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非线性滤波技术在地震信号处理中的应用 摘要 地震信号去噪，提高地震图像的信噪比，使得地震解释中不可缺少的同相轴及其所反映的重要 地质结构得到增强，为精确的地质构造解释奠定良好基础，为井位的部署提供可靠的依据。对油田 开发具有重要的现实意义。地震信号降噪是信号处理领域的难点和热点，开展这方面的研究，不但 对解决石油、天然气的勘探开发具有重要的现实意义，也能够极大的促进其他领域的信号降噪研究 的发展。本文基于此点考虑，研究地震勘探信号的降噪技术。重点研究了基于偏微分方程的非线性 滤波方法。本课题来源于黑龙江省高校骨干支持项目“地震图像序列非线性相干增强扩散滤波技术 研究”。 本文首先简要介绍了地震勘探的原理、生产工作、术语解释及信号噪声的来源和分类，然后阐 述了图像去噪对于地震解释的重要意义，由此引出非线性滤波技术，介绍了其发展过程、去噪原理。 接着研究传统非线性滤波方法中值滤波和已有的基于偏微分方程的去噪方法。针对它们各自的优缺 点，研究各个算法的改进。由于一致增强性扩散算法可以很好的增强线形纹理图像的边界，有效去 除噪声的同时还能使同相轴得到增强，适用于地震图像。处理后的图像进行信噪比估算，结果表明， 这种算法用于地震信号去噪提高了地震资料质量，取得了令人满意的效果。研究表明，基于偏微分 方程的地震信号处理方法是可行的，而且偏微分方程具有算法简单、运算速度快、易于并行处理等 优点。具有推广应用前景。 关键词：地震信号去噪；非线性滤波；偏微分方程；一致增强性扩散：信噪比 a p p l y i n gn o n l i n e a rd i f f u s i o nt os e i s m i ci m a g es e q u e n c e s a b s t r 目i c t s e i s m i cs i g n a ld a n o i s i a gc a ni n c r e a s es e i s m i ci m a g e ss i g n a lt on o i s er a t i o i tn l a k e st h ei n d i s p e n s a b l e e v e n to fs e i s m i ci n t e r p r e t a t i o na n di t sr e f l e c t i v ei m p o r t a n tg e o l o # cf r a m e w o r kg e t t i n ge n h a n c e d i ta l s o l a y sag o o df o u n d a t i o nf o ra c c u r a t eg e o l o g i cs t n l c t u r ei n t e r p r e t a t i o n i tp r o v i d e sr e l i a b l eb a s i sf o rs e t t i n g t h ew e l l i th a si m p o r t a n ta n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et oo i l f i e l dd e v e l o p m e n t s e i s m i cs i g n a ld e n o i s i n gi st h e d i f f i c u i t ya n dh o t s p o to fs i g n a lp r o c e s s i n gd o m a i n c a r i y i i l go nt h e s e a r c ho ft h i sa s p e c t , n o to n l yh a s i m p o r t a n ta n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et oa c c o u n tf o re x p l o r a t o r ya n dd e v e l o p m e n to fp e t r o l e u ma n dg a s ，b u t a l s oc 姐h u g ea c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f t h er e s td o m a n i a li n v e s t i g a t eo f s i g n a ld e n o i s e b a s i n go nt h i s f e a t u r et oc a l c u l a t e , t h ea r t i c l er e s e a r c h e so f d e n o i s eo f s c i s m i ce x p l o r a t i o n , p r i m a r y l ye x p l o r e st h em e t h o d o f n o n l i n e a rf i l t e r i n gb a s e do np