本公開涉及地震勘探資料處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法及裝置。

背景技術(shù)：

在地震勘探中，地震數(shù)據(jù)的頻譜分析是現(xiàn)代信號(hào)處理與分析中的重要手段之一。頻譜分析是指將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律。將時(shí)域信號(hào)變換至頻率域，其目的是把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，從而獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息。

分辨率是分辨一個(gè)給定的地震剖面細(xì)節(jié)特征的能力。對(duì)于3d地震資料來說，地震資料分辨率包括縱向(時(shí)間上的)分辨率和橫向(空間上的)分辨率?？v向分辨率主要取決于地震信號(hào)的頻率，為了更好地分辨薄層，需要較寬的頻帶。由于大多數(shù)實(shí)際地震資料頻帶范圍較窄，因此需要符合地質(zhì)規(guī)律且有效的拓頻方法對(duì)地震資料進(jìn)行頻帶拓寬處理。常規(guī)處理方法中反褶積處理方法(如用于壓縮子波的脈沖反褶積等)一般多用于拓展高頻地震資料(有時(shí)也可以拓展低頻地震資料)?？偟膩碚f，這些方法存在兩個(gè)弊端：一是引入相當(dāng)多的高頻噪音；二是拓展的頻寬一般均小于一個(gè)倍頻程。同時(shí)拓寬地震信號(hào)的高頻端和低頻端的拓頻技術(shù)一直是地震資料采集和處理所追求的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的目的是提供一種拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法及裝置，其針對(duì)地震資料頻帶范圍較窄、分辨率較低的問題，基于單道地震數(shù)據(jù)，對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行拓頻，能夠同時(shí)拓寬地震信號(hào)的高頻端和低頻端，拓頻后能有效提高地震數(shù)據(jù)分辨率，同時(shí)還能保持原始信號(hào)的基本特征。

本公開的一方面提供一種拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法，包括以下步驟：

步驟1：對(duì)時(shí)間域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻率域單道地震數(shù)據(jù)；

步驟2：計(jì)算所述頻率域單道地震數(shù)據(jù)的振幅；

步驟3：對(duì)所述振幅進(jìn)行擬合與平滑處理，獲得擬合曲線，計(jì)算所述擬合曲線最大值；

步驟4：基于所述擬合曲線和擬合曲線最大值計(jì)算單道拓頻濾波算子；

步驟5：在頻率域，基于所述單道拓頻濾波算子計(jì)算經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)；

步驟6：對(duì)經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反傅里葉變換。

優(yōu)選地，基于以下公式計(jì)算單道拓頻濾波算子：

其中，f(w)表示所述單道拓頻濾波算子，amp'(w)表示所述擬合曲線，ampmax'(w)表示所述擬合曲線最大值，ε表示拓頻控制因子。

優(yōu)選地，ε的取值范圍在0.01至1之間。

優(yōu)選地，基于以下公式計(jì)算經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)：

f1(w)＝fr1(w)+ifi1(w)

其中，

fr1(w)＝fr(w)×f(w)

fi1(w)＝fi(w)×f(w)

其中，f1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)，f(w)表示所述單道拓頻濾波算子，fr(w)表示所述頻率域單道地震數(shù)據(jù)的實(shí)部，fi(w)表示所述頻率域單道地震數(shù)據(jù)的虛部，fr1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)的實(shí)部，fi1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)的虛部。

本公開的另一方面提供一種拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的裝置，包括：

傅里葉變換模塊，用于對(duì)時(shí)間域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻率域單道地震數(shù)據(jù)；

頻率域計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述頻率域單道地震數(shù)據(jù)的振幅；

擬合模塊，用于對(duì)所述振幅進(jìn)行擬合與平滑處理，獲得擬合曲線，計(jì)算所述擬合曲線最大值；

濾波算子確定模塊，用于基于所述擬合曲線和擬合曲線最大值計(jì)算單道拓頻濾波算子；

拓頻計(jì)算模塊，用于在頻率域，基于所述單道拓頻濾波算子計(jì)算經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)；

傅里葉反變換模塊，用于對(duì)經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反傅里葉變換。

優(yōu)選地，所述濾波算子確定模塊基于以下公式計(jì)算單道拓頻濾波算子：

其中，f(w)表示所述單道拓頻濾波算子，amp'(w)表示所述擬合曲線，ampmax'(w)表示所述擬合曲線最大值，ε表示拓頻控制因子。

優(yōu)選地，ε的取值范圍在0.01至1之間。

優(yōu)選地，所述拓頻計(jì)算模塊基于以下公式計(jì)算經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)：

f1(w)＝fr1(w)+ifi1(w)

其中，

fr1(w)＝fr(w)×f(w)

fi1(w)＝fi(w)×f(w)

