基于自适应时-频变换的相对保幅高分辨率处理技术模块-ATFRE

MIAS特色技术模块汇报人:王清振单位:中海油研究总院时间：2014.01.09基于自适应时-频变换的相对保幅高分辨率处理技术模块AdaptiveTime-FrequencytransformbasedResolutionEnhancement研究背景主要内容技术原理模型试算实际资料处理与结论研究背景随着油气田勘探中勘探对象愈来愈复杂，人们对地震资料处理和解释提出更高的要求，如要求能更准确、精细地刻画地层的结构、岩性变化及流体性质等．要解决这些问题，地震资料必须有足够高的分辨率．近年来，地震资料采集技术有了突破性进展，这为得到高分辨率地震剖面奠定了基础．但要由这些资料得到需要的高分辨率地震剖面，通常还需要借助于提高分辨率处理技术。研究背景传统褶积模型假设最小平方反褶积、预测反褶积、变模反褶积、同态反褶积、最小熵反褶积、基于互信息率准则的盲反褶积、宽带约束反演以及谱白化基于传统褶积模型的提高分辨率方法：子波是平稳的，即假设子波在地下传播过程中不随时间变化非平稳褶积模型（Ricker（1940））波在地球介质中传播时，由于波前扩散和吸收衰减等效应使子波振幅变小且子波展宽，由于层间散射而使子波增加一个“尾巴”，也就是说子波在地下传播时发生变化，反射地震记录是这些具有不同到达时的子波的叠加Ziolkowski称这种模型为“反射地震记录的变子波模型”如果把随传播时间变化的子波看成一个系统，反射系数序列作为系统的输入，这个系统可看作时变系统，研究这类系统的数学理论是拟微分算子理论地震记录的非平稳性主要是由波前扩散和地层吸收衰减效应引起的。波前扩散可以用几何扩散函数来校正。地层吸收衰减引起的非平稳效应，即所谓的Q效应。反Q滤波和时变谱白化方法是常用的地层吸收衰减补偿方法。反Q滤波存在问题：由于地下介质构造复杂，Q值往往难以求准，从而影响反Q滤波的准确程度。时变谱白化存在问题：参数需要人为确定，若参数选择不好，对效果影响较大，并且处理后的数据的振幅相对关系难以描述。2001年，Margrave和Lamoureux提出了一种Gabor反褶积方法，直接将Wiener反褶积算法扩展到待分析信号为非平稳的情况。这种方法不需要预先估计Q值就可完成反Q滤波，但是这种处理方法对平滑窗依赖性较强，窗不合适，效果会较差，而且经这种方法处理后的地震记录不能很好地刻画反射系数的局部能量相对关系，直观地讲会产生等幅效应，很像经自动增益控制(AGC)处理后的结果，这在某些情况下不利于地震资料解释。2002年，Margrave，David等人对上述方法进行改进，用双曲型平滑代替矩形窗平滑，压制了AGC效应。2005年，Margrave，Gibson等人系统地阐述了Gabor反褶积方法的原理。Gabor反褶积方法由于采用均匀Gabor标架分析信号，分析窗的长度难以适应待分析信号各段的情况；并且由于按照单Q值模型同时求解不同时刻的反褶积算子，使得该方法不能用于地层Q值随深度变化的情况。本方法通过建立反射地震记录变子波模型的数学表示式，揭示非平稳地震记录时频分布的特性，引入一种自适应分子分解时频分析方法，在地震数据地层结构的约束下构造一组自适应于地震记录的分析时窗，对地震记录进行自适应非均匀划分，并用这些时窗生成分子Gabor标架，在分子Gabor域利用非线性压缩映射提取时变子波对非平稳地震记录做频谱拓宽和振幅校正，然后反变换回时间域得到相对保幅的高分辨率处理结果。该方法较传统基于平稳地震记录提高分辨率方法，其适用条件更接近于地下实际情况，较常规的非平稳地震记录高分辨率处理方法更适应于地震记录各段不同的特性，是一种相对保幅的提高地震资料分辨率的方法。高静怀,汪玲玲,赵伟.基于反射地震记录变子波模型提高地震记录分辨率[J].地球物理学报,2009,52(5):1289-1300.研究背景主要内容技术原理模型试算实际资料处理与结论技术原理构造分子Gabor窗变换到分子Gabor域拓频能量补偿反变换到时间域技术流程实现流程技术原理1）构造分子-Gabor窗，将非平稳地震记录自适应地划分为若干平稳的片段，每个片段中拥有一个近似不变的等效子波，且所述等效子波易于从该片段中提取出来；2）用第1）步构造得到的分子-Gabor窗生成分子-Gabor标架，将非平稳地震记录变换到分子-Gabor域；3）在分子-Gabor域，对每个分子-Gabor窗内的地震记录片段所对应的分子-Gabor系数进行拓频和能量补偿处理；4）将处理后的分子-Gabor系数反变换到时间域，得到提高分辨率后的地震记录。所述步骤1）中，分子-Gabor窗通过单位分解法构造，具体分为三个步骤：①生成满足单位分解的原子窗族intgen_matrix_g(size_tl,const