a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n 1 1 a r t i c l er o o t si nl l i g h 盯e d u c a t i o ni n s t i t u t i o n s m a i n s t a yi n a u g u r a t i n gi t e m “i n v e s t i g a t et h en o n l i n e a rc o h n c ee n h a n c i n gd i f f u s i o nt e c h n o l o g yt os e i s m i c i m a g es 哪n c e s ” t h i sa r t i c l ef a s tb r i e r yi n l r o d u c e st h es e i s m i cs u r v e y sp r i n c i p l e ，p r o d l l e t i o nw o r k , t e r m i n o l o g ye x p l a n a t i o n a n ds i g n a ln o i s e ss o u x c ea n dc l a s s i f y a n dt h e nt h ea r t i c l ee d u c e si m a g ed e n o i s i a g ss i g n i f i c a n ts e n s et o s e i s m i ci n t e r p r e t a t i o n t h e r e f o r e ，i tr e s u l t si nn o n l i n e a rf i l t e r i n gm e t h o d sa n di n t r o d u c ei t sd e v e l o p i n g p r o c e s s ，p r i n c i p i u mo fd e n o i s e t h e na n a l y s e st h et r a d i t i o n a ln o n l i n e a rf i l t e r i n g - m e d i a nf i l t e r i n ga n dt h e d e n o i s i n gm e t h o db a s e do np a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n a i m i n ga tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e m , e a c ha l g o r i t h mi sa m e l i o r a t e d a sar e s u l to ft h ea l g o r i t h mo fc o h e r e n c ee n l m c l a gd i f f u s i o n b o o s tu pl i n e a rt e x t o r e sb o r d e r i tn o to n l ye f f e c t i v e l yr e m o v e sn o i s eb u ta l s oc a nb o o s tl l pt h ee v e n t s i t c a na p p l yf o rs e i s m i ci m a g e t h er e s u l to fe s t i m a t i n gt h es n ro fh a n d l e di m a g e si n d i c a t e dt h a tt h e a l g o r i t h mc ma c q u i r ef a v o r a b l ee f f e c t sf o rd e n o i s i n gs e i s m i cs i g n a la n db o o s tt h eq u a l i t yo ft h es e i s m i c d a t a t h er e s u l to fa p p l y i n gt h ea l g o r i t h mf o rf i l g 口i v , gt h es e i s m i cs e c t i o ni sg o o d t h er e s e a r c hi n d i c a t e s t h es e i s m i cs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hb a s e do np a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o ni sa d v i s a b l e w h i l et h e p a r b a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o nh a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l e n e