Метод подавления нестационарных шумов при глубинном сейсмическом зондировании с использованием мощных виброисточников Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 550.8.053

МЕТОД ПОДАВЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ШУМОВ ПРИ ГЛУБИННОМ СЕЙСМИЧЕСКОМ ЗОНДИРОВАНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНЫХ ВИБРОИСТОЧНИКОВ

Семён Александрович Елагин

Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]

Разработанный алгоритм позволяет эффективно бороться с нестационарными шумами на сейсмограммах, полученных от больших виброисточников. Применяется при работах ГСЗ и вибромониторинге.

Ключевые слова: глубинное сейсмическое зондирование, сейсморазведка, обработка цифровых сигналов, ГСЗ, фильтрация нестационарных шумов.

NON-STATIONARY NOISE REDUCTION METHOD IN DEEP SOUNDING USING BIG VIBRATORS

Semion A. Elagin

Altay-Sayan branch, Geophysical Survey of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, tel. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]

Developed method used for effective filtration of non-stationary noise seismograms from big vibrators. Filtration applied on Deep Sounding exploration and vibro-monitoring data.

Key words: deep sounding, digital signal processing, non-stationary noise filtering, vibrators, seismogram processing.

При обработке длинных (более 30 мин) сеансов от больших виброисточников, применяемых при ГСЗ и активном вибрационном мониторинге, существует задача фильтрации нестационарных шумов на повторяющихся сеансах [1]. Предлагаемый метод позволяет увеличить сигнал/шум и тем самым улучшить разрешенность коррелограмм и прослеживаемость первых вступлений на бо'льших удалениях. Алгоритм проверялся на данных ГСЗ, полученных на профиле 1СБ Северо-восточный участок в 2014 г.

Параметры системы регистрации: расстояние между приемниками - 3-6 км, расстояние между источниками - 20-35 км. Число свипов на одном вибрационном пункте возбуждения (ПВ) - 10-24 шт. при одновременной работе двух вибрационных установок.

Одним из эффективных способов подавления нестационарных шумов является фильтр Винера. Вместе с ним может быть применен предлагаемый способ подавления нестационарных шумов. Для наглядности процесса построения фильтра ("шумовой кривой") представим наблюдаемый сигнал в дальней зоне в виде:

A(t) = F(t) + N(t), (1)

где А ( t) - наблюденный сигнал, F - полезный сигнал, N - шум.

N(t)=A(t)-F(t),

допустим, что F ( t) = S{А ( t) ) , где S - следящий фильтр по рабочей частоте свипа, тогда "чистый шум" без сигнала:

N'(t)=A (t) — S (А (t) ) (3)

Получим "шумовую кривую" как огибающую N'(t) : N с( ty) = N' ( t ¿) ,

k - размер окна. Сглаживание применяем для уменьшения резких скачков и, следовательно, артефактов FFT.

А' (t) = А (t) /N с ( t) , (4)

где A' - виброграмма с пониженными шумами. Т. к. (1) и N'( t) ~ N с ( t) , то

А' (t) = F (t) /Nc (t) , (5)

т. е. "шумовая кривая" уменьшает амплитуду полезного сигнала пропорционально амплитуде широкополосного шума.

Рассмотрим упрощенный граф построения N с на рис. 1.

1. Полосовой фильтр по рабочей частоте свипа 6-12 Гц.

2. Дисперсионный фильтр ("демпфирование" при rms(A(t))>3). Дополнительно на выходе выдается матрица D, где "сработал" фильтр, которая используется на шаге 4 для построения шумовой огибающей.

3. Вычитание области полезного сигнала S (А ) из исходного А (3), в итоге получаем "чистый шум" без полезного сигнала.

4. Построение шумовой кривой

Nc.

Этап 1. Построение сглаженной огибающей

Этап 2. "Дэмпинг", или "демпфирование" самых шумных участков по матрице D (из шага 2)

5. Перемножение шумовой кривой и исходного сигнала во временной области.

