基于不同原子类型的匹配追踪信号分解算法

根据原始信号的内在特征,匹配追踪算法可把信号分解成一系列时频原子的线性组合,将分解的信号重构后与WVD结合,可提高时频分析的精度,但采用不同原子库分解的效果各不相同,目前地球物理界常用的原子类型是Morlet小波和Ricker子波,本文在此基础上对已有的原子库进行扩充,根据实际地震记录尝试寻找一种适应性较强的原子类型。     

基于Ricker类地震子波的匹配追踪

Ricker类地震子波是由Ricker子波演变得到的零相位三参量理论子波,通过适当的简化,得到了二参量C子波,参量独立地控制波形特征。以两个波形参数(主、旁瓣极值比和主、旁瓣宽度比)来定量表征C子波,发现C子波(Ricker类子波)比常规的Ricker子波、宽带Ricker子波波形更为丰富。基于C子波的匹配追踪算法,以该类子波构建原子库,建立包络瞬时频率与子波参量的定量关系,通过"三步法"实现地震信号的分解。模型试算结果表明了该算法的有效性,时频谱具有较高的时频聚焦性,C子波比Ricker子波更适用于时变记录的匹配。基于C子波库对实际地震资料进行匹配追踪,分频结果取得了较好的解释效果。     

地震匹配追踪技术与应用研究进展

匹配追踪作为一种自适应信号分析方法,由于其具有良好的地震数据稀疏表示特性,在地震资料处理及解释领域得到了越来越多的关注。匹配追踪技术有三大要素:匹配子波母函数、匹配子波库和匹配追踪分解算法。匹配追踪首先要构建匹配子波库或子波字典,其类型有超完备子波库、正交子波库和动态子波库。匹配子波母函数在早期用Gabor子波,现在常用Morlet子波和Ricker子波。匹配追踪分解算法是匹配追踪技术的核心,分为贪婪算法、正交匹配追踪算法、快速匹配追踪算法。在深入调研的基础上,梳理了地震匹配追踪分解与重构技术的发展历程及研究进展,系统阐述了匹配追踪技术的基本原理,剖析了匹配追踪技术的加速策略,并总结了匹配追踪技术在地震资料处理、解释领域的应用现状。理论及应用实例研究表明,地震匹配追踪技术算法灵活、应用效果良好,具有广阔的发展前景。     

基于稀疏反演的多道匹配追踪地震信号去噪方法及其应用

基于超完备子波库的单道匹配追踪方法在自适应分解地震道时未能分离有效信号和噪声,故难以直接、准确地去除噪声。为此提出了基于稀疏反演的多道匹配追踪去噪方法,以多个连续地震道为研究对象,首先采用多方向矢量中值滤波法计算同相轴倾角,以中间道为标准将同相轴校正后再水平叠加;然后采用基于基追踪降噪的稀疏反演方法分解叠加道,选择与叠加道中有效信号匹配的子波作为中间道匹配追踪分解的子波库;最后根据其它道相对中间道的校正量,对中间道匹配追踪分解的子波库进行反校正,分别构建各道匹配追踪分解的子波库。将基于有效信号匹配子波构建的子波库代替超完备子波库,在搜寻最佳匹配子波时选择性地提取地震道中有效信号,可直接分离有效信号和噪声。单道信号测试结果验证了该方法去除噪声的可行性;合成和实际地震数据应用结果表明,该方法相较于单道匹配追踪方法具有更好的去噪效果,且去噪后剖面的横向连续性更好。     

高精度地震时频谱分解方法及应用

由于受测不准准则的制约,应用小波变换、广义S变换等线性算法无法同时获得高时间分辨率和高频率分辨率,而应用匹配追踪算法可克服窗函数的限制,能在时间域和频率域同时精细表征信号特征。本文在阐述地震信号匹配追踪时频谱分解的算法原理基础上,通过对标准Morlet小波进行合理改造,完备了时频原子库,有利于提高地震信号匹配分解的精度;依据Morlet小波的时宽对地震道进行开时窗,可在多个时窗内同时动态扫描匹配小波原子,可以适当提高计算效率。模型试验与实际数据分析表明,基于改进Morlet小波的地震信号匹配追踪算法更精确更高效,且具备一定的抗噪能力,适合定量分析地震资料的频谱变化特征,有助于研究储层及油气的分布范围。     

地震信号复数域高效匹配追踪分解

本文提出了-种复数域快速匹配追踪算法,通过在复数域求解匹配子波的复振幅,同时获得匹配子波的振幅和相位信息,并使主频成为唯--个需要通过子波库扫描来确定的控制参数,提高了匹配追踪的分解效率。算法对比测试结果表明,本文快速匹配追踪算法的计算效率比原算法提高了上千倍,在很大程度上克服了匹配追踪的计算瓶颈问题,同时能够保持匹配追踪瞬时谱精度和地震信号重构精度。     

