联合时频分析在地震信号处理中的应用研究

• 作 者: 周群
• 机 构: 东北石油大学
• 出 处: 东北石油大学
• 发表日期: 2011年01期
• 关键词: 地震信号 联合时频分析 S变换 薄层 油气识别 匹配跟踪

作为一种新的信号处理方法,时频分析收到了越来越广泛的重视,尤其是在非平稳信号处理中的应用体现了其独特的优异性能。地震信号是一种典型的非平稳信号,时频分析在地震勘探中的早期应用主要集中在地震时频特征的研究、古地磁变化的时频研究及地震信号的去噪及能量补偿等方面,随着数学方法的不断改进及处理能力的逐步增强,时频分析在地震勘探中应用的深度和广度也在不断拓宽。地震信号谱包含着地层的岩性及构造方面的信息,通过谱分析寻找其内在的联系及变化规律,可以直接利用谱分析结果进行地震资料的地层岩性解释。本文即从联合时频分析基本理论为出发点,将S变换及匹配跟踪谱分解技术应用于地震信号处理,用以进行薄层预测及油气直接识别。论文再对短时傅里叶变换、WVD分布、小波变换、S变换及MPD等时频分析方法基本原理介绍的基础上,分别对其存在的优缺点等进行论述。由于S变换独特的优点,使其处理地震信号这样典型的非平稳信号时具有非常大的实用潜力。文中对薄层地震波响应及其谱特征进行分析,并以Widess楔形模型为例,讨论了薄互层互层数、反射系数及其极性对反射波谱特征的作用结果。采用一种基于简化窗口的广义S变换进行地震信号时频谱分析,通过单频剖面提取,根据薄层调谐厚度与振幅能量关系进行薄层厚度预测。实际地震信号的处理结果表明,该方法能够较有效的对薄层进行识别并估算其时间厚度。对于实际地震资料,由于地震子波是未知的,因而难以通过时间域子波波形确定其主频,只能通过频谱确定其峰值频率。同时,由于峰值频率和主频的关系是不确定的,所以,通常将峰值频率近似看作是地震子波的主频是可以的。这种近似对于实际地震资料是合理的。因此,文中结合基于复数道分析的主参数的计算原理,采用了基于广义S变换的主频率分析方法,该方法可以细致地刻画薄层的顶底界面,取得了较好的处理效果。通过获取地震波在传播过程中的振幅、频率及地层速度等参数信息,可以进行岩性判断,从而达到直接找油气的目的。低频阴影是指位于油气储集层下方的强能量瞬时低频率区域,是直接指示油气储层的几种重要属性之一。由于小波变换中的小波参数直接影响变换结果的时频分辨率,较小的尺度域采样点数则使变换精度下降,还会出现“马赛克”现象。因此,文中采用了时频分辨率可调的复窗口广义S变换来进行瞬时谱分解确定低频阴影效应,通过实际资料的处理,结果表明该种方法具有一定的实际应用价值,为谱分析方法进行油气识别提供了一种新的思路。常见的正交分解如傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波变换等,由于其正交展开是采用一个有限的函数或向量集合去表示任意的信号,未考虑信号自身的某些特征。另外基函数是有限的,对信号的表达能力和范围也收到限制。而信号的稀疏分解思想,能够根据信号特征自适应地选择基函数,那么就可以用更少的函数来表示出信号的基本特征。MP算法即是基于一种过完备基上的信号分解方法,通过选择合适的字典来匹配原信号特性,以获得信号的稀疏表示。本文将MP谱分解应用于地震信号处理,并针对MP算法具有很大的运算量的问题,结合粒子群算法和单纯型局部寻优用于MP算法中的最优原子匹配,取得了较好的效果,较大程度的降低了算法的运算量,并以地震信号噪声去除及重构、油气直接识别应用为例,对该方法的有效性进行验证。在论文的最后,总结了本文所做的工作和成果,指出了研究的不足之处和将来的研究方向。