上海近岸海域高分辨率单道地震探测海浪干扰及其压制方法

刘 伍

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

高分辨率单道地震以其施工快速便捷工作效率高、分辨率高等特点，在越来越多的海洋地质调查、海洋地质灾害、海岸工程以及天然气水合物等资源调查中得到广泛运用[1,2]。高分辨单道地震为了能达到高分辨能力，其探测信号通常具有主频高、频带宽、横向采样密集等特点，同时震源及拖缆入水较浅。在海上开展探测时，不可避免地会受到各种干扰，其中海浪干扰是主要干扰，其干扰主要表现为反射波同相轴起伏抖动[3,4]、低频线性干扰、随机噪音等[5,6]。近年来，随着长江三角洲海岸带综合地质调查与监测及部分近岸工程的不断推进，我院在上海近岸海域开展了大量高分辨率单道地震探测工作，通过大量数据分析可见，影响近岸海域高分辨单道地震数据质量的干扰因素主要有两类，一类是多次波，另一个就是海浪干扰，而海浪干扰中的同相轴起伏抖动则又是降低高分辨率单道地震分辨率最为关键的因素。

1 高分辨率单道地震采集系统的特点

在对上海近岸海域进行高分辨率单道地震探测时，我们采用电火花震源作为震源系统，采集电缆采用20单元的水听器阵，震源频率高，频带300～1800Hz，接收拖缆较短，长度为20m，横向采样率高，激发间隔为1s，船速以每小时3节计算，每炮的激发距离约为1.5m。由此可见高分辨率单道地震一般具有震源及拖缆沉放深度小，拖缆短、高频率、高横向采样率、沉放深度小的特点。这些特点更容易使高分辨单道地震在探测过程中受海浪干扰。

2 海浪的分类及其运动特征

海浪包括风浪、涌浪和近岸浪三种[7,8]。风浪指的是在风的直接作用下产生的水面波动，基本特征是：风浪中同时出现许多高低长短不等的波，波面较陡，波峰附近有浪花或大片泡沫。波面粗糙，波峰线也短。

涌浪指的是风停后或风速风向突变区域内的波浪和传出风区的波浪，基本特征是：具有较规则的外形，排列整齐，波面较平滑，波峰线长。

近岸浪指的是由外海的风浪或涌浪传到海岸附近，受地形作用而改变波动性质的海浪，其基本特征是：随着海水变浅，波动传播速度变小，致使波峰线弯折而渐渐地和等深线平行。这时，波速和波长随水深变浅而减小，同时由于波动在传播中遇到障碍会引起折射、绕射和反射而使波高发生变化。近岸浪的波峰前侧陡，后侧平，波面随水深变浅越加变得不对称，直至卷倒破碎。波的破碎会使破碎点靠岸面的水位升高，而向海面的水位降低。

3 海浪干扰的特征及其压制方法

海浪的三种不同形式，常常是伴生伴随的，同时三种不同形式海洋单道地震的噪音干扰特征又不尽相同。海浪对单道地震的干扰主要分三类，一是反射波同相轴起伏，二是低频规则的线性干扰，三是宽频随机干扰[9]。

3.1 同相轴起伏干扰及压制方法

3.1.1 同相轴起伏干扰特征

风浪和近岸浪在波动特征有其相似的地方，水浪变化快，频率高。水浪的相对运动使震源与检波器随波浪起伏相对位置时刻发生变化，同时波浪起伏使检波相对海底的垂向距离时刻发生变化[10]，如图1(a)。短周期的高频波动使反射波同相轴出现高频的起伏变化，出现同相轴“抖动”现象，造成反射波横向连续性差，分辨率低，如图1(b)，海底以下几乎看不到有连续可辨的层位。

图1 短周期高频率海浪(a)及其干扰(b)Fig.1 The sea wave of short-period and high-frequency (a)and its interference (b)

而对于长周期的低频涌浪，由于拖缆的长度和拖缆到震源的距离相对于涌浪的波长来说都相差不大，如图2(a)。对这种探测方式的影响主要表现为同相轴规律起伏，在没有明显风浪、近岸浪伴随的情况下，对采集资料质量没有大的影响，如图2(b)。同相轴虽然有规律的起伏变化，但是海底以下层位依然清晰连续。

图2 长周期低频率浪涌(a)及其干扰(b)Fig.2 The sea wave of long-period and low-frequency (a)and its interference (b)

