一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法技术

本发明专利技术公开一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法：01：根据有效信号波形形态特征与光缆耦合噪声波形形态特征确定形态成分分析所使用的两种变换字典，并构成超完备字典；02：使用分块坐标松弛算法对原始地震记录数据进行单道处理，实现信噪分离，得到初步压噪后数据；03：对初步压噪噪声进行高通滤波处理，原始数据减去高通滤波后噪声数据得到有效信号数据，消除波散现象；重复步骤02‑03直到所有道数据处理完成。本发明专利技术解决了分布式光纤采集记录地震数据中光缆耦合噪声的干扰问题，达到了彻底地压制光缆耦合噪声。此外，本发明专利技术方法可以进行单炮处理，具有良好的自适应性，并且可以并行处理，满足工业上大规模计算需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法
本专利技术涉及信号处理领域，特别涉及一种有关于地震勘探领域中的光缆耦合噪声压制方法。
技术介绍
20世纪70年代以来，随着光导纤维以及光纤传感技术的巨大发展，光纤在通信传感领域取得到了广泛应用。分布式光纤传感技术利用光纤自身特性把光纤作为敏感元件，分辨率高、误差小，且测量距离远，可实现远距离测量与监控，特别适用于大范围多点测量，可以准确测量出光纤沿线上每一点的温度、振动以及损伤等信息。与传统传感器相比，分布式光纤具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温高压、体积小、易弯曲以及集信息采集与传输为一体的优点，非常适合于一些传统传感器受到限制的领域。在垂直地震资料采集过程中，油气井所处外界以及井内部环境复杂，温度、压强较高，采集位置较深，采用普通的电类传感已经不能满足要求，而分布式光纤技术可以有效地解决这些问题，并得到了广泛应用。分布式光纤技术采集得到的垂直地震剖面(VSP)数据的质量已经足够满足在成像、地层检测等方面的应用，而且由于生产成本较低，在工业上逐渐得到广泛应用。但是，由于分布式光缆在采集传感与传输过程中没有贴靠到井壁上并受到随机振动事件的影响，导致产生强烈的振荡，而且振荡波的接触点在整个观测过程中相当稳定，因此在采集记录数据中受到强烈的光缆耦合噪声干扰，降低了地震数据的信噪比，影响数据的后续分析处理。现有技术：模拟噪音减去法。该方法自动识别噪声道，确定含有噪声的接收道范围；然后提取子波，提取反射系数，并计算子波与反射系数褶积得到模拟噪声并减去。现有技术的缺点：(1)该方法需要识别噪声道，有时会检测不到弱光缆耦合噪声的个别道数据。(2)该方法是基于得到模拟噪声并减去，而不同道地震数据的耦合噪声形态是复杂的，因此有时会导致去噪不彻底或者对有效信号造成损伤。因此，提出一种有效压制分布式光纤采集资料中光缆耦合噪声的方法对于分布式光纤技术的进一步发展应用具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法。本专利技术根据分布式光纤系统中光缆耦合噪声产生原理以及有效信号与耦合噪声时频特征的差异性，选取连续小波变换稀疏表示有效信号，选取全局离散余弦变换稀疏表示光缆耦合噪声，并将这两类波形形态字典构造成超完备字典，利用分块坐标松弛算法进行求解。对分离的噪声做高通滤波，并减去得到有效信号，最终得到压制光缆耦合噪声后的数据。其中截止频率是在分析光缆耦合噪声的频谱分布后确定的。一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法，对地震记录信号实施步骤01-步骤03：步骤01：根据地震记录信号中有效信号波形形态特征与光缆耦合噪声波形形态特征确定形态成分分析所使用的两种变换字典，并构成超完备字典；步骤02：对地震记录信号的原始数据进行单道处理，实现信噪分离，得到初步压噪后数据；步骤03：根据光缆耦合噪声的统计信息，确定噪声高通滤波截止频率，并对噪声做高通滤波，原始数据减去高通滤波后噪声数据得到有效信号数据，消除波散现象；重复步骤02-03直到所有道数据处理完成。进一步的，步骤01中根据有效信号波形形态特征与噪声波形形态特征确定形态成分分析的两种变换字典，有效信号选择小波变换字典，光缆耦合噪声选择全局离散余弦变换字典，并构成超完备字典：选择连续小波变换作为稀疏表示有效信号的字典，其中连续小波变换为：式中WTx(a,τ)为变换系数，a表示尺度因子，x(t)表示待分析信号，ψ(t)表示Morlet母小波；其中t为时间，τ为平移量，*表示共轭。连续小波变换的反变换为：式中常数CΨ＜∞为其容许条件。选择全局离散余弦变换作为稀疏表示光缆耦合噪声的字典，其中全局离散余弦变换的定义：式中DCT(u)表示待分析信号的全局离散余弦变换系数，x[n]表示待分析信号，u＝1...N-1，n＝0...N-1，N为数据采样点长度。全局离散余弦变换的反变换为：用选定的字典A1即连续小波变换和A2即全局离散余弦变换，构成超完备字典，稀疏表示信号计算稀疏表示系数：式中：x1为重构系数中与A1对应的部分；x2为重构系数中与A2对应的部分；为拉格朗日乘子。进一步的，步骤02中使用分块坐标松弛算法对对原始地震记录数据进行单道处理，实现信噪分离，得到初步压噪后数据，具体包括以下步骤：首先假设有效信号与光缆耦合噪声信号初始值都为零，然后通过分块坐标松弛算法迭代得到分离的有效信号与光缆耦合噪声。