S变换的时频分析特性及其改进

地震信号具有非线性、非平稳的特性,用时频分析的方法处理地震信号,可以最大限度的保留原始信息,也可以较为精确地分析数据的时间、频率特征.现阶段应用于地震数据处理的时频分析方法主要有:短时傅里叶变换,小波变换和匹配追踪算法等等.S变换是近几年发展起来的一种新的时频分析方法.S变换结合了短时傅里叶变换和小波变换的优点,具有相...     

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.     

几种时频分析方法的比较和实际应用

地震信号往往是非线性非平稳的,时频分析技术能同时展示信号在时间域和频率域的局部化特征。本文研究4种时频分析方法:短时傅里叶变换(STFT)、小波变换、广义S变换和Wigner-Ville分布。在理论上运用雷克子波模拟地震记录进行时频分析对比,发现广义S变换具有相对较好的时频聚焦性以及较好的交叉项抑制性。为了验证这一理论,我们分别在两个工区做了实际的地震实验,分析并阐述4种时频分析方法的优缺点,同时也验证广义S变换的优越性。      

地震信号的时-频分析

通过对单频正弦波和实际地震信号的对比分析,表明时频分析应用于地震信号处理是有效的和可靠的,尤其是在希望获得频率成分随时间变化的规律时有普通傅里叶变换所不具有的优点。     

基于频谱分解的碳酸盐岩储层识别

频谱分解技术是将地震信号从时间域转换到频率域,分析频率对不同尺度地质体的振幅、相位响应特征的一项技术.频谱分解能够得到高于传统分辨率的解释结果,提高刻画储层分布的能力.本文详述了短时傅里叶变换、连续小波变换和S变换的数学原理及适用性:短时傅里叶变换使用固定时窗,不能根据信号的变化调整分辨率,只适合分析分段平稳或近似平稳的信号;连续小波变换使用移动的、尺度可变的小波作为时窗,具有多分辨率特点,但是实际中选择能反映信号特征的小波函数不易;S变换使用频率的倒数来调节时窗,具有多分辨率特征,对数据处理的适应性较强.将这三种方法分别应用于碳酸盐岩储层发育区,利用靠近地震主频的35 Hz分频剖面,分析了不同时窗大小的短时傅里叶变换效果,不同类型小波的连续小波变换效果,并对比了不同频谱分解算法对储层的描述精度.通过分析得出分频剖面比常规地震剖面更有利于储层识别,且S变换效果最好.     

广西北流—广东化州5.2级地震前华南地区连续重力扰动信号分析

利用华南地区的多个连续重力台站gPhone相对重力仪秒采样原始数据,对记录到2019年10月12日广西北流—广东化州5.2级地震前后共7 d的重力秒采样数据进行预处理,提取高频扰动信号,应用短时傅里叶变换时频分析方法分析震前异常信号的频率特征,结合地震前后的台风活动变化,分析认为该扰动异常为2019年19号台风"海贝思"活动引起,非地震前兆异常。     

STFT与WVD在地震波时频分析中的应用

地震波是一种非平稳信号,传统的傅里叶变换已不适用,时频分析方法能在时间—频率域给出非平稳信号不同时刻的频率分布特征。Wigner-Ville分布(WVD)对非平稳信号具有较好的时频聚集性,但因其为双线性变换,会产生严重的交叉干扰项。短时傅里叶变换(STFT)是一种线性变换,不存在交叉项干扰,但时频聚集性较差。考虑到二者优点,在对地震波进行时频分析时,采用短时傅里叶变换和Wigner-Ville分布的联合算法,既有效抑制了Wigner-Ville分布交叉项干扰,又保持了较高的时频聚集性。通过3种方法,对模拟信号和实际数据处理结果进行对比分析,发现联合算法对获取地震波信号的时频特征和纵波到时检测,具有更好效果。     

基于STFT和CNN的地震信号分类识别研究

地震信号分类——即信号震源类型的分类,尤其是天然地震和人工爆破的分类对于地震目录的清洗和强震实时预警等具有重要意义.本文首先对原始波形信号进行必要的预处理,然后对预处理后的信号进行分帧加窗,对窗内信号采用短时傅里叶变换,将原始波形信号从时域转换成时频域信号,生成时频谱图,每条波形生成一个时频图像;经过反复多次试验比较,将原尺寸时频谱图统一缩放为32×32像素大小的灰度图像,该灰度图像作为卷积神经网络(CNN)的输入,此时的分类效果和计算效率最优.采用以上方法对2010年至2016年发生在河北三河和北京通州等地区,震级为1.5 ～2.8级之间的54个天然地震事件的1674条波形和63个人工爆破事件的1509条波形,采用五折交叉验证法进行分类,得到的平均准确率为97.39％,与传统的支持向量机(SVM)方法和多层感知器(MLP)方法对比,分类准确率有大幅提升,与使用梅尔倒谱系数(MFCC)构建的CNN分类器方法对比,本文方法信噪比更低,分类准确率提高约1.5％.实验结果表明,采用短时傅里叶变换提取地震信号时频域特征,生成时频谱图,使用卷积神经网络对地震信号进行分类具有良好的分类效果.     

