基于数据增广和CNN的地震随机噪声压制

卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)是一种基于数据驱动的学习算法,简化了传统从特征提取到分类的两阶段式处理任务,被广泛应用于计算机科学的各个领域.在标注数据不足的地震数据去噪领域,CNN的推广应用受到限制.针对这一问题,本文提出了一种基于数据生成和增广的地震数据CNN去噪框架.对于合成数据,本文对无噪地震数据添加不同方差的高斯噪声,增广后构成训练集,实现基于小样本的CNN训练.对于实际地震数据,由于无法获得真实的干净数据和噪声来生成训练样本集,本文提出一种直接从无标签实际有噪数据生成标签数据集的方法.在所提出的方法中,我们利用目前已有的去噪方法从实际地震数据中分别获得估计干净数据和估计噪声,前者与未知的干净数据具有相似纹理,后者与实际噪声具有相似的概率分布.人工合成数据和实际数据实验结果表明,相较于F-X反褶积,BM3D和自适应频域滤波算法,本文方法能更好地压制随机噪声和保护有效信号.最后,本文采用神经网络可视化方法对去噪CNN的机理进行了探索,一定程度上解释了网络每一层的学习内容.

     

一种神经网络改进小波的地震数据随机噪声去除方法

地震资料的有效信号反射弱,且易受多次波的影响,不可避免地存在随机噪声干扰。提出一种基于神经网络改进小波的地震数据随机噪声去除方法,采用神经网络模型,识别出随机噪声信号,对该信号进行小波包分解,获取多类别随机噪声信号,采用级联BP神经网络模型提取出多类别随机噪声信号,实现地震数据的随机信号压制。实验结果显示,这种改进小波方法对地震数据随机噪声信号的去噪效果较好,在复杂沉积地质结构被探测介质的地震数据随机噪声压制方面具有较强的适用性。     

基于Noise-to-Noise自监督学习的地震数据去噪方法

在地震勘探采集到的地震数据中不可避免的存在随机噪声,而高信噪比的地震数据是地震资料反演和解释的基础.因此随机噪声压制一直是地震资料处理中的重要工作.近些年来,随着深度学习技术的发展,基于卷积神经网络的地震数据去噪方法已经取得了丰硕的成果.常规的监督学习策略需要获取无噪数据作为标签,然而从实际地震数据中获取无噪数据只能通过传统去噪方法进行预处理,以此方法构建标签数据的监督学习去噪网络必然受构建数据集的去噪方法影响.针对此问题,本文提出了一种基于Noise-to-Noise自监督学习的地震数据去噪方法,该方法通过对实际地震数据添加不同等级的噪声构建训练数据集,仅需要含噪地震数据即可训练去噪网络.合成数据测试和实际数据测试表明,本文方法可以有效去除地震数据中的随机噪声,性能优于受数据集构建方法所限的监督学习去噪方法和传统去噪方法.     

基于数据增广训练的深度神经网络方法压制地震多次波

地震数据中存在的多次波影响偏移成像,误导地震资料的解释,因此通常视为相干噪声而被去除.为了对多次波进行智能化衰减,本文提出了一种基于数据增广训练的使用深度神经网络的多次波压制方法.设计的深度神经网络包括卷积编码和卷积解码过程,其中卷积编码过程学习全波场数据中的一次波特征,卷积解码过程利用这些特征来重构一次波并压制多次波和随机噪声.在训练阶段,旋转训练集并在输入数据中加入随机噪声构成增广训练数据集来提升神经网络的抗噪稳定性和泛化性,通过迁移学习让深度神经网络具备跨工区压制多次波的能力.简单模型与Sigsbee2B模型三套模拟数据的实例验证了本文方法在一次波重构和多次波压制中的有效性、稳定性和良好泛化性;一套崎岖海底模型地震物理模拟数据的应用实例表明本文方法具有应用于复杂条件下压制地震多次波的能力.

