得了不错的效果[4-8]。作者针对YM7井区地震资料存在的面波、线性干扰和高能量噪声，研究了基于LIFT去噪原理的压制方法，取得了理想的应用效果。

1 方法原理

地震资料的信噪比可以定义为：

(1)

1.1 传统去噪方法分析

常规去噪方法的思路是把地震信号分解成有效信号和噪声，如果信号和噪声存在频率或者速度的差异，可以将地震信号通过数字变换到能够区分它们的域，然后去除分离开的噪声，再将信号转换到时间域，恢复信号，以达到去除噪声的目的。这些常规去噪方法存在一定的弊端：它们是对整个地震信号进行处理。当信号和噪声不能很好地分开时，容易造成损失有效信号，如f-k去噪方法去除面波干扰时，虽然线性噪声得到了去除，但是f-k去噪是对整炮进行去噪，它把面波方向上的有效信号也去除掉了(低频信号)，这就造成有效信号存在损失；而且在剖面容易产生“蚯蚓”状的同相轴，一些小幅断层被模糊。

每一种传统的去噪方法都有各自的假设条件，如假设共炮点道集的有效信号或者噪声是：双曲线、抛物线、直线等。但是实际上，这种假设只是对理论方法的一种近似，不可能完全模拟实际情况。这样对原始信号进行去噪之后，再把原始信号进行一定比例的回加，从而弥补假设条件的不真实性。

信号回加的方法分为两种：

(1)利用原始信号进行回加，假设A是原始信号，包括信号100，噪声100；B是假设产生的信号模型，其中信号为90，噪声为5；原始信号A*50%作为回加的信号；这样重构的信号为A*50%+B，其信噪比为：140/55。虽然信噪比得到提高，但是有效信号由100变为140，发生了信号畸变，没有保证有效信号的保真度。

(2)利用噪声信号进行回加，假设A是原始信号，其成分为有效信号100，噪声100；去噪后的信号B，其成分为有效信号90，噪声5；C为原始信号A减去B，其成分为有效信号10，噪声95；D为回加的信号，为C*50%，其成分为：有效信号5，噪声47.5；重构的地震信号为B+D，其成分为：有效信号95，噪声52.5，信噪比为：95/52.5，与上一种去噪方法相比，信噪比较低，去噪不理想，但是有效信号为95，而不是140，没有发生大的畸变，保真性好。

从以上分析可以发现常规去噪方法的局限性，常规去噪方法不能很好地保护有效信号，容易造成有效信号的损失，虽然信号回加的方法可以起到保护有效信号的作用，但是信号回加的去噪方法仍然存在缺陷：第一种回加信号方法虽然去噪后的信噪比较高，但有效信号失真了；第二种方法虽然保证了有效信号真实性，为原始有效信号的95%，保真性好，但是没有达到理想的去噪目的，去噪后的资料品质不会得到大的提高。

1.2 LIFT去噪方法原理

常规的去噪方法，一直局限于如何区分开有效信号和噪声，达到提高信噪比的目的。改进的方法是为了保证有效信号的真实性，对去噪后的信号进行一定比例的回加原始信号。我们可以转换一下思路，从以下两方面考虑：其一是提高信号模型的逼真度；其二是在回加的噪声信号上下工夫，而不是简单的回加。

图1是LIFT去噪的技术原理示意图，假设其中A是原始地震信号，其成分为：有效信号100，噪声100，其信噪比为100/100，非常低；S1是建立的信号模型，假设其有效信号为90，噪声为10；N1是原始信号A减去建立的信号模型S1的剩余信号，其成分为有效信号为10，噪声为90；S2是剩余数据信号N1经过去噪后的结果，其成分为有效信号8，噪声为6；重构的地震信号为S1+S2，其成分为有效信号98，噪声16，信噪比为：98/16，结果是非常高的，有效信号98，与原始有效信号100相比，没有大的损失，在去噪的同时做到了保真性处理。如果进行一次去噪后效果不理想，还可进行循环迭代再次去噪，以获得更加理想的结果，最终的结果可以表示为：