常用时频分析方法在数字地震波特征量分析中的应用

地震波属于非平稳信号,传统的傅立叶变换因缺乏信号局域性的信息而无法对非平衡信号进行全面描述.对此时频分析是有力的分析工具.本文简介了短时傅立叶变换(STFT)、S变换、CWD分布、ZAM分布四种时频分析方法,通过对算例及实际地震信号的分析,总结出这四种时频分析方法在分辨地震波中的应用效果及优缺点.     

地震分倒频处理技术

为刻画地震信号的局部层次特征,提高复杂地质体的地震分辨率,本文利用倒谱变换能够提高分辨率的特点,结合短时傅里叶变换,构造了倒时-频变换算法,并提出地震分倒频处理技术.文中对地震分倒频处理技术的公式推导、算法设计、分倒频处理技术提高地震纵向分辨率的机理进行了详细研究.设计出了适合三维地震资料处理的软件,并从理论上阐述了地震分倒频处理技术能够提高地震分辨率.利用倒时-频变换对多分量线性调谐信号模型做倒时-频分析,可以得到良好的时频分辨率.实际三维地震资料计算表明,该方法能够提高地震纵向分辨率,且计算效率高,适合大规模三维地震资料的处理.     

基于S变换的软阈值滤波在深地震反射数据处理中的应用

深地震反射原始单炮数据是非平稳的弱能量反射信号,信噪比较低.如何提高信噪比一直是深地震反射数据前处理中的一大难题.S变换是一种适用于分析非平稳信号的时频变换方法.同其他分析时变信号的方法相比,S变换的基本小波不必满足小波在时间域均值为零的容许性条件,它的时频分辨率与分析信号的频率有关,且其在时间域的积分可以得到傅里叶频谱,其反变换也简单.因此,S变换容易表示深地震反射信号复杂的时频特性.本文在S变换的基础上,利用软阈值滤波方法对深地震反射数据进行处理,实验结果表明,该方法有效地提高了信噪比,压制了有效频带范围内的混频干扰,突出了弱反射信号,使得波组信息更加丰富,有利于连续追踪有效反射波组和识别薄地层,特别是提高了深部Moho界面反射层位的分辨率,为深地震反射剖面后续处理和准确解释奠定了基础.     

时频联合分析地震计正弦标定数据

介绍短时傅里叶变换,分析地震计正弦标定信号的特点,提出基于时间域和频率域联合分析正弦标定波形组起始点的方法,可以准确找出每组正弦标定信号的频率和振幅,计算地震计的速度响应灵敏度。     

时频联合分析地震计正弦标定数据

介绍短时傅里叶变换,分析地震计正弦标定信号的特点,提出基于时间域和频率域联合分析正弦标定波形组起始点的方法,可以准确找出每组正弦标定信号的频率和振幅,计算地震计的速度响应灵敏度。     

同步挤压广义S变换在南海油气识别中的应用

受窗函数的影响,短时傅里叶变换、小波变换、S变换等传统时频分析方法的分辨率不高.为了提高信号时频变换分辨率,发展了同步挤压小波变换算法;该算法将信号的时频谱值向其中心频率位置挤压,改善了信号时频分析结果,使得信号时频分辨率得到了很大的提升.但由于传统算法时窗固定,处理缺乏灵活性;因此,本文对S变换窗函数进行扩展,提出了同步挤压广义S变换.通过自适应窗函数挤压信号在S域的时频谱值,提高了算法的灵活性和时频分析聚焦能力.运用同步挤压广义S变换对南海某工区实际地震数据进行分频处理,结果显示含油气层能量随着频率的增加而逐渐衰减.因此,使用同步挤压广义S变换对地震数据进行分析处理,不仅可以对储层含油气性进行准确的检测,还可以对地层进行精确的标定.     

