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文章关键词:金沙检测线路411166,地震定量

  地震资料信噪比定量计算及比较_电力/水利_工程科技_专业资料。油 气 地 球 物 理 20 年 1 08 0月 P T OI M Op YSC E R 正U GE H I S 第 6 第4 卷 期 地震资料信噪 比定量计算及比较 张军华 "

  油 气 地 球 物 理 20 年 1 08 0月 P T OI M Op YSC E R 正U GE H I S 第 6 第4 卷 期 地震资料信噪 比定量计算及比较 张军华 " 周振晓 钟 磊 郑旭刚 单联瑜 徐 辉 ’于海铖 z ) 1 中国石油大学 ( ) 华东 ) 地球资源 与信息学院 ; 2) 1 胜利油 田分公 司物探研 究院 摘 要: 系统地介绍和讨论 了信噪比估算的 5 种方法, 即能量叠加 法、 频谱估算 法、 率谱估算 法、 功 相关 法和特 征值 法。 利用模 型试 算对 比 了噪声、 时窗、 道数 、 频带、 构造形 态对 5种方法估算结果 的影响。结果表 明 : 于低 品质 的资料 , 对 谱值法 ( 频谱或功 率谱 ) 具有较高的计算精度 ; 时窗大 小对 信噪比计算影响较小 , 功率谱法受 时窗大小 影响最小 ; 信 噪 比也有横 向分辨能力及精度 问题 , 对于倾斜或 弯 曲地 层 , 能量叠加 法和特 征值 法的计算精度会 大大 降低 ; 资料 的 频带并不是 影响信 噪比计算结果 的主要 因素 ; 征值 法本质上是水平信号 的分 解和 组合 , 宜较平的地层。研 究指 特 适 出, 当以信噪比作为储层横 向预测属性进行奇异性检测 ( 裂缝、 断层 、 山构造等 ) 应选用相关法。 潜 时, 关键词 : 震资料; 地 信噪 比估算 ; 频谱 ; 功率谱 ; 相关 ; 征值 特 由于 直接 关 系到勘 探精 度 , 地震 资料 分 辨 “ 率 ”多年来 受 到极 大关 注 , 且 已经 有 了调 谐 厚度 、 并 菲 涅 耳带 半径 这样 物理 意 义 明确 而 计 算 又 比较 简 方 法 的使 用 条 件 、 噪性 和对 异 常 的识 别 能 力 进 行 抗 了讨 论 ; 后 对 各 种 情 况 进 行 了 总 结 , 出 了 有 一 最 得 定 理论 意义 和实 用 价值 的几 个结 论 。 捷的定量计算方法及评价手段。由于不易直接数值 表达 , 通常情况下人们对 “ 地震资料信噪 比” 的评 价多是定性 的。 : 处理后 , 云 “ 反射同相轴变清晰了, 信 噪比提高了”; 或设个坎 , 能看到 同相轴 , 为信 认 1 信 噪 比估算 的主 要方法 11 能量 叠加 法 . 噪 比大 于 1 是有效信号 ,信 噪 比小 于 1 系无效信 号 。关 于信 噪 比 的定量 计 算 及评 价 , 虽然 国 内 已经 有很多学者作 了认真研究【司但 总的说来还缺乏系 卜, 统 的 总 结 和 概 括 , 乏 物 理 意 义 的 深 入 探讨 , 乏 缺 缺 能量叠加法是最直观的一种信 噪比计算方法。 多次覆 盖和水平叠加就是利用该方法来 去除随机 噪声 、 增加有效信 号能量的1 7 ] 。假设所取分 析窗为 J , 点 、 道 ; 地 震 记 录具 有 同相性 , 共 Ⅳ 设 且 噪音为 随机 噪声 。则有 () 1 基于地质问题 的效果 比较。在 国外 , 也许是资料地 质结构相对简单 的原因 , 于信 噪 比问题 , 关 无论是 采集 、 处理还是解释 的文献都很少 , 甚至我们 引进 的处理 和解 释软件 中至今还没有一个实用 的信 噪 比定 量 评价 模 块 。 以上 诸多 问题 , 不 便 于 工程 技 既 () 2 术人员对信噪 比值 的使用和评价 , 也在一定程度上 影 响 了地震 勘探 向高 精度 方 向 的发展 。 