点源干扰的形态学降噪技术

段中钰,王润秋,路长革,张晓磊,王云雷

(1.北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京100101;2.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;3.保利协鑫石油天然气集团控股有限公司,北京100010;4.中国石油天然气集团公司东方地球物理勘探有限责任公司国际勘探事业部,河北涿州072751)

点源干扰的形态学降噪技术

段中钰1,王润秋2,路长革2,张晓磊3,王云雷4

(1.北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京100101;2.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;3.保利协鑫石油天然气集团控股有限公司,北京100010;4.中国石油天然气集团公司东方地球物理勘探有限责任公司国际勘探事业部,河北涿州072751)

摘要:海上地震勘探采集资料中的点源干扰能量强,横向变化幅度小且出现位置不固定,极大地影响了海上地震资料的成像质量和解释精度。采用了基于形态学的噪声压制技术对点源干扰进行处理,设计了形态学滤波器分离点源噪声和有效信号,实现了点源干扰的压制。采用该方法对模拟地震资料和海上实际地震资料进行处理,并与传统的F-K去噪方法进行了对比,结果表明该方法在成功压制点源绕射干扰的同时,能够较好地保留原始地震信号的低频信息,完全恢复了信号与噪声重叠处的有效信号振幅。处理过程中,该方法不受随机噪声的影响,具有很强的抗随机噪声能力。

关键词：形态学;噪声压制;线性噪声;双曲干扰;点源绕射

海洋油气资源丰富,根据第3次石油资源评价结果,目前我国石油资源量为1072.7×108t,其中海洋石油资源量为246.0×108t,占总量的22.9%,我国海洋石油资源探明率为12.1%,远低于世界平均的73.0%探明率和美国的75.0%探明率,因此我国的海洋油气资源潜力巨大,勘探前景良好。

海上地震勘探中多次波和点源干扰是海洋地震记录中最常见的噪声,这两类噪声一直没有得到有效的压制[1]。点源干扰是海上地震资料采集过程中海上平台、船只、崎岖障碍物或地形不连续等因素引起的能量较强的噪声信号[2]。根据点源干扰波传播的时距曲线方程,可以将点源干扰分为线性干扰和双曲干扰。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。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,称为双曲干扰。点源干扰属于规则干扰波,具有干扰能量强,频率与有效信号重叠,干扰源位置不确定,干扰信号可以出现在时域内任何位置,时距曲线可以是直线也可以是双曲线,以及具有束状、簇状的特点[3]。由于点源干扰与有效信号的频带范围基本一致,振幅强于有效波,双曲干扰的反射波同相轴与地震反射波的时距曲线特征一致,因此点源干扰的压制难度很大。点源干扰波在水中传播时能量衰减缓慢,干扰分布范围很大,因而影响速度的拾取,降低了地震资料的分辨率,对地震数据的成像质量和可靠性影响巨大[4]。很多学者根据两类干扰的传播特征进行了点源干扰压制方法的研究和处理[5-7]。LANDA等[8]提出了一种在常规偏移剖面上检测绕射波的方法。FOOKES等[9]提出了视觉处理和模式识别压制这类干扰的方法。GULUNAY等[10]提出了使用绕射点扫描压制海底绕射波干扰方法。牛华伟等[11]采用分频振幅衰减法压制涌浪干扰、地震船干扰及强能量低频和高频干扰。李景叶等[3]和甘其刚等[12]采用基于f-x域预测滤波方法压制线性干扰,通过模拟预测点源的干扰波,与实际地震资料进行匹配相减达到压制双曲干扰的目的。武克奋[13]采用基于拉冬变换双向预测模型的方法压制线性干扰。CHOO等[14]、李来林等[15]和万欢等[16]提出了线性干扰滤波技术(linear interference filter technique,LIFT)去噪方法,在不同的信噪级别实现多次信噪分离和去噪。王润秋等[17]利用地震波形态的差异采用形态滤波方法压制地震记录中的野值脉冲噪声。段中钰等[18]和刘伟等[19]采用多尺度形态学分解和数据重构的方法去除了炮集上的面波。本文根据形态学降噪的原理,沿着点源时距曲线轨迹同相轴方向开取时窗,设计形态学滤波器将时窗内点源噪声分离出来,将去除掉点源噪声后的数据恢复到地震信号中,从而实现点源干扰的压制。该方法对多信号重叠处分离效果好,具有很好的振幅保真性。此外,该方法还能够很好地保留原始信号的低频。

1形态学降噪基本原理

数学形态学是一种图像和信号处理方法,基本运算有4种：膨胀、腐蚀、开启和闭合,它们的组合成为一种复杂的图像处理技术[20-22]。王润秋等[17]提出了形态学在地震数据处理应用中的理论依据。利用该技术选择具有特定形态的结构元素对目标信号进行变换、量度和提取其中的对应形状,识别和简化信号数据,并且保持信号的基本形状特征,排除不相干的信号结构。该方法能够保证在压制噪声的同时对有效信号的影响很小。假设原始地震数据为f(z),结构元素函数为g(z)。膨胀算子的运算符表示为“⊕”。利用结构元素g膨胀数据可表示为f⊕g,即：

