去除地震数据中交流电干扰信号的方法

摘要

本发明提供一种去除地震数据中交流电干扰信号的方法，包括：获取至少一道地震数据，对每道地震数据进行傅立叶变换，得到至少一道频率域地震数据；在设定的频率范围内，从每道频率域地震数据中选取一个最大振幅值的频率域地震数据，将选取的频率域地震数据的振幅值与预设振幅值做比较，将振幅值大于等于预设振幅值的频率域地震数据组成新的频率域地震数据，对新的频率域地震数据进行傅里叶反变换，得到时间域的观测矢量；确定最佳分离矩阵，利用分解模型计算交流电干扰信号；从时间域的观测矢量中减去交流电干扰信号，得到有效信号。本发明的方法能够有效的去除交流电干扰信号，实现有效信号与交流电干扰信号的有效分离，处理效率高，运行速度快。

权利要求

1.一种去除地震数据中交流电干扰信号的方法，所述方法包括：(1)获取至少一道地震数据，对每道地震数据进行傅立叶变换，得到至少一道频率域地震数据；

(2)在设定的频率范围内，从每道频率域地震数据中选取一个最大振幅值的频率域地震数据，将选取的频率域地震数据的振幅值与预设振幅值做比较，将振幅值大于等于预设振幅值的频率域地震数据组成新的频率域地震数据，对新的频率域地震数据进行傅里叶反变换，得到时间域的观测矢量；

(3)确定最佳分离矩阵，利用分解模型计算交流电干扰信号；

(4)从时间域的观测矢量中减去交流电干扰信号，得到有效信号，其中，确定最佳分离矩阵的步骤为：

(a)对时间域的观测矢量进行预处理；

(b)利用预处理后的观测矢量，得到分离矩阵；

(c)对分离矩阵进行归一化处理，得到最佳分离矩阵，其中，步骤(b)包括：利用下面的公式获得J(y)为最大值时的分离矩阵w，J(y)∝[E{g(y)}-E{g(ygauss)}]2其中，y为随机量， w为分离矩阵，T表示转置，为预处理后的观测矢量，J(y)表示随机量y的负熵，ygauss为均值为零，且与随机量y具有相同方差的高斯分布的随机量，g(y)和g(ygauss)为非线性函数， a为常数，E{g(y)}为g(y)的均值运算，E{g(ygauss)}为g(ygauss)的均值运算。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述设定的频率范围为48～52Hz。

3.如权利要求1所述的方法，其中，对观测矢量进行预处理的方法为中心化和白化。

4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括：(ⅰ)利用下面的公式获得分离矩阵w的新值w+，其中，w+为分离矩阵w的新值，g(y)为非线性函数， g′(y)为g(y)的导数， 为 的均值运算，E{g′(y)}为g′(y)的均值运算；

(ⅱ)对分离矩阵的新值w+进行归一化处理，得到最佳分离矩阵w0，归一化处理的计算公式为，其中，||w+||为分离矩阵的新值w+的模。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述分解模型为，s2＝w0X，

其中，X为观测矢量，w0为最佳分离矩阵，s2为交流电干扰信号。

说明书

去除地震数据中交流电干扰信号的方法

技术领域

[0001] 本发明属于石油地震资料勘探领域，更具体地讲，涉及一种高效、高保真的去除地震数据中交流电干扰信号的方法。

背景技术

[0002] 提高地震数据的分辨率和信噪比在地震数据处理的每个步骤都很重要，在地震数据采集中，如果在测线上方有高压输电线通过，地震数据中就会出现50Hz的强交流电干扰波，这种干扰波从浅层到深层频率、相位和振幅基本保持不变，会严重影响到地震勘探精度。

