基于Wigner-Ville分布与Chrip-Z变换的高分辨时频分析方法

李思源 徐天吉

(电子科技大学资源与环境学院，四川成都 611731)

0 引言

随着勘探开发程度的不断深化，具有圈闭规模小、储层薄、烃源丰富却分布零散等特点的深层微型油气藏已成为研究热点[1-2]。然而，受制于油气藏埋深大、地震信号的分辨能力不足等不利因素，加大了对微型河道、薄砂体等油气目标的识别难度。时频分析技术能提供时间域和频率域的联合分布信息，故被广泛应用于地震波等复杂非平稳信号的处理[3]，进而在油气目标识别中发挥重要作用。

时频分析技术现已成为研究沉积微相、薄储层等地质目标的重要手段[4]。马见青等[5]根据S变换提供的有效地震信息，成功识别了复杂沉积环境； 武迪等[6]结合变分模态分解与包络导数算子预测碳酸盐岩溶洞储层的油气分布； 朱秋影等[7]利用时频分析技术预测依拉克构造有利河道砂体的空间展布； 蒋炼等[8]利用分频技术预测砂体储层厚度和分布范围； 张付瑷等[9]通过改进窗参数优化S变换从而精细刻画沉积微相及相应构造； 杨道庆等[10]利用时频分析及地层切片技术精确描述地下分流河道的空间流向、水平延展、厚度变化等特征。

时频分析最常用的方法主要包括两种：一种是以短时傅里叶变换(STFT)[11]、小波变换[12-14]、Gabor变换[15]、广义S变换[16]为代表的线性时频分布； 另一种则是以Wigner-Vile分布(WVD)、平滑伪Wigner-Ville分布(SPWVD)为代表的Cohen类广义双线性时频分布[17]。线性时频分析方法虽然计算速度较快，但存在时频聚焦性欠佳且分辨率低等不足。WVD具有较高分辨率和较突出的能量集中性，但因其非线性特征，在处理多分量数据时必然会产生大量交叉项从而干扰有效信号，很大程度上限制了其应用范围[18]。SPWVD属于Cohen类二次型时频分布的核函数方法，即基于WVD对信号瞬时自相关函数的时域和频域方向同时施加窗函数，改变核函数以抑制交叉项的产生。这种核函数法出色地抑制了交叉干扰项的生成，且仍保留了WVD的众多数学特性，适用于处理复杂地震数据[19]。

地震信号通常具有主频低、频带窄等特点[20]，其时频分布在有效频带内的划分点数往往较少，难以保证理想的分辨率，使STFT、Gabor变换、广义S变换、WVD和SPWVD等时频分析技术在识别埋藏深、厚度小的微型地质目标时的精度不够高，必然会对油气藏地下空间分布的认识、储量估算、钻井勘探开发过程产生不利影响。

本文在SPWVD基础上，以线性调频Z变换(CZT)[21]替代SPWVD中的快速傅里叶变换(FFT)，提出一种提高地震信号时频分辨率的计算方法(SPWVD-CZT)。利用CZT在三维空间内螺旋采样的特性，通过调整采样间隔和采样点数实现数据插值计算； 在SPWVD基础上进一步完善地震数据时频谱的局部细节信息，为地下微型河道、薄储层等小幅度复杂油气目标的识别提供方法支撑。

1 SPWVD-CZT方法原理

1.1 SPWVD的定义

定义信号x(t)的Wigner-Ville分布[22]为

(1)

式中：Wx(t，σ)为信号x(t)的WVD，t为时间变量；σ为频率变量；τ为时间延迟； e-jστ为傅里叶变换的参数因子；x*为x的共轭。定义

(2)

式中Rx(t，τ)为x(t)的瞬时自相关函数。

在时域和频域同时对WVD进行加窗处理可抑制交叉项的产生，得到SPWVD分布[23]

(3)

式中：Spw(t，σ)为信号x(t)的SPWVD；h(τ)、g(u-τ)分别为时间和频率方向的窗函数，其中u为频率延迟。

总之，SPWVD能更清晰地反映信号能量的时频分布，同时极大程度地抑制了交叉项的产生，被广泛应用于地震数据的处理。

1.2 CZT的定义

CZT是对FFT改进得到的，其原理是在Z平面内用一条螺旋线进行等间隔采样，采样点在螺旋线上呈现等角分布[24]。该方法计算功率谱和时频分布十分有效，且具有计算快速、不受数据序列长度限制、灵活性强等优点。

