谱白化叠加方法在气枪信号检测中的应用

主动源气枪信号具有绿色环保,低频信号丰富,传播距离远,高重复性的特点,广泛运用于区域尺度深部探测和介质变化监测中.如何准确和高效的识别信号是气枪信号处理的难点也是重点.检测信号的能力取决于观测记录的信噪比,通常为了提高地震记录的信噪比,常用的方法有滤波,去噪和叠加.针对具有高重复性的气枪信号,通过叠加的手段提高信号信噪比.文中基于气枪信号的特征,推导了谱白化叠加与窄带线性叠加的等价关系,从数值模拟和实际气枪记录的角度,对线性叠加、谱白化叠加和加权叠加在信号捡拾能力方面进行了分析和研究.结果表明:相比于线性叠加和加权叠加,谱白化叠加具有与模版信号相似程度高,对弱信号捡拾能力强的特点,但是对于高信噪比信号,线性叠加的效果更好.另一方面,对实际记录分析验证了数值模拟分析的正确性、合理性.因此针对气枪信号近场应采用线性叠加,远场应采用白躁化叠加.而针对地震剖面中信号连续追踪可采用加权叠加结果,这是因为加权叠加提高信噪比最为明显;震相拾取建议采用线性叠加或谱白化叠加结果,这是因为以上两种方法不会产生相位偏移和相位畸变.     

气枪震源弱信号提取的可靠性初步分析

基于数据合成仿真、气枪震源激发信号的实际处理,由叠加信噪比、波形相关系数及相位偏移等3个定量指标,系统评价线性、相位加权和S变换等3种叠加方法提取强背景噪声下弱信号的实际性能,并定量估计叠加结果的可靠性。通过对以上3种方法叠加结果的综合探讨,初步对比分析后认为,线性叠加虽然信噪比较低,但波形畸变最小;相位加权叠加信噪比较高,相位偏移小,但波形质量与线性叠加的结果相比偏离较大;S变换叠加可获得相对较高的信噪比,波形幅度损失小,但存在一定的相位偏移现象。因此建议,当波形质量和时间精度均要求较高时宜用线性叠加。但气枪震源激发有限时选择叠加方法应有所偏重,若要求波形高保真,宜选择S变换叠加;若要求时间高精度,可选择相位加权叠加方法,以合理实现弱信号的有效提取。     

零相位化和非线性叠加对提取气枪震源地震信号波形的影响研究

使用零相位化处理和非线性叠加方法提取低信噪比记录中的有效信号,通过定量评估结果波形的走时和振幅等信息的精准程度,探究此处理流程是否可提高提取气枪震源有效信号波形的准确性。对合成波形和云南宾川主动源实验中实际资料数据进行零相位化处理,选用相似性加权、时间域相位加权、时频域相位加权、改进的时频域相位加权4种非线性叠加方法提取有效信号。结果表明,基于上述处理方法可有效提高提取波形的准确性:(1)零相位处理可以提高波形数据的分辨率,使有效信号到时点变为波形峰值点,有利于在非线性叠加后拾取出准确的到时位置;(2)零相位化数据的非线性叠加结果卷积震源子波可基本恢复地震信号波形记录,可降低非线性叠加对有效信息的损失;(3)使用时间域相位加权叠加和相似性加权叠加方法可获得较好结果,但可能会压制低信噪比小振幅信号;基于时频域的相位加权类叠加方法对有效波形成分影响较大,但对小振幅信号保幅较好。     

噪声对气枪信号叠加效果的影响及自动数据筛选方法

为剔除小地震信号和强噪声对气枪信号叠加效果的影响,提出了一种利用信号记录中噪声特征的主动源数据筛选方法——RMS筛选法,服务于气枪数据的自动化处理。实际气枪数据筛选结果表明,RMS筛选法采用信号噪声水平作为信号选择标准,可以有效去除高噪声信号,其线性和相位加权叠加结果优于常规线性叠加和常规相位加权结果,噪声得到压制,远距离台站微弱信号检测效果得以增强。     

地学长江计划安徽实验中低频可控震源地震波信号提取方法评估

可控震源的激发过程精确可控、可重复性高。本文评估了重复激发形成的多道记录的信号增强方法,包括叠加方法和有效信号直接分离方法。相比线性叠加,加权叠加充分利用了有效信号的一致性,能进一步压制噪声,提高叠加记录的信噪比。相比时间域相位加权叠加,Semblance加权叠加更加稳定。时频域相位加权叠加能在时频域压制随机分散分布的噪声信号,叠加信号更加清晰。本文中,采用标准SVD分离获得的信号同线性叠加结果类似。本文利用密集分布的临时台阵评价地学长江计划安徽实验中低频可控震源在庐江第2激发点的激发效果。对比不同的处理流程发现,先互相关检测信号再进行时频域相位加权叠加能够取得最佳的处理效果,通过200多次重复激发,可以在50km范围内提取到较清晰的有效信号。     

