CC BY
8
УДК 550.8.053
ПОДАВЛЕНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ ОПЕРАТОРА КОРРЕКТИРУЮЩЕГО ФИЛЬТРА, РАССЧИТАННОГО ПО ДЛИТЕЛЬНЫМ СЕЙСМИЧЕСКИМ ЗАПИСЯМ ПРИ РАБОТАХ НА ПРОФИЛЯХ ГСЗ
Илья Евгеньевич Романенко
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая Геофизическая Служба РАН», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]
В работе используется метод подавления резонансного усиления сигнала на сейсмических записях путем построения корректирующего фильтра посредствам выделения стационарной составляющей спектра зарегистрированных колебаний. Для оценки берется критерий расчета распределения спектральной плотности мощности, используемый в открытой библиотеке Obspy.
Ключевые слова: резонанс, стационарный шум, ГСЗ, распределение спектральной плотности мощности, корректирующий фильтр.
SUPPRESSING RESONANT STATIONARY COMPONENT
OF THE SIGNAL BY A COMPENSATING FILTER OPERATOR, CALCULATED
ON A LONG SEISMIC RECORDS OBTAINED AT THE DSS PROFILES
Ilya E. Romanenko
Altay-Sayan Branch of Federal Research Center of «Geophysical Survey of Russian Academy of Science, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Research Scientist, tel. (383)333-25-35, e-mail: [email protected].
In this article we use the suppression method of the resonance signal amplification on the seismic records by developing a correction filter by isolation a spectrum stationary component of the recorded signal. For estimation used the design criteria for the power spectral density distribution used in open Obspy library.
Key words: resonance, stationary noise, DSS, power spectral density distribution, corrective
filter.
Введение
Комплексные геофизические исследования на востоке России выполняются Роснедра с 2001 года [1]. Одним из методов, входящих в состав сейсмических исследовании, является метод ГСЗ с использованием взрывных и вибрационных источников [2].
В силу специфики работ ГСЗ характер наблюдения на точке схож с наблюдениями на временных станциях при регистрации землетрясений. Сейсмический профиль растянут на несколько сот километров (до 1000 км), запись на каналах регистрации ведется практически непрерывно, и продолжительность их достигает нескольких месяцев. Такие наблюдения дают возможность следить за
изменениями в шумовой обстановке на точке. По форме спектра и его изменениям во времени можно судить об условия установки оборудования.
На сейсмических записях можно наблюдать всевозможные виды помех [2, 3]. В этой статье рассмотрим стационарный шум и, в частности, неаддитивную резонансную помеху.
Особенности изменения сигнала в точке приема
При наблюдениях за поведением спектров при работах ГСЗ для некоторых точек было замечено неравномерное усиление по частотам для принимаемых колебаний. Такие изменения происходят в широкой полосе частот, от 2 до 20 Гц. Излучаемый сигнал регистрировался со значительными искажениями, с резкими изменениями в спектральной характеристике, в том числе на небольших базах наблюдения.
Для иллюстрации того, что повышение уровня стационарного шума имеет иногда резонансный эффект, обратимся к спектрограмме записи от системы виброисточников. Рассмотрим точку Я062Л1 профиля ГСЗ 2015 года. Она была установлена на террасе р. Витим на удалении 110 км от источника. Четыре датчика подключены через сейсмическую косу к регистратору и расположены между собой примерно через 250-300 метров по линии профиля. На рис. 1 показаны второй и третий каналы регистрации.
Рис. 1. Пример резонансного эффекта при регистрации записи от виброисточника. А и В - исходные данные 2-го и 3-го канала регистратора на точке Я062Л1, Б и Г - результат обработки
Несмотря на то, что запись представлена в логарифмическом масштабе по амплитуде, виден значительный подъем стационарного шума и усиление принимаемого сигнала на 3-м канале регистрации. Этот рисунок показывает, что механизм изменения колебаний носит резонансный характер и при моделиро-
вании среды проявляется в качестве оператора свертки во временной области. Представив геологическую среду как линейную систему [4], имеем: Ь(£) - сигнал на входе линейной системы, к(£) - импульсная характеристика среды, п(£) - случайные помехи. На выходе имеем регистрацию записи: f(t) = Ь(Ь)фк(Ь) + п(1). Для случая с появлением резонансной составляющей г(1) имеем два возможных варианта: = либо
f(t) = Ь^фк^фг^) + п(1). Перед выбором модели формирования резонанса необходимо найти причину его возникновения. В данной статье ограничимся упрощением модели. Пренебрегая проявлением нестационарного шума, имеем
ЯО = ад©ад©г(о.
Для последующего анализа амплитуд волновых форм и обработки данных проявление неаддитивного стационарного шума необходимо исключить. Появление такого эффекта может быть связано либо с искажениями регистрирующей аппаратуры, либо с геологическими условиями установки оборудования. Для понимания природы появления широкополосного резонанса необходимо проводить дополнительные эксперименты.
Способы борьбы с искажением сигнала в точке приема
Для восстановления истинной формы измененного сигнала воспользуемся алгоритмом спектрального подавления. Для этого построим корректирующий фильтр. Необходимо:
1) оценить постоянную составляющую спектра принимаемых колебаний;
2) выбрать модель для приведения;
3) рассчитать отношение спектра модели привидения к спектру стационарной части спектра записи.
Для расчетов будем использовать длительные записи с регистраторов на точках приема.