s s ，r a p i d n e s ea n da p t i n gt oc o n c u r r tp r o c e s a l a g i th a st h ep r o s p e c to f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s e i s m i cs i g n a ld e n o i s i n g ；n o n l i n e a rf i l t e r ；, p a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n ；c o h e r e n c ee n h a n c i n g d i f f u s i o n ；s n r m 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均巳在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名：司疑缮 日期：璺= 2 ：兰2 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 勰骺适篡麓摊：撇撇名：扔弓 学位论文作者签名：争l 国势磋导师签名：c y7 巧 日期：三必j 7 。夕二7 日期：厶7 创新点摘要 1 、本文将一致增强性扩散应用到地震信号处理中，针对弱边界问题用二阶导数代 替梯度计算结构张量，取得很好效果。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 地震勘探是石油和煤田勘探中一种重要的物探方法。它是一种利用人工方法( 用炸 药或各种非炸药震源) 激发地震波，依据岩石的弹性，研究地震波在地层中传播的规律， 来查明地下地质结构的方法。 地震勘探时所采集到的野外地震资料中伴随着大量的噪声，需要对其进行数字处 理，从中提取相关有用信息，从而为地震勘探的地质解释提供可靠的资料。地震资料数 字处理包括若干个步骤：数据预处理、静校正、动校正、水平叠加，信号降噪、偏移处 理等，其中，信号降噪被用于从地震资料中提取有用信息，去除干扰，提高地震资料信 噪比。从干扰背景中提取出有用信息，提高地震资料信噪比和分辨率是地震资料处理的 首要任务。本文主要针对地震资料的特点用非线性滤波方法研究降噪技术。 一、本文研究的背景 在石油勘探的物探方法中，地震勘探占据着重要的地位。同其它地球物理方法相比， 地震勘探方法的主要优点是精度高、分辨率高、探测深度大。在地震勘探中，地震资料 解释是一个非常重要的环节。而在解释过程中，地震反射同相轴的识别和追踪是非常重 要的步骤，要识别和追踪出反射同相轴，就要求地震剖面具有较高的质量，即高信噪比 和高分辨率，所以在整个地震勘探中，提高地震剖面的信噪比和分辨率是一个十分重要 的问题。 随着国民经济的快速增长，对能源需求量日益增大，石油不但作为能源消费在国家 经济中有着重要的地位，而且在国家发展战略及政治、经济安全中都占有重要的位置， 因而必须加大勘探力度，进一步增加油气后备储量。但是随着勘探程度的加深，较易发 现的、类型相对简单的油气藏几乎殆尽，实现增加油气储量和提高产量的主要工作重心 正在向地表地质结构复杂的西部转移，而且勘探目标也更加复杂，勘探领域已由原来的 构造油气藏向隐蔽油气藏延伸。现有的地震采集、处理及构造解释技术的精度已不能满 足日益复杂的勘探对象的需要，特别对地震信号的处理技术提出了更高的要求。即要求 能够从强噪声背景中提取出微弱的有用信号，去除干扰信号，提高地震资料信噪比和分 辨率，并使该处理步骤成为整个处理流程中的关键工艺。只有信号的可靠性高，才能谈 论它的表现力；只有在一定信噪比的基础上，才能提高信号的分辨率，才能更好的分辨 小断层、小构造及岩性的变化。 在油气田勘探和开发工作中，需要对地下储层的分布及油气的聚集规律有一个较可 靠的认识和了解，需要能够精细地描述储集层内部的地质结构和岩性特征，需要跟踪油 层，查找油层间断的原因，确定断层及油层厚度，圈定采空区边界等。为了准确地解决 弓l 言 上述问题，必须提高地震资料的分辨率。提高地震资料的分辨率是地震勘探所要解决的 一项主要任务，而提高地震信号的信噪比是提高地震信号分辨率的先决条件，因为噪声 的存在是提高分辨率的主要障碍。要提高地震资料的信噪比，需要去除地震资料中的随 机噪声和相干噪声。 在通常的地震信号处理方法中，人们把二阶统计( 如相关函数、功率谱密度函数等) 作为主要的处理手段，但是二阶统计本身就存在很多的不足，首先。在功率谱估计的过 程中，如果把随机过程看作是不同谐波分量的组合体，必须假设各个谐波分量互不相关， 然后再估计各个频率成分的能量分布，这样各个频率分量的相位关系受到抑制。因此， 该方法只对线性系统有效。 近年来，基于偏微分方程的扩散去噪技术逐渐得到重视，被广泛应用于图像去噪和 增强等领域，其特点是将某些先验信息引入到扩散过程中，在图像去噪的同时保护甚至 增强如边缘、线条等一些纹线形结构，因此被广泛应用于去噪领域。考虑到地震图像具 有因同相轴形成的大量边缘，包含地质体的丰富信息，在去噪过程中必须保护所有的边 缘，甚至增强边缘信息，以利于解释。因此，基于偏微分方程的扩散去噪方法应该能够 适用于地震图像的去噪处理。 