本文按信噪 比估算数理基础 的不 同, 对现有方 有效信号 s 可认为是地震道水平叠 加的结果 , 则 Ⅳ道 信号 总 能量 为 法进行 了分类概括和 阐述 ,将信噪 比分成 能量 叠 加、 频谱估算 、 功率谱估算 、 相关和特征值等不 同方 法 , 出了各 自的推导过程 和计算公 式 ; 给 然后制作 了具 有 一定 地 质 意义 和 地震 特 征 的理论 模 型 , 根据 - 耋 ㈩ Ⅳ f 。l 耋 、) 市J = % 由此得到信噪比的表达式为 不 同区段 、 按不 同方法计算 了信 噪比 , 同时对各种 收稿 日 :08 2 7修 订 日 :08 31 期 20 . . ; 02 期 2 0. .0 0 作者简介 : 军华 , , 张 男 教授 , 97 18 年毕业 于华东石 油学院物探专 业 , 获学 士学位 ;95 , 业于石 油大学应用地球 物理专业 , 19 年 毕 获硕士学位 20 年毕 业于石油大学地球探测与信 息技术专业 ,获博士学位 ;04 02 20 年晋升 为教授 ,长期从 事地震资 料处理和解 释方法研究 。联系 电线 0 1 山东省东营市中国石油大学 ( 华东 ) 地球资源与信息学院。 油 气 地 球 物 理 2 0 年 1 月 08 0 S NR. - = 一 2 ㈩ X 厂I () 8 6 1 频 谱估 算 法 . 2 频谱估算法也是物理意义 非常明确 的信噪 比 计算方法 。该方法假定地震信号有一定 的频带范 围 ( 优势频率 )] 高和太低 的频率是 噪声 ; 【太 1 , 对于 随 机噪声 , 其分 布可认 为幅值较小 、 但频带 内分布均 匀。这样 , 如果能确定出信号频带范围, 也就能估算 出信号 和 噪声 的能量 , 而算 出近似 的信 噪 比 。具 从 4 2 O 图 1 信号和噪声频带范 围的确定 体的做法是 : 先计算 整个记 录的频谱 , 然后给定一 个 阈值 , 以此来 界 定信 号 和 噪 声 的范 围 ( 1 , 图 ) 进 而计算信号的功率谱和能量 , 最终得到信噪比。 如果主要考虑低频和高频 噪声 , 不考虑有效频 带 内的噪声 , 信噪比计算直接可用下式嘲 I ∽f S RI — — — — — — — N = z —— ——— 一 ( 5) ∑ l∽『 ∑ l 2 X 一 ) 如果考虑随机噪声的存在 ,可以先计算随机噪声的分布密度 , 然后把随机噪声的能量从信号能量 中去 除, 再计算信噪比。 2 私 二 盏 。 一 姜 I ( 睾 I 搴 + ) 州 : ㈦ 为 了消除 道 间 的不 一致 性 , 算 时 可考 虑 多 道 计 统计 计算 。 1 互 相关 法 . 3 通过多道统计计算 , 以得到互相关法计算信 可 噪 比的公 式 , 中考 虑 到 了 同相轴 的倾 斜变 化 或 时 其 移 互 相关 法 的 依 据 是 : 于 相邻 地震 道 , 号 具 对 信 有相 关性 , 噪声不 具 有相 关性 。对 于 Ⅳ道地 震 记 而 录 : : — ㈩ ( = )n() t s( 十 ) t ( 12 … , ) i ,, Ⅳ = ( 7) (- ) o N 。 N 1 ∑Q ( 一 ∑Q+ ) 式中: 。 Q+ 为第 i 道和 l 道的互相关函数的最大 道 值 ; 为第 i 自相关函数 。 . 记 为相关符号 , 则第 i i1 的互相关可简 和 +道 化为 () () ( ()() s () () t=s+ ) 川 + ) ( 1 功 率谱 法 . 4 =t丰 1t+ )n 1t+ t木 lt+ ) 1t s )s ()s( 丰 ()()s ()n( 木 () ( t t =i ) s( t () t ( 8) 相关计算 , 当点数较多时 , 速度较慢 , 此时可用 功率谱来换算 。对 ( ) 8 式两边计算互相关 的频谱 , 有 R )置) 。 ) 即。 = + ( 0) 1 第 6 第 4期 卷 张军华 : 地震资料信噪 比定量计算及 比较 根据功率谱 的概念和信 噪比的物理意义 , 很容 易 得 到计算 信 噪 比的公 式 。下面 先计 算 Ⅳ道记 录 的 E s - A A =一 一 一 ∑A A 音 : A2 () 1 7 平均功率谱 ∽: [。 