分块坐标松弛算法的主要步骤为：初始化：初始迭代步数k＝0，初始解表示有效信号的系数初始解，表示光缆耦合噪声的系数初始解；迭代：每步迭代k增加1，并计算：式中，Tλ为硬阈值函数；与A1构成一对正反变换，与A2构成一对正反变换。终止条件：当小于预设的值时，即继续迭代对结果的影响足够小时，迭代终止；输出：为分离的有效信号的变换系数，为分离的光缆耦合噪声的变换系数。分块坐标松弛算法迭代阈值函数类型为硬阈值，其中硬阈值函数公式如下：式中：为硬阈值函数，λ为硬阈值，为系数矩阵的元素，k＝1,2,...,N，且N为系数矩阵的尺寸。进一步的，步骤03中对噪声做高通滤波处理，原始数据减去滤波后噪声，得到有效信号数据，消除波散现象：由于分块坐标松弛算法的局限性，迭代终止得到的光缆耦合噪声数据中含有有效信号成分，对有效信号造成损伤。通过抽取若干道含有光缆耦合噪声的数据道分析振幅谱，统计得到噪声的低频范围，并将此作为截止频率，对光缆耦合噪声数据做此截止频率下的高通滤波，使有效信号从噪声数据中过滤出来。原始数据减去滤波后的光缆耦合噪声数据，得到最终分离的有效信号。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：利用本专利技术的方法对分布式光纤记录数据进行光缆耦合噪声压制，不仅能够有效的压制光缆耦合噪声，而且有效信号具有较高保真性。此外，该专利技术方法适用于单炮集处理，具有很强的自适应性，可以并行处理，因此适用于大规模的工业应用。附图说明图1A为分布式光纤记录地震信号波形图；图1B为分布式光纤记录地震信号归一化振幅谱图；图1C为分布式光纤记录地震信号时频图；图2A为有效信号的时域波形图；图2B为光缆耦合噪声的时域波形图；图3A为连续小波变换原子示意图；图3B为全局离散余弦变换原子示意图；图4为本专利技术方法处理数据的流程图；图5A-5C为含有光缆耦合噪声的数据归一化振幅谱图；图6A为分布式光纤记录原始数据；图6B为初步压制光缆耦合噪声后得到的有效信号数据；图6C为对噪声高通滤波然后原始数据减去噪声数据得到的有效信号数据；图6D为分离出的光缆耦合噪声；图7为单道数据压噪前后的时域波形图；图8A为单道数据压噪前的归一化振幅谱；图8B为图8A所示数据压噪后的归一化振幅谱；图8C为图8A所示数据分离出的光缆耦合噪声的归一化振幅谱；图9A为单道数据压噪前的时频谱；图9B为图9A所示数据压噪后的时频谱；图9C为图9A所示数据分离出的光缆耦合噪声的时频谱。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。本专利技术是基于时频域稀疏优化的分布式光纤光缆耦合噪声分离方法。本专利技术根据分布式光纤记录中有效信号与光缆耦合噪声时频特征差异性，选取连续小波变换稀疏表示有效信号，全局离散余弦变换稀疏表示光缆耦合噪声，并将这两类波形形态字典构造成超完备字典，利用分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法，其特征在于，对地震记录信号实施步骤01‑步骤03：步骤01：根据波形形态特征，确定分别稀疏表示地震记录信号中有效信号与光缆耦合噪声的两种字典，并构成超完备字典；步骤02：使用分块坐标松弛算法对原始地震记录数据进行单道处理，实现信噪分离，得到初步压噪后数据；步骤03：对初步压噪得到的噪声进行高通滤波处理，原始数据减去高通滤波后噪声数据得到有效信号数据，以消除波散现象；重复步骤02‑03直到所有道数据处理完成。

【技术特征摘要】
1.一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法，其特征在于，对地震记录信号实施步骤01-步骤03：步骤01：根据波形形态特征，确定分别稀疏表示地震记录信号中有效信号与光缆耦合噪声的两种字典，并构成超完备字典；步骤02：使用分块坐标松弛算法对原始地震记录数据进行单道处理，实现信噪分离，得到初步压噪后数据；步骤03：对初步压噪得到的噪声进行高通滤波处理，原始数据减去高通滤波后噪声数据得到有效信号数据，以消除波散现象；重复步骤02-03直到所有道数据处理完成。2.如权利要求1所述的一种基于时频域稀疏优化的光缆耦合噪声压制方法，其特征在于，步骤01，包括：形态成分分析的对象是含有两种具有不同形态特征的成分：式中：表示待分析信号；表示信号中的两种成分，具有不同的形态特征；形态成分分析的目标是分别提取出两种成分；假设和能够分别由字典A1和A2有效的稀疏表示，但是用A2稀疏表示和用A1稀疏表示时稀疏性差；选择连续小波变换作为稀疏表示有效信号的字典，其中连续小波变换为：式中WTx(a,τ)为待分析信号的连续小波变换系数，a表示尺度因子，x(t)表示待分析信号，ψ(t)表示Morlet母小波，t为时间，τ为平移量，*表示共轭；连续小波变换的反变换为：式中常数CΨ＜∞为其容许条件；构造全局离散余弦变换作为稀疏表示光缆耦合噪声的字典，其中全局离散余弦正变换为：式中DCT(u)表示待分析信号的全局离散余弦变换系数，x[n]表...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文超，陈建友，王晓凯，王伟，李祥芳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61