气枪信号振幅叠加方法研究

由于气枪震源信号较弱, 容易受外界噪声或者地震等因素干扰, 而使得其真实的振幅被掩盖。 这些干扰记录若直接参与叠加容易导致振幅信息不可靠, 也会影响叠加效果。 为消除干扰影响, 提出概率筛选和噪声模型筛选振幅叠加方法, 以2018年6月在福建龙门滩水库和沙溪口水库的气枪实验数据为例, 从剔除干扰的能力、 波形形态、 振幅值等方面说明两种方法的实际效果, 并对比两者的优缺点。 研究结果表明: ① 两种筛选方法均能有效去除异常干扰, 经处理后的气枪信号的波形形态和最大振幅值与直接线性叠加基本一致; ② 对于固定台网台站, 噪声频谱方法可方便确认台站的运行状态, 及时筛除异常台站; ③ 对于灵敏度等信息不详的流动台站, 噪声模型筛选方法使用受限, 而概率筛选方法简洁, 适用性强。     

基于相位替换的高分辨率叠加方法及其应用

水平叠加技术是提高地震资料的信噪比和分辨率的方法之一.只有当CMP道集同相轴校齐,消除各种时差,才能实现CMP道集中各道真正的同相位叠加,否则地震资料的高频信息会缺失,降低信噪比和分辨率.本文给出一种应用相位替换的处理方法消除CMP道集中的剩余时差,利用消除剩余时差后的CMP道集进行叠加.这种方法的理论基础是地震信号的到达时完全包含在信号的相位谱中,通过改变相位谱可以达到改变信号到达时的目的.综合理论模型和实际资料的数据处理,详细探讨了该方法对提高信噪比和分辨率的效果,结果表明,通过选取合适的参考道,该方法可有效地提高地震资料的信噪比和分辨率且理论上可以消除任何时差.     

基于气枪震源信号的云南漾濞MS6.4地震前后波速变化

本文基于宾川气枪地震信号发射台激发的地震波信号,利用线性叠加和时频域相位加权叠加方法提高信噪比,通过反褶积、插值拟合和波形互相关等方法,获得2021年漾濞M;6.4地震前后气枪震源初至波信号走时变化特征.结果表明两种叠加方法得到的走时变化趋势基本一致,在沿发震断裂带附近的3个台站观测到的初至波走时延迟为7.3~14.4 ms,在射线路径上平均波速降低了0.08%~0.12%,距离震中位置较远的台站走时延迟为2~6 ms.分析认为,观测到的走时变化主要是漾濞M;6.4地震引起强地面运动造成浅层介质疏松、同震破裂导致震源区地下介质裂隙增加和地下流体侵入等共同作用造成,相关研究成果有助于加深和促进对此次地震震源物理过程的认识和了解.     

S变换在地动噪声互相关叠加中的初步尝试

地动噪声互相关是近年来发展起来的一种新方法,通过长时间连续地震波形互相关叠加来获得面波格林函数,该方法为研究速度结构提供了支持。该方法的基本思路是长时间波形互相关的叠加以提高信号强度。传统的线性叠加方法需要长时间波形互相关叠加来获得高信噪比,本文尝试应用S变换来提高叠加的效率。S变换加权叠加增强了相干信号,压制了不相干成分。通过初步尝试,我们认为,该方法有助于提高互相关叠加结果的信噪比。     

用于地震观测的瞬态滤波研究

目前,地震数据采集器使用的最后两级数字滤波器相位有最小相位和线性相位两种,相位特性直接影响着记录的地震数据波形质量.最小相位滤波的优点是:地震波形没有“前缀”波形出现,不会干扰分析人员对震相的判读;其缺点是:通带边沿频率附近不同频率分量群时延差异较大,导致最小相位滤波会带来波形失真,对初动半周期的波形影响显著.     

Reliability Evaluation on Weak Signal Extraction for Airgun Source Surveys

Based on the data synthesis simulation and the actual processing of the airgun seismic source signal, three quantitative indicators of signal-to-noise ratio, waveform correlation coefficient and phase offset, are superimposed. We systematically evaluate the functions of the following three stack methods including linearity, phase weighting and S-transform in the extraction of weak signals under strong background noise and quantitatively estimate the reliability of the stack results. Through the comprehensive discussion of the above three methods of stack results, the preliminary comparative analysis believes that the linear stack signal-to-noise ratio is low, but the waveform distortion is minimal; the phase-weighted superimposed signal-to-noise ratio is high and the phase offset is small, but the results of the waveform quality and linear stack are larger than the deviation; the S-transform stack has a relatively higher signal-to-noise ratio and a small loss of waveform amplitude, but there is a certain phase shift phenomenon. It is therefore suggested that linear stack technology should be used when the requirements of both waveform quality and time precision are high. However, the selection of the stack method when the airgun source excitation is limited should be emphasized. If high fidelity is required, the S-transform stack method should be selected; if the required time is high, accuracy can be selected by phase-weighted stack method to achieve reasonable extraction of weak signals.     

