基于全方向波束定向的地震记录信噪比改善方法

贾海青,姜 弢,徐学纯,林 君

(1.地球信息探测仪器教育部重点实验室(吉林大学),吉林长春130026;2.吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春130026;3.吉林大学地球科学学院,吉林长春130026)

基于全方向波束定向的地震记录信噪比改善方法

贾海青1,2,姜 弢1,2,徐学纯3,林 君1,2

(1.地球信息探测仪器教育部重点实验室(吉林大学),吉林长春130026;2.吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春130026;3.吉林大学地球科学学院,吉林长春130026)

常规波束定向方法利用多炮地震记录、采用恒定延时差实现目标方向上地震波场的加强,所用的地震记录是由相同震源在不同位置激发得到的,由于不同地震记录的震源与大地的耦合程度不同,即震源的一致性存在差异,因而降低了波束定向的质量,同时,该方法未能实现全方向波束加强,波束定向结果的整体信噪比仍较低。为此,提出了一种全方向波束定向方法(Omnidirectional Beam-forming,OB),该方法基于波场叠加原理,通过不同方向有效波场的叠加,实现地震记录全方向有效信号的增强。其具体实现包括5个步骤:单炮记录的复制、角度域划分、延时参数计算及波束定向、有效波场的提取和有效波场的合并。利用数值模拟的含随机噪声单炮记录,验证了OB方法的正确性和有效性。将OB方法应用于某地区实际地震资料处理,使地震资料中的随机噪声得到明显压制,信噪比提高了6.75dB。

全方向波束定向;单炮记录;信噪比;随机噪声压制

波束定向技术最早源自于雷达天线领域,其核心是波的干涉加强。作为一种阵列处理技术,波束定向方法合成的定向波束实现了目标区域的信号成倍增强,大大提高了对目标的探测、识别和追踪能力。由于地震波与电磁波具有波的共性,因此近几年来通过借鉴雷达天线领域的波束形成理论,波束定向技术在地震勘探领域得到了快速的发展。

20世纪70年代,美国石油公司在Oklahoma州Tulsa地区采用单频控制信号进行了地震波束形成(beam-forming)实验,验证了定向地震波的存在[1]。2005年,日本东京大学地震研究所利用4个精密可控常时震源系统(ACROSS)组成的相控阵列实现了对深部地层构造的研究[2-3]。在国内,姜弢等[4-8]从2002年开始研制第一套电磁式可控震源相控系统,并开始对相控震源地震波定向方法进行研究。2009年,姜弢等[9]利用研制的电磁式可控震源开展了相控震源地震勘探实验,证明了相控震源改善地震记录信噪比的有效性。2006年,王忠仁等[10]利用有限差分法对相控阵震源单频和变频激发方式的地震波场进行了数值模拟,研究分析了这两种方式下阵列的方向特性。2012年,葛丽华等[11]利用有限差分方法数值模拟了不同矿区模型下相控震源产生的定向地震波场对矿区的加强效果。

地震波束的形成是指多个地震波场通过延时、叠加,在特定方向上实现波场的加强。由地震勘探互易性原理可知,地震波束的形成既可以在源端,也可以在接收端。源端地震波束的合成是在地震勘探的采集阶段实现的,即通过控制震源阵列中每个震源的初始相位,在目标区域激发定向地震波,因此该方法被称为相控震源方法。相控震源勘探方法存在需要的震源数多、震源一致性难以保障以及采集成本高等问题,因而发展较为缓慢。2009年,刘畅[12]提出了单震源定向照明方法,该方法不仅有效避免了相控震源不一致性的问题,而且能够方便地实现不同方向上的波束定向。2012年,姜弢等[13]提出了基于接收阵列的时域地震波束形成方法,并将其成功应用于野外地震数据。基于接收端地震波束的合成方法(TSBBRA)是在地震勘探的数据预处理阶段实现的,处理的数据是同一个可控震源按照传统采集方式采集的多炮数据,基本解决了相控震源勘探方法存在的问题。