图1 LIFT去噪原理示意图Fig．1 LIFT de-noising flow chart

s=s1+s2+s3+…sn

(2)

LIFT去噪的关键环节有两点：

(1)信号模型的建立。信号模型必须与实际有效信号比较接近，只有这样才能保证S1(信号模型)中的有效信号达到更高的百分比，减少在去噪过程中对有效信号的损失。

(2)对剩余数据N1中的噪声进行去噪处理。在N1中，由于噪声信息比重较高，可高达90%甚至更多，而有效信号只占10%左右，这样对剩余数据N1的去噪效果将直接影响整个去噪的好坏。在这里应根据地震数据中噪声的实际情况，选择不同的去噪方法和手段。

在实际野外采集的地震数据中，噪声可以分为规则噪声和随机噪声，规则噪声细分有：面波、50Hz的工业干扰、高能量噪声、线性干扰、多次波等。信号模型的建立必须要根据原始地震信号中的噪声特点进行求取，如压制面波时，可通过高通滤波方法建立信号模型；去除线性干扰时，可以利用动校正后的CMP道集数据，通过AVO反演的方法，求出AVO的P波属性，利用这种属性来重构一次反射波CMP道集的有效信号模型；压制多次波时，可以利用一次波的速度对含有多次波的CMP道集进行动校正，校正后的CMP道集一次波被拉平，而多次波仍然是弯曲线，这样就可以利用τ-p变换，分解出一次波，建立起一次波的有效信号模型。建立好信号模型，就可以将原始数据减去信号模型，得到剩余信号，从而进行去噪处理。

2 应用实例分析

本次研究的地震数据为2003年采集的YM井区的三维地震资料，覆盖次数为8×4次，面元20 m×20m，该数据的覆盖次数较低，对资料的后续处理，尤其是对于成像品质的改善带来了很大的约束。工区的中浅层信噪比较高，但目的层埋藏较深(4 000 m～5 500 m)，反射弱，各种噪声等干扰波发育，干扰波比较严重的层段信噪比也非常低。主要干扰波为浅层折射波、强能量面波、高频干扰、高能野值和视速度较高的线性干扰。结合YM地区的地震资料特点，利用LIFT去噪方法进行了面波、线性干扰和高能噪声的压制。

2.1 面波干扰的压制

LIFT去噪首先要建立有效波的信号模型，根据面波相对有效信号频率低的特点，可以利用高通滤波的方法，建立信号模型，图2是利用这种方法建立的有效信号模型。

图2 (a)是原始地震数据信号A，(b)是利用频率域高通滤波的方法建立的信号模型S1，(c)是(a)减去(b)得到剩余信号N1。因为信号模型(b)不可能是完整的有效信号，这样得到的N1中就包含了少量的有效信号成分，但其主要成分为面波噪声，接下来就可以利用自适应频率衰减方法压制N1中面波，同时也会得到N1中的有效信号S2，将S1与S2相加就可以得到保真的去噪结果，这就是LIFT去噪压制面波的实现方法。

图3和图4分别为单炮记录和叠加剖面进行LIFT去噪面波压制处理前、处理后以及压制的噪声声显示和频谱图，从图中可以清晰的看到LIFT去噪处理不仅有效地压制了面波干扰，而且有效波得到了很好地保护。

图3 LIFT去噪—单炮记录的面波压制效果图Fig．3 LIFT de-noising effect of suppressing surface wave(a)面波压制前单炮记录及频谱；(b)面波压制后单炮记录及频谱；(c)去除的面波噪声及其频谱

图4 LIFT去噪—面波压制前后的叠加剖面效果对比图Fig．4 LIFT de-noising effect of suppressing surface wave(a)面波压制前叠加剖面及频谱；(b)面波压制后叠加剖面及频谱；(c)去除的噪声剖面及频谱

