一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法技术

本发明专利技术属于隧道超前地质预报中的波场分离和随机噪声的压制挤技术领域，具体地而言为一种基于KL‑DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法，包括：从采集的地震记录中选取包含目标信号的矩形时窗；通过互相关的方法计算出各道记录与第一道记录的时延参数；以第一道记录为基准将目标信号的同相轴校平；采用均匀加权方式对校平的目标信号进行叠加处理；对叠加后的记录通过KL变换方法提取相干信号；通过反时延校正得到正确位置的目标信号。解决难以分离出有效波信号，进而无法进行远距离、高精度的隧道超前探测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法
本专利技术属于隧道超前地质预报中的波场分离和随机噪声的压制挤
，具体地而言为一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法。
技术介绍
TSP是采用多点激发、单点接收的多波多分量、高分辨率地震反射波探测技术，是隧道超前地质预报中的常用方法。然而TSP采集系统在接收到目标信号的同时，也会接收到其他方向的杂波干扰，导致波场极其复杂难以有效地分离出有效信号；进而严重影响隧道超前探测结果的精度和可靠性以及岩性分析的准确性，容易造成不必要的经济损失以及工期的延误。目前波场分离的方法主要有Radon变换、F-K滤波、极化滤波、中值滤波、逐波迭代优化滤波等。Radon变换是将时间-空间域转换为频率-斜率域然后进行波场分离，容易出现假频现象。F-K滤波是基于有效波和干扰波视速度存在的差异，通过设计的滤波器消除干扰波，保留有效波，在处理过程中速度的跨度变化会引起数据的空间混合现象。极化滤波是根据各种波的极化特性差异进行波场分离，分离过程中难以避免混波现象。中值滤波是非线性滤波，对波场排齐和波形一致性要求很高。逐波迭代优化波场分离是一种时间-空间域逐波进行波场分离的迭代优化方法，将信号的同相轴由强到弱逐一分离，步骤繁琐、工作量太大。可见，上述方法在用于TSP多波场分离时的效果不理想，另外，对噪声压制的效果也不是太好。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法，解决难以分离出有效波信号，进而无法进行远距离、高精度的隧道超前探测。本专利技术是这样实现的，一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法，从采集的地震记录中选取包含目标信号的矩形时窗；通过互相关的方法计算出各道记录与第一道记录的时延参数；以第一道记录为基准将目标信号的同相轴校平；采用均匀加权方式对校平的目标信号进行叠加处理；对叠加后的记录通过KL变换方法提取相干信号；通过反时延校正得到正确位置的目标信号。进一步地，采集数据通过TSP野外施工采用“多点激发、单点接收”的工作形式，采集数据包含X(t)分量、分量Y(t)、Z(t)分量，并独立存储，首先对Y(t)分量记录进行处理，将接收到距检波器最近的炮点记录作为第1道，剩余所有道记录依次按升序标记，第i道的记录记为yi(t)＝si(t)+ni(t),i＝1,2,...M(1)其中，t＝1,2,...L，L为采样点数，si(t)为Y(t)分量第i道记录中的信号，ni(t)为Y(t)分量第i道记录中的噪声，M为Y(t)分量中地震记录的道数；选取包含目标信号的矩形时窗w(t)，得到局部记录Yw(t)，记为Yw(t)＝Y(t)·w(t)(2)。进一步地，通过互相关的方法计算出各道记录与第一道记录的时延参数包括：y'r(t)是矩形时窗Yw(t)中参考道记录，第i个道记录y'i(t)与参考道记录y'r(t)之间的互相关函数，如下取相关函数的最大值获得第1分离信号中第i个道记录与参考道记录的时延τ’ri。进一步地，以矩形时窗Yw(t)中第1道记录为参考道记录，表示为：y'r(t)＝y’1(t)，通过等式(3)计算出第一分离信号的时延矩阵，记为τ'＝[τ’11,τ’12,…,τ’1j,…,τ’1M](4)τ’1j为Yw(t)中第j道记录与第1道记录的时延参数。进一步地，以第一道记录为基准将目标信号的同相轴校平包括：通过时延矩阵τ’，对第1分离信号的同相轴进行时延校正，具体步骤如下，表示信号时延校正过程，其中A＝[a1(t),a2(t),…,aM(t)]。进一步地，以记录A中的第i道数据为阵列的中心进行均匀叠加，N道记录叠加后的信号，记为其中B＝[b1(t),b2(t),…,bM(t)]，阵列元个数N为大于1小于M/2的奇数，目标信号的信噪比越低，选取的N值越大；求解B的自相关矩阵R(R＝BT·B)的特征值λj，j＝1,2,…,n,对特征值由大到小进行排列，计算最大特征值λ1对应的特征向量，并将其归一化得到变换矩阵u1，对记录B进行重构，得到处理后记录C，记为其中，C＝[c1(t),c2(t),…,cM(t)]；对C进行反时延校正，分离出Yw(t)分量中的最强信号记录为D'，记为分离出能量最强信号后剩余的记录，记为E＝Xw-D'/N(10)。