海上点源干扰噪声压制方法

李景叶，陈小宏，张金淼，宋家文，刘志鹏，胡 坤

（1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学CNPC物探重点实验室，北京 102249；3.中海油研究总院，北京 100027）

海上地震数据采集作业受多种噪声影响，其中点源干扰是一种能量范围变化较大且难以避免的噪声，对地震资料采集质量有很大影响［1］。点源干扰波主要在海水中传播，能量衰减微弱，且位置不确定，在浅、中和深层反射地震资料中频带可能较宽，严重影响了地震资料的品质，对后续处理有很大挑战。因此，压制点源干扰是海上地震资料去噪处理的重点与难点之一。在国内，蔡希玲等［2－3］采用分时分频噪声检测与压制方法和局域F－K 滤波方法压制此类干扰波，并在压制噪声的同时通过精细分析和迭代选择参数，较好地保持了地震信号的相对振幅关系；唐晶等［4］通过原始资料干扰波的分析，找到噪声产生的机理并进行多域分析及多域压制，从而达到提高地震资料信噪比的目的。在国外，Landa等［5］提出了在共偏移距道集利用绕射波运动属性和动态属性监测绕射波的方法；Fookes等［6］提出采用可视化处理与模式识别方法压制该类干扰；Gulunay等［7］针对浅海海底障碍物和地质不连续体提出采用绕射点扫描方法压制海上绕射波干扰。

在绕射波传播特征分析和时距方程推导基础上，本文提出根据传播方程时距曲线对点源绕射波进行分类处理。对于直线型点源干扰，研究基于f－x域预测滤波方法进行压制，并克服常规f－k滤波或τ－p滤波等方法在处理低信噪比资料时容易产生空间假频及“蚯蚓化”现象，从而最终影响地震记录的成像质量及地震剖面横向分辨率的问题。对于双曲线型点源干扰，通过改进的点源扫描定位方法和匹配相减方法进行压制。模拟资料和实际海上地震资料处理试验证明了方法的有效性，且表明该方法具有很好的振幅保真性。

1 点源绕射波特征分析

根据点源干扰的特征，通常可以将点源分为主动点源和被动点源。主动点源是指本身能产生干扰波并被采集电缆接收的点源，如海上的作业船只、潜艇和打桩作业船只等。被动点源是指本身不产生绕射波干扰但能反射强干扰的点源，如海上采油平台、海底异常高速体、火山岩体出露点等。无论是被动点源还是主动点源，点源干扰波传播的时距曲线主要取决于点源与电缆的相对位置，当点源与采集电缆在同一直线上时，其时距曲线方程为

式中：t为波传播时间；l为震源到绕射点的距离；x为偏移距，即震源到接收点的距离；v为地震波在海水中传播的速度；a为区分主动点源与被动点源的参数，主动点源时a取0，被动点源时该参数取1；“±”取“－”是指点源与接收电缆在震源同侧，取“＋”是指点源与接收电缆在震源异侧。根据方程（1）所示时距曲线方程，当点源与采集电缆在同一直线上时，点源干扰波的时距曲线是一条直线，因此，称该类干扰为直线型干扰。当干扰点源与采集电缆不在同一直线上时，其时距曲线方程为

式中：h为点源到接收电缆的垂直距离，其余符号意义与方程（1）相同。当点源与采集电缆不在同一直线上时，点源干扰波时距曲线为双曲线，因此，称该类干扰为双曲型干扰。采集接收电缆与点源干扰源相对位置如图1所示。图1中，A和A′分别为被动和主动直线型点源干扰源；B和B′分别为被动和主动双曲型点源干扰源。

图1 采集接收电缆与点源干扰源相对位置示意图解

基于以上时距曲线方程，研究将点源干扰分为直线型和双曲线型干扰，并根据两类干扰特点采用预测和相减的研究思路进行点源干扰压制方法研究以及模型模拟和实际地震资料处理试验。