【∽l. ∽l 1) 由 可 出 噪 的 算 式 1∽J . 1戈 + +. + ] 1 ( 此 得 信 比 估 公 为 再根据互相关和互功率谱计算其中的信号成分 ( 其 中考 虑 到 了第 i 与 第 i1 的互 相 关 不 同于 第 道 + 道 i1 + 道与 第 i 的互 相 关 ) 道 镑 卜1 。 、 酬 2 模型试算 与结果对 比 最终得到信噪比计算公式 为了综合考虑 时窗 、 道数 、 构造形态等因素 , 设 S R N : : 一 ) ) ) 一 (3 1 实际上 , 上式得到的信 噪比与式 ( ) 9 计算 的信 噪 比有 一定 区别 : 者考 虑 了互 相关 函数 中 的时 移 前 量 , 适应 非水 平地 层 ; 可 后者 则是 简单 的道 间平均 。 15 特 征值 法 . 计以下理论模 型 ( 2 图 ,计算时采用 3H 雷克子 5z 波 ,采样间隔为 1 s 。模型纵 向上有薄层也有厚 m) 层 , 向上 有水 平地层 、 横 断层及 可代表牵引或叠前 双 曲线 的弯 曲地层 。 特征法计算信 噪 比依据 的是信 号和噪声在特 征 空 间 上 的异 同 , 处理 中 的 一 去 噪 嗍 和解 释 中 的 主因子 分析 嘲 利用 了这 个原 理 。 都 将 时窗 数据 用矩 阵 来表 示 = ( 4) 1 图 2 用 于 方 法 研 究 的理 论 模 型 M1… 肼 … M N 21 噪 声含 量对 信 噪 比计 算 方 法 的影 响 . 采用 S D分 解方 法同 有 V , ^ T ( 5 1) 为了讨论噪声对信噪 比计算方法的影响 , 合成 记 录制作 时 , 加入 了一定 量的随机噪声 , 信号和噪 声幅值 比分别取 5 3 1 、 和 。表 1 是不 同方法 的计算 结 果 。 为 了便 于 比较 ,计 算 时 只 取 一 个 水 平 地 层 ( 0 s3 道, 5m ,0 窗大小如图 3 a 所示 )频谱计算 时 () , 阈值 取 04 .。 表 1 噪声含量对计算方法的影响 式 中 : da (A , ,,,是 由特 征 值按 递 减顺 ^= i A ,:… A) g 序组成的对角矩 阵; U是 的特征值对应 的特征 向量 矩 阵 ; V是 的 特 征 值 对 应 的特 征 向 量 矩 阵 ; 是矩 阵 的秩 。 r 当 Ⅳ道地震记录中的信号是线性相关 时 , 不相 关的噪音能量近似均匀分布在 A 12 …, ) ( ,, r 上。 依据噪声在第 2 r 上的分布 ,可计算 出噪声和 信号能量分别为 ∑A (6 1) 油 气 地 球 物 理 2 0年 1 0 8 0月 从表 1 以看 出,无论是低信噪比还是高信 噪 可 比, 谱值法 ( 频谱或功率谱 ) 都要好 于其他计算方 法, 特征值 法在信 噪 比较 低时最不理想 。 22 时窗大 小对 信 噪 比 的影 响 . 波组 时窗 ( 包含薄层 和厚层 , 3 c ) 图 ( ) 来讨论 时 窗大小的影响。计算时信噪比 ( 幅值 ) 假定为 5结 , 果 如表 2 示 。 所 表 2可以看 出 ,功率谱法受时窗大小影 响较 小 , 他 方 法 受 时 窗 大 小 影 响 较 大 , 且影 响程 度 其 而 比较接 近 。 下面分 单波形 时窗 ( 只是一个 界 面 , 3 a 、 图 ( )) 薄层 复合时 窗 ( 包含一 个薄 层 , 3 b ) 复合 图 ( ) 、金沙检测线路js ( a)单波形时窗 ( b)薄层 复合时窗 ( c)复合波组时窗 图 3 用于理论分析 的时窗 表 2 时窗 大 小 对 信 噪 比 的 影 响 表 2还 给 我们 一 个启 示 , 噪 比计 算并 不 需 要 信 从 表 3可 以看 出 , 能量 叠 加 法 和特 征 值 法受 计 很大的时窗 , 即使是谱值法 , 只要基本符合傅 氏变 换 的点数 即可 满足 要求 。 23 计 算道 数对 信 噪 比的 影 响 - 对于水平地层 , 理论上 , 道数越多 , 信噪比计算 越准 确 。因此 , 里对 水平 地层 不加 讨论 , 这 而重点讨 论倾 斜地层 ( 断层 面左右 ) 下 面分别 以 91 道 为例 。 