     

基于深度卷积自编码网络地震数据去噪方法

在采集得到地震数据中,随机噪声常常与有效信号混合在一起,并且毫无规律,使用常规去噪方法不能够达到理想的效果,影响后续的地震数据处理工作.为有效压制地震数据中的随机噪声,本文根据深度学习的相关理论,提出了一种基于深度卷积自编码网络的数据驱动的去噪方法,可以解决随机噪声难以去除的问题.在卷积自编码器的基础之上,网络使用了较多的层数并加入跳跃连接构造,从而增加了网络的深度,能够提取并结合数据中深层与浅层特征,增强对随机噪声的处理能力,更好地恢复有效信号的细节.经过实验证明该方法对于不同水平的随机噪声的压制均有优异的表现,在去噪的效果上远超中值滤波、小波变换等传统去噪方法,同时也比经典的DnCNN网络更加优秀,能够完整地保留有效信号,极大提升地震数据的质量.     

基于深度卷积神经网络的地震数据随机噪声压制

本文以提高地震数据的成像质量为目标,提出一种智能的卷积神经网络降噪框架,从带有噪声的地震数据中自适应地学习地震信号。为了加速网络训练和避免训练时出现梯度消失现象,我们在网络中加入残差学习和批标准化的方法,并采用了ReLU激活函数和Adam优化算法优化网络。此外,Marmousi和F3数据集被用来对网络进行训练和测试,经过充分训练的网络不仅能在学习中保留地震数据特征,而且能去除随机噪声。首先充分地训练网络,从中提取出随机噪声,并保留学习到的地震数据特征,之后通过重建地震数据估算测试集中的波形特征。合成记录和实际数据的处理结果显示了深度卷积神经网络在随机噪声压制任务中的潜力,并通过实验验证表明了深度卷积神经网络框架有很好的去噪效果。      

基于深度卷积神经网络的地震数据局部信噪比估计

估计地震数据的信噪比对于地震数据的处理和解释具有重要作用.以往估计地震数据信噪比的方法都需要分离数据中的有效信号和噪声, 然后再估计相应的信噪比.这些估计方法的精度严重依赖信号估计方法或噪声压制方法的有效性, 往往存在偏差.本文提出一种估计地震数据局部信噪比的深度卷积神经网络模型, 通过迭代训练优化参数, 构建从含噪地震数据到其信噪比的特征映射.然后使用该神经网络完成信噪比的推理预测, 不需要分离地震数据中的有效信号和噪声.模拟数据和实际资料的处理结果都表明, 本文的方法可以准确而高效地估计局部地震数据的信噪比, 为地震数据质量的定量评价提供依据.

     

基于时频分析与分数阶最优控制网络的地震数据噪声压制

在复杂的地表环境, 地震勘探采集到的实际地震资料信噪比较低, 分辨率较差, 接收的噪声能量较强, 与有效信号存在频谱的重叠.常规的消噪手段很难在保证有效信号幅值的同时, 还兼顾噪声压制的效果.本文采用基于分数阶最优控制(Fractional Optimal Control)理论建立的深度学习神经网络——FOCNet来压制地震数据噪声, 并恢复微弱同相轴.不同于传统深度学习网络(DCNN)算法大多为基于经验的网络设计, FOCNet具有坚实的数理基础, 它从动态系统的最优控制角度阐述了网络的原理, 并采用长期记忆的方式增强了网络的稳定性, 提高了系统对噪声的消减能力.针对地震数据有效信号在低频带与噪声重叠严重, 且FOCNet对数据中、高频信息保留更好这一情况, 本文提出了一种基于理想时频分析与FOCNet相结合的算法(TF-FOCNet)来压制地震噪声, 提取有效信号.该算法通过理想时频分析, 针对性的提取信噪重叠的低频目标数据成分, 并与数据的中、高频成分一起送入网络中进行处理并融合, 完成噪声的压制, 增强了低频信息的保留能力.模拟及实际的实验结果验证了算法在随机噪声、面波压制及微弱信号恢复上的有效性和优越性.