2 直线型点源干扰压制

当干扰点源与采集电缆在同一直线时，记录的点源干扰为线性干扰。直线型点源干扰的重要来源是地震数据采集船只推进器，电缆上的水深、方位控制设备以及在同一直线上的其它点源。直线型点源干扰可以采用常规f－k滤波或τ－p滤波等方法进行压制［8－12］，但对中深层地震资料，原始地震记录中的线型干扰能量很强，常规f－k滤波或τ－p滤波等方法不仅难以得到好的处理效果，而且容易产生空间假频及“蚯蚓化”现象，最终影响地震记录的成像质量及地震剖面的横向分辨率。另外，f－k滤波是全局性的，在压制干扰的同时地震记录的其它部分也很容易受到影响。为此，研究了基于f－x域预测滤波的直线型点源干扰拟合压制方法，分析和识别出线性干扰波的频带范围及视速度，拟合线性干扰，并从原始记录中减去，保证噪声压制处理对有效信号的保护。方法的具体实现过程如下：

1）将原始地震数据从时间域变换到频率域，公式为

式中：d（t，x）为时间域地震道；f为频率；j为采样点数；D（f，x）为频率域地震数据。

2）确定线性噪声频带及视速度范围，并只在有效频段内预测拟合指定视速度线性干扰。并利用最小平方算法求解方程（4）计算非因果预测拟合算子。

式中：“＊”表 示 复 共 轭；R（m）＝ei2πkmΔx，m＝1，2，…，p－1；p为算子长度；k为波数，即频率与确定的视速度比值；δ2为白噪因子。波数陷波宽度由算子长度p控制，p越大，陷波宽度越窄。

3）将步骤1）计算得到的频率域地震数据与步骤2）得到的预测拟合算子a（m）按方程（5）进行褶积，并将褶积结果D′（f，x）进行反Fourier变换到时间域，得到拟合的线性干扰。

4）从原始记录中减去线性干扰得到去噪后的地震数据。

为了验证上述方法的有效性，利用模型地震数据和实际海上中深层地震数据进行直线型噪声压制处理试验。图2显示了基于模型模拟地震资料线性噪声压制结果，由图2b可见该方法很好地压制了线性干扰，保留了有效地震反射，具有很好的保真性。图3显示了线性噪声压制前、后的频率－波数谱。从图3可以看出，线性噪声得到有效压制并很好地保留了有效信号。图4显示了将点源直线型干扰压制方法应用于高密度采集实际地震数据的应用效果。该数据采用高密度单点检波器记录，道间距3.125m。由于采集使用单点不组合方式，且道间距很小，因此地震数据实现“宽进宽出”，原始地震数据中有效信号与噪声都被很好地记录下来，为后期室内去噪处理提供了更为广阔的空间，同时也对去噪效果提出了挑战。图4a为直线型点源干扰压制处理前的原始地震资料中的深层数据，地震资料信号质量较差，自右向左传播的强线性干扰特征明显。这些点源干扰主要来源于电缆上的各种控制设备，如水鸟等，对于中深层地震资料信噪比影响较大，而常规倾角滤波处理容易产生空间假频及“蚯蚓化”现象，最终影响地震记录的成像质量及地震剖面的横向分辨率。图4b为直线型点源干扰压制处理后的地震数据，自右向左传播的强直线型干扰得到有效压制，弱反射能量相对增强。图4c为线性点源干扰压制方法压制去除的点源直线型干扰，其中很难看到有效地震反射信号，说明该方法能有效保持地震有效反射。图5为线性点源干扰噪声压制前、后和去除直线型干扰的频率－波数谱。频率－波数谱进一步说明新方法能实现直线型点源干扰噪声有效压制，并保持地震资料有效反射频谱特征。