二、地震信号降噪技术发展概况 当今，各能源国家在油气田勘探中都在不断地寻求所采用技术的改进和提高，特别 是当地震资料信噪比较低时，传统地震勘探及处理解释技术并不能快速准确地探明油田 位置及地质储量，所以提高地震资料信噪比的问题变得越来越急迫【l 】。目前，已经展开 了通过地震图像处理技术提高地震数据的信嗓比及清晰度，以有利于地震解释的工作。 而且，经过仔细观察，发现地震图像具有丰富的线形纹理，这些纹线在地震解释中称作 同相轴，是判断断层等一些重要地质结构必不可少的依据。 由于地表条件、激发、传播及接收等诸多方面的原因，相干噪声时常在地震记录中 出现。如何处理这些相干噪声，地球物理界一直争论不休。有的学者认为，相干噪声的 存在严重影响子波处理、速度分析与动校正，应在叠前加以消除；有的学者则认为，目 前还没有一种精确的信噪分离的方法，因而，在消除相干噪声的过程中，有效波一定受 到不可逆转的损失，另外叠加是最有效的去噪方法，敌在叠前不进行消除相干嗓声处理 为好。正是由于这种争论推动了去噪技术的发展。持两种不同观点的学者对相干噪声的 消除方法均进行了大量深入的研究，并提出了一些卓有成效的处理技术【2 训。现阶段对 于相干噪声的消除，各处理中心大都采用切除、带通滤波、f k 域消除及由其派生出的 各种修改方法、小波变换分频去噪、小波分频及均值加权等方法吼实际上，带通滤波、 f - k 预测滤波及小波变换去噪这三种方法采用的也是切除技术。由于信号与干扰无论在 时域还是在频域或其它域均十分复杂地叠合在一起，故采用切除技术来消除相干干扰总 是以牺牲部分有效信号为代价的。另外，还有的采用中值相关滤波去噪【6 l 和自适应相干 噪声衰减方法1 7 1 来消除相干噪声。利用中值相关滤波进行信噪分离适应各种强烈干扰背 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 景资料的信噪分离，且对信号的保真度高，是一些复杂地区的低信噪比地震资料处理的 一种理想方法。自适应相干噪声衰减方法在消除干扰波的同时，使得有效波的频率分量 可以保持，是消除线性干扰波、面波以及多次波等各种规则相干干扰波的一种有效方法。 在地震信号中随机噪声也时常伴随在地震记录中出现。当这些噪声能量过大时，将 影响动校正速度分析，影响静校正量的拾取，影响最终成像效果，给解释工作带来不利 的影响。为此，人们设计了多种不同的随机噪声消除方法。目前生产实践中，常用的随 机噪声消除方法有f x 域去噪【明、多项式拟合1 9 1 、径向预测滤波l 、矢量分解去噪及中 值约束下的矢量分解去噪【l l j 等。这些方法的设计思路大体分为两类：增强信号或压制噪 声，目的是尽可能地提高信噪比。信号增强类在生产实践中经常使用的f - x 域反褶积、 多项式拟合、径向预测滤波：中值约束下的矢量分解方法则属于压制噪声类。这些方法 在生产中得到了广泛的应用，也取得了理想的应用效果。不过，它们的共同前提是有效 波具有一定相似性，只有满足一定信噪比的地震记录才能使用这些技术。由于方法的局 限性，随机噪声消除技术在生产实践中经常达不到最佳去噪效果。 目前关于地震信号去噪方法的研究主要集中在以下两个方面【1 2 】：一是研究如何在去 噪过程中，不仅能够使水平方向同相轴得到增强，而且能够增强地震记录剖面上倾角较 大的倾斜同相轴或弯曲同相轴。由于大多噪声衰减方法都是基于地震记录剖面在水平方 向的相关性，这往往使地震记录剖面上的水平同相轴得到加强，而具有较大倾角的倾斜 同相轴或弯曲同相轴会被削弱，因此必须研究新的去噪方法，或对现有的去噪方法进行 必要的改进，以既能有效地压制噪声又能同时增强水平同相轴和倾斜同相轴及弯曲同相 轴的信噪比；其二，是研究对地震记录进行分频去噪的方法【”】。由于地震记录的不同频 率成分有不同的信噪比，而不同频率成分的信噪比改进对提高分辨率的作用不同，且地 震有效信号的高频成分随深度的增加而损失增大，使其在高频端的信噪比很低。因此， 地震信号去噪应该对于不同的频率成分能够区别对待，这就要求所研究方法应具有分频 处理的特性。 三、本文所做的主要工作 本文首先介绍了地震勘探工作的基本原理、生产工作步骤、常用术语解释以及信号 噪声的来源及分类，为下文噪声的去除作准备；然后阐述了滤波过程对于地震图像处理 的重要意义，引入非线性滤波技术的发展过程及常用的去噪方法、原理并进行优劣分析； 最后重点介绍了基于偏微分方程的非线性滤波技术的原理及针对其缺点进行了改进，并 应用于地震信号处理的生产实践中。 本文所做的具体研究工作如下： l 、传统非线性滤波技术应用于地震信号去噪 在图像处理的早期研究中，线性滤波器以其完善的理论基础、数学处理简单等优点， 占有重要的地位。线性滤波对平滑和抑制与信号不相关的随机噪声有较好的作用，但当 噪声与图像边缘具有相同的频谱分量时，在平滑噪声的同时也会平滑和模糊图像边缘。 引言 而非线性滤波大都考虑到了人的视觉标准和最佳滤波准则，最大限度地保持了图像信号 的高频细节，提高了图像分辨率和边缘保护能力，适用于地震剖面这样纹理丰富的图像。 以中值滤波为代表的传统非线性滤波技术发展已比较成熟，可以有效地去除图像中的随 机散粒噪声，但是不具备很好的边缘细节判别能力，对图像边缘和细节的保护效果不尽 如人意。