重复分离过程，从Yw(t)分量中由强到弱逐一分离出剩余所有信号。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：TSP是隧道远距离超前探测中应用最广泛的方法，能够有效地探测隧道前方不良地质体情况，进而极大减少施工过程中地质灾害的发生。TSP采集的数据中不仅包含前方目标的反射波信号，还包含其他方向的反射波信号和转换波信号等多种杂波干扰，导致被波场极其复杂，难以分离出有效波信号，进而无法进行远距离、高精度的隧道超前探测。经验证，本专利技术公开的一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法，不仅能够很好地分离出有效信号，而且能够有效地压制随机性噪声，解决了有效信号波场和其他杂波波场难以分离以及信号质量差等问题，提高了TSP的探测精度、探测距离，对隧道施工中防灾、减灾、加快施工进度具有重要的意义。在TSP采集数据时，检波器不仅会接收到前方的有效波信号，还会接收到其他方向的反射波、转换波以及随机噪声等干扰，导致有效信号难以分离，严重影响数据处理及地质预报精度，给后续隧道施工带来不必要的经济损失。本专利技术首先根据估算出目标信号的时延矩阵，并通过时延矩阵将其同相轴校平后进行均匀加权叠加；然后将叠加后地震记录进行KL变换，并选取第一特征值重建主分量得到处理后的记录；最后通过反时延矩阵将目标信号的同相轴恢复原来位置，进而有效地从复杂地震记录中分离出有效波信号，并很好地压制了记录中的随机噪声。附图说明图1基于KL-DSW的多波场分离及噪声压制分析(a)添加高斯噪声的Y分量记录；Ds，S，LPs，Rs分别代表直达S波，面波，反射S波，侧方Ps转换波；(b)截取包含效信号窗口的Y分量记录；(c)KL-DSW技术分离的Rs信号；(d)KL-DSW技术分离的LPs信号。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本实施例中对三分量记录中Y(t)分量记录进行处理，添加高斯噪声的Y(t)分量记录如图1(a)所示，记录时间为500ms，采样率16000Hz。一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法，包括：从采集的地震记录中选取包含目标信号的矩形时窗；通过互相关的方法计算出各道记录与第一道记录的时延参数；以第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法，其特征在于，包括：/n从采集的地震记录中选取包含目标信号的矩形时窗；/n通过互相关的方法计算出各道记录与第一道记录的时延参数；/n以第一道记录为基准将目标信号的同相轴校平；/n采用均匀加权方式对校平的目标信号进行叠加处理；/n对叠加后的记录通过KL变换方法提取相干信号；/n通过反时延校正得到正确位置的目标信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于KL-DSW的TSP多波场分离及噪声压制方法，其特征在于，包括：
从采集的地震记录中选取包含目标信号的矩形时窗；
通过互相关的方法计算出各道记录与第一道记录的时延参数；
以第一道记录为基准将目标信号的同相轴校平；
采用均匀加权方式对校平的目标信号进行叠加处理；
对叠加后的记录通过KL变换方法提取相干信号；
通过反时延校正得到正确位置的目标信号。


2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，采集数据通过TSP野外施工采用“多点激发、单点接收”的工作形式，采集数据包含X(t)分量、分量Y(t)、Z(t)分量，并独立存储，首先对Y(t)分量记录进行处理，将接收到距检波器最近的炮点记录作为第1道，剩余所有道记录依次按升序标记，第i道的记录记为
yi(t)＝si(t)+ni(t),i＝1,2,...M(1)
其中，t＝1,2,...L，L为采样点数，si(t)为Y(t)分量第i道记录中的信号，ni(t)为Y(t)分量第i道记录中的噪声，M为Y(t)分量中地震记录的道数；
选取包含目标信号的矩形时窗w(t)，得到局部记录Yw(t)，记为
Yw(t)＝Y(t)·w(t)(2)。


3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，通过互相关的方法计算出各道记录与第一道记录的时延参数包括：
y'r(t)是矩形时窗Yw(t)中参考道记录，第i个道记录y'i(t)与参考道记录y'r(t)之间的互相关函数，如下



取相关函数的最大值获得第1分离信号中第i个道记录与参考道记录的时延τ′ri。


4.按照权...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳永高，韩春，杨军，张妍青，任东旭，陈永骞，李峥峰，刘嘉霖，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南;41