[0003] 目前去除交流电干扰的方法主要是采用滤波方法。一种方法是陷波滤波法，这种滤波方法是在频率域中实现的，设计多吸收点的、具有一定阻带宽度的陷波滤波器组，用以消除交流电干扰信号的基波和谐波成分。如果有效信号的频谱与交流电干扰信号的频谱有混叠，则陷波滤波器在滤除交流电干扰信号的同时也会造成有效信号的损失。另一种方法是自适应滤波法，该方法的前提是有效信号和交流电干扰信号不相关。在此基础上，利用自适应滤波算法（如，最小均方或最小二乘法），自动调整自适应滤波器的系数，以跟踪输入过程的变化，并实现交流电干扰信号的自适应抵消。这种滤波方法是在时间域进行，其本质与陷波滤波是一致的，在去除交流电干扰信号的同时会造成有效信号的损失。

发明内容

[0004] 本发明的目的为设定一个频率范围，对设定频率范围内的地震数据进行去除交流电干扰信号的处理，而不必对每道地震数据都进行处理，能节约大量的计算时间，更加满足实际生产的需要。

[0005] 本发明的另一目的为通过确定最佳分离矩阵，计算出交流电干扰信号，从时间域的观测矢量中减去交流电干扰信号，实现有效信号与交流电干扰信号的有效分离。

[0006] 本发明的一方面提供一种去除地震数据中交流电干扰信号的方法，所述方法包括：（1）获取至少一道地震数据，对每道地震数据进行傅立叶变换，得到至少一道频率域地震数据（；2）在设定的频率范围内，从每道频率域地震数据中选取一个最大振幅值的频率域地震数据，将选取的频率域地震数据的振幅值与预设振幅值做比较，将振幅值大于等于预设振幅值的频率域地震数据组成新的频率域地震数据，对新的频率域地震数据进行傅里叶反变换，得到时间域的观测矢量（；3）确定最佳分离矩阵，利用分解模型计算交流电干扰信号；（4）从时间域的观测矢量中减去交流电干扰信号，得到有效信号。

[0007] 优选地，所述设定的频率范围为48～52Hz。

[0008] 优选地，确定最佳分离矩阵的步骤为，

[0009] （a）对时间域的观测矢量进行预处理；

[0010] （b）利用预处理后的观测矢量，得到分离矩阵。

[0011] （c）对分离矩阵进行归一化处理，得到最佳分离矩阵。

[0012] 优选地，对观测矢量进行预处理的方法为中心化和白化。

[0013] 优选地，利用下面的公式获得J(y)为最大值时的分离矩阵w，

[0014] J(y)∝[E{g(y)}-E{g(ygauss)}]2

[0015] 其中，y为随机量， w为分离矩阵，T表示转置， 为预处理后的观测矢量，J(y)表示随机量y的负熵，ygauss为均值为零，且与随机量y具有相同方差的高斯分布的随机量，g(y)和g(ygauss)为非线性函数，  a为常数，E{g(y)}为g(y)的均值运算，E{g(y)}为g(ygauss)的均值运算。

[0016] 优选地（，ⅰ）利用下面的公式获得分离矩阵w的新值w+，

[0017]

[0018] 其中，w+为分离矩阵w的新值，g(y)为非线性函数， g′(y)为g(y)的导数， 为 的均值运算，E{g′(y)}为g′(y)的均值运算；

[0019] （ⅱ）对分离矩阵的新值w+进行归一化处理，得到最佳分离矩阵w0，归一化处理的计算公式为，

[0020]

[0021] 其中，‖w+‖为分离矩阵的新值w+的模。

[0022] 优选地，所述分解模型为，

[0023] s2=w0X，

[0024] 其中，X为观测矢量，w0为最佳分离矩阵，s2为交流电干扰信号。

[0025] 根据本发明的去除地震数据中交流电干扰信号的方法，在设定频率范围内得到时间域的观测矢量，并通过确定最佳分离矩阵，计算出交流电干扰信号，从而将时间域的观测矢量中的交流电干扰信号分离出来，达到地震数据中交流电干扰信号的去除效果。