、7 算道数较大 , 带时移的相关 、 频谱法 和功率谱法受 道 数 影 响较 小 。 因此 , 于较 复 杂构 造 的资料 应 该 对 采用 后 几种信 噪 比计算 方 法 。 24 地震 频带 范 围对信 噪 比的影 响 . 信噪比依然取 5 选择水平地层 , , 时窗取复合时 窗 ( 图 3( ))统 计 道 数取 3 , 波 主频 分 别 取 如 C , 0子 计算信噪比, 结果见表 3 计算时理论信噪比取5) ( 。 表 3 计算道数对信噪 比的影响 3 H 和 5H , 5 z 5 z计算信噪比结果见表 4 。 表 4 地震频带范围对信噪比的影 响 道 鑫 数 互关 率法特值 相法功i 征法 监 第 6 第 4期 卷 张军华 : 地震资料信噪 比定量计算及 比较 从 表 4可以看 出,在信 噪幅值 比不变 的情况 下, 频率提高 , 无论是那一种方法 , 计算信噪 比降低 都有不 同程度 的降低 。这也印证 了一个重要 的结 论: 分辨率提高 , 信噪比并不能提高[ 1 ] 。 25 构 造形 态对 信 噪 比计算 方法 的影 响 . 从 图 4中可看 出 , 就抗 噪性而言 , 特征值法 较 强 ( 平地层 , 水 曲线 波 动较 小 ) 而其 他 方 法 较 差 , , 这一点在利用信 噪比属性 进行储 层横 向预测 时值 得借鉴。 对于弯 曲同相轴 ( 叠后弯曲地层 、 叠前双曲 反射 同相轴 )计算的信 噪比( 4 , 图 右边断层以外 ) 存在 较 大 的不 一 致 性 : 谱 法 和考 虑 了时差 变 化 的 频 互相 关 法 都 比较 符 合理 论 模 型 ;而在 其 他 方 法 中 , 理论上 , 能量叠加法 、 频谱法 、 功率谱法 、 相关 法和特征值法对水平地层都较适合 。而对于非水平 地层 , 能量叠加法、 不考虑时移变化的功率谱法 、 特征 值都会有 问题 。为验证上述结论 , 我们对模型横 向 滑动( 水平方向窗是 5 ) 道 计算了信噪比曲线 。 同相轴越 弯 曲, 计算 的信噪 比越低 , 与建模时噪声 水平横 向不变 的事实相差很大。从 中我们 体会 到 : 同样 是 信 噪 比评 价 , 前 和叠 后 资 料应 该 采 用 不 同 叠 的计 算 方 法 ; 即使 是 叠 后 资 料 , 层 较 平 与 地 层倾 地 斜 、 皱或 扭 曲 的 , 褶 也应 该 采用 不 同的方 法去 评 价 。 号 ) ( 信噪 ( )能量叠加法 a 噪 差 —一 ( 信噪 1 0 3 O 5 O 7 O 9 ( 0 道号 ) 号 ) ( e)特征值法 图 4 构造形态对信噪 比计算方法 的影响 图 5 模型 的特 征子空间 油 气 地 球 物 理 20年 1 0 8 0月 叠加法 、 频谱 法 、 功率 谱法 、 关法物 理意义 相 都 比较 直 观 , 们 对 特 征 值 法 再 展 开 一 些 讨 论 。 我 对 于 图 2所 示 模 型 , 入 2 %幅 度 的随 机 噪 声 , 特 加 0 按 征值计算信号子空间( 5 a ) 从图 5 b ~( ) 图 () 。 ( ) d 可看 出 , 征值 对 应 的子 空 间都 是 由一组 组 水 平 同 特 相 轴 组 成 的 : 5 b) 要 反 映 的是 模 型 中间部 分 图 ( 主 的水 平 同相轴 , 占能量 最 大 ; 5 C 反 映 的是模 所 图 () 型左 边部 分 的水 平地 层 , 占能 量次 之 ; 5 d) 所 图 ( 反 映 的是 右边 弯 曲地 层 的一 部 分 水平 分 量 能量 , 际 实 参考文献 [】 李庆忠.走 向精确 勘探 的道路.北京 : 1 石油工业出版社 ,9 4 19 [] 张海瑛 , 2 2 袁超伟. 种实用的通信信号 信噪 比盲估计方法. 一 无 线 [] 王红玲 , 3 詹 毅, 张朝霞 . 地震 资料信 噪 比估算 方法 改进.物 探 化探计算技术 ,0 7 2 ( ) 19 1 1 2 0 ,9 3 :8  ̄ 9 [】 梁光河. 