     

基于深度卷积生成对抗网络的瑞雷波信号随机噪声去除

瑞雷波勘探是一种新兴的环境与工程地球物理勘探方法,野外采集的瑞雷波数据常含各种噪声干扰,对瑞雷波信号进行去噪处理至关重要.本文提出了一种基于深度卷积生成对抗网络(DCGAN)的瑞雷波信号随机噪声去除方法,其关键在于构建一个适用于瑞雷波信号去噪的DCGAN,包含生成器与判别器两部分.生成器由一个全卷积神经网络(FCN)构成,用于学习含噪数据到无噪数据的特征映射;判别器由一个卷积神经网络(CNN)构成,用于辅助生成器训练.基于DCGAN的去噪方法的实现分为三步:数据预处理、网络训练和噪声去除.一旦网络训练完成,去噪过程无需更多人为调整参数,减少了人力成本.对实际数据进行去噪试验,从地震数据和频散曲线两方面评价去噪效果,验证了本文方法的可行性,且相较于常用的小波变换、F-X反褶积算法,本文方法在不同比例噪声情况下均具有更好的去噪效果,对瑞雷波信号去噪方法选取有一定参考意义.     

一种基于条件对抗网络的自监督地震随机噪声压制方法

针对地震数据标注困难,提出基于改进的条件对抗网络的自监督随机噪声压制方法.训练过程分为2步：(1)向合成地震记录混入随机噪声构造含噪声-纯净训练集,采用监督学习策略,通过改进的条件生成对抗网络学习地震数据的有效特征;(2)借助自监督损失函数,利用目标域实际数据对预训练模型进行微调.2步训练法利用了源域合成地震记录与目标域实际地震数据之间的相似性,将源域学习到的模型迁移到目标域,实现地震数据自适应盲去噪.理论模型和实际地震数据试算结果验证所提方法具有较好的应用效果.     

基于孪生网络的人工震源分布式光纤传感数据噪声压制

受耦合效应和其他诸多因素的影响,野外实际采集的分布式光纤声波传感(Distributed Fiber-optic Acoustic Sensing,DAS)数据的信噪比通常较低.因此,在后续处理之前,需要首先对DAS数据进行去噪处理.传统的基于人工智能监督学习的去噪方法能够对DAS数据中的噪声进行压制,但它需要大量含噪声和无噪声数据进行成组标记,人工标记工作量巨大.为此,本文提出了基于自监督学习孪生网络的DAS地震数据去噪方法.该方法基于自监督学习中的孪生网络结构,采用U-Net网络建立深度学习框架.所提框架通过对输入的含噪声数据进行数据自我特征学习,迭代获取去噪目标函数的最优解,从而实现自监督高精度深度学习去噪网络构建.合成数据和实际资料处理结果表明,本文方法可以有效抑制人工震源DAS采集数据中的随机噪声,显著提高去噪结果的信噪比和同相轴的连续性.此外,本文方法能够避免常规监督学习方法需要进行数据标记的人工工作量,有效提高实际地震数据去噪处理效率.

     

压制空间非平稳地震勘探随机噪声的ROAD径向时频峰值滤波算法

径向时频峰值滤波算法是一种有效保持低信噪比地震勘探记录中反射同相轴的随机噪声压制方法,但该算法对空间非平稳地震勘探随机噪声压制效果不理想.本文研究空间非平稳地震勘探随机噪声,即各道噪声功率不同的地震勘探随机噪声,其在径向滤波轨线上表征近似脉冲噪声,在径向时频峰值滤波过程中干扰相邻道滤波结果.为了减小空间非平稳随机噪声的影响,本文提出一种基于绝对级差统计量(ROAD)的径向时频峰值滤波随机噪声压制方法.该方法首先根据径向轨线上信号的绝对级差统计量检测空间非平稳地震勘探随机噪声,然后结合局部时频峰值滤波和径向时频峰值滤波压制地震勘探记录中的随机噪声.将ROAD径向时频峰值滤波方法应用于合成记录和实际共炮点地震记录,结果表明ROAD径向时频峰值滤波方法可以压制空间非平稳地震勘探随机噪声且不损害有效信号,有效抑制随机噪声空间非平稳对滤波结果的影响.与径向时频峰值滤波相比,ROAD径向时频峰值滤波方法更适用于空间非平稳地震勘探随机噪声压制.     