广义S变换地震信号时频分析

广义S变换继承和发展了S变换的优点,其引入了λ、p两个参数,对S变换中固定的基本小波进行了推广和扩展,使得其时窗更灵活多变,在一定程度上提高了非平稳信号分析处理的时频分辨率。通过线性调频信号模拟测试对比,证实了广义S变换的信号聚焦能力明显优于S变换,能够更好地刻画信号的局部特性。最后,以某区二维单炮地震数据为例进行了地震信号的广义S变换时频分析,取得了良好效果。     

希尔伯特-黄变换地震信号时频分析与属性提取

地震信号属于非线性和非平稳信号,传统的分析方法主要包括短时傅立叶变换、小波变换和Cohen类时频分布等等;希尔伯特-黄变换是分析非平稳信号的新方法,该方法的关键部分是信号的经验模态分解,通过经验模态分解,复杂的信号可以分解为有限的数量很少的几个固有模态函数,从而可以得到信号的希尔伯特时频谱;将该方法应用于单个的地震道数据,可以对地震道进行经验模态分解并得到希尔伯特谱,应用于地震剖面,可以得到意义更加明确的瞬时频率和瞬时振幅等地震属性,模型试算和实际应用表明了该方法的有效性.     

曹妃甸地震台网天然地震与人工爆破时频分析

搜集2014—2015年曹妃甸测震台网记录的各类爆破与天然地震事件,基于Matlab软件,编制程序实现短时傅里叶变换,对比分析核爆炸、化学爆炸、矿爆炸与天然地震的特征,分析频率随时间的变化规律。研究结果表明,天然地震与爆破在频率范围、频率分布和时频聚集性等方面具有各自特点,主要表现在:天然地震的时频图"多峰"且复杂,频率分布范围更广,频率成分集中在S波段;人工爆破的时频图"少峰"且简单,频率范围较窄,频率成分集中在P波段。本文的研究成果能够为今后区分天然地震和爆破提供依据。     

几种时频分析方法比较

地震信号由于各种原因,往往是一种非线性、非平稳信号,基于平稳信号理论的常规傅立叶变化方法不能刻画任一时刻的频率成分.时频分析能同时保留时间与频率信息,目前已经出现了很多时频分析方法.本文介绍了Hilbert变换、Hilbert-Huang变换、正弦曲线拟合、雷克子波匹配、短时傅立叶变换、小波变换、S变换以及Cohen类这八种方法,并从时间分辨率、频率分辨率,以及对多频率成份信号适应能力等各方面阐述了各种方法的优缺点,对其中的一些方法结合了理论记录进行了试算,进一步阐述了这些方法的长处和不足之处.     

基于广义S变换的大地电磁测深数据处理

S变换是一种优于短时傅里叶变换和小波变换的时频分析方法.采用广义S变换进行大地电磁场时间序列频谱分析,一方面能够提高对电磁噪声成分的时间定位能力,便于实现电磁噪声的滤波处理;另一方面可以增加频谱系数的个数,从而改善大地电磁阻抗张量元素的统计特性.本文从广义S变换和大地电磁测深数据处理方法的原理出发,给出了采用叠加窗函数的离散广义S变换形式,讨论了广义S变换窗口宽度比例因子、窗口宽度与可提取频谱系数个数之间的关系,定义了利用离散广义S变换时频谱计算大地电磁场分量功率谱公式;在此基础上,研究了基于S变换时谱频的大地电磁测深数据ROBUST处理方法.最后,通过实测资料进行方法检验,结果表明本文方法比短时傅里叶变换处理效果更好,并且有利于识别和压制电磁噪声.     

地震勘探信号时频分析方法对比与应用分析

针对地震勘探信号,对非平稳信号时频分析几种适效方法:短时Fourier变换、小波变换、S变换、Wigner分布、平滑伪Wigner分布、锥形核时频分布、AOK(adaptive optimum kernel,自适应最优核函数)分布等进行对比与应用研究.在阐明各种方法基本原理的基础上,进行数值分析与应用研究.首先对非平稳地震勘探模拟信号进行试算及时频属性提取,结合各类方法的信号表示理论,在时频局部化的精度和交叉项抑制等方面对计算结果进行对比分析;进一步应用于实际二维地震数据,提取瞬时频率和瞬时带宽等时频属性,进行比较研究.研究表明:对于地震勘探信号,就本文涉及的几种时频分析方法而言,AOK分布是时频局部化精度最高、交叉项抑制最好、时频匹配最优的方法,值得在地震勘探信号分析和地震属性提取、频谱分解等应用中深入研究和应用.