基于余弦函数的自适应单频干扰消除

在野外地震数据采集过程中,如果地震测线上空有高压输电线通过时,在地震记录中就存在一个50HZ左右强单频干扰.这种干扰在地震记录的整个时间段上具有很强的能量,并且从浅层到深层频率、相位和振幅可能不相同,但是它们的变化不太大,可以认为基本保持不变.采用频率域压制方法很难完全消除这种干扰,仅仅是噪声和信号同时压制一定的倍数,因此并没有改善单频分量频率附近的信噪比.我们提出了基于余弦函数的自适应单频干扰消除方法,以有效消除地震数据单频干扰.在时间域内采用频率、时延和振幅的余弦函数来逼近这种单频干扰并从地震记录中减去,以实现消除这种单频干扰的目的.单频干扰余弦函数的振幅使用公式直接计算,单频干扰频率和时延采用自适应方法估算.本方法的最大优点就是能够有效消除干扰,而并不伤害干扰附近有效信号,因此在单频干扰频率分量附近数据信噪比提高了.通过实际数据的试算,说明了本方法的有效性和可行性.     

基于重构激发信号的电磁式可控震源相关检测参考信号方法研究

针对电磁式可控震源地震数据的相关检测,研究发现,在地下结构复杂、基板-大地耦合不佳时,常规方法——基于震源控制信号或基板附近信号作为参考信号检测得到的地震记录中,存在子波到时误差和虚假多次波问题.本文分析了上述问题的理论原因,并提出基于重构激发信号的相关检测参考信号方法(Correlation Detection Reference Signal Based on the Reconstructed Excitation Signal,CDRSBRES).首先,利用直达波与其他地震波到时不一致的特点,从震源基板附近信号中分离、提取直达波.然后,利用直达波重构震源激发信号并作为参考信号对地震数据进行相关检测.最后,应用谱白化技术提高检测结果质量.数值模拟研究表明,重构激发信号与理想激发信号的相关系数为0.9869,达到高度线性相关,CDRSBRES方法检测的地震记录在子波到时和波形特征上均与模型相符.随后,在某金属矿区开展了可控震源对比实验.与液压式可控震源MiniVib T15000检测结果相比,电磁式可控震源PHVS 500的检测结果中:基于震源控制信号的检测结果存在子波到时误差约0.012s,对应垂向精度误差约11.16m;基于基板附近信号的检测结果部分区域出现虚假多次波,信噪比降低;而CDRSBRES方法的检测结果子波到时误差约0.001s,对应垂向精度误差约0.93m,波形特征一致,相同区域无虚假多次波.综上,本方法适用于电磁式可控震源地震数据的高精度检测,尤其对于地下结构复杂区域的高分辨率地震勘探具有重要意义.     

台阵地震学方法及对间断面结构的研究进展

地震台阵是为了监测核爆而发展起来的一种地震观测系统。近年来,地震台阵被推广到地球内部速度间断面的研究中并极大地推动了地震学的发展。本文主要介绍处理台阵资料的技术方法,如聚束、倾斜叠加、N次根叠加、频率波数法以及相位加权叠加等,并讨论各种方法的优缺点。在提取微弱但相关信号方面,重点讨论相位加权叠加方法及现有的研究成果。结果表明,这些方法都在不同程度上提高了记录的信噪比,高质量的台阵数据使得地球内部速度结构的成像研究更加精细。     

基于加权K均值聚类的多属性初至拾取方法

为提高初至拾取方法的准确性和自适应能力,将变异系数加权K均值聚类算法引入初至拾取中。首先提取均方根振幅、相邻道相关性、线积分、振幅谱主频等多种地震属性;然后针对地震属性进行加权K均值聚类,自动识别初至所在时窗;最后结合相位校正法,实现时窗内初至波起跳时间的拾取。在此基础上通过实际数据测试,并与长短时窗能量比法、反向传播神经网络方法对比,验证了本文方法的有效性与可行性。结果表明,基于加权K均值聚类的多属性初至拾取方法能较快速、准确地拾取低信噪比数据的初至,并且无需人为判断时窗,从而提高了拾取的自适应能力。      