2.2 线性干扰的压制

在压制了面波干扰后，单炮记录上还有线性干扰波的存在，与面波压制的技术思路一样，可用 LIFT 去噪方法进行线性干扰波的压制。图5为单炮记录进行LIFT去噪处理前、处理后、以及压制的噪声显示，图6是LIFT去噪前后的叠加剖面对比及其噪声剖面显示。可以看出，LIFT去噪对线性干扰波进行了有效地压制，从去除的噪声信息上(图5(c)、图6(c))可以看到有效波成分并没有损失，去噪的保真效果好。

2.3 高能量噪声的压制

通过对叠前地震数据中的主要噪声压制后，地震数据中仍然存在一些高能量随机噪声，这些强能量噪声会对后续的叠前偏移处理带来影响，我们又用LIFT去噪方法对高能噪声进行了适当的压制(叠前地震数据)。针对这种强能量随机噪声，可以采用多道统计的方法，计算地震信号的振幅大小，来建立信号模型数据，然后再进行去噪。图7为进行高能噪声压制处理前后的叠加剖面显示。

图5 LIFT去噪—单炮记录的线性干扰压制效果图Fig．5 LIFT de-noising effect of suppressing linearity noise(a)线性干扰压制前单炮记录；(b)线性干扰压制后单炮记录；(c)去除的线性干扰噪声

图6 LIFT去噪—线性干扰压制前后的叠加剖面效果分析图Fig．6 LIFT de-noising effect of suppressing linearity noise(a)线性干扰压制前叠加剖面；(b)线性干扰压制后叠加剖面；(c)去除的线性干扰噪声

应用上述 LIFT 去噪方法进行叠前噪声压制处理后，噪声干扰得到了有效地压制，而且对有效信号没有造成影响和损失。图8给出了主测线 900 噪声压制前、后的叠加剖面效果对比，可以看到多种干扰波得到了很好地去除，信噪比得到大幅度提高，通过 LIFT 去噪得到了新的具有高信噪比、高保真度的有效地震信号。

3 结论与认识

通过对传统去噪方法进行分析，发现其在实际地震资料处理的过程中存在一些不足，尤其是针对当前的复杂隐蔽型油气藏勘探，不能作到真正的保真处理，容易损失有效信号。LIFT 去噪方法是将地震信号分解为信号模型和剩余信号，通过现有的噪声压制方法对剩余信号进行去噪处理，得到剩余有效信号，再将这部分剩余有效信号和信号模型进行合并重构，得到去除噪声后的完整有效信号。信号模型的建立是 LIFT去噪的关键环节，根据地震信号的特点可以利用 AVO 反演方法、τ-p 变换方法、f-x 随机去噪、多道平均值统计等方法建立信号模型。LIFT 去噪方法在去除噪音的过程中，能够很好地保护有效信号的动力学特征(振幅，频率等)，可以做到保真性处理，为后续的处理和偏移工作打下了良好的基础。

图7 LIFT去噪—高能噪声压制前后的叠加剖面效果分析图Fig．7 LIFT de-noising effect of suppressing strong energy noise(a)高能噪声压制前叠加剖面；(b)高能噪声压制后叠加剖面；(c)去除的高能噪声干扰

图8 LIFT去噪综合效果图Fig．8 Comprehensive effect of LIFT de-noising(a)LIFT去噪前叠加剖面；(b)LIFT去噪后叠加剖面；(c)去除的噪声干扰

参考文献：

[1] 杨举勇，杨金华，彭更新. 塔里木盆地沙漠地震勘探技术及应用[M]. 北京：石油工业出版社，2009.

[2] 熊翥. 地震数据处理应用技术[M]. 北京:石油工业出版社，2008.

[3] CHOO J, SUDHAKAR V. A new processing technique to LIFT noise and multiple[R]. CSEG and Canadian Society of Petroleum Geologists Joint National Convention, Calgary, 2003.

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