基于MP方法的地震信号快速分解算法

Matching Pursuits算法是信号分解的一种具体实现方法.针对地震信号在过完备库中进行分解时原子字典索引和计算量均非常庞大的问题,提出了一种原子字典索引的快速生成算法.首先根据地震信号的频带特征缩小字典索引的频率范围;然后同样依据地震信号的波形特征缩小字典索引的尺度范围.从而利用对地震信号的先验知识,收缩原子字典索引的扫描范围,实现基于Matching Pursuits算法的地震信号的快速分解.     

基于匹配追踪稀疏分解的高斯束成像方法

高斯束偏移是一种高效、稳健的深度域成像方法,其不仅保持了射线类偏移的高效、灵活性,而且具有接近波动方程偏移的成像精度.匹配追踪是一种基于匹配寻优算法的信号稀疏分解技术,常用于地震信号的时频分析和去噪处理中.本文将建立在Ricker子波原子库的匹配追踪算法应用于常规的高斯束偏移中,并结合Kirchhoff偏移的单输入道成像方式,发展了一种成像精度更高且适用于低信噪比资料的叠前高斯束成像方法.该方法通过合理地控制匹配追踪稀疏分解的迭代次数,可以有效地去除地震信号中的随机干扰,提高成像结果的信噪比;此外,在偏移过程中,本文方法采用了Kirchhoff偏移的单输入道成像方式,解决了常规高斯束方法对浅层小尺度地质体成像不准的问题,提高浅部反射层的成像精度.两个典型的数值算例验证了本文方法的有效性和适应性.     

基于正交时频原子的地震信号快速匹配追踪

匹配追踪能够根据地震信号自身的特点进行自适应分解,但因计算量巨大使其不能被广泛应用.本文提出了一种正交时频原子快速匹配追踪方法,该方法在迭代分解过程中,充分利用地震信号的局部性特征作为先验信息点,在先验信息点附近采用动态搜索策略寻找最佳匹配时频原子,同时对时频原子进行正交变换,消除了时频原子库中的冗余分量,最终将信号分解为一系列正交时频原子的线性叠加.测试结果表明,该方法不仅保持了匹配追踪的分解精度,而且使计算效率有了质的提高.     

一种改进的子波分解方法及其应用

为了克服常规的子波分解与重构方法采用固定的雷克子波时所造成的缺陷,本文引入地震相分析和三参数小波,提出了一种改进的适用于存在地震相带变化区域的子波分解与重构方法.该方法首先采用基于波形分类的地震相分析方法进行研究区的地震相分析及主要相带划分,然后根据各个主要相带的子波特征匹配与之对应的三参数小波来建立过完备原子库,再分相带利用基于匹配追踪算法的三参数小波进行子波分解,最后优选对储层敏感的频带范围进行重构,并采用重构的地震道来进行储层预测.四川某海相碳酸盐岩储层预测的实例应用结果表明,该研究区的储层预测结果与钻井符合率高,研究区中高产气井与低产气井在本文新方法获得的重构剖面上具有较大的差异,能进行有效地区分与预测,具有重要的实际应用价值.     

地震信号稀疏分解的快速方法

稀疏化方法由于能够实现地震信号的高精度分解,已经成为重要的地震信号处理技术.目前地震信号稀疏分解常采用的方法是匹配追踪算法(Matching Pursuit,MP),但所得结果不够稀疏.针对此局限,提出了一种基于重复加权提升搜索算法(Repeated Weighted Boostmg Search,RWBS)的快速分解方法.首先,根据地震信号的频谱图缩小频率搜索范围;然后,将搜索算法RWBS与正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)方法相结合,就得到一种快速的稀疏分解方法,将本文的方法应用到人工合成和实际的地震数据处理中,并与MP和OMP追踪算法作比较,说明采用本文方法进行地震信号分解在稀疏度和分解速度方面都有提高,仿真实验结果表明,与MP和OMP分解算法相比,在满足相同的分解精度条件下,RWBS算法不仅大大提高了分解的稀疏度,而且提高分解速度.与OMP算法相比较.基于RWBS的新方法分解所需的时间减少了约87%;与MP算法相比较,新方法分解所需的时间减少约50%.     