(1)

腐蚀算子的运算符表示为“Θ”。利用结构元素g腐蚀数据可表示为fΘg,即：

(2)

开启和闭合是基于腐蚀与膨胀的运算。开启运算对信号进行先腐蚀后膨胀,运算符表示为“∘”;闭合运算是对信号进行先膨胀后腐蚀,运算符表示为“·”。开启和闭合的运算表达式为：

(3)

(4)

压制的噪声F可以由公式(5)计算得到:

(5)

公式(5)中,对信号进行先闭合后开启和先开启后闭合运算求平均,所起作用相当于对信号进行了两次平滑,具有去除毛刺的效果。图1为运用形态学采用半圆形的结构元素对折线信号进行开启和闭合的运算效果。图2的信号为正弦信号与高频雷克子波之和,其中正弦信号为有效信号,雷克子波为要压制的噪声,通过对信号进行开闭与闭开运算求平均,能够有效地去除掉噪声。在图2中A,B两点的位置既包含信号又包含噪声。

图1　形态学开闭运算效果a 折线信号; b 开启运算; c 闭合运算; d 结构元素; e 开闭运算

图2　开闭形态学运算基础

根据以上形态学去除线性噪声的基本原理,我们将其拓展到点源噪声的分离和压制中,其点源压制的方法原理用模型数据处理过程加以说明。

2模型数据验证

图3a是含有线性点源干扰的合成记录的理论模型。模型共包括3个同相轴,分别为双曲线形态的信号、具有一定倾斜角度的噪声以及直线噪声(图中红色方框所示)。图3展示了形态学滤波的过程：首先确定噪声的区域,其次沿着噪声同相轴方向开取一个时窗,将要压制的噪声包含其中,此处将水平同相轴作为线性干扰进行分离,然后在这个时窗内沿着道集方向(图3a中黑色箭头方向)执行开启运算和闭合运算,在A点与B点处的处理情形与图2中A,B两点同理,完整过程见图3。执行形态学运算滤波后使得图3a红色方框内的线性噪声与其它信号完全分离,成为图3c和图3d所示的两部分,且相互之间不影响。最后将去除噪声

图3　线性干扰的形态学降噪过程a 理论模型; b 包含噪声的时窗; c 线性噪声; d 分离出时窗内信号; e 形态滤波结果

后的地震数据(图3d)恢复到地震信号中,结果如图3e所示。

图4a是含有双曲点源干扰的合成记录的理论模型。首先沿着双曲噪声同相轴方向开取一个双曲型的时窗(图4b),然后将时窗内的噪声水平拉平(图4c),此处产生一个校正量,执行形态学运算滤波使得线性噪声与其它信号分离,然后应用校正量恢复噪声和信号到原来的位置,即可得到噪声剖面(图4d)和噪声被压制后的剖面(图4e)。

从点源干扰的合成记录模拟处理结果可知,该方法能够有效压制点源干扰,没有对信号和其它线性噪声产生影响,是一种有效的线性降噪技术。研究外源干扰的特点和形态学降噪方法发现,形态学降噪技术在压制能量随偏移距变化不大的噪声时优势突出;其次,能够压制的噪声类型是直线型噪声或任何可以转化为直线型的噪声;如果噪声是双曲点源干扰,其与一次波的顶点应在不同的位置。

在实际的地震采集记录中都含有一定的随机噪声,因此任何地震资料处理方法的抗随机噪声的性能也是衡量处理方法优劣的重要因素。在含有线性干扰的模型中加入随机噪声(图5a),信噪比为3,从图5b降噪效果来看,线性干扰被完全滤除,随机噪声依然存在,形态学压制点源干扰技术具有良好的抗随机噪声的能力。

图4　形态学压制双曲型点源干扰过程a 双曲点源干扰模型; b 开启双曲型时窗; c 校平点源干扰; d 归位点源干扰; e 降噪后信号

图5　加入随机噪声的理论模型(a)与形态学降噪结果(b)