针对此点，本文应用一种改进的加权中值滤波，把其作用于噪声污染的地震图 像上，分析结果表明，此方法优于普通中值滤波。 2 、一致增强性扩散及其改进算法应用于地震剖面去噪 针对地震信号的纹理特点，使用基于偏微分方程的非线性滤波技术进行噪声去除， 它能有效的保护甚至增强边缘的纹理信息。分析偏微分方程的发展，经历了从线性各向 同性扩散到非线性各向异性扩散的阶段。以前的算法虽然在边缘保护上优于线性滤波， 但是存在固有的缺点，所以最终选择一致增强性扩散作为处理地震信号的工具。把方程 离散化，制定合理的算法流程，选取合适的参数进行运算。地震剖面中同相轴的弱边界 处一阶导数接近于零，设置阈值门限，在一阶导数接近于零时，结构张量选取二阶导数。 实验表明该方法有效的保持了地震同相轴的连续性，使间断点处的处理更加完善。 3 、对地震图像信噪比的估算研究 为了较好的判断去噪效果的优劣，用信噪比的估算公式计算。由于信号功率谱不易 计算，所以用局部方差来代替。对处理的实际地震资料估算表明，图像信噪比有所提高， 同相轴得到加强而且没有产生假象，说明了去噪算法的可行性。 四、论文安排 本文共分为五章进行阐述。 第一章介绍了地震勘探的基本原理及其发展过程，重点介绍了地震中噪声的来源及 分类以及去噪对于地震资料解释等后续过程的意义。 第二章介绍非线性滤波技术的原理及其发展过程，阐述了以中值滤波为代表的传统 非线性滤波方法和以偏微分方程等为代表的正在研究中的新型滤波方法以及非线性滤 波技术的发展方向。 第三章着重讲述已有的非线性滤波技术中值滤波的去噪原理，把其应用于地震信号 处理中，观察效果，并针对其不足应用改进算法。 第四章重点介绍了适用于纹理图像去噪的基于偏微分方程的非线性滤波方法的发 展及去噪原理。 第五章介绍了基于偏微分方程的一致增强性扩散及其改进算法在地震信号处理中 的应用，编写算法流程，合理选择参数，并用实际地震资料检验去噪效果，计算信噪比， 来检验算法是否有效。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 i 地震勘探技术 在物探技术的发展过程中，勘探开发的需求一直是石油物探技术发展的原动力。随 着石油工业逐渐走入成熟期，勘探难度日益加大，物探工作已从简单地区转向了地表、 地下复杂地区，这就对地震资料的信噪比、分辨率及构造成像精度提出了更高的要求。 而在提高产量、降低成本的双重压力下，开发生产对物探工作也提出了迫切的要求，即 要求物探工作者以开发的尺度提供更高的储层情况，对油藏进行动态监测，最大限度地 提高采收比，这不仅为物探技术的发展注入了新的活力，也使地震数据的应用价值得到 了极大的提高。 与此同时，计算机技术、图形技术和网络技术的发展为物探技术的进步提供了强有 力的保证。并行机、工作站逐渐被高性能的微机机群所取代，基于网络的超大存储器在 卫星、网络技术的支持下使地球物理勘探从技术方法到管理观念上都发生着巨大变化， 逐渐形成了现代物探技术的初步轮廓。 1 1 地震勘探原理及术语解释 1 1 i 地震勘探原理 地震勘探【1 4 】是利用人工方法引起地壳振动，如利用炸药爆炸产生人工地震，再用精 密仪器记录下爆炸后地面上各点的震动情况。利用记录下来的资料，推断地下地质构造 的特点。那么人工地震为什么能查明地下地质构造呢? 在地面上某点打井放炮后，爆炸 产生的地震波向下传播，地震波遇到地层的分界面时，通常会发生反射；同时另一部分 地震波还会继续向下传播，碰到相似的地层界面后还会产生反射和透射，即一部分地震 波的能量反射回地面，另一部分继续向下传播。与此同时，地面上精密的仪器把来自各 个地层分界面的反射波引起地面振动的情况记录下来。然后根据地震波从地面开始向下 传播的时刻和地层分界面反射波到达地面的时刻，得出地震波从地面向下传播到达地层 分界面，又反射回地面的总时间，再用别的方法测定出地震波在岩层中传播的速度，最 后就可得到地层分界面的埋藏深度了。 沿着地面上的一条测线，分段地进行观测，对观测结果进行处理后，就可得到形象 地反映地下岩层分界面埋藏深度起伏变化的资料地震剖面图。在一个可能有油气的 地区( 称为工区) 内，布置多条测线，形成测线网，并在多条测线上进行这种观测之后， 可得到地下地层起伏的完整概念，再综合其它物探方法和地质、钻井等各方面的资料， 进行去伪存真，去粗取精，由此及彼，由表及里的分析、研究，就能查明可能储存油气 的地质构造，最后确定钻探的井位。 l 地震勘探技术 1 1 2 地震勘探术语解释 l 、多次覆盖 多次覆盖是指采用一定的观测系统获得对地下每个反射点多次重复观测的采集地 震波信号的方法。它可以消除一些局部的干扰，有利于求得较准确的信号。 2 、地震剖面 地震勘探方法是在地面上布置一条条的测线，沿各条测线进行地震施工，采集地震 信息，然后经过电子计算机的处理就得出一张张地震剖面图。经过地质解释的地震剖面 图就像从地面向下切了一刀，在二维空间( - e 度和深度方向) 上显示了地下的地质构造 情况。 3 、水平叠加剖面 在用多次覆盖方法采集的地震资料处理过程中，把共同反射点的许多道的记录经动 校正以后叠加起来，以提高信噪比，压制干扰，用这种方法处理所得到的地震剖面叫水 平叠加剖面。 4 、叠加偏移剖面 在地震资料处理中，在水平叠加的基础上，实现反射层的空间自动归位，用这种方 法处理得到的地震剖面，就是叠加偏移剖面。 