附图说明

[0026] 通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

[0027] 图1是示出根据本发明实施例的去除地震数据中交流电干扰信号的方法的流程图；

[0028] 图2a和图2b分别示出采用本发明的方法处理之前和之后的单炮记录图；

[0029] 图3a和图3b分别示出采用本发明的方法处理之前和之后的单炮频谱图。

具体实施方式

[0030] 提供参照附图的以下描述以帮助对由权利要求及其等同物限定的本发明的实施例的全面理解。包括各种特定细节以帮助理解，但这些细节仅被视为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可对描述于此的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简洁，省略对公知的功能和结构的描述。

[0031] 本发明的去除地震数据中交流电干扰信号的方法包括：（1）获取至少一道地震数据，对每道地震数据进行傅立叶变换，得到至少一道频率域地震数据；（2）在设定的频率范围内，从每道频率域地震数据中选取一个最大振幅值的频率域地震数据，将选取的频率域地震数据的振幅值与预设振幅值做比较，将振幅值大于等于预设振幅值的频率域地震数据组成新的频率域地震数据，对新的频率域地震数据进行傅里叶反变换，得到时间域的观测矢量（；3）确定最佳分离矩阵，利用分解模型计算交流电干扰信号（；4）从时间域的观测矢量中减去交流电干扰信号，得到有效信号。

[0032] 图1是示出根据本发明实施例的去除地震数据中交流电干扰信号的方法的流程图。

[0033] 在步骤101中，获取至少一道地震数据，对每道地震数据进行傅立叶变换，得到至少一道频率域地震数据。

[0034] 获取至少一道地震数据，每道地震数据记为A(xi,t)，xi为第i道地震数据的输入信号，i表示地震数据的道数，i=1,2,…m，且m为大于0的整数，对每道地震数据进行傅立叶变换如下，

[0035] Y(xi,ω)=fft(A(xi,t))  （1）

[0036] 式（1）中，A(xi,t)为时间域的地震数据，Y(xi,ω)是A(xi,t)对应的频率域的地震数据，fft表示快速傅立叶变换，只对时间方向做快速傅立叶变换，ω为角频率，ω=2πf,f为频率。

[0037] 在步骤102中，在设定的频率范围内，从每道频率域地震数据中选取一个最大振幅值的频率域地震数据，将选取的频率域地震数据的振幅值与预设振幅值做比较，将振幅值大于等于预设振幅值的频率域地震数据组成新的频率域地震数据，对新的频率域地震数据进行傅里叶反变换，得到时间域的观测矢量。优选地，设定的频率范围设置为48～52Hz，预设振幅值为设定频率范围内具有最大振幅值的频率域地震数据周围其它频点的频率域地震数据的振幅值的平均值的M倍，M>1，优选地M=2，这仅仅是示例性的，本领域的技术人员可以根据地震数据的实际情况对M的值进行适当改变。

[0038] 具体地讲，在频率为48～52Hz（一般交流电干扰信号在50Hz附近存在）的范围内，对频率域地震数据Y(xi,ω)进行统计，从每道频率域地震数据中选取一个最大振幅值的频率域地震数据，然后将选取的频率域地震数据的振幅值与预设振幅值做比较，优选地，将选取的频率域地震数据的振幅值与该道频率域地震数据周围其它频点的频率域地震数据的振幅值的平均值的M倍做比较，如果选取的频率域地震数据的振幅值大于等于该道频率域地震数据周围其它频点的频率域地震数据的振幅值的平均值的M倍，则认为该道频率域地震数据中存在交流电干扰信号；反之，如果选取的频率域地震数据的振幅值小于该道频率域地震数据周围其它频点的频率域地震数据的振幅值的平均值的M倍，则认为选取的频率域地震数据中不存在交流电干扰信号。

[0039] 在频率为48～52Hz的范围内，将所有存在交流电干扰信号的频率域地震数据组成新的频率域地震数据，通过傅里叶反变换，变换到时间域，得到时 间域的观测矢量。根据本发明实施例，所述时间域的观测矢量为有效信号与交流电干扰信号的和，具体的计算公式为，