长度为N的离散信号序列x(n)的Z变换为

(4)

式中：n为离散时间变量；z为Z变换采样因子。

令zr=AW-r，A=A0ejθ0，W=W0ejφ0，则有

zr=A0ejθ0W0e-jφ0r

(5)

式中：zr为Z变换的采样因子，代替式(4)中的z,其中r为空间步长； ejθ0为步长因子； e-jφ0r为幅角因子；A0、W0均为任意正实数。给定A0、W0、θ0、φ0，当r=0，1，…，∞时，可得到Z平面上的一系列点z0、z1、…、z∞，再对其做Z变换

(6)

式中：A-n为采样步长；Wnr为采样幅角。

对信号做频谱分析时，应在单位圆上实现CZT[25]。A0和W0都应取为1，设离散信号X(n)的长度为n=0，1，…，N-1，变换的长度r=0，1，…，M-1，式(6)就变为

(7)

由Bluestein公式

(8)

式(7)又可写为

(9)

(10)

1.3 离散SPWVD-CZT的实现

将CZT与SPWVD结合，利用CZT的特性，通过在Z平面上对信号采样重构增加频带内的划分点数，从而改善信号的局部细节，有效提升信号的时频分辨率。实现过程如下：

将连续信号离散化x(t)⟹x(n)，设时间采样点数为N的解析信号为z(n)，有

z(n)=x(n)+jH[x(n)]

(11)

式中：解析信号z(n)的实部是x(n)，虚部H[x(n)]为x(n)的Hilbert变换。z(n)的WVD定义为

(12)

式中：Wz(n，σ)为z(n)的WVD；l为步长；z*为z的共轭； e-j2lσ为傅里叶变换因子。

在频域方向加上长度为N/4的矩形窗g(l)，当|l|>N/8时，g(l)=0。可得频域方向加窗后的离散瞬时自相关函数为

R(n,l)=z(n+l)z*(n-l)g(l)g*(-l)

(13)

式中g*为g的共轭。

再对R(n，l)的时域方向加上长度为N/2的矩形窗h(l)，当|l|>N/4时，h(l)=0。可得时域方向加窗后的离散瞬时自相关函数为

z*(n-l)g(l)g*(-l)

(14)

此时，K(n，l)也被称为SPWVD的核函数。

由于CZT和FFT的计算域为非负数(l=0，1，…，N-1)，还需对核函数K(n，l)做循环位移，使得l位于0～(N-1)内，得到重新排序后的核函数

(15)

式中：K(n，l)为排序前正频率方向的核函数；K(n，-l)为排序前负频率方向的核函数。

设待分析频段的点数为M，根据FFT的快速计算原理，取最接近N+M-1的二次幂Q作为计算时的序列长度。由于WVD的周期为π，还应将CZT中的相角θ0和幅角φ0扩展为原来的两倍，即A=A0ej2θ0，W=W0ej2φ0。构造序列

(16)

单位响应序列δ(l)的长度为Q，对SPWVD的序列补0，使得两个卷积的序列长度相同。再构造序列

(17)

式中：f(l)为重排的序列；f*(l)=KN(n,l)A-l×Wl2/2，0≤l≤N-1；KN(n，l)为式(15)中SPWVD循环位移后得到的核函数。

然后分别对δ(l)、f(l)做傅里叶变换

(18)

再将Δ(r)与F(r)相乘，得到

Y(r)=F(r)Δ(r)

(19)

进一步作逆变换

y(l)=IFFT[Y(r)]

(20)

将y(l)乘上加权系数

(21)

式中SPWVD-CZT(zl)为信号的SPWVD-CZT分布结果。

2 方法测试

2.1 模拟信号时频分析

利用雷克子波可合成与实际地震信号近似的模拟信号，以验证SPWVD-CZT的时频分析能力。采用主频分别为40、20、10Hz的雷克子波，由下式

(22)

合成如图1所示的模拟地震信号，可见其振幅峰值分别出现在0.1、0.3、0.5s位置。

图1 模拟地震信号波形

将模拟地震信号做Hilbert变换，对加窗后的核函数做FFT获得SPWVD结果。与实际地震信号一样，模拟地震信号也具有主频低、频段窄的特点。选择频段0～100Hz，观察信号完整的时频分布。