但是,利用TSBBRA方法进行波束定向存在以下3个问题:第一,在实际勘探中,由于震源在不同位置与大地的耦合程度不一致等原因,即使用同一个震源进行地震数据采集,震源的一致性仍比较低,导致对采集的数据进行波束定向会存在主波束方向上信号被加强的程度降低问题;第二,TSBBRA方法通常将多炮数据合成一炮数据,因而存在合成后的单炮数据总炮数减少的问题;第三,TSBBRA方法仅能加强单个主波束方向上的有效信号,主波束方向外的区域信号会发生畸变，信噪比很低。针对以上问题,本文提出了一种全方向波束定向方法(OB),该方法利用单个地震记录进行全方向波束定向,因而更大程度地保证了震源的一致性,实现了地震记录全方向的信号加强,从而能有效改善原始资料整体的质量。模拟数据和实际地震资料处理结果均表明,OB方法能够有效提高单个地震记录的信噪比。

1 理论基础

1.1 TSBBRA波束定向原理

波束定向实际上是对具有恒定相位差的波场进行叠加。TSBBRA方法主要利用采集的多炮地震记录在目标点进行波束定向和波束合成,其基本原理如图1a 和图1b所示。同一个震源分别在a,b和c三个点处激发得到地震记录Sa,Sb和Sc,震源间距为d。对地震记录Sa,Sb和Sc分别引入延时-τ,0和τ,得到延时后的地震记录Sa(t-τ),Sb(t)和Sc(t+τ),将延时后的地震记录叠加,则相当于对震源在点a,b和c处同时激发的地震波场的叠加。由于延时τ补充了震源在不同位置激发时信号到达e点的波程差,因而主波束方向目标点的有效信号得到加强。同时,由于TSBBRA是在接收端进行处理,因而能够方便快速地实现对目标体的波束定向。

1.2 OB波束定向原理

与TSBBRA波束定向方法类似,OB波束定向方法同样是通过波场叠加来实现有效信号的加强(图1)。由图1a可知,TSBBRA合成定向波束的过程相当于同一个震源在a,b和c三个点处激发波场的延时叠加。设图1a中e点处接收的信号分别为Sae,Sbe和Sce,对其依次做-τ,0和τ延时,得到Sae(t-τ),Sbe(t)和Sce(t+τ),对延时后的信号叠加,得：

(1)

图1 TSBBRA和OB波束定向原理及波束合成方法

由地震波的传播规律可知,在震源点处激发的地震波经过地下介质到达检波点的路径与检波点处激发的地震波到达震源点处的旅行路径完全一样,因此,可以将图1a和图1b中的检波器和震源进行等效对换,结果如图1c和图1d所示。图1c表明,检波器和震源等效对换后相当于震源在e点激发,在a,b和c三个点接收信号,得到一个单炮记录。设该单炮记录为Re,a,b和c处接收的信号分别为Rea,Reb和Rec,同样依次做-τ,0和τ延时,得到Rea(t-τ),Reb(t)和Rec(t+τ),对延时后的信号叠加得：

(2)

由波场的一致性分析可知,在不考虑噪声的情况下,有：

(3)

对比(1)式、(2)式和(3)式可知,对单炮记录Re的波束定向过程相当于将多个相同单炮记录Re以道间距d为震源间距的波场延时、叠加的过程。因此,一个单炮记录可以利用TSBBRA波束定向方法合成定向地震波束。由上述分析可知,在不考虑环境噪声的情况下,对单个记录进行n元波束定向的总波场为[13]：

(4)

式中:E1为单个震源产生的场强;φ为相邻震源的相位差;k为自由空间波数;d为阵元间距;α为地下任一观测点方向的轴向夹角;αmax为主波束方向。

同样可得到均匀介质条件下的地震波场方向因子[13]:

(5)

根据前人研究成果[14]可得：

(6)

式中:v为均匀介质速度;τ为波束定向过程中的延时参数。

由(6)式可知,延时参数τ与主波束方向αmax是一一对应的,单一延时参数仅能加强一个主波束方向上的地震信号。因此,要得到地下半空间全方向加强的波束定向结果,就需要对地下半空间所有方向同时实现波束的加强。当地下介质为非均匀介质时,(6)式中的速度则为等效速度,对于某一延时参数,主波束方向会随着速度的变化而变化。

由于不同的延时参数τ可以加强不同方向的波场,因此,q个不同的延时参数(图1d)可以得到q个不同的加强波场。根据波场的叠加原理,将地下半空间全方向加强后的有效波场进行叠加,就可以得到全方向加强的波束定向结果。

因此,地下半空间所有方向有效波场叠加后的总波场为：

(7)

式中:E(τi)表示延时为τi合成的有效地震波场。

2 OB波束定向方法

由OB波束定向原理(图1c)可知,对一个单炮记录进行波束定向的前提条件是满足定向中多元数据的需要,以便对单炮记录进行常规波束定向,这种多元数据可通过复制单炮记录的方法得到。由(7)式可知,要实现真正的全方向波束定向,关键在于对定向结果的有效波场提取和合并。因此,OB波束定向方法主要包括5个步骤:单炮记录复制、角度域划分、延时参数计算及波束形成、有效波场提取和有效波场合并。

2.1 单炮记录复制

设一个单炮记录为R,对R进行n元波束定向,需要将R复制为n个地震记录R1,R2,…,Rn。可将其作为由n个震源的线性等间隔阵列激发所得到的n个地震记录,阵元间距等于道间距d,其对应的地震波场分别为E1,E2,…,En,这样就给R的定向提供了基础条件。

2.2 角度域划分

理论上,要实现对地下全方向的波束定向,需要对每一个方向进行波束定向,但在实际操作中这是无法实现的。由于波束定向后的主波束方向是有一定波束宽度的,在波束宽度范围内,地震波场的加强程度大体相当,因此,为了等效实现对地下全方向的波束定向,可以对地下半空间的方向进行角度域划分,将划分后的角度区间的中心角度作为主波束方向。角度域划分要以所有主波束方向的宽度能够覆盖角度区间为原则。

(8)

由(8)式可知,在地下介质、定向元数以及阵元间距一定的情况下,主波束宽度主要与主波束方向有关。为了直观地认识主波束宽度与主波束方向的关系,令n=25,v=1000m/s,f=80Hz,d=1m,由(5)式可得到对应的定向地震波束方向,如图2所示。图2a至图2d的主波束方向αmax分别为90°,60°,45°和30°,其对应的延时τ分别为0，0.87，0.71，0.50ms,主波束宽度分别为16.99°,19.75°,24.75°和44.10°。由图2可以看出,对不同方向进行定向的主波束宽度并非一成不变,而是随着主波束方向αmax(αmax∈[0,90°])的增大,波束宽度减小,当αmax=90°时,波束宽度最小。

地下半空间角度域的划分有多种方式,本文采用均匀等间隔角度划分方法,即将α∈[0,180°]从α=90°开始向两个方向划分为2m个区域,角度间隔为Δα,划分后的2m+1个角度分界分别为(90°,90°±Δα,90°±2Δα,…,90°±mΔα),令mΔα=90°,m为正整数。由于主波束宽度随主波束方向的变化而变化,为了实现多个主波束完全覆盖的目的,本文根据最小主波束宽度确定Δα。设αmax=90°,主波束宽度为2α0.5(90°),则0<Δα≤α0.5(90°)。

因此,对于均匀等间隔角度区间划分,有:

(9)