图5 实际海上地震资料线性点源干扰噪声压制前（a）、后（b）和去除直线型干扰（c）的频率－波数谱

3 双曲型点源干扰压制

当干扰点源与采集电缆不在同一直线上时，点源干扰时距曲线为双曲线。这类点源包括海上的作业船只、打桩作业船只、海上采油平台、海底异常高速体和火山岩体出露点等。这类点源干扰噪声的出现时间与传播特征主要决定于点源相对采集系统的位置，如果确定了点源的位置，可根据时距曲线传播方程模拟点源干扰。因此，对于双曲型点源干扰研究采用点源位置预测与匹配相减的方法进行压制。点源位置预测采用扫描方法，根据炮点位置和实际地震数据记录时间，确定影响该炮记录点源位置的有限范围，对影响范围进行网格化处理。在假定网格上的每一点都为点源干扰的条件下，基于双曲型点源干扰时距曲线方程（2）与实际地震数据采集观测系统模拟干扰波，并与实际地震资料干扰波进行对比分析［7］。对比分析时采用的相似性计算公式为

式中：fi，t（i）为第i道上双程时间为t（i）的振幅值；M为求和叠加的道数；t是相干时窗的长度。相似性值NE的范围为0≤NE≤1。与实际资料点源干扰相似性最好的点源即可确定为实际干扰点源。对于静态点源，即在采集过程中不发生移动的点，如海上平台、海底异常高速体等，可以通过合理选择地震采集典型炮集从而实现采集影响范围内所有干扰点源定位。而对于动态点源，即在采集过程中发生移动的点，如其它作业船只、潜艇等，需要根据每炮地震数据确定动态点源的动态相对位置。因此，相对于静态点源定位，动态点源定位计算量大大增加。

确定干扰点源坐标后，就可以根据选择的干扰点源以地震采集观测系统模拟来自预测点源的干扰波，其初始子波可以从拾取的点源干扰实际地震数据中提取。但模拟的预测干扰波与实际地震数据记录中的干扰波不可能完全一致，它们在相位、振幅及到达时间上都存在一定差异，因此，需要采用匹配滤波把实际记录中的点源干扰波和预测点源干扰波匹配后，才能把预测的点源干扰波从实际地震记录中减去。预测出的干扰波与实际地震记录中的干扰波匹配处理时，通常是在一个时窗内进行单道或多道匹配滤波来实现［13－15］。这个匹配滤波器可表示为

式中：b（t）是实际地震记录中的点源干扰波数据；mj（t）是预测出的点源干扰波数据及其变换；N是匹配滤波中包含的道数，当N＝1时，即是常用的单道匹配滤波器，当N＞1时，即为常规多道匹配滤波器；fj（t）是使这N道mj（t）适合于希望输出b（t）的滤波算子；符号“＊”表示褶积运算。匹配滤波器采用最小二乘标准，为希望输出b（t）设计滤波因子fj（t），其目的是使时窗内的误差能量最小。常规单道匹配仅用单道数据来求取滤波因子，缺少横向约束。而常规多道匹配通过相邻多道匹配的方法，利用附近道的横向相关性作为约束实现匹配，但对于有效波和干扰波不正交时匹配效果不好［15－16］。研究采用了均衡伪多道匹配滤波方法，该方法在地震数据道集的空间方向上作一定范围的均衡，由于单道记录的一次波和点源干扰波分量的交角有的大于90°，有的小于90°，空间方向作均衡后其分量交角大于90°和小于90°的会相互抵消，使得均衡范围内地震数据的有效波和干扰波正交；同时，伪多道匹配方法能更好地修正模型道与实际地震道的波形差异，因此该方法能取得良好的匹配效果。均衡伪多道匹配对于一个时窗内的优化目标函数可用（8）式表示，而校正后的点源干扰波mnew（t）可用（9）式表示。该方法避免了相邻道对计算道的硬性约束，又利用了相邻道的相关性。

式中：m（t）表示点源干扰波模型道；（t）为m（t）的导数；mH（t）为m（t）的希尔伯特变换；H（t）为mH（t）的导数；f1（t），f2（t），f3（t）和f4（t）分别表示预测点源干扰波模型道、导数道、希尔伯特变换道和希尔伯特变换导数道对应的滤波器；j表示计算滤波器时使用相邻多道进行计算。公式（9）是指针对处理的模型单道利用相邻多道计算的滤波器进行匹配校正。