然而，海浪的干扰常常是综合三种形式的波动产生的，在测线的前半段主要受高频的风浪波动影响，同相轴抖动现象严重，而到测线的后半段，同相轴在抖动的同时又伴随有规律的低频起伏。在海浪的综合干扰下，海底以下地层反射波隐约可见，连续性分辨率均比较差（图3）。

图3 海浪综合干扰（电火花震源系统）Fig.3 The integrated interference of sea wave (sparker source)

3.1.2 同相轴起伏校正方法

（1）基本原理

根据浪涌的干扰的形成机理可知，海浪造成的同相轴抖动或者似波浪状的规律起伏变化，主要是由于震源和拖缆在短时内随海浪相对运动和随海浪起伏运动而造成的。要去除这种干扰就要从采集到的原始数据中设法减去这类运动对应的时间值，使反射波的形态尽可能与海底形态保持一致。如图4所示，图中的大红色线标出校正前海底反射波的起始位置，洋红色线标示校正后的海底反射波位置，红色箭头表示校正方向，向下表示增加时间值，即将海底反射波位置下移到目标位置，而向上则表示减少时间值，即将海底反射波位置上提到目标位置，校正后所有的海底反射波起始位置与洋红色实线对齐，就完成了校正工作。理想的浪涌校正，其校正后的数据相当于在平静海面上进行探测得到的，其反射波的横向延展形态与海底及以下地层延展形态完全一致。

（2）实现过程

浪涌校正的基础是计算时移量（即需要向上或向下校正的时间值），计算时移量的基础是拾取海底反射波同相轴时间。首先通过对拾取的同相轴时间曲线进行横向低通滤波得到平滑的与海底地形接近的目标时间曲线，再根据拾取曲线与目标时间曲线计算出每道的时移量，最后将每道的时移量从原始数据道中减去便可消除浪涌的干扰。其中横向滤波的关键参数，要通过综合分析涌浪的波长特征以及地形起伏变化来选取。一般情况下，同相轴的抖动是一种高频变化，波浪状的起伏变化一般具有规则和低频特性，而地形本身引起的反射波同相轴的起伏变化一般是低频不规则的。

涌浪滤波的具体处理步骤如下：

(i) 获取海底反射时间；

图4 浪涌校正: (a)反射波组“抖动”校正; (b)波浪状起伏校正Fig.4 The swell correction: (a) correction for jitter of the re flection events; (b) correction for the wavy re flection event

(ii) 分析涌浪波长特征及海底地形地貌情况，选取恰当滤波参数；

(iii) 对海底面反射曲线进行横向低通滤波，得到目标时间曲线；

(iv) 计算时移量，并将时移量将涌浪干扰从探测数据中校正去除。

图5为高频浪涌影响下电火花震源系统的单道探测资料，从校正前段剖面可以看到，海底反射波以及地层反射波同相轴模糊不清，信噪比与连续性差，很难对反射波层位进行连续的识别和追踪；校正后的剖面，海底反射波及地层反射波的同相轴变得连续清晰，信噪比大大提升，可以轻松地进行反射波层位的识别和追踪。图6是低频起伏校正效果图，校正后的剖面消除了由于浪涌起伏而造成的反射波组波浪起伏的假象，还原了真实的地层分布形态。

3.2 低频线性干扰

3.2.1 干扰波特征

海浪在短时宏观尺度下，其水流运动常具有一定方向性，当运动方向与接收拖缆行进方向平行或角度相交时，水流对拖缆的作用便产生了低频线性大倾角干扰波，如图7(a)。这种低频线性干扰在剖面上表现为大倾角、规则线性分布及低频等特征，从图7(b)其相应数据的频谱特征可见，在100Hz以下的50Hz及8Hz左右存在明显的强干扰。

图6 低频浪涌校正前后对比Fig.6 The contrast diagram of pre-correction and post-correction for low frequency swell

图7 低频线性干扰(a)及其数据频谱(b)Fig.7 The low frequency linear interference (a)and its frequency spectrum (b)

3.2.2 低频线性干扰压制方法

海浪引起的线性干扰具有低频特征，而高分辨率单道地震探测系统有效波频率相对干扰波的频率要高得多，即干扰波与有效波的主频存在明显差别。利用两者之间频率差别，采用常规的高通或带通滤波，便可将低频噪音消除。

图8是采用带通滤波对图7(a)所示数据进行滤波后的剖面，带通滤波器高通频率为100HZ、低通频率为2800HZ。对比可见，滤波后的剖面低频线性干扰已经被滤除干净，效果明显。