Random noise suppression for seismic data using a non-local Bayes algorithm

For random noise suppression of seismic data, we present a non-local Bayes (NLBayes) filtering algorithm. The NL-Bayes algorithm uses the Gaussian model instead of the weighted average of all similar patches in the NL-means algorithm to reduce the fuzzy of structural details, thereby improving the denoising performance. In the denoising process of seismic data, the size and the number of patches in the Gaussian model are adaptively calculated according to the standard deviation of noise. The NL-Bayes algorithm requires two iterations to complete seismic data denoising, but the second iteration makes use of denoised seismic data from the first iteration to calculate the better mean and covariance of the patch Gaussian model for improving the similarity of patches and achieving the purpose of denoising. Tests with synthetic and real data sets demonstrate that the NL-Bayes algorithm can effectively improve the SNR and preserve the fidelity of seismic data.     

基于卷积对抗降噪网络的塔里木盆地沙漠地震资料消噪方法研究

塔里木盆地作为我国重要的油气勘探地区, 其地表主要由沙漠覆盖.塔里木地区获取的沙漠地震资料通常表现为低信噪比, 并且有效信号与背景噪声在低频段存在严重的混叠现象.这两点给沙漠地震资料的消噪带来了巨大的困难, 进而影响后期的反演、成像以及解释等工作.为了压制沙漠背景噪声并完整恢复有效信号, 本文采用生成对抗网络(Generative Adversarial Network, GAN)的基本思路并利用去噪器代替GAN中的生成器, 提出一种针对沙漠地震资料的全新消噪网络, 命名为沙漠地震卷积对抗降噪网络(Desert Seismic Convolutional Adversarial Denoising Network, DSCA-Net).在DSCA-Net中, 我们将去噪器的均方误差损失与去噪器、鉴别器之间的对抗损失相结合, 提出了一种全新损失函数; 利用该损失函数来优化网络, 进而得到适合沙漠地震资料去噪的模型.模拟与实际实验均表明本文提出的DSCA-Net可以有效地压制沙漠地震资料中的背景噪声, 同时显著增强同相轴的连续性; 经过DSCA-Net处理后的沙漠地震资料信噪比得到显著提升.

     

基于DMFF-Net的地震随机噪声压制新技术

地震勘探是油气和矿产资源开发领域使用最为广泛的物探方法之一.由于采集条件的限制,地震记录中通常混杂有大量的随机噪声,导致勘探资料普遍信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)较低,这严重影响有效信号辨识的精度,为后续反演、解释等工作带来巨大挑战.此外,地震勘探随机噪声通常具有非平稳、非高斯和与信号存在频带混叠等复杂特性,导致传统方法在处理复杂勘探记录时,消噪性能可能发生退化.针对复杂勘探随机噪声消减问题,本文提出了一种新型的双层多尺度特征融合去噪网络(Double-layer Multi-scale Feature Fusion Denoising Network,DMFF-Net).该网络具有多尺度网络结构,利用多分支模块提取勘探数据不同尺度和不同分支的潜在特征,提升网络对于勘探记录复杂特征的学习能力.同时,采用跳跃连接实现浅层和深层信息的融合,提升网络对微弱信号的恢复能力.模拟和实际资料处理结果表明,相较传统地震勘探资料消噪方法而言,DMFF-Net可以更加有效地压制随机噪声,完整恢复有效信号,显著提升地震资料信噪比,在信号保幅性和微弱信号恢复能力方面更具优势.

     

基于自适应阈值RCSST变换的金属矿山地地区地震信号随机噪声消减

随着陆地地震勘探工作的加深,勘探环境变得越来越复杂,获得的地震信号信噪比越来越低,这给地震成像和数据解释带来了巨大的困难.为了解决这一技术难题,本文针对云南山地金属矿区的勘探环境提出了一种基于自适应阈值递归循环平移的Shearlet变换去噪算法（Recursive Cycle Spinning Shearlet Transform,RCSST）.首次将递归循环平移与Shearlet变换相结合,利用Shearlet变换的多尺度多方向特性对平移后的地震资料进行分解变换,之后,我们又提出了一种全新的自适应阈值,避免了信号系数被过度扼杀,同时也保护了有效信号.实验表明基于自适应阈值的RCSST算法克服了传统Shearlet变换去噪算法在低信噪比下易出现假轴的弊端并且能够有效地保护信号的幅度.在处理较低信噪比的模拟和实际云南山地地区地震资料的过程中,本文方法能够较好的压制随机噪声和保护有效信号.