其中，f1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)，f(w)表示所述單道拓頻濾波算子，fr(w)表示所述頻率域單道地震數(shù)據(jù)的實(shí)部，fi(w)表示所述頻率域單道地震數(shù)據(jù)的虛部，fr1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)的實(shí)部，fi1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)的虛部。

本公開的有益效果在于：(1)可以實(shí)現(xiàn)高頻端和低頻端的同時(shí)拓寬；(2)可以通過拓頻控制因子有效控制拓頻，避免產(chǎn)生假象和高頻噪聲；(3)由于以原始數(shù)據(jù)的頻譜作為約束，可以最大程度的保持原有信號(hào)的主頻特征，減少信號(hào)畸變。

附圖說明

通過結(jié)合附圖對(duì)本公開示例性實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實(shí)施例中，相同的參考標(biāo)號(hào)通常代表相同部件。

圖1示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法的流程圖；

圖2(a)至圖2(d)顯示根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法的應(yīng)用示例，其中圖2(a)顯示原始雷克子波，圖2(b)顯示應(yīng)用根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法進(jìn)行拓頻處理后的子波，圖2(c)顯示原始雷克子波頻譜，圖2(d)顯示拓頻處理后的子波頻譜；

圖3(a)和圖3(b)分別顯示應(yīng)用示例中的地震資料原始剖面和經(jīng)過拓頻處理后的剖面；

圖4(a)和圖4(b)分別示出圖3(a)和圖3(b)的波形顯示；以及

圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)分別顯示應(yīng)用示例中的地震資料原始剖面頻譜、經(jīng)過拓頻處理后的剖面頻譜和處理前后剖面頻譜疊合對(duì)比結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的優(yōu)選實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開的優(yōu)選實(shí)施例，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

在信號(hào)處理領(lǐng)域，通過傅里葉變換和傅里葉反變換可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)在時(shí)間域和頻率域之間的轉(zhuǎn)換。在頻率域，傅里葉變換的典型用途是將信號(hào)分解成振幅譜——顯示與頻率對(duì)應(yīng)的幅值大小，橫軸一般為頻率，縱軸為振幅。當(dāng)原始地震信號(hào)低頻化時(shí)，在頻率域表現(xiàn)為子波主頻小、頻帶較窄，因而具有較低的分辨率，將不利于信號(hào)的分析和進(jìn)一步的地震解釋工作。

針對(duì)上述問題，本公開提出一種拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法，其基于單道地震數(shù)據(jù)，將地震數(shù)據(jù)變換到頻率域，并以該道地震數(shù)據(jù)的頻譜特征作為約束，構(gòu)建拓頻濾波算子，然后將拓頻濾波算子作用于原始數(shù)據(jù)頻譜來實(shí)現(xiàn)原始單道地震數(shù)據(jù)的拓頻處理。

圖1示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法的流程圖，其包括以下步驟：

步驟1：對(duì)時(shí)間域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻率域單道地震數(shù)據(jù)

以f(t)表示時(shí)間域單道地震數(shù)據(jù)，以f(w)表示頻率域單道地震數(shù)據(jù)，根據(jù)傅里葉變換，即有：

頻率域單道地震數(shù)據(jù)f(w)也可表述為公式(2)：

f(w)＝fr(w)+ifi(w)(2)

其中，fr(w)為頻率域單道地震數(shù)據(jù)f(w)的實(shí)部，fi(w)為頻率域單道地震數(shù)據(jù)f(w)的虛部。

步驟2：計(jì)算頻率域單道地震數(shù)據(jù)的振幅

頻率域單道地震數(shù)據(jù)f(w)的振幅表述為公式(3)，其相位可表述為公式(4)：

其中amp(w)表示頻率域單道地震數(shù)據(jù)f(w)的振幅，tan(θ)表示頻率域單道地震數(shù)據(jù)f(w)的相位。

步驟3：對(duì)振幅進(jìn)行擬合與平滑處理，獲得擬合曲線，計(jì)算擬合曲線最大值

對(duì)振幅amp(w)進(jìn)行擬合處理，例如可采用基于誤差最小的多項(xiàng)式擬合法進(jìn)行擬合處理，然后進(jìn)行平滑處理，得到平滑的擬合曲線amp'(w)。通過進(jìn)行擬合與平滑處理，可以得到振幅譜的振幅包絡(luò)，便于求取最大值，消除局部極值的干擾。

通過公式(5)計(jì)算擬合曲線amp'(w)的最大值ampmax'(w)：

ampmax'(w)＝argmax(amp'(w))(5)

