地震面波去噪应用型综合实验设计

2015-05-03王保丽印兴耀张广智

实验技术与管理 2015年11期

王保丽，印兴耀，张广智

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

教育部“卓越工程师培养计划”（简称“卓越计划”）是促进我国由工程教育大国向工程教育强国转变的重大举措［1－3］。中国石油大学（华东）勘查技术与工程专业是国家第一批“卓越计划”试点专业，旨在为石油石化行业培养专业基础扎实、创新能力强、综合素质高的卓越石油工程师［4－5］。作为该专业的核心课程，“信号分析与处理”在人才培养体系中占有十分重要的地位。新形势下，“信号分析与处理”教学如何改革和调整，以适应“卓越计划”的要求，已成为相关教育工作者的工作重点。实验教学是提高学生综合素质、培养实践能力的关键教学环节，也是“卓越计划”的重要教学和实践内容［6－12］。本文根据卓越计划的要求与特点，结合中国石油大学（华东）勘查技术与工程专业的本科人才培养目标，将与专业知识联系密切的实际应用题目引入该课程的实验教学中，设计了“地震面波去噪应用型综合实验”。该实验不仅需要信号分析与处理的相关理论知识，更与后续专业知识密切结合，在锻炼学生的实践创新能力前提下，更能为学生后续专业课程的学习奠定基础。

1 实验方法原理

面波是地震勘探中一种广泛存在的规则干扰波，一般在炮集上呈线性分布，具有能量强、频率低、视速度低等特点［13］。根据面波的这种特性可以借助信号分析理论中变换域的思想对其进行处理，即将面波由时间域转换到变换域，根据其在变换域的特点，在保护有效反射波的前提下进行面波的去除。二维小波变换只具有点奇异的特性，对处理具有线性特性的面波噪声存在不足，从而无法表达图像边缘的方向特性［14］。curvelet（曲波）变换利用“楔形基”逼近曲线的奇异点，具有更好的方向性［15］。curvelet变换包含粗尺度和精细尺度下的成分，粗尺度下的curvelet变换不具有方向性，整个curvelet变换可以看作是由精细尺度下的方向元素和粗尺度下各向同性的小波组成。curvelet变换的尺度按照频率由低到高划分为最内层的coarse层，中间的detail层，最外层的fine层，每个尺度上的方向划分为从方向1（箭头所指楔形为该尺度的方向1）顺时针旋转依次为方向2，3，…，N，每个方向由相应频率的曲波系数组成［15－16］，其示意图如图1所示。

图1 曲波变换的尺度方向分割图

2 实验环节设计

地震数据中有效反射波和面波的传播方向不同，利用curvelet变换将地震数据转换到curvelet域，在不同的尺度和方向上，地震有效反射波和面波的能量和分布各有不同，面波系数在detail和fine层上的低频高波数区域有较大的值，在其他区域系数基本为零，这与有效反射波在曲波域的分布基本相反。利用二者在曲波域基本不重叠的特性，在含面波的curvelet域对面波进行有效压制，对不含面波的区域不作处理，从而达到最大限度地压制面波、保护有效反射波信号的目的。该综合性实验的具体实验步骤如下：

（1）curvelet变换。应用curvelet变换对含面波的地震数据进行多尺度分析，将地震数据分解为不含面波的尺度和含面波尺度。

（2）方向确定。根据面波和有效反射波视速度的分布特点，对含面波的各个尺度进行进一步的划分，确定面波所在的方向，得到初始的面波系数，将不含面波的尺度和方向上的数据设定为初始的有效波数据。