5 、垂直地震剖面 地震源放置于地面，接收的检波器置于深井中，地面激发震动后由不同深度的检波 器接收地震波信号，这种方法获得的地震波信号是单程的，而不是反射或折射回来的， 对分析和认识地下地质构造情况更为准确。 6 、地震勘探中的速度概念 。 地震勘探所说的速度是地震波的传播速度。常用的是平均速度，它是地震波垂直穿 过某一岩层界面以上各地层的总厚度与各层传播时间总和之比，可以用来把地震记录的 时间转换为深度( 距离) 。此外，还有层速度、均方根速度、叠加速度等。 7 、地震资料解释 地震资料解释是把经过处理的地震信息变成地质成果的过程，包括运用波动理论和 地质知识，综合地质、钻井、测井等各项资料，做出构造解释、地层解释、岩性和烃类 检测解释及综合解释，绘出有关的成果图件，对测区做出含油气评价，提出钻井位置等。 8 、合成地震记录 合成地震记录是用声波测井或垂直地震剖面资料经过人工合成转换成的地震记录 ( 地震道) 。它是地震模型技术中应用非常广泛的一种，也是层位标定、油藏描述等工 作的基础，是把地质模型转化为地震信息的中间媒介。 9 、地震横波勘探 地震波( 弹性波) 的传播有纵波与横波两种，纵波质点位移的方向与波的传播方向 平行，横波的质点位移方向与波的传播方向垂直。现在通用的地震勘探方法采集的是纵 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 波的信号，采集横波信号的称作地震横波勘探。横波在判断岩性、裂缝和含油气性方面 有其固有的优点。此种勘探方法在我国正处于研究和实验阶段。 1 2 地震勘探工作环节 地震勘探的生产工作，基本上可分为三个环节： 首先是野外工作。这个阶段的任务是在地质工作和其它物探工作初步确定的含油气 希望的地区，布置测线，人工激发地震波，并用野外地震仪把地震波传播的情况记录到 磁带上。 其次是室内资料处理。它的任务是根据地震波的传播理论，利用数字计算机对野外 取得的资料进行各种处理和加工，去除各种噪声，突出有效信号，得到反映地下地质构 造大概形态的地震剖面以及相关的地震波速度资料。 从内容上来说，资料处理可以大致分为下面几类：【1 5 】 ( 1 ) 数据的整理：为了使随后一些处理进行起来方便，对原数据做适当的整理。 主要包括数据重排( 即解编) 、增益恢复、振幅控制、初至切除、抽道集等； ( 2 ) 校正：包括静校正、动校正。静校正就是将由于地形、低速带和爆炸深度等 因素对地震波传播时间产生的影响加以消除，校正到一个统一的基准面上，这种校正不 随时间而改变，只与接收点的位置有关，即每一道只有一个校正量。由于野外工作不是 真正进行自激自收，而是在一点激发，在许多点接收，动校正就是解决这一问题，把野 外观测资料转换为自激自收时间剖面； ( 3 ) 水平叠加：水平叠加过程是把经过动校正的同一共深度点道集内各道各个相 同时刻的离散振幅值叠加起来，就得到了经过共深度点叠加后的一个地震道； ( 4 ) 多种滤波技术：这类处理是为了提高信噪比，各种滤波方法的原理不同，应 用的数学工具也不同； ( 5 ) 剖面偏移归位：采用某些处理方法提高整个剖面的质量，如偏移叠加等。这 类处理不是对一道一道记录进行，而是着眼于整个剖面，一般要同时对许多道的地震信 息进行加工； ( 6 ) 各种分析技术和参数提取。 各种处理方法的目的主要可以概括为以下四个方面： ( 1 ) 提高地震资料的信噪比，压制在野外接收时未能有效压制的干扰波； ( 2 ) 提高地震记录的分辨能力： ( 3 ) 消除由于野外工作方法的限制和地下构造形态复杂而在地震剖面上造成的各 种假象； ( 4 ) 提取各种有助于解释的地震参数，如速度和频谱等。 最后一个阶段是地震资料的解释。由于地下地质构造的复杂性，地震剖面上的许多 现象，既可能反映地下的真实情况，也可能具有某些假象。地震资料的解释工作，就是 7 i 地震勘探技术 要运用地震波传播理论，综合地质、钻井和其它物探资料，对地震剖面进行深入的分析 研究，对各反射层相当于什么层位做出正确的判断，对地下地质构造的特点做出说明， 绘制出反映主要目的层位的构造图，最后对有希望含油气的构造，提出钻探井位。 1 3 地震信号中的噪声分类 1 3 1 噪声的分类 在陆地地震勘探时，广泛使用浅井、炸药震源，这时主要激发出纵波，但是，由于 震源附近地表介质的不均匀性，炸药包和它在并中安置的不对称性，也会产生一定强度 的横波和面波。当采用非炸药震源时激发的波场更加复杂，有的主要激发纵波，有的主 要激发横波，但这些震源也不会是纯的，它们总是激发出两种体波以及面波。当波从震 源传播到具有大量界面的地质介质中时，产生许多多次生波( 各种类型的一次波和多次 波) 除了地震震源引起的振动外，波场中还包括外部震源激发的振动微震。在地 震勘探野外测量中，地震仪器可以接收到观测点处的所有扰动，在这些扰动中，只有可 用于解决所提出的地质任务的波才称为有效波，所有妨碍有效波识别和追踪的其它波称 为干扰波。检波器在接收有效波的同时总是有这两类干扰波存在，因此，地震勘探自始 至终都有压制干扰波提高信噪比的问题。 根据干扰波的特点可将它们分成两大类【1 6 1 ：规则干扰波和不规则干扰波。我们把所 有的干扰波统称为地震噪声，把规则干扰波称为相干噪声，把不规则干扰波称为随机噪 声。 