步驟4：基于擬合曲線和擬合曲線最大值計(jì)算單道拓頻濾波算子，作為單道濾波器

根據(jù)公式(6)計(jì)算單道拓頻濾波算子：

其中，參數(shù)ε為拓頻控制因子，取值范圍在0.01至1之間，其值越小頻譜的頻帶展寬越大，但頻帶展寬過大會(huì)引入假象和高頻噪聲，ε的具體取值可根據(jù)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)測試確定。

步驟5：在頻率域，基于單道拓頻濾波算子計(jì)算經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)

在頻率域，根據(jù)公式(7)和公式(8)將拓頻濾波算子分別作用于頻率域單道地震數(shù)據(jù)f(w)的實(shí)部和虛部：

fr1(w)＝fr(w)×f(w)(7)

fi1(w)＝fi(w)×f(w)(8)

其中，fr1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)的實(shí)部，fi1(w)表示經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)的虛部。

那么，經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)f1(w)可以表述為公式(9)：

f1(w)＝fr1(w)+ifi1(w)(9)

步驟6：對(duì)經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反傅里葉變換，得到經(jīng)過拓頻的時(shí)間域單道地震數(shù)據(jù)

經(jīng)過拓頻的時(shí)間域單道地震數(shù)據(jù)表述為公式(10)：

根據(jù)上述方法，可以對(duì)所有處理道進(jìn)行步驟1到步驟6的處理，從而對(duì)所有道的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率拓寬。

本公開還提供一種拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的裝置，根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的裝置包括：

傅里葉變換模塊，用于對(duì)時(shí)間域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻率域單道地震數(shù)據(jù)；

頻率域計(jì)算模塊，用于計(jì)算頻率域單道地震數(shù)據(jù)的振幅；

擬合模塊，用于對(duì)振幅進(jìn)行擬合與平滑處理，獲得擬合曲線，計(jì)算擬合曲線最大值；

濾波算子確定模塊，用于基于擬合曲線和擬合曲線最大值計(jì)算單道拓頻濾波算子；

拓頻計(jì)算模塊，用于在頻率域，基于單道拓頻濾波算子計(jì)算經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)；

傅里葉反變換模塊，用于對(duì)經(jīng)過拓頻的頻率域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反傅里葉變換。

應(yīng)用示例

圖2顯示了根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法的應(yīng)用示例，其中圖2(a)顯示原始雷克子波，圖2(b)顯示應(yīng)用根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法進(jìn)行拓頻處理后的子波，圖2(c)顯示原始雷克子波頻譜，圖2(d)顯示拓頻處理后的子波頻譜。

在該示例中，選取主頻為30hz的雷克子波，采樣點(diǎn)數(shù)為101，采樣率為4ms。在拓頻處理中，選擇拓頻控制因子ε＝0.1。

對(duì)比圖2(a)與圖2(b)可以看出，經(jīng)過拓頻處理后，提高了子波的分辨率，同時(shí)子波旁瓣和原始子波旁瓣保持了很好的一致性，沒有產(chǎn)生畸變和噪聲干擾。對(duì)比圖2(c)和圖2(d)可以看出，處理后子波頻譜保持了原始子波頻譜特征，同時(shí)頻帶得到有效拓寬。

圖3(a)和圖3(b)分別顯示應(yīng)用示例中的地震資料原始剖面和經(jīng)過拓頻處理后的剖面，圖4(a)和圖4(b)分別示出圖3(a)和圖3(b)的波形顯示。

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)顯示的剖面可以看出，經(jīng)過拓頻處理后剖面同相軸連續(xù)性增強(qiáng)，同相軸波形變“瘦”，表現(xiàn)為分辨率提高，處理后波形一致性問題得到一定程度的改善。圖4中的波形顯示更直觀地體現(xiàn)了處理前后的效果對(duì)比。

圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)分別顯示應(yīng)用示例中的地震資料原始剖面頻譜、經(jīng)過拓頻處理后的剖面頻譜和處理前后剖面頻譜疊合對(duì)比結(jié)果。

從圖5(c)的頻譜疊合對(duì)比結(jié)果可以看出，應(yīng)用根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法進(jìn)行拓頻處理后，保持了原始數(shù)據(jù)的主頻以及頻譜特征，數(shù)據(jù)頻帶得到很好的展寬，同時(shí)避免了產(chǎn)生高頻噪聲對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

本公開的理論模型及實(shí)際地震數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)示例性實(shí)施例的拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶的方法有效提高了地震數(shù)據(jù)的分辨率，保持了原始數(shù)據(jù)的基本頻譜特征，同時(shí)避免了噪聲干擾的產(chǎn)生和信噪比的降低，是一種符合地質(zhì)規(guī)律且有效的地震數(shù)據(jù)拓頻方法。

上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開的原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實(shí)施例的描述，因此前面的描述只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。