双极子分解匹配追踪算法在薄层反演中的应用

匹配追踪算法在地震谱分解、时频分析及薄层反演等领域有广泛的应用。本文利用双极子分解理论建立过完备奇、偶原子库,再通过匹配追踪算法对地震信号进行稀疏分解,以实现薄层反射位置及反射强度的反演。模型试算及对实际数据的运算结果都表明:与传统匹配追踪算法相比,双极子分解匹配追踪算法对地震信号有更高的分解精度,且具有较好的抗噪性。     

基于谱分解的薄层预测方法

本文基于复信号的瞬时特征,实现了基于雷克子波的两步匹配追踪（Matching Pursuit,MP）算法。借助三层双界面反射系数模型推导了地震信号偶分量的峰值频率与薄层厚度的一一对应关系,结合时频分辨率较高的MP分解,提出了利用反射系数序列的奇、偶分解原理求取薄层厚度的新方法：地震记录在地震子波为零相位时关于某时窗中心的奇、偶分量,相当于对应反射系数关于该时窗中心的奇、偶分解与子波的褶积结果;在子波主频确定的情况下,偶分量峰值频率和层厚之间关系,不再受限于薄层反射系数因素的制约,两者之间满足一一对应关系;通过MP分解得到偶分量峰值频率,代入峰值频率—薄层厚度关系曲线模板即可估算薄层厚度。模型试算验证了方法的可行性。     

基于自适应子波分解的品质因子Q提取方法

品质因子Q和速度一样是地层的固有参数,其大小决定地震波吸收衰减的强弱。由于Q值的大小与地震子波的传播时间和频率的乘积有关,因此,提出了一种基于自适应子波分解的品质因子提取方法。首先,利用自适应子波分解算法对地震信号进行子波分解,得到的匹配子波可认为是不同时刻的时变子波;然后,将不同匹配子波的中心时间和中心频率的乘积与相应匹配子波的对数振幅投影到平面坐标中,得到随该乘积值变化的对数振幅散点分布;最后通过拟合这些离散点斜率提取Q值。为压制离群值对拟合精度的影响,采用L1模线性回归方法对离散点进行线性拟合。理论模型测试和实际资料应用的结果表明,该方法能比较准确地提取品质因子,有效补偿地震波能量,提高了地震资料的分辨率。     

基于快速匹配追踪算法的地震道集剩余时差校正

为提取正确的AVO信息和获得高信噪比、高分辨率的叠加剖面,需要消除CMP道集上的剩余时差,校平同相轴。为此,给出了一种基于匹配追踪(Matching Pursuit,MP)算法的地震道集剩余时差校正方法。利用匹配追踪算法在地震信号分解与重构方面的优势,将CMP道集信号分解为不同的子波,对各个子波分别进行剩余时差校正,再用校正后的子波重构出消除剩余时差后的地震道。同时,为提高匹配追踪算法的计算效率,利用相位展开法得到稳定的瞬时频率,以瞬时频率为中心进行扫描,快速得到最优匹配频率。理论模型和实际资料的测试结果表明,这种方法不仅可以提高匹配追踪算法的计算效率,而且还能很好地校平CMP道集同相轴。     

利用字典学习快速匹配追踪压制煤层强反射

煤层强反射信号上、下和内部通常隐藏着弱有效信号，如何有效分离煤层强反射信号周围的弱有效信号，受到了越来越多的关注。匹配追踪算法是解决该难题的有效算法之一。然而，匹配子波母函数早期用Gabor子波，现在常用Morlet小波和Ricker子波等，而这些子波都是理论子波，和实际地震资料波形特征存在较大差异，因此在匹配过程中会产生残余分量。针对该问题，通过引入了字典学习算法，从地震数据中学习获得字典的有限匹配子波而不是预先定义字典，极大提高了信号分解的匹配度。针对目标区煤层反射不稳定的问题，选择按单个同相轴开展字典学习，从而构建了振幅、相位、主频和极性变化的单峰字典库。通过叠后、叠前的衰减煤层强反射处理分析，验证了新方法在强反射压制方面比常规方法更可靠且有效。应用基于匹配子波的Wigner-Ville高分辨率时频分析方法，揭示了煤层强反射消除前、后时频属性特征，为煤层附近储层的精确描述提供了技术支撑。     

An application of matching pursuit timefrequency decomposition method using multiwavelet dictionaries

In the time-frequency analysis of seismic signals, the matching pursuit algorithm is an effective tool for non-stationary signals, and has high time-frequency resolution and a transient structure with local self-adaption. We expand the time-frequency dictionary library with Ricker, Morlet, and mixed phase seismic wavelets, to make the method more suitable for seismic signal time-frequency decomposition. In this paper, we demonstrated the algorithm theory using synthetic seismic data, and tested the method using synthetic data with 25% noise. We compared the matching pursuit results of the time-frequency dictionaries. The results indicated that the dictionary which matched the signal characteristics better would obtain better results, and can reflect the information of seismic data effectively.     