噪比的估算及其在提高分 辨率处理 中的应用. 4 信 石油 物探 ,9 8 3 ( :4 7 19 ,7 3) 6 ~ 1 [】 孙喜平, 5 李凌锋 , 郭振华 .地震原始记 录量化评价研究. 油天 石 然气学报 ,0 6 2 ( :7 ~ 7 2 0 ,8 3) 2 6 2 8 上在 以后 的特征空 间 ( A、 A、A…… ) 还会存在弯 曲地 层 的 分解 能量 , 是 能 量 逐 渐 变 小 , 里 不 一 只 这 展 示 ; 5 e 是 A ~A 重建 后 的结 果 , 同能量 图 () 不 一 [] 陆文凯 , 衍达. V 6 李 S D分解提高地震 资料的信噪 比和分辨率 . 石油地球物理勘探 ,9 8 3 sp :4  ̄ 4 19 ,3(u p) 15 19 的水平 同相轴段叠加后 , 视觉上的弯曲同相轴出来 了 ,实 际这 就 是 S D或 — V L变换 信 号 分解 和 重构 的物 理含 义 。从 以上 分析 及公 式 ( 6)~( 8) 1 1 的表 达, 我们 可 以看 出特 征值 法 对 于倾 斜 或 弯 曲地 层 的 [] 李振春 , 7 张军华 . 地震数据处理方法. 石油大学 出版社 ,0 4 20 [] 张广智 , 耀 , 8 印兴 吴国忱等.一种提高 K L速度和精度 的方 法. 石油物探 ,9 7 3 sp : 1~ 1 19 ,6(u p) 12 15 [] 王永刚 , 9 乐友喜 , 张军华 .地震 属性分 析技术 .山东东营 : 中 国石油大学 出版社 ,0 7 20 信噪 比估计是 “ 盲估计 ”, 理论上存 在较 大误差 。 3 认识与结论 () 1 信噪 比的定量计算有能量叠加法 、 频谱估 算法 、 功率谱估算法 、 相关法和特征值法等不同方 法 。能 量 叠加 和 相关 法 是 时域 的方法 , 频谱 估 算 法 和功率谱估算法是谱分析方法 , 它们各 自有一定的 共性 , 特征 值法 则是 另一 类 相对独 立 的分析 方法 。 () 2 对于较平地层而言 , 尤其是信噪 比较低的 资料 , 谱值法 ( 频谱 或功率谱 ) 具有较高的计算精 度, 而能量 叠加 法 、 相关 法 和特征 值法 精度 较低 。 ( )总的来说 , 3 时窗对信噪 比计算影响较小 。 比较 而 言 , 功率 谱 法 受 时 窗 大小 影 响最 小 , 他 方 其 法受 时 窗大小 影 响相对 较 大 , 但影 响程 度较 接 近 。 ( 信 噪 比也有横 向分辨能力及 精度 问题 。 于 4) 对 较平 地 层 , 数 多 了计 算 精 度 会 高 一 点 ; 于倾 斜 道 对 或弯 曲地层 , 能量 叠 加法 和 特 征值 法 计算 精 度 会 降 低 , 时 移 的相 关 、 带 频谱 法 和功率 谱法 则相 对较好 。 S Na o q a t a v ac lto n o a io f / r t u n tt e c lu a n a dc mp rs n o i i i i s imiaa es cd t Z NG Jnh a ( olgf oR suc dIfr t n HA -u C l eo Ge - eo re n omai , u e a n o C ia nvri f erlu Do g ig 2 7 6 ) hn iesyo P t e m, n yn , 5 0 1 U t o Ab t a t sr c : Fv i e me h d f r c l u a i n o / r t r t o s o a c lto f S N a i a e o su id a d d s u s d s se tc l . T e eme h d cu e t d e n ic s e y t ma i a l y h s t o si l d n e e g t c , e u n y s e tu e t to , o rs e t m n r y sa k f q e c p c r m si r ma i n p we p c r u