Рис. 1. Граф построения и применения 6-7 Стандартна шаги обработ-

"шумовой кривой" ки.

Некоторые свойства фильтрации:

- применяется независимо к разным сеансам. Работает одинаково хорошо для разных (параметров) свипов;

- вычисленная шумовая кривая применяется к "временной области" сейсмограммы;

- требуется параметры свипа и расстояние ПП-ПВ;

- работает при любом уровне полезного сигнала;

- необходима калибровка (характеристика) регистрирующего тракта для однозначного перехода к смещениям;

- скорость вычисления сравнима с подсчетом коррелограммы (в 2-3 раза дольше). Применяемый до этого метод работал в более чем в 10 раз медленней [2];

- количество входных параметров минимально;

- менее эффективен в случае монохроматических шумов.

Характер нестационарных шумов можно оценить на рис. 2. От сеанса к сеансу участки с сильным широкополосным шумом находятся в случайных местах сейсмограммы. Из этого можно сделать предположение, что при достаточном количестве шумных сеансов можно составить один "не шумный", используя огибающие шумов.

Время, сек

Рис 2. Сейсмограммы 11 сеансов после полосовой и дисперсионной фильтрации, свип 6.5-11.5 Гц, продолжительность - 1 час, удаление 101 км (пв11, пп26). Черным - волновая форма, красным - места применения дисперсионного фильтра, белым - «шумовая» огибающая трассы

Результаты применения фильтрации в виде суммированных коррелограмм приведены на рис. 3 а) и б).

б) Удаление 200 км

Рис. 3. Сравнение результирующих суммированных коррелограмм на разных удалениях а) и б), с применением "шумовой" кривой и без применения

Видно явное подавление шумов и улучшение качества первых вступлений на различных удалениях источник-приемник. Для дальнейшего улучшения суммы применяются дополнительные методы "выбраковки" шумных коррело-грамм.

Предлагаемый метод позволяет эффективно подавлять нестационарные шумы, улучшая качество и дальность получаемых коррелограмм от вибрационных источников. Качественная эффективность метода подтверждается на полевых материалах ГСЗ 2014 года, но количественную оценку эффективности предстоит уточнять на моделировании при разных уровнях шума. Метод может применяться при активном вибромониторинге земной коры [3, 4].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Селезнев В.С., Соловьев В.М., Еманов А.Ф., Сальников А.С., Чичинин И.С., Кашун В.Н., Романенко И.Е., Елагин С.А., Лисейкин А.В., Шенмайер А.Е., Сережников Н.А., Максимов М.А. Глубинные вибросейсмические исследования на Дальнем востоке России // Проблемы информатики. - 2013. - №3 (20). - С. 30-41.

2. Романенко И.Е, Елагин С.А., Выделение участков полезного сигнала в виброграммах на фоне нестационарного шума (для суммирования коррелограмм по частям при работах ГСЗ с виброисточником ЦВ-40). // 50 лет сейсмологического мониторинга Сибири: тезисы докладов Всерос. конф. с междунар. участием (21-25 октября 2013 г., Новосибирск). - Новосибирск: Полиграфика, 2013.

3. Соловьев В.М., Селезнев В.С., Еманов А.Ф., Кашун В.Н., Елагин С.А., Романенко И.Е., Шенмайер А.Е., Сережников Н.А. Методика и результаты режимных вибросейсмических наблюдений в Алтае-Саянском регионе // X Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014». Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.

4. Соловьев В. М., Селезнев В.С., Еманов А.Ф., Кашун В.Н., Елагин С.А., Романенко И.Е., Шенмайер А.Е., Сережников Н.А., Галева Н.А. Режимные вибросейсмические наблюдения в Алтае-Саянскеом регионе: методика, результаты, перспективы. // 50 лет сейсмологического мониторинга Сибири: тезисы докладов Всерос. конф. с междунар. участием (21-25 октября 2013 г., Новосибирск). - Новосибирск: Полиграфика, 2013. - С. 214-217.

© С. А. Елагин, 2015