确定空间均衡范围对于匹配相减处理获得更好的效果十分关键。空间均衡范围太小则均衡效果不明显；空间均衡范围越大均衡效果应该会越好，但是因滤波因子和子波有关，而子波随空间的变化会发生变化，因此并非均衡的空间范围越大越好。应根据具体资料测试，获得最佳的均衡效果［15］。将匹配校正处理后的模拟点源干扰波从实际记录中减去，即可得到双曲型点源绕射压制后的地震数据。

为了验证方法的有效性，首先利用模型模拟二维地震资料，并对双曲型点源干扰波预测与匹配相减压制方法进行处理试验。图6为基于模型模拟二维地震资料双曲型点源干扰波预测与匹配相减压制方法测试结果。图6a为点源干扰压制前模型模拟二维地震记录，其中有效影响范围内有3个干扰点源，3个有效反射层；图6b为匹配相减后得到的二维反射地震记录；图6c为基于点源扫描预测得到干扰点源模拟的双曲型点源干扰波。二维模拟地震数据测试结果证明了双曲型点源干扰压制方法的有效性，并具有较好的保真效果。

图6 基于模型模拟二维地震记录双曲型点源干扰压制前（a）、后（b）和基于干扰点源模拟的干扰波（c）

在模型模拟地震数据测试基础上，选取了某海域实际海上三维地震资料进行了点源干扰扫描预测与匹配相减压制处理试验。该实际海上地震资料采用对称双震源激发、三拖缆接收观测系统，拖缆间距100m，震源间距50m，道间距12.5m。含有点源绕射波的原始炮集地震记录如图7所示，图7中绕射波能量较强，传播特征符合双曲线特征。如果不对资料中（尤其是中深层地震资料）该类噪声进行有效压制，将严重影响地震资料的叠加效果和偏移成像精度。对该地震资料进行的点源干扰预测、匹配相减处理结果如图8所示，处理效果表明，实际炮集记录中的点源干扰得到了有效压制，同时，很好地保留了地震有效信息。图9为利用点源扫描预测得到干扰点源位置经实际地震数据采集观测系统模拟得到的干扰波，模拟干扰波传播时距曲线特征与实际点源干扰传播特征基本一致。但由于地震波传播的复杂性，模拟干扰波使用子波与实际地震数据子波在能量、相位等方面有明显差异，研究采用均衡伪多道匹配滤波方法使两者达到最佳匹配，从而实现点源绕射的有效压制。

值得进一步强调的是，进行点源位置预测与绕射波模拟，需要首先利用实际地震资料不同炮集记录中绕射波特征变化或地震采集时的现场记录，明确点源的运动特征。如果点源位置固定不变，在实际资料处理过程中，可以选用典型炮集地震数据确定震源位置，从而根据每炮相对于干扰点位置进行点源干扰波模拟与匹配相减处理。如果点源位置在地震采集过程中是运动的，在实际资料处理过程中，可以确定干扰源点初始位置、运动方向与运动速度，从而根据每炮相对于干扰点实时位置进行点源干扰波模拟与匹配相减处理。如果点源位置在地震采集过程中是运动的，但无法对其运动特征进行有效描述，则需要对每炮地震数据进行干扰源点位置扫描预测，从而根据每炮相对于干扰点实时位置进行点源干扰波模拟与匹配相减处理，这将大大增加计算量。

4 结束语

基于点源干扰产生机理和传播规律，给出了点源干扰波时距曲线方程，并根据时距曲线方程将其分为直线型点源干扰和双曲线型点源干扰，分别研究其压制方法。对于直线型点源干扰，采用基于f－x域预测滤波的线性干扰拟合压制方法，能够针对地震数据中的线性干扰噪声，分析和识别其频带范围及视速度，通过拟合与相减较好地压制直线型点源干扰并较好地保留有效信息。对于双曲型点源干扰，采用点源扫描与匹配相减方法进行压制，可在有效压制绕射波的同时较好地保留有效信号。利用本文方法对模型模拟地震资料与实际海上地震资料进行了处理试验，验证了方法的有效性。对于海上点源干扰压制问题，上述两种方法的联合应用将有较好的应用前景。