e t t n c r ea i n a d eg n a u . si ma i , o o r lto n i e v l e Co mpai g t e rn h i fu n eo ec lu a i n o / o v ifr n t o s n l e c n t a c l t fSN f i e d fe e tme d , h o f h i i s o a , f rl w u l y s imi a a t e fe u n y t s h wn t t o h o q a i es cd t , h q e c t r s e tu a dp we p cr m si t n me h d h v i h r p c r m n o r e t s u et ma i t o a e h g e o c lu a i ga c r c . T el n t f i n o h ss l r a c l t c u a y n h g h o mewi d w a mal e t e i fu n e t h a c l t n o / r i , i h h s mi i m n e c o t e c lu a i f S N a o wh c a n mu l o t i a t o o r s e t m t o . T e S Na i lo h s mp c n p we p c r u me h d h / r to a s a h rz n ae o u i n a d p e ii n f r i p n n e d n o i o t l s l t n r c so , o p i g a d b n i g r o d ly r, aes t e a c lto a c r c o e e g sa k n h c l u a i n c u a y f n r y tc a d Th fe u n y e r q e c b n o ad f e g n au m eh d i l w. ie v le to s o () 5 资料的频带并不是影响信噪比计算的主要 因素 , 分辨率的提高与信 噪比的提高无关。 () 6 特征值法本质上是水平信号的分解和组合 , 适宜 比较平 的地 层 , 于 复杂地 层 , 对 其计算 机 理站不 住脚。 s imi a a i n t t e man f co r c lu a i g f S N e s c d t s o i a t r f a c l t o / h o n r to ai. Th n t ro i e v l e m eh d i e g o f r e au e feg n au to s t o d o h h rz n ata awi d c mp st n o l v l i n 1 I t eS N o io t l r t t e o o ii f e e g a . f h / s h o s r to i u e f r l t r l r s r o r p e i t n o a i s s d o a e a e e v i r d c i r o sn u ai ee to , o eainmeh ds o leu e . ig lrt d tcin c r lto to h udb s d y Ke wo d : s imid t , sg a—o n ie ai , s e t m, y rs e s c aa i l - o s r t n t o p cr u p we p cr m, o r l t na d e g n au . o rs e t u c r e ai n i e v l e o ( )当把信噪 比作为储层横 向预测属性 进行 7 奇异性检测 ( 识别裂缝 、 断层 、 山构造等 ) , 潜 时 要 注意方法的选择。若资料复杂 , 建议选用相关法 。

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