相干噪声包括面波、声波、多次波、折射、工业电干扰、鸣震等，它在时问上的出 现具有规律性，有明显的运动学特征，和有效波存在着频谱差异、视速度差异或到达时 间的差异等，因此可用滤波、方向特性、相干性等进行去除。 随机噪声包括环境噪声、地面微震等，它是由各种不可预知的因素综合作用而成， 没有统一的规律，它在整张记录上随机出现，频带很宽，视速度不确定，无一定的传播 方向，比较难以去除。 1 3 2 去除两种噪声常用的方法 去除相干噪声主要利用有效波和相干噪声的差异对相干噪声进行滤波。过去采用模 拟电滤波器进行滤波，但模拟电滤波器存在着严重的缺点，如结构复杂、改变特性较困 难、存在不需要的相位移等，后来广泛采用了数字滤波的方法。数字滤波主要利用有效 波和噪声之间频率和视速度方面的差异来压制噪声，分别称为频率滤波和视速度滤波。 又因频率滤波只需对单道数据进行运算，故称为一维频率滤波。实现视速度滤波需同时 处理多道数据，故称为二维视速度滤波。一维频率滤波需要使用一维傅立叶变换将地震 信号变换到频率域，使其频谱与滤波器的传输函数相乘，达到滤波的目的。二维视速度 3 大庆石油学院硕士研究生学位论文 滤波是建立在二维傅立叶变换基础上的，沿地面直测线观测到的地震波是一个随时问和 空间变化的波，通过二维正、反傅立叶变换可以得到其频率波数谱和时间波数谱的时空 函数。如果有效波和噪声的平面简谐波成分有差异，则有效波的平面谐波成份以与噪声 的平面谐波成分不同的视速度传播，则可用二维视速度滤波将它们分开，达到压制噪声， 提高信噪比的目的。 随机噪声没有统一的规律，因此不能采用去除相干噪声的方法去除随机噪声。去除 随机噪声方法的理论依据是：假设地质结构的变化相对于测线来说较为缓慢( 这个假设 在大多情况下是合理的) ，这样，地震剖面上相邻地震道共深度点的有效信号具有较强 的相关性，而随机噪声是没有相关性的，从而利用该相关性增强有效信号能量，抑制噪 声能量。常用的随机噪声去除方法有f x 域预测滤波方法、相干加强去噪方法、k - l 变 换方法等，这些方法在实际应用中都取得了较好的效果【l ”。 1 4 地震信号处理方法的发展 1 4 1 地震资料数字处理的发展 自1 9 2 6 年反射波地震技术在石油勘探业应用以来，物探技术经历了光点时代、模 拟时代和数字时代，并随着三维地震的广泛应用，物探技术进入了它的辉煌时期，在国 际石油勘探开发领域中占据着举足轻重的位置，成为各油公司降低成本、实现高效益生 产的主要手段1 1 5 j 。 在地震勘探方法问世以来的几十年中，它的发展经历了三个阶段，分别是：第一个 阶段以光点仪器记录，人工处理资料为特点；第二个阶段以模拟磁带记录、多次覆盖观 测、用模拟磁带回放仪处理资料为特点；第三个阶段以数字磁带记录、高次覆盖观测、 用计算机处理资料为特点。在前两个阶段中，由于记录仪器的动态范围小，在记录过程 中地震波的动力学特征遭到破坏，资料处理的效率低、质量差。1 9 6 4 年第一台数字地震 仪投入使用，地震勘探步入了第三个阶段。在这个阶段中，记录仪器的动态范围大，可 以在记录过程中保留地震波的动力学特征；计算机的引入使资料处理具有速度快、精度 高、功能强等特点。在数学、通信技术、电子计算机等学科的综合影响下，地震勘探资 料处理这门边缘学科开始形成，并获得了很大的发展。 早在本世纪五十年代，地震勘探资料数字处理的基本理论就已经开始萌芽。1 9 5 3 年n r i c k 0 1 9 】第一个提出了地震子波概念，他研究了地震子波的传播形式和规律，指出 了它对地震记录分辨率的控制作用。随后人们引入了一维合成地震记录的褶积模型。它 说明了地震记录形成的物理机制，从而奠定了反滤波技术的理论基础。几乎与此同时， c h d i ) 【根据地面观测结果研究了地震波的传播速度，提出了计算层速度的公式。还有 一些人揭示了多孔岩中固体与流体之间变形关系的三维理论。这就为研究地震波的衰减 机制提供了重要依据。由于有了这些理论准备，在计算机用于地震勘探以后，地震勘探 资料数字处理便得到了异常迅速的发展。 9 i 地震勘探技术 在地震勘探资料数字处理刚开始的一段时间里，即六十年代中期，数字处理主要用 来改造野外资料。其主要内容包括数字滤波、反滤波、动校正及共中心点多次叠加。它 们处理的结果是获得信噪比和分羧率较高的地震反射界面的剖面图形。 在六十年代的后期和七十年代，为了在构造复杂地区勘探矿藏，要求地震勘探有更 高的分辨率和准确性。为此地震勘探资料的采集技术有了很大发展。与此同时，在地震 勘探数字处理中大力发展了信息提取技术。其中包括自动提取叠加速度、均方根速度、 层速度的速度分析技术和自动提取静校正量的自动剩余静校正技术、自动拾取反射界面 的技术。六十年代末，根据射线理论提出的扫描偏移叠加、叠加偏移曾盛行一时。通过 它们可以在任何复杂的情况下提供反射界面或散射体的二维和三维影像。到了七十年代 初期，扫描偏移叠加、叠加偏移又几乎完全被新发展起来的波动方程偏移所代替。 在七十年代，为了适应寻找非构造型矿藏的需要，在继续发展构造地震勘探的同时 还有效地发展了岩性地震勘探。当时，岩性地震勘探的主要手段是建立在地震勘探资料 数字处理基础上的波阻抗技术、三瞬参数剖面和碳氢检测技术。 八十年代地震勘探发展的特征是高采样率、高分辨率、高信噪比、高保真度和多波 勘探、多道仪器、多次覆盖、多种处理等等。在此期间，三维地震勘探资料的数字处理 也得到了迸一步发展。