（3）阈值去噪。对仅含面波的区域进行迭代阈值处理，得到只含有效反射波信号的数据和面波数据。

（4）曲波反变换。对不含面波的数据进行曲波反变换，得到去噪后的地震数据，即有效反射波数据。

综合实验具体流程图如图2所示。

3 实验实施及结果分析

图2 综合实验流程图

该应用型综合实验对实际的地震数据进行了测试与分析。图3为原始地震数据的多尺度分解图，尺度范围为1～6。在不同的尺度下面波的强度和分布各有不同，尺度1～2的数据能量小，不包含面波，对其不作处理。对含面波数据的尺度3～6进行多方向分解，分别分解为64方向、128方向和256方向。根据面波的视速度范围确定curvelet域面波的角度方向，对仅含面波的区域进行迭代阈值处理，逐步更新面波的curvelet系数，并作置零处理，得到各尺度只含有效反射波信号的数据如图4所示。将去噪后的各尺度数据和不含面波的尺度数据进行重构，即可得到有效反射波。

图5是利用不同方法去除的面波数据对比，图5（a）为面波所在区域的原始数据，图5（b）为FK滤波法去除的面波，图5（c）为curvelet方法去除的面波。从图5（c）中可以看到，本实验有效地去除了面波，并且基本上不含有效反射波的剩余，而在FK滤波法去除的面波中，如图5（b）中的椭圆区域明显可见有效反射波。

4 实验拓展

要求学生在完成该综合实验的内容之后，发挥自己的想象力，突破实验本身的限制，进一步深入和扩充实验内容，比如：

（1）实验内容的深入分析。在完成基本实验内容之后，学生要对实验原理方法进行深入的思考，将编程实现的方法进行不同参数的调整测试，分析不同参数对程序的影响，加深对理论知识的理解。

（2）随机噪声的压制。学生借鉴该实验面波噪声的压制思想，分析地震资料中其他随机噪音的特点，利用信号理论知识进行随机噪声的压制。

（3）地震信号的时频分析。学生将傅里叶变换的相关理论知识应用于实际地震资料的分析，对地震信号进行频率域的分析，深入体会地震信号在时频域的不同特点，进一步锻炼应用理论知识分析解决实际问题的能力。

图3 原始地震数据的多尺度分解图

图4 去噪后的各尺度数据

图5 不同方法去除的面波数据对比

5 结束语

本文提出的应用型综合实验以解决实际工程问题为解决目标，以课程的基本理论和重要知识点的综合运用为训练重点。通过教师对实验环节的设计，引导学生在问题、方法以及所学知识之间建立联系，有计划有步骤地解决问题，为学生综合运用所学知识、寻求实施对象和解决方案提供了有效的驱动力和真实的实践载体。实践结果表明，该综合性实验不仅可以帮助学生巩固所学理论知识，而且激发了学生学习的积极性，培养了学生独立思考问题、灵活运用知识的能力，提高了学生的创新能力、工程实践能力及综合素质。近2年，在应用型综合性实验的实施和支撑下，勘查技术与工程专业的4位学生分别获2013年和2014年全国大学生勘探地球物理大赛一等奖和特等奖。

（

）

［1］林健.面向世界培养卓越工程师［J］.高等工程教育研究，2012（2）：1－15.

［2］林健.谈实施“卓越工程师培养计划”引发的若干变革［J］.中国高等教育，2010（17）：30－32.

［3］吴恭兴，刘文白，张宝吉，等.基于CDIO模式的卓越工程师培养方案的探索与实践研究［J］.大学教育，2013（18）：7－10.

［4］李振春，印兴耀，孙成禹，等.勘查技术与工程专业卓越计划工程教育培养模式探索［J］.中国地质教育，2013（2）：58－60.

［5］张广智，宋建国，李振春，等.对勘查技术与工程专业实施“卓越工程师教育培养计划”的一些思考［J］.中国地质教育，2011（2）：5－9.

［6］杨安.对高校实验室软实力的初步研究［J］.实验技术与管理，2007，24（9）：150－153.

［7］林健.卓越工程师创新能力的培养［J］.高等工程教育研究，2012（5）：1－17.

［8］王土央，高原.信号与系统分析课程实验教学改革探索［J］.实验技术与管理，2011，28（12）：11－14.

［9］陈后金，胡健，薛健，等.信号处理系列课程的改革与探索［J］.中国大学教学，2008（9）：36－39.

［10］何深知，崔纯莹，段薇，等.在设计性实验中培养学生的综合能力［J］.实验技术与管理，2009，26（6）：134－136.