基于Duffing振子混沌系统的地震速度分析方法

强随机噪声干扰是导致地震勘探资料低信噪比的主要原因,如何在强随机噪声干扰下获取有效的信息是值得关注的问题.Duffing振子混沌系统是一个非线性的动力学系统,其对强随机噪声具有免疫能力,而对特定的周期性信号具有敏感性.本文提出一种基于Duffing振子混沌系统的速度分析方法.对CMP道集按照时距曲线关系进行移动窗口截取,将所截取的信号构建为待测信号加入Duffing振子混沌系统,通过相图网格分割方法(GPM)判断系统状态的改变,从而在强随机噪声背景下获得高分辨率的速度谱.理论模型和实际资料的处理结果表明,与传统的水平叠加速度分析方法相比,本方法能够在强随机噪声背景下获得更准确的速度分析结果.     

背景噪声提取体波方法研究进展

地球深部结构探测是地球物理学的核心领域,而地震体波可以深入地球内部且分辨率较高,是研究地球内部结构不可或缺的技术手段。基于背景噪声提取高信噪比体波信号技术的迅速发展,极大地促进了地震学的发展和应用范围,使其在地球深部结构成像、城市浅层空间探测等领域日益发挥出重要作用。本文详细综述了如何利用地震干涉法及台阵处理技术提取出用于研究不同探测尺度（局部、区域、全球）的各类体波信号。其中,地震干涉法通过对地震台站记录到的波形信号进行互相关,抵消掉重合的射线路径,最后得到台站对之间的地震记录;而台阵处理方法是基于接收器台阵发展起来的数据处理手段,该技术不仅能够进一步提高信噪比（SNR）,而且能够获得方位信息。一般来讲,背景噪声中包含的体波信号能量远低于面波信号能量,提取难度大。本文着重介绍了Bin-叠加法、双波束方法（DBF）以及相位加权叠加法（PWS）,并对3种方法的适用条件进行了总结。      

区域震相初至估计

本在地震数据自动化处理中，给出一种基于自回归模型的Akaike information criteria(AIC)算法和信号平均幅值比的混合方法来估计地震信号的初至．用信号的AIC曲线和平均幅值比曲线构造一种叠加曲线，再进行类似于坐标旋转的校正，可以准确估计低信噪比记录中信号的初至，尤其对于震相类型比较复杂的后续震相(如S波、Lg波)的初至估计结果很好．通过对中国数字地震台网乌鲁木齐台记录到的23次天然地震中P波、S波和Lg波的初至估计，与人工分析结果相比，P波初至估计的均方误差为0．71s，后续震相(S波、Lg波)的均方误差为1．64s，优于传统AIC算法的估计结果．     

短周期地震仪接收函数的可行性分析——以新疆和田地震台阵为例

利用新疆和田地震台阵3 km孔径范围内架设的9个子台(包括1套宽频带和9套短周期地震仪)记录的3年远震波形数据,对比研究和分析了短周期地震仪接收函数的稳定性和可靠性.通过比较和分析短周期和长周期地震仪获取的接收函数波形,结果发现:(1)短周期地震仪记录与宽频带地震仪记录得到的接收函数有很好的一致性,且具有较高的稳定性,无论α取值为1.5还是2.5,短周期地震仪接收函数与宽频带地震仪接收函数都具有较强的线性相关性(相关系数0.9),但Ps震相均存在小幅的振幅差(约20%);(2)采用接收函数震相到时信息的方法(如H-κ叠加搜索),短周期地震仪可以代替宽频带地震仪;(3)由于短周期地震仪缺乏0.155 Hz以下的低频信号和在1 Hz以下频段非线性的振幅响应,仅仅采用短周期地震仪接收函数波形反演台站下方S波速度结构,获得下地壳到上地幔顶部的速度偏差较大(约0.3 km/s),可能会造成错误解释(如下地壳低速层),因此需要和其它对波速值敏感的数据(如面波频散)进行联合分析.     

Automatic pickup of arrival time of channel wave based on multi-channel constraints

Accurately detecting the arrival time of a channel wave in a coal seam is very important for in-seam seismic data processing. The arrival time greatly affects the accuracy of the channel wave inversion and the computed tomography (CT) result. However, because the signal-to-noise ratio of in-seam seismic data is reduced by the long wavelength and strong frequency dispersion, accurately timing the arrival of channel waves is extremely difficult. For this purpose, we propose a method that automatically picks up the arrival time of channel waves based on multi-channel constraints. We first estimate the Jaccard similarity coefficient of two ray paths, then apply it as a weight coefficient for stacking the multichannel dispersion spectra. The reasonableness and effectiveness of the proposed method is verified in an actual data application. Most importantly, the method increases the degree of automation and the pickup precision of the channel-wave arrival time.