图8 滤波处理后的剖面Fig.8 The pro fi le of post- fi lter

3.3 宽频随机干扰

3.3.1 宽频随机干扰的特征

风浪对电缆的撞击以及风浪产生的声波，这一类噪音高、中、低频俱全，频谱较宽，在地震数据中常表现为随机噪音[11]，在数据剖面上则为斑点状随机分布的噪音，如图9(a)，有效信号常常被淹没这些噪音里。随机噪音的频带较宽，如图9(b)，0～5000Hz范围内均有不同强度的噪音存在，与有效波的频率重叠在一起。因此，常规的根据频率差异滤波方法很难有效地完全滤除此类噪音。

3.3.2 随机噪音压制方法

结合随机噪音的频带宽和分布无规律的特征，可以采用常规的带通滤波加空间预测滤波两种方法组合对随机噪音进行压制。

图9 原始剖面(a)及其FK谱(b)Fig.9 The raw pro fi le (a) and the FK spectrum (b)

分析图9(b)可知，该数据对应的有效信号的频带范围为500～1500Hz，因此可以采用带通滤波先将该范围外的噪音进行滤波处理。图10是采用高通500Hz低通1500Hz进行带通滤波后的数据剖面及其FK谱，对比图10(a)与图9(a)可见，经过带通滤波处理之后随机噪音得到了明显的压制，信噪比得到提高，数据剖面上出现连续的有效的反射波同相轴。但仔细观察图10(a)的数据剖面及图10(b)的FK谱可见，在数据剖面上还残存着较多的随机噪音，这些噪音的频率范围与有效信号的频率范围重合，其在能量上与有效信号的能量相差不大，残留的噪音无法不能在通过简单的带通滤波进行处理，否则会伤及到有效信号，针对这部分噪音可以采用空间预测滤波进行处理。

图11是采用空间预测滤波处理后的数据剖面及FK谱，对比图11(a)、图10(a)和图9(a)可见，经过空间预测滤波处理后的数据随机噪音压制得比较干净，原始数据剖面浅部深部不见的反射波信号现都呈现了出来，整个数据剖面信噪比显著提高。

4 结论

图10 带通滤波压制随机噪音示意图Fig.10 The band-pass fi lter to suppress random noise

图11 空间预测滤波压制随机噪音示意图Fig.11 The spacial predictive fi lter to suppress random noise

结合实际探测资料的噪音特点，经初步分析可见，风浪和近岸浪引起的水体运动变化较快，频率高，常常引起同相轴的高频抖动，同时常伴随有随机噪音；涌浪由于其具有较规则的外形，排列整齐，波面较平滑，波峰线长，常常是引起同相轴的低频规律起伏，同时也是引起低频线性干扰的主要因素。由于上海近岸海域海浪情况比较复杂，高分辨率单道地震探测的数据常伴随有多种噪音，以上三种海浪引起的干扰是影响资料质量的主要因素，而不同区域作业时三种干扰的影响程度又有所不同。实践发现，越是在平静的天气进行作业，海浪干扰的影响就越小，因此在开展探测之前应及时把握海况，尽量选择良好的天气条件进行作业。

初步分析表明，海浪引起的三种干扰明显降低了高分辨率单道地震探测数据的质量，其中海浪引起的同相轴高频“抖动”又是最严重的因素。“抖动”导致的反射波同相轴错断使反射波不连续，整个剖面上无法进行有效层位的追踪，很大程度地降低数据的分辨率。如果不加以合理的校正，再多的后续处理也难以得到清晰的反射波层位，直接影响探测成功率。而低频的波浪状的浪涌干扰虽然会导致反射波同相轴畸变，但反射波同相轴的连续性受影响较小，不是降低数据质量的主要因素。另外，在对起伏“抖动”进行校正时，海底反射时间获取的精确程度直接影响校正效果的好坏。如果误差太大，不但不能成功去除起伏“抖动”的影响，可能进一步降低数据质量。

宽频随机干扰严重的时候也会大大降低数据的信噪比，使有效信号淹没其中。实践证明，利用随机噪音的宽频及随机分布等特征，带通滤波加空间预测滤波能够较好地压制随机噪音，提高数据的信噪比。

海浪引起的线性噪声具有明显的低频特征，其与高分辨率单道地震的有效信号的频带有显著差异，因此采用简单的带通或者高通滤波就能达到较好的压制效果。

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