［1］Gulunay N.Fast broadside diffractors：a case history［J］.Expanded Abstracts of 76thAnnual Internat SEG Mtg，2006，2772－2776

［2］蔡希玲.声波和强能量干扰的分频自适应检测与压制方法［J］.石油地球物理勘探，1999，34（4）：373－380 Cai X L.An effective method to suppress acoustic wave and high energy noise frequency－divisionally and adpptively［J］.Oil Geophysical Prospecting，1999，34（4）：373－380

［3］蔡希玲，熊定钰，熊罴.海上地震数据中侧面干扰波的特征与压制方法［J］.中国海上油气，2005，17（2）：202－205 Cai X L，Xiong D Y，Xiong P.Scattered noise in marine seismic data and its attenuation techniques［J］.China Offshore Oil and Gas，2005，17（2）：202－205

［4］唐晶，张保庆.海上资料干扰波压制技术研究与应用［J］.中国石油学会东部地区第十三次物探技术研讨会论文集，2005，124－128 Tang J，Zhang B Q.The interference wave suppression technology research and application for marine data［J］.CPS East China 13rdGeophysical Prospecting Seminar，2005，124－128

［5］Landa E，Shtivelman V，Gelchinshy B.A method for detection of diffracted waves on common－offset sections［J］.Geophysics Prospecting，1987，35（4）：359－373

［6］Fookes G，Warner C，Borselen R V.Practical interference noise elimination in modern marine data processing［J］.Expanded Abstracts of 73rdAnnual Internat SEG Mtg，1993，1905－1908

［7］Gulunay N，Magesan M，Connor J.Diffracted noise attenuation in shallow water 3D marine surveys［J］.Expanded Abstracts of 75thAnnual Internat SEG Mtg，2005，2138－2141

［8］林盛，吴峰，李衍达.叠前相干干扰滤除－倾斜滤波法［J］.石油地球物理勘探，1998，33（3）：390－398 Lin S，Wu F，Li Y D.Prestack coherent noise elimination：a slant filtering method［J］.Oil Geophysical Prospecting，1998，33（3）：390－398

［9］甘其刚，彭大钧.叠前时空域线性干扰的衰减及应用［J］.石油物探，2004，43（2）：123－125 Gan Q G，Peng D J.Elimination of linear interference in time－space domain and its application［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2004，43（2）：123－125

［10］Trad D，Ulrych T，Sacchi M.Latest views of the sparse Radon transform［J］.Geophysics，2003，68（1）：386－399

［11］Nuzzo L，Quarta T.Improvement in GPR coherent noise attenuation usingτ－pand wavelet transforms［J］.Geophysics，2004，69（3）：789－802

［12］Deighan A J，Watts D R.Ground－roll suppression using the wavelet transform［J］.Geophysics，1997，62（6）：1896－1903

［13］Sven T.Principles of digital multichannel filtering［J］.Geophysics，1970，35（5）：785－811

［14］Wang Y H.Multiple subtraction using an expanded multichannel matching filter［J］.Geophysics，2003，68（1）：346－354

［15］李鹏，刘伊克，常旭，等.均衡拟多道配配滤波法在波动方程法压制多次波中的应用［J］.地球物理学报，2007，50（6）：1844－1853 Li P，Liu Y K，Chang X，et al.Application of the equipoise pseudomultichannel matching filter in multiple elimination using wave－equation method［J］.Chinese Journal of Geophysics，2007，50（6）：1844－1853

［16］Liu H F，Chen X H，Song J W，et al.Multiple subtraction method based on a non－causal matching filter［J］.Applied Geophysics，2011，8（1）：27－35