floatsi,gsl_matrix_float*matrix_g)：生成原子窗矩阵/l为计算fft的点数，si为采样间隔，matrix_g为生成的原子窗矩阵/g=(1/(sqrt(2*pi)*r))*exp(-t.^2/(2*r*r))原子窗函数其中r：radius=n_win*(int)(si*1000)/(scale*1000)n_win：半窗长，scale：一个常数，默认取3Scale=1Scale=3Scale=6原子窗matrix_g归一化原子窗，构成单位分割②构造初始分子-Gabor窗这个过程程序中没有，为什么？技术原理s(t)的包络为：地震道的包络峰值在一定程度上可以大致反映地层的层序结构。因此，如果使用地震道的包络峰值约束分子窗的构造，那么构成的分子窗在横向上将与地层结构有关，有利于保持处理后资料的横向连续性。两级差分算出峰值点包络包络差分符号2级差分分子窗③对初始分子-Gabor窗进行能量归一化，得到分子-Gabor窗自适应分子窗的构造方法如图1(b)所示，选取信号包络峰值处的加权瞬时频率（﹡处所示），对它们作保边缘平滑拟合，检验出偏离拟合曲线较远的数据点，将它们去掉以便消除子波干涉对加权瞬时频率的影响，然后用线性插值去填充去掉的点，如此反复迭代直到拟合曲线上的值不再有大的变化，从而得到图1(b)中的“○”点。根据两个“○”点间的差值和“○”点之间的距离计算各窗的分割点，如图1(b)中“+”所示，将两个“+”间的相邻小原子窗叠加起来就得到了图1(c)所示的自适应分子窗。Fig.3Schematicdiagramofadaptivemoleculardecomposition(AMD).(a)Thenonstationarysyntheticseismicsignal(solidline)withitsenvelope(dashedline)andenvelopepeaks(greenstars);(b)TheWDIF(greensolidline)locatedattheenvelopepeaks(greenstars),theirEPSfit(boldredcircles),andthe“+”illustratesthepartitionpoints;(c)Theadaptivemolecularwindowswhichsumto1;(d)Energynormalizedadaptivemolecularwindows;(e)TheAMDamplitudespectrumofthesignalinFigure3a;(f)Thereconstructedsignal;(g)Thereconstructionerrors.步骤3拓频和能量补偿的关键技术有两个：时变子波提取和高分辨率处理压缩映射方法估计等效子波振幅谱拟合振幅谱等效子波的振幅谱引起该段地震记录频带变窄，分辨率降低。从该段地震记录中剔除等效子波的效应，就可提高该段地震记录的分辨率。以第k段为例，为了提高第k个片段的分辨率，采用零相位Wiener反褶积算法拓宽该片段的频带：（9）（10）高分辨率处理-拓频本发明给出了一种基于地震记录变子波模型提高非平稳地震资料分辨率的方法，该方法以现代拟微分算子理论为基础，以自适应时-频分析方法为工具，处理后的地震资料具备高分辨率和相对保持振幅特性。将该方法用于处理非平稳合成地震记录，结果表明该技术较之普通的谱白化技术不仅能够更好地保持原始记录的相对能量关系，而且能够恢复衰减的高频能量，且该技术能够更好地适用于地层Q值随深度变化的情况。结论本质就是自适应分时窗维纳反褶积研究背景主要内容技术原理模型试算实际资料处理与结论图2给出了合成地震记录算例图，其中图2(a)是反射系数序列；(b)是非平稳合成地震记录；(c)是（b）中信号对应的能量归一化后的分子-Gabor窗；(d)是谱白化方法处理的结果；（e）和（f）分别为(8)式和(17)式对应的自适应拓频处理后的高分辨地震记录。对比图2（a）和（b）可见，反射系数①,②,③和④在（b）中不清晰。①和②在（d）中比在（b）中清晰，然而③和④在（d）中仍然不清晰。在图2（e）和（f）中，反射系数①,②,③和④都得到很好的刻画。并且图2（e）中的高分辨地震记录保持了图2（b）所示原始地震记录的相对能量关系；图2（f）中的高分辨地震记录恢复了衰减的能量，与图2(a)中的反射系数序列有较好的对应关系。Fig.1(a)Thenonstationarysyntheticseismicsignal,(b)TheadaptiveGabormolecularwindows,(c)TheGaboramplitudespectraofthesignalinFigure1a,(d)TheenvelopesoftheGaboramplitudespectrainFigure1cand(e)ThecompensatedGaboramplitudespectra.Fig2CompensationwithuniformGaborwindows.