基于时空域数字信号处理的地震资料降噪方法研究

地震勘探方法是油气勘探的主要手段之一，地震数据在采集过程中不可避免地受到多种噪声的干扰。随着勘探工作所在地区地质和环境条件复杂程度的增大，地震记录上的噪声种类更多，噪声幅值也变得更大。低信噪比地震资料的降噪处理技术是当今地震勘探学界研究的难点和热点之一。本文针对低信噪比地震记录的噪声消减问题，研究基于时空域数字信号处理的地震资料降噪方法，提出消除单频干扰、压制随机噪声、衰减异常振幅噪声的去噪方法和具有抗噪性能的同相轴识别方法。本文的主要研究内容和取得的结果如下：(1)采用的独立分量分析、双边滤波器和图像分割算法等时空域数字信号处理方法均涉及到全局优化问题，尤其在地震数据量较大的情况下，其求解难度进一步增加，降噪效果也受到影响。人工蜂群(Artificial Bee Colony,ABC)算法作为一种新型的群智能优化算法，为解决上述全局优化问题提供了有效手段，但其收敛性缺乏相应的理论分析和证明。因此，基于马尔科夫链理论，利用ABC算法的各代最优解构造一种马氏链，分析转移概率的极限分布，证明了ABC算法具有全局收敛性，为后续研究提供理论依据。(2)针对叠前地震记录中的单频干扰消减问题，提出一种改进的独立分量分析(Independent Component Analysis, ICA)算法，在有效压制单频干扰的同时尽量避免损伤有效信号。通过构造辅助观测信号，利用增强局部搜索ABC算法最大化信号峭度，实现有效地震信号和单频干扰的分离，克服了梯度类ICA算法无法分离杂系信号的问题。实际共炮点记录处理结果表明，所提方法能显著改善地震剖面质量，增强了同相轴的连续性。(3)针对叠前地震记录的随机噪声压制问题，提出一种自适应相对梯度ICA算法，改善固定步长ICA的去噪效果。根据信号的分离状态对ICA算法的步长进行优化，使步长随地震数据自适应变化，减小稳态误差并加快收敛速度，提高算法的分离精度。实际地震记录处理结果表明，所提方法具有良好的随机噪声压制能力，并且能较好地保护有效地震信号。(4)针对地震资料的异常振幅噪声衰减问题，提出一种基于自适应双边滤波器的地震数据降噪方法。首先，建立一种脉冲噪声检测机制，对地震记录中的脉冲噪声进行处理。进而根据地震数据调节双边滤波器参数，使双边滤波器可以同时消减脉冲噪声和强振幅随机噪声。实际共炮点地震记录处理结果表明，所提方法处理后的地震记录信噪比得到大幅提高，有效地震信号明显增强，同相轴清晰且畸变较小。(5)针对含噪地震记录的同相轴识别问题，提出一种具有抗噪性能的动态单阈值图像分割算法。根据空间位置信息重构像素的灰度值，并对一维模糊熵寻优以确定最优分割阈值，进而采用图像细化算法完成同相轴识别。此外，建立一种基于边缘成分信息的同相轴增强策略提高同相轴连续性。实际叠后含噪地震记录处理结果表明，所提方法具有较好的抗噪性能，识别的同相轴位置准确且连续性好。本文提出基于时空域数字信号处理的地震资料降噪方法，并讨论方法中影响降噪性能的因素。不但通过理论模型仿真实验验证各方法的有效性，而且探讨其在实际地震资料处理中的适用性。所提方法不仅限于理论研究阶段，而且为解决实际地震资料降噪处理问题提供了新思路，具有较好的应用前景。