2.3 延时参数计算及波束形成

2.4 有效波场提取

源点的波场在接收端以地震记录的形式被表现出来,由于地下介质的未知,难以根据定向地震波波束的方向来确定地震记录中被加强的有效波场。为此,本文利用局部相关系数谱来提取波束定向结果中的有效波场,具体方法如下:

3) 滑动时窗T,计算得到所有道的局部最大相关系数谱C(τp)。

2.5 有效波场合并

图2 不同主波束方向的地震波束方向

(10)

由此可得到最终的叠加数据:

(11)

3 模拟数据验证

为了验证OB方法的正确性,本文采用3层水平层状介质模型(第1层速度为800m/s,厚度为40m;第2层速度为1000m/s,厚度为75m;第3层速度为1400m/s,厚度为175m)进行数值模拟,信号主频为45Hz;采用5m道间距,道数201，中间激发、两边接收方式得到包含3个反射波信号的单炮记录(图3a),其采样间隔为0.1ms,记录时长0.7s。对该单炮记录加入-23.23dB随机噪声，结果如图3b所示。

图3 模拟单炮地震记录

图4 不同延时9元波束定向后的单炮记录

利用局部相关系数谱法,对不同延时9元波束定向后的结果进行畸变切除,提取有效波场,图5为对图4提取有效波场后的地震记录。由图5可见,主波束方向和主波束方向外区域的随机噪声得到有效压制,实现了有效波场的准确提取。

图6为18个方向的有效波场叠加后的地震记录和原始地震记录的对比图,其中图6a为原始含噪单炮记录,图6b为全方向加强后的地震记录,图6c 为图6a与图6b的差值剖面。对比图6a和图6b可知,经过OB方法进行全方向波束定向后,单炮记录的全局质量得到明显改善,信噪比明显提高；由图6c可见,差值剖面中有效信号残存较少,随机噪声在很大程度上被消除,表明OB方法能够有效地去除单炮记录中的随机噪声。为了定量分析OB方法处理前后对单炮记录质量的改善,计算了图6a和图6b中3个反射层的信噪比曲线,图7a至图7c分别为第1层、第2层和第3层反射波的信噪比,其中虚线为OB方法处理前的信噪比,实线为OB方法处理后的信噪比。由图7可知,经过OB方法处理后,不仅单炮记录中所有道反射波的信噪比都得到不同程度的提高,而且对于同一反射波,所有道的信噪比提高程度基本一致。经计算,3层反射波信号平均提高了7.14dB,4.19dB和5.51dB,单炮记录整体质量提高了13.64dB。

图5 不同延时9元波束定向结果利用局部互相关系数谱提取的有效数据

图6 OB方法处理前(a)、后(b)的单炮记录及两者之差(c)

图7 OB方法处理前(虚线)、后(实线)反射波的信噪比曲线

4 实际数据处理

图8a是某地区一个被随机噪声严重干扰的地震记录,道间距为10m,在0.8s左右可以看到由多个相位组成的模糊的反射同相轴。为了分析OB方法改善地震记录信噪比的能力,对该地震记录进行了9元波束定向(即将地震数据复制9次)处理。由公式(8)可知,波束宽度随地震波长的增大而增大,为了全方向波束定向结果能够完全覆盖地下半空间,选取最小地震波长为10m(有效信号的频率范围为25～100Hz,地下介质最小速度为1000m/s),主波束方向为90°的波束宽度,进行地下半空间的角度域划分。经计算,α0.5(90°)=11.37°/2≈5.685°,因此,取Δα=90°/17≈5.294°,则把地下半空间划分为34个角度区间,依据公式(6)求取对应的延时参数,进行9元波束定向。将波束定向后的结果用局部相关系数谱提取有效波场,通过加权叠加得到最终的全方向定向结果,如图8b所示。