(a)The70HzRickersourcewavelet;(b)Thesyntheticreflectivity;(c)Thesyntheticseismicsignalwithoutabsorption;(d)Thesyntheticseismicsignalwithabsorption(t=0-0.5s,Q=80;t=0.5-1s,Q=60.Thesamplingintervalis1ms);(e)TheuniformGaborwindows(180sampleswithGaussiantaper);(f)ThecompensatedseismicsignalusingtheuniformGaborwindowsinFigure1e;(g)UniformGaborwindows(240sampleswithGaussiantaper);(h)ThecompensatedseismicsignalusingtheuniformGaborwindowsinFigure1g.Verticalaxisistheamplitude,theabscissaisTime(s).参数名称物理意义单位值域范围默认值参数选取原则及参数变化对结果的影响分析nfreq计算频率数（一般比截止频率稍大）Hz大于截止频率，小于奈奎斯特频率120值越大，估计的时变子波振幅谱的点数越多cutfreq截止频率Hz对数据做频谱分析得到80此为重要参数，确定了估计时变子波振幅谱参数时所采用的数据的有效范围eta维纳滤波器的稳定因子，可压制噪声无0．005-0.010.005值越大，抑噪能力越强，但是同时也降低了分辨率halfwin原子窗的半窗长采样点数无大于半个子波波长120半窗长越长，平均效应越明显（在突变的地方体现的是周围数据的平均效应）选择合适的截止频率半窗长越长，平均效应越明显（在突变的地方体现的是周围数据的平均效应）eta值越大，抑噪能力越强，但是同时也降低了分辨率研究背景主要内容技术原理模型试算实际资料处理与结论1290Eta=0.05Eta=0.01Eta=0.005eta值越大，抑噪能力越强，但是同时也降低了分辨率1290halfwin=10halfwin=30halfwin=120halfwin值越大，信噪比越高，横向连续性越好1290nd=80,nc=50计算频率和截止频率要和资料相适应，不宜过小，也不宜过大，过小分辨率不会提高，过大会出现毛刺，降低信噪比nd=150,nc=110nd=100,nc=80在选取参数之前先对资料进行频谱分析，如下图所示先分析地震资料浅层的振幅谱，图中地震资料的振幅谱在120Hz之后已经很小，可将截止频率选在120~140Hz之间，此处我们选130Hz，计算频率数比截止频率稍大，可选为180Hz。故根据下图，nfreq可取为180，cutfreq取为130。Fig.8Compensationofrealseismicdata.(a)Theoriginalseismicdataand(b)Thecompensatedseismicdatausingtheadaptivemoleculardecompositionabsorptioncompensationmethod.Figure3:ArealdataexamplefromCNOOC.(a)Aprofilefromoriginalrealseismicdata;(b)ThehighresolutionprofilebyASBM;(c)Thehighresolutionprofilebythetime-variantspectralwhiteningmethodusingamainstreamcommercialsoftware.ThewelllogderivedsyntheticsareinsertedinFigures3band3c结论自适应划分的引入，使得本文方法不再要求反射系数序列是白的，而且能较好地保持原地震记录中局部能量的相对关系．对比本文提出的方法与普通谱白化方法，模型及实际资料算例的结果均表明，前者在拓宽地震资料频带及保持地震记录局部能量相对关系方面均明显优于后者．另外，本文中给出的反射地震记录变子波模型的数学表示式，在地震资料处理中有实用价值，在研制新的处理方法方面可提供理论指导．

这种方法基于非平稳地震记录假设，较传统基于平稳地震记录提高分辨率方法更接近于地下实际情况，适合于整段地震记录处理。从以上分析也知，该方法得到的高分辨率数据频带实现了真正意义的拓宽，低频和高频能量都得到提高，且不改变原始数据振幅谱形态，保真性较好，能为属性分析和地震反演带来分辨率更高的结果，且由于频率成分更加丰富，适合于分频处理等。但相对于其它方法，这种方法目前的计算效率较低。谢谢！恳请各位领导、专家批评指正！所述步骤3)中，在分子-Gabor域对每个地震记录片段进行频带拓宽和振幅校正。本发明针对不同情况给出两种方法，可根据实际需要选其中一种。零相位Wiener反褶积算法(a)TheenvelopeoftheamplitudespectruminthefourthmolecularwindowinFigure1d(greensolidline)andtheamplitudespectrumofthereferencewavelet(bluesolidline),wherefc1isthecut-offfrequencyofthereferencewavelet;(b