Чтобы точнее оценить стационарную часть спектра записи, недостаточно воспользоваться простым осреднением значений спектра, так как во время записей происходят значительные кратковременные широкополосные всплески, связанные с помехами природного характера. Нестационарные шумы вносят сильные искажения и не дают с достаточной точностью приблизиться к значениям спектра стационарного шума посредствам обычного усреднения. Более точная оценка спектра связана с необходимостью отсеивания многократных нестационарных помех. Для того чтобы избежать процесса выборки записей с минимальным шумом, воспользуемся расчетом распределения спектральной плотности мощности сигнала (СПМ), используемого в библиотеке Obspy и в качестве стационарной составляющей спектра, возьмем максимально вероятные значения этого распределения по каждой частоте.
Приведем график, на котором посчитана максимально вероятная СПМ че-тырехканальной точки регистрации (рис. 2, а). Расчет охватывал весь период полевых работ. Регистраторы на точках вели запись в ночное время суток в те-
чение 3 месяцев. Представленная точка является хорошим примером получаемых записей. Несмотря на то, что расстояния между каналами составляют около трехсот метров, графики имеют существенные различия: 1-й и 2-й каналы описывают идентичную картину, без видимых сильных подъемов в спектре, 3-й канал имеет высокий пик с поднятием более чем на 30 Дб в окрестности 10 Гц. Общий уровень спектра на 4-м канале поднимается от 2 ГЦ и плавно опускается после 10 Гц.
Для того чтобы проследить изменения максимума распределения СПМ и убедиться в том, что его значения не изменяются (в пределах погрешности) на наблюдаемом интервале, произведем расчет на относительно коротких временных интервалах. Окно возьмем равное трем часам записи. На рис. 2, б показаны изменения максимума распределения СПМ во времени. Изменения незначительные, кроме того, после построения таких рядов можно брать записи с наиболее стабильными значениями максимума распределения СПМ.
Рис. 2. Примеры графиков максимально вероятной СПМ, А) Точка Я062Л1 ГСЗ 2015 год, 4-е канала регистрации; Б) Точка Я062Л1, 3-й канал, изменения СПМ во времени
После нахождения максимально вероятной СПМ нам необходимо выбрать уровень привидения сигнала, для этого подойдет частотная характеристика системы регистрации, обозначим ее 5г(ю). Уровень расположения ее СПМ представлен на рис. 2, а пунктирной линией. Теперь рассчитываем отношение СПМ модели привидения к СПМ помехи 5г(ю)2/ 5п(ю)2. Далее для удаления влияния стационарных составляющих необходимо:
1) найти спектр принимаемых на точке колебаний;
2) умножить спектр на отношение У 5г(ю)2/ 5п(ю)2 ;
3) сделать обратное преобразование Фурье и восстановить неискаженный сигнал.
Обратимся снова к точке, СПМ которой представлена на рис. 2. Сравним исходные записи от взрывов со 2-го и 3-го каналов (рис. 3, а).
Рис. 3. Применение корректирующего фильтра к записям от взрывов: сверху 2-й канал без резонансного эффекта; снизу 3-й канал с резонансным усилением 30 дБ на частотах от 9 до 11 Гц
Резкие пики в области целевых частот, показанные на рис. 2, значительно влияют на форму принимаемых колебаний на 3-м канале регистрации. Трудно разделять волны в узком диапазоне частот, усиленных резонансом. Значения отчетов на порядок превосходит уровень сигнала на канале 2. Хорошо заметно преобладание частот в полосе 9-11 Гц.
На рис. 3, б представлен результат обработки записи от взрыва с регистратора на точке Я062Л1, 2-й и 3-й каналы. Как и предполагалось, после корректирующей фильтрации запись на канале 2 претерпела минимальные изменения, поскольку, как мы наблюдали выше, максимум амплитудно-частотного распределения СПМ ровный и не имеет амплитудных всплесков. Для 3-го канала регистратора имеем хорошо заметные амплитудно-частотные преобразования. Волновая картина после выравнивания спектра схожа с каналом 2, расположенным на удалении 280 м.
Заключение
Выбранный метод построения корректирующего фильтра хорошо восстанавливает истинную форму сигнала, измененную посредством широкополосного резонанса. Однако такой подход подавляет все виды стационарной помехи и может внести искажения в полезный сигнал. Например, монохроматические помехи, вызванные в том числе и аппаратной частью, давятся предложенным подходом неэффективно, поскольку окно расчета спектра выбирается для широкополосного шума. Для применения предложенного метода необходимо убедиться в характере присутствующих в записи стационарных помех.
Кроме того, для понимания природы возникновения широкополосного резонансного усиления необходимо провести ряд дополнительных экспериментов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Строение земной коры в сечении опорного профиля 2-ДВ по данным ГСЗ /
B.Л. Кузнецов, А.С. Сальников, В.С. Старосельцев и др. // Ежеквартальный научно-технический журнал Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2010. - № 2. -
C. 21-30.
2. Сейсмические исследования земной коры Западной Сибири / С.В. Крылов,
A.Л. Рудницкий, Б.П. Мишенькин и др. // Глубинные сейсмические исследования в Западной Сибири: сб. науч. трудов. - М.: Наука, 1970. - С. 67-114.
3. О некоторых приёмах повышения качества вибрационных записей при работах ГСЗ на опорных профилях на востоке России / В.М. Соловьев, И.Е. Романенко, С.А. Елагин,
B.Н. Кашун // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2012. - № 1(9). -
C. 86-95.
4. Гольдин С.В. Линейные преобразования сейсмических сигналов. - М.: Недра, 1974. - 352 с.
© И. Е. Романенко, 2017