基于匹配追踪和遗传算法的大地电磁噪声压制

针对匹配追踪计算量大、大地电磁数据处理效率低的问题,提出基于匹配追踪和遗传算法的大地电磁噪声压制方法.首先,利用Gabor原子构建过完备原子库,并对过完备原子库集合进行划分.然后,借助遗传算法的自适应性,快速搜寻最优匹配原子及所在位置.最后,运用最优匹配原子对待处理信号进行稀疏分解,重构有用信号.通过对计算机模拟的典型强干扰和矿集区实测大地电磁数据进行分析处理,实验结果表明,相对于匹配追踪和正交匹配追踪,文中所提方法能从过完备原子库中快速、自适应地选取最优匹配原子与不同噪声干扰类型高精度的匹配,极大地提升了计算效率;大地电磁时间域序列中的大尺度强干扰被有效剔除,视电阻率曲线更为光滑、连续,低频段的数据质量得到明显改善.     

基于结构化匹配追踪的地震资料去噪技术研究

地震数据往往受噪声干扰,影响有效反射波的识别,因此提高地震资料信噪比在数据处理中尤为重要,我国在此方面研究已经取得进展.结构化匹配追踪算法是一种采用原子字典分组式及树状结构搜索的全局结构化算法,具有运算效率高、速度快的特点.本文在分析结构化匹配追踪算法的基础上提出基于该算法的地震资料去噪技术,根据反射波信号与噪声信号的频段差异,对分解得到的时频原子设置阈值频段,去除含噪成分,从而达到去噪目的.与常规去噪技术相比,该技术精准、快速地分解地震反射波信号与噪声信号,最大限度地减小对地震反射波信号的损害.     

GNMF小波谱分离在地震勘探噪声压制中的应用

地震勘探资料噪声压制及信噪比提高是整个地震勘探信号处理过程中的重要任务,随着地震勘探深度的增加及其复杂性,人们对地震数据质量的要求越来越高.勘探环境的复杂化使得采集到的地震资料中有效信号被大量噪声淹没,无法清晰辨识,严重影响后续的数据处理与解释.小波去噪是地震勘探中常用且发展较成熟的一种方法,但是其涉及到的阈值函数选取问题一直令人困扰,虽然已有多种阈值函数被提出,但仍存在各自的缺陷.本文利用小波分解在时域及频域良好的信号细节体现特性,引入模式识别中的非负矩阵分解(NMF)谱分离思想,针对小波系数阈值优化问题,提出了一种小波域图非负矩阵分解(GNMF)消噪算法.该方法首先在小波分解基础上,利用GNMF算法实现小波分解系数谱中信号分量与噪声分量的谱分离,然后通过反变换重构各分离子谱对应的子信号,最后利用K均值聚类算法将得到的多个子信号划分为信号类及噪声类,最终得到重构信号及分离噪声.合成记录和实际地震资料的消噪结果验证了新方法在提高信号与噪声分离准确性和精度方面的有效性,同时新方法避免了阈值选取造成的噪声压制不理想或有效成分损失问题.与小波消噪结果的对比及数值分析也说明了新方法在噪声压制及有效成分保持方面的优势.     

基于匹配追踪分解和tau-p域拾取的快速高斯束偏移方法

交互式的速度分析是复杂构造探区速度模型建立的一种有效方法,为了使不同的速度模型在短时间内得到检测和标定,本文基于匹配追踪分解算法和tau-p域同相轴拾取技术,发展了一种快速叠前深度域高斯束偏移方法.根据tau-p域地震同相轴的振幅特征,本文采用匹配追踪算法对地震记录进行时间和空间上地稀疏分解,并将分解的时频原子应用于高斯束偏移,以达到压缩地震数据和提高偏移速率的目的.模型试算和实际资料处理结果表明:本文方法不仅能够对地下复杂构造和高陡反射面清晰成像,而且可使叠前地震数据压缩近数十倍,使深度域偏移的计算效率提高一个数量级以上.     

适用于三维隐式叠前深度偏移中矩阵求逆的混合算法

在深度偏移方法中，把二维隐式方法推广到三维，就会面对一个分块对角矩阵求逆问题. 通常，这种矩阵的求逆将耗费大量计算时间，严重制约了三维隐式方法偏移在实际资料处理中的广泛应用. 在螺旋边界条件下，该矩阵H具有Toeplitz结构的正定厄密矩阵，其快速求逆可由谱法LU分解或直解法快速实现. 本文结合谱法LU分解和直接解法方法的优点，提出了一种混合算法. 文中采用谱分解方法建立起矩阵列元素的谱分解表，并采用直解法的递推公式，可以快速给出矩阵的分解. 通过与谱法分解和直解法在分解精度和分解速度两方面的比较表明，本文方法与谱法相比，在非均匀介质中亥姆霍兹算子矩阵分解时的精度提高10倍；在计算速度方面，混合方法比简化后的直解法快. 因此，该方法的提出，在计算精度许可的条件下，最大限度地减少三维隐式差分偏移中矩阵求逆占用的时间，从而使得该方法能真正用于实际地震资料的处理.     

