基于时窗种子提取的海洋地震资料侧面噪声压制方法

王 征,金翔龙,吴自银,方念乔,董水利,王海昆

(1.中国地质大学(北京),北京100083;2.中海油田服务股份有限公司,天津300451;3.国家海洋局海底科学重点实验室,浙江杭州310012;4.国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州310012)

基于时窗种子提取的海洋地震资料侧面噪声压制方法

王 征1,2,金翔龙1,3,4,吴自银3,4,方念乔1,董水利2,王海昆2

(1.中国地质大学(北京),北京100083;2.中海油田服务股份有限公司,天津300451;3.国家海洋局海底科学重点实验室,浙江杭州310012;4.国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州310012)

受过往船只噪声和平台等障碍物侧反射的影响,导致海洋地震勘探资料中存在侧面反射噪声,该类噪声具有非线性和宽频带的特征,常规方法对其难以有效衰减。为此,分析了侧反射和大船干扰两种主要侧面噪声的形成机理,提出了一种基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法。通过对含侧面噪声的种子炮提取障碍物反射源或侧面噪声源的坐标值,自动控制噪声形态;再通过噪声时窗优化,实现了f-k域无假频滤波衰减侧面噪声。含模拟侧面噪声单炮记录的测试和实际含侧面噪声三维地震数据的试处理结果表明,该方法能有效压制侧面噪声并保护有效信号,在海洋地震资料处理中具有实际的应用价值。

侧面反射;噪声衰减;种子提取;二维FK滤波;海洋地震资料处理

在海洋地震资料处理中,侧面干扰噪声是严重影响地震资料信噪比和成像质量的因素之一[1-7]。由于侧面噪声的非线性运动学特征和几乎等于震源子波频带宽度的特性,导致常规去噪方法效果很不理想。目前针对该噪声的主要衰减方法有3种：①采用Radon域切除的方法或倾斜滤波[8-10],但只能去掉噪声曲线近似线性的两翼部分的噪声能量,而噪声曲线顶部弧度较大处衰减很少;②在按共偏移距排序的Crossline方向施以拟三维随机噪声衰减方法或采用中值滤波法[11-12],但当噪声在Crossline方向相干时就会失效,而大量的侧面干扰噪声恰恰是在Inline和Crossline两个方向都是相干的;③自动扫描确定噪声位置,再加以去除[13-14]的方法,由于自动扫描噪声有时识别不准确,该方法会伤害有效波而仍残留噪声。在海洋地震资料处理中如果不能彻底消除侧面噪声,会引起严重的偏移画弧噪声,影响成像质量,给后续地质解释造成假象。

针对上述问题,本文在全面分析海洋地震资料侧面干扰噪声形成机理及其运动学特征和动力学特征的基础上,提出了基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法,利用侧面干扰噪声的产生机制和双曲线特征,实现了噪声定位、变形和衰减处理。通过含模拟噪声数据和实际三维地震资料的试处理验证了该方法的有效性。

1 侧面噪声类型与形成机理

1.1 侧面噪声的主要类型

海洋地震资料采集过程中,侧面干扰噪声的产生主要有两种类型：一种是震源激发的地震波在海水中传播,遇到采集测线附近的平台、沉船等障碍物后反射回来被检波器接收到,我们将这种噪声称为侧反射噪声;另一种是附近噪声源产生的震动,经海水传播到检波器并被记录下来,这类噪声源如过往船舶的螺旋桨噪声、钻井机械噪声等,将这类噪声称为外源噪声。

侧反射噪声能量主要来自于采集震源本身,地震波在海水中经障碍物反射后被检波器接收记录下来,与同一时刻到达的反射波干涉在一起,形成噪声(图1)。当然也存在另一种情况,是能量来自于采集船附近的其它噪声源,经障碍物反射到达检波器,不过此种情况较为少见,且一般噪声能量较弱,对资料影响小。

外源噪声的路径更简单一些,它由外部干扰源经海水直接传播到检波器被记录下来,与有效波干涉在一起,形成噪声。如图2是受过往船舶螺旋桨噪声影响的单炮记录。

图1 存在侧反射噪声干扰的单炮记录

图2 受船舶螺旋桨噪声影响的2个单炮记录

对上述两种噪声,由于其非线性特征,常规去噪方法衰减效果往往不理想。图3是利用Radon变换衰减侧面反射噪声的一个例子,其中非线性噪声中近似线性的部分去除较好(图3b),但曲率较大的顶部能量仍然大量残留(图3c)。

1.2 侧面噪声产生的基本机制

对于侧反射干扰波,由图4可见,炮点到障碍物的传播距离S保持不变,经障碍物反射后,反射波被各个检波点接收,从障碍物到检波点的距离设为L,各检波器到炮点的距离X是变量,设由障碍物到电缆的垂直距离为L0,对应垂足处检波器的偏移距为X0,则有：