对比模拟信号的SPWVD(图2a)和SPWVD- CZT(图2b)处理结果，可见模拟地震信号在0.1、0.3、0.5s处的能量分布分别集中于40、20、10Hz处； SPWVD-CZT保留了SPWVD完整的时频分布和数学特性。由于模拟地震信号较平滑且时频域范围较大，难以直观地看到信号分辨率的提升，因此选取0.2～0.4s时段、10～40Hz频段做局部细节放大显示(图2c和图2d)，对比可见SPWVD-CZT算法利用采样插值特性增加细化点数方式平滑了选定频段的时频分布(图2d)，进一步增强了模拟信号时频聚焦能力，同时完善了局部边缘细节，提升了信号的时频分辨率。

图2 模拟地震信号的时频分析效果对比(a)SPWVD； (b)SPWVD-CZT； (c)图a局部放大显示； (d)图b局部放大显示

2.2 实际单道地震记录时频分析

相较于模拟地震信号，实际地震信号的频率、相位、振幅等信息更复杂。通过对实际单道地震记录进行SPWVD-CZT分析，进一步验证该时频分析方法的有效性。

图3为实际单道地震信号，采样率为2ms，时间采样点数(N)为1001。对其分别于0、100Hz频段做SPWVD-CZT处理(图4b)，细化点数(M)为600。

图3 实际单道地震信号波形

与实际单道地震信号的SPWVD处理结果(图4a)对比，可见SPWVD-CZT算法(图4b)对复杂实际单道地震信号仍具有完整的时频分析能力，不仅准确刻画出能量在时域和频域内的分布，而且保留了SPWVD优良的数学特性。选取0.5～1.5s时段、50～70Hz频段，同样对上述处理结果做局部细节放大显示(图4c、图4d)，对比可知SPWVD-CZT算法(图4d)通过在各采样点之间进行插值，增加有效频段内的划分点数，在保持高度时频聚焦性的同时平滑了地震信号的能量分布，更精确地刻画出功率谱随时间和频率的变化。

图4 实际单道地震信号的时频分析对比(a)SPWVD； (b)SPWVD-CZT； (c)图a局部放大显示； (d)图b局部放大显示

3 应用案例

川西中侏罗统沙溪庙组属于浅水三角洲沉积体系，油气资源丰富，是目前四川盆地天然气产能建设的重要层系之一。依据沉积特征和地层厚度，沙溪庙组被划分为上沙溪庙组和下沙溪庙组，其中上沙溪庙组又进一步细分为沙溪一段和沙溪二段，下沙溪庙组为沙溪三段。上沙溪庙组厚度为450～700m，是由棕(褐)色泥岩、粉砂质泥岩与褐灰、浅绿灰色细砂岩组成的厚互层； 下沙溪庙组厚度为134～250m，是由暗(褐)紫色含粉砂质泥岩为主、夹浅(绿)灰色细粒灰质岩屑长石砂岩组成的薄互层。

图5 原始剖面(a)与20(b)、35(c)、50Hz(d)的SPWVD-CZT单频剖面

图三小层的两种算法的50Hz功率谱层的层的层的SPWVD；层的层的层的SPWVD-CZT

4 结论

通过SPWVD-CZT方法研究，利用模拟地震信号、实际单道地震信号验证该算法对信号时频分辨率的提升效果，并将其应用于川西中江地区分流河道的识别。获得以下认识和结论。

(1)SPWVD-CZT具有优良的时频聚焦性，能完整地反映信号能量在时频域内的变化，它利用采样插值提升特性，增加有效频段划分点数，在SPWVD基础上进一步提升了信号时频分辨率。

(2)利用SPWVD-CZT提取的模拟地震信号和实际单道记录的瞬时功率谱的能量分布更平滑、更均匀，时频谱图的边缘细节也更清晰。

(3)针对埋藏深、隐蔽性强的分流河道储层，SPWVD-CZT能在一定程度上克服地震信号主频低、频带窄导致的分辨率不足问题，突出地下河道的横向宽度、纵向厚度、沿层走向等空间分布特征，提升油气资源勘探精度。该方法也为微型地质体识别提供了一种新思路，且拓展了传统时频分析理论。