基于频率-慢度域叠前地震记录的合成与并行方法研究

正演模拟是叠前弹性波反演的基础.采用慢度法计算层状介质的叠前地震记录,分别对频率和慢度进行积分变换得到时-空域的地震道集,并对在慢度积分过程中产生的计算噪音提出了解决方案.为得到高精度合成地震记录,需将地层细分,但地层层数很多时,计算量较大;而对地层粗分虽然会大大加快运算速度,但合成记录会丢失很多信息,文中给出了地层的划分原则.该方法能够计算出包括转换波和多次反射在内的全地震响应.但在提高合成记录精度的同时,也导致计算量增大、计算效率降低,因此,本文对基于慢度法全波场模拟进行了并行算法设计,采用计算域分割、工作池并行技术,建立了慢度法全波场正演模拟的并行算法,使得弹性波正演问题求解更加高效,为充分利用叠前地震资料进行叠前反演提供了研究基础.     

区域分解法地震正演模拟方法研究

区域分解法是近年开辟的计算偏微分方程数值解的一种新方法，该方法把研究区域分解为形态规则的小区域，在各子区域内采用最有效的方法求解，能充分发挥各种正演模拟方法的优点，大大地提高求解正演问题的有效性．本文首次把区域分解法引入地震正演模拟，构造出了适应性强、计算速度快、所需计算机资源量小，具有高度并行性的区域分解地震正演模拟方法，编制了区域分解地震正演模拟软件，对大量地质模型进行了计算，获得了良好的结果．     

地震波形反演技术在砂泥岩薄互层结构表征中的应用

基于传播矩阵理论开发砂泥岩薄互层地震合成记录算法,与褶积算法、基于界面模型的Zoeppritz方法以及波动方程等方法相比,该方法更适用于具有复杂结构的薄互层模型,能够在充分考虑地震反射波动力学因素的同时不受网格间距的限制.基于正演算法开发了基于波形对比的砂泥岩薄互层地震反演技术,由地震反射波形特征的变化反演薄地层单元中砂体含量与空间位置等参数,进而确定薄互层段砂泥岩组合结构以及砂体的空间展布.理论模型验证了反演方法的有效性.通过测井分析建立薄互层地震地质模型,并将该技术应用于研究区实际地震数据,反演的砂体空间分布与测井资料进行对比分析,验证了反演方法的实用性.     

基于正交秩-1矩阵追踪的天然地震数据重建研究:以加州San Jacinto断层密集地震台阵为例

由于受地理环境和采集成本等因素的影响,采集到的天然地震数据往往呈现不规则和不完整分布,将直接影响到后续的天然地震数据处理效果,因此需要对缺失数据进行重建.本文将一种基于降秩补全理论的正交秩-1矩阵追踪算法(Orthogonal Rank-One Matrix Pursuit,OR1MP)应用于加州San Jacinto断层带的天然地震数据重建.首先将空间数据的每个频率切片进行Hankel预变换,获取具有低秩结构特征的预变换矩阵,缺失地震道和随机噪声会增加数据预变换矩阵的秩,然后运用OR1MP算法进行降秩处理,最后做反Hankel变换,得到频域上的重建数据.OR1MP算法对2D和3D的加州San Jacinto断层带的天然地震数据实验结果表明,OR1MP算法能够有效地增加地震体的峰值信噪比,能较好地实现对天然地震信号的重建.     