[0040] X=s1+s2  （2）

[0041] 式（2）中，X为观测矢量，X=[x1,x2,…xm]T，xi为第i道地震数据的输入信号，s1为有效信号，s1=[s11,s12,…s1m]T，s1i为第i道地震数据的有效信号，s2为交流电干扰信号，s2=[s21,s22,…s2m]T，s2i为第i道地震数据的交流电干扰信号，每道地震数据的输入信号xi是有效信号s1i和交流电干扰信号s2i的和。这里，有效信号和交流电干扰信号为独立信号。

[0042] 在步骤103中，确定最佳分离矩阵，利用分解模型计算交流电干扰信号。

[0043] 具体地讲，确定最佳分离矩阵的步骤为：

[0044] （a）对时间域的观测矢量进行预处理。

[0045] 根据本发明实施例，优选地对观测矢量进行预处理的方法为中心化和白化。中心化的步骤为：从观测矢量X中减去它的均值，得到零均值的观测矢量，使得E(xi)=0，E(xi)为输入信号xi的均值运算。白化的步骤为：对中心化后的观测矢量X进行线性变换。这里，中心化和白化为本领域的公知常识，本发明省略了对此部分的描述。

[0046] （b）利用预处理后的观测矢量，得到分离矩阵。

[0047] 具体地讲，利用下面的公式获得J(y)为最大值时的分离矩阵w，

[0048] J(y)∝[E{g(y)}-E{g(ygauss)}]2  （3）

[0049] 式（3）中，y为随机量， w为分离矩阵，T表示转置， 为预处理后的观测矢量，J(y)表示随机量y的负熵，ygauss为均值为零，且与随机量y具有相同方差的高斯分布的随机量，g(y)和g(ygauss)为非线性函数，  a为常数，E{g(y)}为g(y)的均值运算，E{g(y)}为g(ygauss)的均值运算。

[0050] 本发明中，地震数据的源信号为超高斯信号，因此可将非线性函数g(y)选取为g(y)的导数g′(y)为g′(y)=y exp(-ay2/2)，式中，a为常数。

[0051] 具体地讲，当随机量y具有高斯分布时,负熵J(y)为零；随机量y的非高斯性越强,负熵J(y)的值越大。当随机量y的非高斯性达到最大时,也就是负熵J(y)的值最大时，表明有效信号与交流电干扰信号完全分离。

[0052] （c）对分离矩阵进行归一化处理，得到最佳分离矩阵。

[0053] （ⅰ）利用下面的公式获得分离矩阵w的新值w+，

[0054]

[0055] 式（4）中，w+为分离矩阵w的新值，g′(y)为g(y)的导数， 为 的均值运算，E{g′(y)}为g′(y)的均值运算；

[0056] （ⅱ）对分离矩阵的新值w+进行归一化处理，得到最佳分离矩阵w0，归一化处理的计算公式为，

[0057]

[0058] 式（5）中，‖w+‖为分离矩阵的新值w+的模。

[0059] 若地震数据中包含多个独立信号，则需进行多次归一化处理。为了保证每次进行归一化处理的都是不同的独立信号，优选地在每次获得分离矩阵的新值后先进行去相关处理，然后再进行归一化处理，直到分离矩阵收敛为止，最终收敛的分离矩阵就是最佳分离矩阵。

[0060] 在一个示例中，已知分离矩阵的初值为wp-1，P为独立信号的个数，p≤2，则根据公式（4）可得到分离矩阵的初值wp-1的新值wp为，

[0061]

[0062] 对式（6）中的分离矩阵的初值wp-1的新值wp进行去相关处理，得到去相关处理后的分离矩阵wp为，

[0063]

[0064] 式（7）中，wj为第j个分离矩阵，j=1,2,...,p-1，且j为整数。

[0065] 对式（7）中去相关处理后的分离矩阵wp进行归一化处理为，

[0066]