对比图8a和图8b可以发现,经过OB方法处理后的单炮记录中随机噪声得到了很好的压制,0.8s左右的有效反射信号得到了很大程度的加强和改善,信噪比得到明显的提高。

图9为图8中L1矩形框内放大显示(210～249道,0.6～0.9s),图10为图8中L2矩形框内放大显示(50～100道,0.75～0.85s)。从图9可以看出,处理前单炮记录中相对较强的同相轴经过OB方法处理后,有效信号的连续性和幅度都得到明显的提高;从图10可以看出,处理前单炮记录中局部微弱、几乎难以分辨的同相轴经过OB方法处理后可以清晰地分辨出有效信号。为了定量分析L1和L2矩形框内的信噪比变化,本文采用时域奇异值(SVD)分解的方法进行信噪比的估算[15]。经计算,L1和L2内信噪比在应用OB方法后分别提高了6.75dB和3.03dB。实际数据处理效果证明了OB方法的有效性。

图8 OB方法处理前(a)、后(b)的野外单炮记录

图9 L1局部放大

图10 L2局部放大

5 结论与讨论

本文针对传统波束定向方法存在的问题，提出了一种全方向波束定向(OB)方法。该方法通过复制单炮记录的方法得到多元数据，通过对地下半空间角度域划分等效实现地下全方向的波束定向，利用局部相关系数谱提取波束定向结果中的有效波场并进行叠加。模拟数据和实际单炮记录处理结果表明，该方法可以有效压制单炮记录全方向的随机噪声，明显改善地震记录的质量。

波束定向元数越多，主波束方向波场强度越强，波束宽度越小，地下全方向角度域划分的角度区间越多，计算量相应越大，因此，在主波束方向波场强度满足要求时，波束定向元数应尽量减少，以便提高OB方法的计算效率。

[1] Arnold M E.Beam forming with vibrator arrays[J].Geophysics,1977,42(7):1321-1338

[2] 廖成旺,庄灿涛,梁鸿森.精密可控常时震源系统(ACROSS)的初步实验[J].中国地震,2003,19(1):89-96 Liao C W,Zhuang C T,Liang H S.Initial experimental result of accurately controlled routinely operated signal system (ACROSS)[J].Earthquake Research in China,2003,19(1):89-96

[3] Yoko H,Hiroyuki K,Mineo K.Autoregressive modeling of transfer functions in frequency domain to determine complex travel times[J].Earth Planets Space,2001,53 (1):3-11

[4] 姜弢,林君,陈祖斌,等.相控震源地震波定向技术[J].吉林大学学报(信息科学版),2004,22(3):181-184Jiang T,Lin J,Chen Z B,et al.Seismic beam-forming in phased array of vibroseis[J].Journal of Jilin University (Information Science Edition),2004,22(3):181-184

[5] 姜弢,林君,陈祖斌,等.可控震源相控系统的信号检测与时延估计[J].仪器仪表学报,2005,26(4):336-339 Jiang T,Lin J,Chen Z B,et al.The correlation detection method of signals in phased array of vibroseis system [J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2005,26(4):336-339

[6] 姜弢,林君,李桐林,等.相控震源对地震信号信噪比的改善研究[J].地球物理学报,2006,49(6):1819-1825 Jiang T,Lin J,Li T L,et al.Boosting signal to noise ratio of seismic signals using the phased-array vibrator system[J].Chinese Journal of Geophysics,2006,49(6):1819-1825

[7] 姜弢,林君,陈祖斌,等.相控震源对水平层状地下介质的高信噪比检测[J].仪器仪表学报,2006,27(11):1369-1372 Jiang T,Lin J,Chen Z B,et al.High signal-to-noise ratio detection of horizontal layer underground medium with phased-array vibroseis[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2006,27(11):1369-1372

[8] 姜弢,林君,杨冬,等.相控震源定向地震波信号分析[J].地球物理学报,2008,51(5):1551-1556 Jiang T,Lin J,Yang D,et al.Analysis of directional seismic signal based on phased-array vibrator system[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(5):1551-1556