基于压缩感知的高分辨率平面波分解方法研究

平面波分解方法是地震资料处理中的一项关键技术,它广泛地运用在平面波偏移、各类Beam偏移等成像方法中.平面波分解不仅可以提高偏移成像的效率,而且可以压制地震资料中的随机噪音,提高地震数据的信噪比.线性Radon变换（LRT）是一种常见的实现平面波分解的方法,但常规的LRT存在以下两个缺点：（1）分辨率受测不准原理限制;（2）变换结果存在很多噪音和空间假频.为了克服LRT的上述缺点,本文提出一种基于压缩感知的高分辨率平面波分解方法,并利用加权匹配追踪（WMP）技术实现了该方法.该方法将LRT视为一个参数估计问题,并将LRT结果的稀疏性作为约束条件,在压缩感知理论的指导下利用WMP方法得到高分辨率、高信噪比的平面波分解结果.另外,该方法还可以用于提取地震数据的线性信号、压制随机噪音、实现高维地震数据规则化等地震资料处理技术.数值实验结果证明：WMP方法可以有效地提取地震数据中的线性信号,提高LRT的分辨率和信噪比,从而改善平面波分解的质量.     

L1范数约束被动源数据稀疏反演一次波估计

对于被动源地震数据,运用常规的互相关算法得到的虚拟炮记录中,不仅含有一次波反射信息,还包括了表面相关多次波.然而,通过传统的被动源数据稀疏反演一次波估计(EPSI)方法,可以求得只含有一次波,不含表面相关多次波的虚拟炮记录.本文改进了传统的被动源数据稀疏反演一次波估计问题的求解方法,将被动源稀疏反演一次波估计求解问题转化为双凸L1范数约束的最优化求解问题,避免了在传统的稀疏反演一次波估计过程中用时窗防止反演陷入局部最优化的情况.在L1范数约束最优化的求解过程中,又结合了2DCurvelet变换和小波变换,在2DCurvelet-wavelet域中,数据变得更加稀疏,从而使求得的结果更加准确,成像质量得到了改善.通过简单模型和复杂模型,验证了本文提出方法的有效性.     

利用变分模态分解(VMD)和匹配追踪(MP)联合压制音频大地电磁(AMT)强干扰

为了有效分离矿集区音频大地电磁（AMT）信号中的大尺度强干扰、抑制近源效应,本文提出利用变分模态分解（VMD）和匹配追踪（MP）联合压制AMT强干扰的方法.首先,对比了VMD与经验模态分解（EMD）、固有时间尺度分解（ITD）的处理效果,验证了VMD在避免模态混叠和端点效应方面的优势;讨论了VMD中模态个数对典型大尺度强干扰的去噪性能,并选择合适的模态初步获取待处理信号的重构信息.然后,运用MP对VMD重构信号做二次信噪分离处理,进一步滤除残余的尖脉冲干扰.通过对模拟和实测数据的分析处理,以及与远参考法结果对比,本研究能有效剔除时间域序列中的大尺度强干扰,且重构信号中保留了更多的低频缓变化信息和细节成分,近源干扰得到有效压制;视电阻率-相位曲线更为光滑、连续,低频段的数据质量得到明显改善,其结果能更为真实、可靠地反映地下电性结构信息.     

瞬变电磁波场转换算法的改进

地球物理电磁场数据与虚拟地震波场数据之间存在数学上的等效转换关系,通过这种等效转换,可有效提高地球物理电磁法对地下目标体分界面的辨识度.但是这种转换在数学上属于不适定问题,可采用奇异值分解法处理.由于大奇异值控制计算矩阵的主要信息,小的奇异值控制计算矩阵的次要信息,传统的截断奇异值分解法只保留大奇异值,而忽略小的奇异值,导致数值解不够精确.本文提出一种新的修正方案——改进截断奇异值法,采用岭估计方法计算由小的奇异值引起的虚拟波场.模型计算结果表明：改进截断奇异值法比传统的奇异值分解法得到的波场转换结果更好,对某煤矿采空区探测数据进行了处理,成功分辨出采空区分界面.     

谱图重排的谱分解理论及其在储层探测中的应用

谱分解理论是把单道地震记录分解为连续的时频谱平面,是地震资料处理和解释的重要技术之一.由于谱分解方法的多解性,所以同一道地震记录因为分解方法不同,得到的时频谱是不一样的.短时傅里叶变换,小波变换,S变换和匹配追踪算法都是对信号开窗分析,这些方法都受到不确定性原理的限制.Wigner-Ville变换避开了不确定性原理的限制,但是交叉项的存在限制了本方法的使用.本文利用谱图重排的时频分析方法(RSPWV)对合成的单道地震记录和实际的地震资料进行了分析.与短时傅里叶变换和匹配追踪算法的比较得出:此方法具有较高的时频分辨率,能够很好地识别气层.