(1)

写成以L和X为变量的方程：

(2)

图3 Radon变换去除侧面反射噪声效果示例

公式(2)为双曲线方程,顶点在X=X0,L=L0处可见侧反射弧状噪声是符合双曲线规律的,它的顶点位于离障碍物最近的检波器所产生的地震道上。侧反射干扰波的主要反射能量近似来自于过炮-检线的水平反射面,反射介质为海水;海上拖缆施工一般是纵向单边排列接收,由于障碍物反射点与震源和排列的相对位置变化,因此反映在单炮上的侧反射干扰波形态可能是双曲线的一支,或是近似线性部分,亦或是包含顶点在内的整个双曲线。

同理,对于外源噪声,参照图4有以下关系：

(3a)

(3b)

写成以L和X为变量的方程：

(4)

公式(4)也为双曲线方程,顶点在X=X0=0,L=L0处。可见外源噪声也符合双曲线规律,它的顶点位于噪声源到电缆垂足处的检波器所产生的地震道上。在炮记录过程中,假定干扰源和地震船之间的相对运动不计,则在整个单炮记录上噪声曲率相同。在CDP道集、单次剖面、叠加剖面上,这两种噪声同样表现为双曲线特征。

图4 侧面噪声形成机制示意图解

2 基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法

采用常规的线性噪声衰减方法或是与振幅和频率相关的去噪方法对侧面噪声进行衰减,很难取得理想的效果。通过上述分析可知,该类噪声的规律性很强,如果能够准确地描述出该类噪声的位置形态,该去噪难题可转为确定性问题加以解决。据此,我们研究并提出了基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法。

对于侧面反射噪声,已知其传播介质为海水,声波在海水中传播速度一般为1500m/s左右(随着温度、含盐度、压力等参数变化,海水中声波的速度会有轻微变化,野外采集施工时一般会提供实际测量的电缆深度处的海水声波速度值);同时,炮点、检波点的位置以及激发、接收时间都是已知的;据此,当确定了侧反射波双曲线的顶点位置后,就可以确定双曲线的形态,进而计算出反射障碍物的位置。对于外源干扰噪声,根据前面推导的公式(4),确定出与震源激发同时刻发出并被记录下来的外源噪声的曲线形态,就可推导出外部噪声源的位置并控制其在整个单炮上的噪声形态。同理可得外源干扰噪声的位置。

我们利用含有“较好”侧面干扰噪声的种子炮来拾取噪声双曲线的顶点,从而确定双曲线的形态(图5),进而推导出障碍物或侧面噪声源的位置,再利用已知的炮点、检波点位置和海水中声波的传播速度,就可以直接正演确定侧反射噪声在每个地震道上的反射时间,从而确定其在炮集上的形态。图6以过往大船噪声为例展示了外源干扰噪声的双曲线形态拾取,这种大船干扰由于一般炮数不多,且在移动,因此可逐炮拾取控制噪声形态。

图5 种子炮侧反射噪声提取

从侧反射噪声在单炮上的表现形式可知,由于障碍物上发生反射的位置处的不规则性,侧反射噪声往往并不是表现为一个规则的双曲线,大部分情况下是几个相近曲率的双曲线组合。为了保证去噪效果,在这里针对上面确定的噪声双曲线形态,设计一个包含噪声的、并沿双曲线变化的时窗,将整个噪声完整地包含在时窗内。时窗一般可设计为300ms左右的高度。这样的时窗设计将最大限度地保护有效信号,保证所有针对侧反射干扰的噪声衰减仅在时窗内进行,而时窗外信号保持直接输出。对应过往船舶的干扰,时窗为整个单炮。

图6 过往大船噪声形态提取

用时窗控制了噪声后,就可以通过改变时窗的形态来改变噪声的形态,通过时窗校正将双曲线噪声变换为线性噪声(这时一次波弯曲)再进行衰减,这时可采用二维FK滤波进行衰减。

设二维时域信号为g(x,t),其相应的二维谱为G(k,f),它们的关系(即时间域同相轴与频率-波数域信号的对应关系)如下：

(5)

式中：x为道方向变量;t为时间方向变量;k为波数;f为频率。

(5)式离散后的形式为：

(6)

若是一个水平同相轴,视速度近似为无穷大,那么在尼奎斯特频率之内不会产生缠绕[21]。根据此性质,可以把侧面噪声时窗变换成一个水平的矩形,这样时窗内的噪声就成为一系列近似水平的同相轴(这时一次波弯曲),再应用FK滤波衰减干扰波就不会产生空间假频了。