3实际资料验证

3.1单炮记录上的降噪效果分析

前文通过不同的模型资料验证了形态学降噪技术的可靠性和可行性,下面采用实际海洋采集的地震资料说明该方法的应用效果。针对海上地震单炮记录进行了叠前滤波降噪处理,将目前广泛使用且较为有效的F-K滤波方法和形态学降噪方法进行对比。图6a为原始单炮记录,可以清楚地看到在剖面上存在两个点源干扰,点源干扰具有束状、簇状的特点。图6b是F-K滤波的结果：上部干扰压制效果较好,但造成了空间假频;在深部通过放大还能看见噪声,并且造成振幅局部缺失,部分有效信号也被削弱,破坏了振幅的相对关系。图6c 是形态学降噪的结果,可见,该方法能够有效去除点源干扰,而且能够保持有效信号与干扰交叠处的连续性。图7a,图7b和图7c分别是对图6a,图6b,图6c的地震单炮记录的深层局部放大结果。图7d,图7e和图7f分别为其对应的频谱。分析图7中红色时窗内资料的频谱发现,在频率为5Hz的位置,原始信号的峰值是42(图7d),F-K滤波后的峰值为31(图7e),而形态降噪方法的峰值保持在41(图7f),说明F-K滤波压制了低频信息,形态学方法能够很好地保持原始信号的低频信息,而地震资料的低频信息对于地震岩性预测和解释是非常重要的。此外,分析频谱结果可知,在频率为50Hz附近,原始信号的峰值约为39(图7d),F-K滤波后的峰值为24(图7e),形态降噪后的峰值为37(图7f),可见,形态降噪方法具有更好的保幅性。综合对比分析结果可知,形态学降噪方法对信号几乎没有损伤,总体上优于F-K滤波法。

图6　海上单炮记录的F-K滤波和形态学降噪后的结果a 原始单炮记录; b F-K滤波后的单炮记录; c 形态降噪后的单炮记录

图7　地震单炮数据(局部放大)及其频谱a 原始地震单炮记录;b F-K滤波的数据;c 形态降噪的数据;d 原始地震单炮频谱;e F-K滤波数据的频谱;f 形态降噪数据的频谱

3.2叠后数据降噪效果分析

图8显示了形态学降噪技术效果。图8a为海上地震资料的叠后处理剖面。从图8a 中可以清楚地观察到带状干扰,这些带状噪声降低了同相轴的连续性,严重影响了剖面的成像质量。图8b为采用形态学降噪技术压制点源干扰后的效果,可以清楚看到同相轴的连续性显著增强。图8c为形态学降噪方法压制的点源干扰噪声剖面。对比形态学降噪前、后的剖面可以发现,该方法能够改善地震资料处理剖面的成像质量,提高地震解释的精度。

图8　形态学降噪技术效果a 原始地震数据叠加剖面; b 形态滤波后的地震叠加剖面; c 压制的噪声剖面

4结束语

点源干扰的形态学降噪技术,对包含点源噪声的时窗内的信号进行形态学运算,设计形态学滤波器将点源噪声分离出来。该技术能够压制直线型噪声或任何可以转化为直线型的噪声,对随偏移距能量变化不大的噪声压制效果突出,并具有很强的抗随机噪声的能力。对出现位置不固定的点源干扰有较好的压制效果,同时不会对有效信号和其它类型噪声产生影响,该方法在时间域进行滤波,解决了信号和噪声在频率域很难分离的难题,并且避免了传统方法容易损失有效频率信号的问题。从模型数据和实际数据的处理结果可以看出,形态学降噪方法明显提高了同相轴的连续性,同时很好地保留了原始地震信号的低频信息,具有很好的振幅保真性。

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(编辑：顾石庆)

The morphologic noise attenuation technology for point source diffracted interference

DUAN Zhongyu1,WANG Runqiu2,LU Changge2,ZHANG Xiaolei3,WANG Yunlei4

(1.InformationandCommunicationEngineeringInstitute,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100101,China;2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;3.POLY-GCLPetroleumGroupHoldingsLimited,Beijing100010,China;4.BGPInternational,CNPC,Zhuozhou072751,China)

Abstract:The point source diffracted interference in marine seismic data has the characteristics of large energy,narrow lateral variation and non-fixed position,which greatly affect the imaging quality and interpretation accuracy of the marine seismic data.The noise suppression technique based on the morphology is used to suppress point source diffracted noise.The morphologic filters are designed to separate the signal from the noise and complete the suppression of the point source diffracted noise.The proposed morphologic noise attenuation method was tested on simulation data and actual marine seismic data.Compared with the conventional F-K filter techniques,this method shows it can successfully suppress the point source diffracted noise as well as better retain the low frequency information of the original seismic signal.Moreover,it has a full recovery of the signal amplitude at the position where signal and noise overlap.During processing,the method avoids the effect of random noise and has strong ability of resisting random noise.

Keywords:morphology,noise suppression,linear noise,hyperbolic interference,point source diffracted interference

收稿日期：2015-08-20;改回日期：2016-01-13。

作者简介：段中钰(1977—)，男，博士，主要从事信息与信号处理、地震资料处理解释和油气预测等方面的研究工作。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB228602)、国家科技重大专项(2011ZX05042-003-002)、北京信息科技大学科研基金项目(1425009)共同资助。

中图分类号：P631

文献标识码：A

文章编号：1000-1441(2016)03-0388-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.03.009

This research is financially supported by National Key Basic Research Project and Development Program of China (973 Program) (Grant No.2013CB228602),National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05042-003-002) and Science Foundation of Beijing Information Science and Technology University (Grant No.1425009).