[0067] 判断分离矩阵wp是否收敛，如分离矩阵wp收敛则运算结束，如分离矩阵wp不收敛则，则令p=p+1，重复公式（6）～公式（8）的运算，直到分离矩阵wp+1收敛为止，此时收敛的分离矩阵wp+1即为最佳分离矩阵。

[0068] 更具体地讲，本发明包括两个独立信号（一个有效信号和一个交流干扰信号），也就是独立信号的个数p=2，在确定最佳分离矩阵时，需进行两次归一化处理。例如，可以首先给定p=1，此时分离矩阵的初值wp-1已知，则可利用公式（7）计算出去相关处理后的分离矩阵的初值wp-1的新值wp，也就是分离矩阵w1；然后再令p=p+1，此时分离矩阵wp已知，也就是w1已知，则可利用公式（7）计算出去相关处理后的分离矩阵wp的新值wp+1，也就是分离矩阵w2，将两次计算出的分离矩阵w1与分离矩阵w2进行点乘，点乘结果收敛于1或-1，则认为分离矩阵w2收敛，此时收敛的分离矩阵w2即为最佳分离矩阵。

[0069] 根据本发明实施例的分解模型为，

[0070] s2=wX  （9）

[0071] 其中，X为观测矢量，w为最佳分离矩阵，s2为交流电干扰信号。

[0072] 将计算得出的最佳分离矩阵带入到公式（9）中，得到交流电干扰信号s2。

[0073] 在步骤104中，从时间域的观测矢量中减去交流电干扰信号，得到有效信号。

[0074] 观测矢量中只存在两种信号，一种为交流电干扰信号，一种为有效信号，因此观测矢量就是有效信号s1和交流电干扰信号s2的线性求和。由步骤103中得到交流电干扰信号后，将交流电干扰信号带入到观测矢量的计算公式（2）中，从观测矢量中减去交流电干扰信号，就可以得到有效信号。

[0075] 根据本发明的去除地震数据中交流电干扰信号的方法，在设定频率范围内选取超过预设振幅值的地震数据组成瞬时混合模型，并通过确定最佳分离矩阵，计算出交流电干扰信号，从而将地震数据中的交流电干扰信号与有效信号分离，达到从地震数据中去除交流电干扰信号的效果。

[0076] 图2a和图2b分别示出采用本发明的方法处理之前和之后的单炮记录图。

[0077] 如图2所示，横坐标为道号，纵坐标为时间。图2a图框中的图像为交流电干扰信号，由图2a可以看出在采用本发明的方法处理前单炮存在明显的交流电干扰信号。如图2b所示，采用本发明的方法处理后，单炮记录中的交流电干扰信号得到了有效的去除。

[0078] 图3a和图3b分别示出采用本发明的方法处理之前和之后的单炮频谱图。

[0079] 如图3所示，横坐标表示频率，纵坐标表示振幅值。如图3a框中的图像为交流电干扰信号，由图3a可以看出采用本发明的方法处理前单炮频谱存在 明显的尖脉冲。如图3b所示，采用本发明的方法处理后，图中单炮频谱中的尖脉冲得到了压制，说明单炮记录中的交流电干扰信号得到了有效的衰减。

[0080] 根据本发明的去除地震数据中交流电干扰信号的方法，在设定的频率范围内，首先判断了哪些道的地震数据存在交流电干扰信号，然后再对存在交流电干扰信号的地震数据进行去除交流电干扰信号的处理，不用对每道数据都进行去除交流电干扰信号的处理，因此可以节约大量的运算时间，能够满足实际生产的需要。

[0081] 将本发明所述的方法应用于地震资料的交流电干扰信号去除中，能够有效的去除交流电干扰信号，保真效果好，同时处理效率高，运行速度快，能够满足实际生产的需求。采用本发明所述的方法能在石油地震资料处理过程中发挥更一步的积极作用，应用前景良好。

[0082] 尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。