因为干扰源位置已经确定,所以可算出各道的干扰波出现时间t,设干扰波为X(t),对干扰波进行动校正,则校正后的干扰波Y(t)=X(t+Δt),其中,Δt为动校正时间,它等于从震源到干扰源再到排列的反射距离S与海水中声波传播速度V的乘积。

采用了如下离散的正、反傅里叶变换函数进行编程：

(7)

(8)

式中：g(m,n)为二维时域信号;G(u,v)为g(m,n)的二维谱;u,m是空间和波数序号(u,m=0,1,2,…,M-1);v,n是时间和频率序号(v,n=0,1,2,…,N-1)。

基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法的实现流程见图7所示。

图7 基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法实现流程

3 测试分析与实际资料验证

3.1 方法测试

为了检验基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法的可靠性,对含模拟侧反射噪声的单炮数据和实际含侧反射噪声的数据进行了试算。图8展示了本文方法对含模拟侧反射噪声单炮数据的去噪处理效果;图9是含侧反射噪声的实际资料经本文方法处理前、后的比较;图10是含过往船只噪声的实际单炮记录经本文方法去噪前、后比较。

图8 含模拟侧反射噪声单炮数据的本文方法去噪效果

从上述含模拟噪声和实际含噪声单炮数据的测试结果可以看出,本文方法对含侧反射噪声和外源噪声这两种侧面反射双曲线型噪声的去除效果都比较理想,克服了常规去噪方法无法有效衰减双曲线顶部噪声能量的缺陷。

3.2 三维地震数据处理验证

为进一步验证本文方法衰减侧面反射噪声的有效性,选取了一块带有平台障碍物侧反射干扰的三维地震资料和一条受过往船只螺旋桨噪声干扰的二维资料进行试处理,从图11和图12显示的去噪前、后叠加剖面对比及其差值可见,本文提出的方法对侧面反射噪声和大船干扰噪声衰减比较彻底;从差值剖面看,有效波也得到了较好的保护。

图9 含侧反射噪声的实际资料经本文方法去噪前(a)、后(b)及其差值(c)

图10 含过往船只噪声的实际单炮经本文方法去噪前(a)、后(b)及其差值(c)

图11 含平台障碍物侧反射噪声三维资料经本文方法去噪前(a)、后(b)的叠加剖面及其差值(c)

图12 含大船螺旋桨噪声二维资料经本文方法去噪前(a)、后(b)的叠加剖面及其差值(c)

4 结论

1) 通过海洋地震勘探中障碍物和外源噪声所造成的侧面噪声的形成机理分析,揭示了侧面反射噪声的双曲线特征。

2) 针对目前已有方法难以有效压制侧面噪声的问题,本文提出了一种基于时窗种子提取的侧面噪声压制方法,推导了侧面噪声滤波公式,详细给出了侧面噪声衰减方法的原理与流程,并编程实现了相应的处理方法。

3) 通过含模拟侧面噪声单炮记录测试和实际含侧面噪声三维地震数据的试处理,验证了本文方法的有效性。试处理结果表明该方法可大幅提高海洋地震资料的信噪比,并保护有效信号,在海洋地震资料处理中具有实际应用价值。

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(编辑：陈 杰)

The external noise attenuation for marine seismic data based on seeds extraction within window

Wang Zheng1,2,Jin Xianglong1,3,4,Wu Ziyin3,4,Fang Nianqiao1,Dong Shuili2，Wang Haikun2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China;3.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciencesofStateOceanicAdministration,Hangzhou310012,China;4.SecondInstituteofOceangraphy,StateOceanicAdministration,Hangzhou310012,China)

The lateral reflections from passing vessels and obstacles always cause external noise on the marine seismic data,which are hardly attenuated with conventional methods in practice due to non-linear and wide frequency band characteristics.In this paper we analyzed the formation mechanism of the two external noise and proposed an external noise attenuation method based on seeds extraction within window.Based on that,the coordinate values of the obstacles reflection sources or external noise sources can be extracted from the seeds shot containing external noises and noise patterns are controlled automatically.Then the anti-alias FK filter was applied to eliminate the external noise after optimizing the noise time windows.This method is tested on both the synthetic data of shot records containing simulated external noise and the 3D actual seismic data containing external noise.The results proved that this method can attenuate the external noise effectively and preserve the desired signals,and has significant practicability to marine seismic data processing.

lateral reflections,noise attenuation,extracting noise from the seeds shot,2D FK filtering,marine seismic data processing

2014-07-03;改回日期：2014-11-05。

王征(1972—),男,高级工程师,博士在读,现主要从事地球物理勘探与数据处理方法研究工作。

吴自银(1972—),男,博士,研究员,主要研究方向为海底探测。

国家自然科学基金项目(41476049)、中国海油科技开发项目(YFWT0601)和科技基础性工作专项(2013FY112900)共同资助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0274-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.005