在七十年代末和八十年代，垂直地震剖面的数字处理发展非常迅 速，目前已经基本上形成了一套完整的方法。 可以预言，随着数学、通信技术及计算机科学的发展和地震勘探任务的日益繁重， 地震勘探资料数字处理必将得到进一步的发展。 1 4 2 地震资料处理中已用的非线性处理方法 目前虽然研究与提高地震资料信噪比有关的图像处理方法还不是很多，但是有很多 学者已经逐渐深入地开展了这方面的研究，国际上利用模式识别与图像处理方法对地震 资料进行去嗓的方法主要有： ( 1 ) 1 9 9 2 年匈牙利科学研究院发表的论文“s e i s m i ch o r i z o n d e t e c t i o n u s m gi m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ”中提出了一种利用图像处理技术来检颡0 地震剖面的新方法，其中 对瞬时相位特征利用了二维中值滤波和边缘检测，处理结果提供了地震剖面的框架，有 利于地层结构的进一步识别； ( 2 ) 1 9 9 6 年加拿大西安大略大学发表的论文“s i g n a le n h a n c e m e n tu s i n gp a t t e r n r e c o g n i t i o nt e c h n i q u e sw i t ha p p l i c a t i o nt on e a rv e r t i c a lc r u s t a ls e i s m i c r e f l e c t i o n e x p e r i m e n t s ”，重点研究基于模式识别的信号增强技术来提高信噪比，取得了满意的结 果，但是，他们还没有使用现代的图像处理方法，尤其是没有使用先进的系列图像分析 技术： ( 3 ) 1 9 9 8 年e l s e v i e rs c i e n c e 中发表的一篇论文“a d a p t i v en o n l i n e a rf i l t e r sf o r2 d a n d3 di m a g ee n h a n c e m e n t ”设计了计算模板系数的迭代自适应过程，然后利用模板形 1 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 成非线性低通和高通滤波器结合的自适应滤波器，并应用于地震图像，可以实现图像的 增强； ( 4 ) t r y g v er a n d e n , s t e i ni n g ep e d e r s e n 在文献“1 1 l r d i m e n s i o n a lt e x t u r e a t t r i b u t e s f o rs e i s m i cd a t aa n a l y s i s ”中介绍了运用图像处理技术的纹理分析，并求其梯度向量实 现断层特征的提取，从而实现断层断点的识别； ( 5 ) 2 0 0 2 年荷兰代夫特技术学院应用物理系模式识别研究室发表的论文“e d g c p r e s e r v i n go r i e n t a t i o na d a p t i v ef i l t e r i n g ”中提出了将方向自适应滤波和边缘保护滤波结 合的新方法。该方法不但在自然图像处理中取得较好的效果，还应用于地震图像处理， 有利于断层的识别和信噪比的提高。 还有一些很有代表性的中文文献 2 0 力“，介绍用小波分析和反演方法联合去除随机噪 声的研究、二维小波变换理论在地震信号去噪中的应用、用s v d 与m c c 结合法压制地 震波场的随机噪声、相干技术在三维地震勘探构造解释中的研究与应用、相干体技术在 三维地震资料中的应用、相干技术在全三维地震解释中的应用、全地震解释等等。 1 5 本章小结 通过本章论述表明，地震勘探对于国民经济发展有着重要作用，而地震资料处理是 勘探中的重要步骤，提高资料的信噪比，增强图像的质量对后续工作非常重要。国内外 在三维地震相干体技术方面的研究比较多，它是近年来发展起来的一项新技术。国内在 地震资料信噪比提高上大多应用小波变换、奇异值分解和相干体技术，尤其是后者。国 外近几年将图像处理技术应用于地震图像处理的报导逐渐增加，而且都取得了一定的效 果。本文基于此点考虑，将图像处理方面的非线性滤波技术应用于地震图像处理中，分 析研究其效果及可行性。 现今，地震勘探技术得到了飞速的发展，形成了一个复杂、庞大而完整的科技体系。 数学、物理、计算机以及地质学的各个分支都逐渐渗透到这个领域中来。医学c t 、生物 进化、小波分析、神经网络等领域的数字图像处理方法新的理论也不断在此得到应用。 随着计算机的发展，新技术、新理论的应用，地震勘探技术必将得到更进一步的完善。 2 非线性滤波技术的发展 2 非线性滤波技术的发展 为了将图像处理方面的非线性滤波技术应用于地震信号处理中，首先介绍一下非线 性滤波技术的发展概况及一些常用方法。 2 1 图像去噪的技术背景及发展状况 在数字图像的生成和传输过程中，各种噪声的干扰和影响，是引起图像输出质量降 低的一个重要原因，同时也影响到数字图像的编码、分形和传输效果。因而，在数字图 像处理中，噪声的消除是非常重要的一项工作，一直受到人们的普遍关注。