[9] 姜弢,林君,陈祖斌.延时参数对地震信号信噪比的改善[J].地球物理学报,2009,52(6):1651-1656 Jiang T,Lin J,Chen Z B.SNR improvement of seismic signals with different time delays[J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52(6):1651-1656

[10] 王忠仁,林君,冯声涯.地震勘探中相控阵震源的方向特性研究[J].地球物理学报,2006,49(4):1191-1197 Wang Z R,Lin J,Feng S Y.Directivity of phase array vibrators in seismic exploration [J].Chinese Journal of Geophysics,2006,49(4):1191-1197

[11] 葛利华,姜弢,林君,等.相控震源在矿产勘探中应用的数值模拟研究[J].地球物理学报,2012,55(12):4266-4276 Ge L H,Jiang T,Lin J,et al.Numerical simulation of application of the phased-array vibrator system in mineral exploration [J].Chinese Journal of Geophysics,2012,55(12):4266-4276

[12] 刘畅.定向照明地震数据合成的仿真算法设计与实现[D].长春:吉林大学,2009 Liu C.Design and realization of the simulation algorithm on the synthesis of directional illumination data[D].Changchun:Jilin University,2009

[13] 姜弢,林君,贾海青,等.基于接收阵列的时域地震波束形成方法[J].地球物理学报,2012,55(12):4277-4287 Jiang T,Lin J,Jia H Q,et al.Time-domain seismic beam-forming based on receiver arrays [J].Chinese Journal of Geophysics,2012,55(12):4277-4287

[14] 姜弢.基于相控震源的地震波定向方法研究[D].长春:吉林大学,2006 Jiang T.Study on seismic beam-forming method based on phased-array vibrator system[D].Changchun:University of Jilin,2006

[15] 刘洋,李承楚.地震资料信噪比估计的几种方法[J].石油地球物理勘探,1997,32(2):257-262 Liu Y,Li C C.Some methods for estimating the signal noise ratio of seismic data[J].Oil Geophysical Prospecting,1997,32(2):257-262

(编辑:戴春秋)

The SNR improvement method based on omnidirectional beam-forming for vibrator seismic record

Jia Haiqing1,2,Jiang Tao1,2,Xu Xuechun3,Lin Jun1,2

(1.KeyLaboratoryofGeo-explorationInstrumentationofMinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130026,China; 2.CollegeofInstrumentScienceandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130026,China; 3.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130026,China)

Conventional beam-forming method is applied to strengthen the seismic wavefield in target directions by adopting multi seismic records and constant delay difference.Since the multi vibrator seismic records were achieved by the same vibrator vibrating at different positions,the coupling between the vibrator and the ground is different,which causes the difference on the consistency of vibrators and eventually decreases the quality of beam-forming.Meanwhile,the method cannot realize beam strengthened in all directions and the overall SNR of the result is low.Therefore,we propose an omnidirectional beam-forming (OB) method,which is based on wavefield superposition principle by the superposition of effective wavefield in different directions to strengthen the effective signals in all directions.The workflow includes single shot record copying,angle-domain division,time-lapse parameters calculation and omnidirectional beam-forming,effective wavefield extraction and merge.The correctness and effectiveness of the OB method are proved by the processing on the single shot with random noise.Moreover,the OB method is applied on the actual seismic data,and the random noise is obviously suppressed and the SNR is increased by 6.75dB.

omnidirectional beam-forming,seismic record,signal-to-noise ratio (SNR),random noise suppression

2015-01-15;改回日期:2015-04-09。

贾海青(1987—),男,博士在读,研究方向为可控震源及地震信号处理。

姜弢(1969—),男,教授,博士生导师,主要研究方向为可控震源及地震信号处理。

深部探测技术与实验研究专项SinoProbe-09-06(201311197和201011083)和SinoProbe-09-04(201011081)、高等学校博士学科点专项科研基金(20110061110053)联合资助。

P631

A

1000-1441(2015)05-0521-10

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.005