基于基追踪的时变子波提取与地震反射率反演

由于噪声和衰减的影响,地震数据不平稳,即地震信号的频谱从浅到深是逐渐变化的。为了研究地震数据的非平稳性质,基于基追踪谱分解方法进行高分辨率时频分解,通过点谱模拟提取广义地震子波,继而构建时变子波核矩阵和时变子波字典,最终实现非平稳基追踪地震反演。实际资料测试表明,基追踪谱分解广义时变子波提取方法能实现高效井震标定,基于时变子波的非平稳基追踪地震反演结果分辨率更高、地质连续性更强、地质细节展示更详细。     

利用双向匹配追踪提高地震分辨率

在常规时间域匹配追踪子波分解的基础上,提出了时频谱匹配追踪子波合成的思路,类似于数字信号处理的正、反过程,基于Gabor反褶积的理论框架,利用双向匹配追踪算法,在时频域实现了一种非平稳的提高地震分辨率方法,其流程为：1将地震道数据进行正向匹配追踪子波分解,将每个子波的时频谱进行叠加得到地震道的时频谱;2通过匹配追踪时频谱平滑和数学运算,得到近似反射系数时频谱;3对反射系数时频谱进行反向匹配追踪,得到一系列高分辨率的地震子波,进而合成高分辨率地震道。对实际地震资料的处理结果表明,该法有效拓宽了地震资料的相对频带,提高了地震数据的分辨率。     

遗传算法和正交时频原子相结合的地震记录快速匹配追踪

针对匹配追踪庞大的计算量造成地震数据处理效率低下的问题,提出一种基于遗传算法和正交原子匹配追踪的快速分解方法,通过遗传算法缩小原子库的搜索范围,减少贪婪迭代的次数,由原子的正交化处理消除冗余分量,加速残差收敛进程。为增加分解的灵活性,采用相邻残差比阈值作为迭代终止条件。合成地震记录和实际地震记录稀疏分解结果表明：本文方法不仅能降低分解的稀疏度,而且运行速度大幅提高,验证了方法的有效性和适用性。     

匹配追踪煤层强反射分离方法

地下存在煤系地层时地震剖面上会出现强能量反射同相轴,使煤层之上或之下的含气目的层反射信息淹没于强反射之中,加大了储层预测难度。依据稀疏表示理论,提出匹配追踪煤层强反射分离方法。匹配追踪去煤层强反射的关键是稀疏字典的选取,通过地震数据在不同的一维字典中的稀疏性分析,并考虑强反射信息的低频特征,选取由低频原子构成的一维非抽样离散小波变换(UDWT1D)字典来稀疏表示强反射信息。采用Blumensath等给出的迭代算法进行匹配追踪分解,该算法虽是一种贪婪算法,但由于对每个地震道只需进行一次匹配分解,计算效率较高。模型数据测试和实际资料处理结果证明了该方法的有效性。     

复数道动态匹配追踪算法的改进

针对复数道动态匹配追踪算法中采用瞬时频率求取的匹配原子的主频经常是没有物理意义的负数,且很不稳定的问题,在匹配原子主频的求取过程中,提出了基于连续相位的瞬时频率求取方法。该方法摒弃了主值相位,引入连续相位,解决了主值相位存在不连续突变点的问题;而且瞬时频率并不是直接由相位求导获得,而是通过阻尼最小二乘反演的方法求得。实验结果表明,利用连续相位求取的瞬时频率准确度高,且不存在无物理意义的负频率值。模型和实际资料表明改进的匹配追踪算法具有很好的稳定性,能够适应复杂地震信号的分解和重构。     

基于经验模态分解字典的自适应匹配追踪谱分解方法及其在油气检测中的应用

利用地震信号的瞬时属性确定时频原子动态参数的扫描范围,获得的瞬时频率稳定性较差且存在负值。利用连续相位求取瞬时频率易受噪声影响,并存在频率异常值。为此,首次将经验模态分解（EMD）引入匹配追踪（MP）算法,提出了基于EMD字典的自适应MP谱分解方法。将EMD视为一种基于过完备时频字典的稀疏分解方法,在计算匹配原子主频的过程中,引进基于连续相位的阻尼最小二乘反演求解瞬时频率,并加入整形正则化算子对数据进行平滑处理,利用整形正则化平滑算子的阻尼最小二乘法有效避免了频率异常值,得到的瞬时频率曲线更平滑、真实,且更突显高频成分。将基于EMD字典的快速MP方法应用于储层含油气性预测,对比不同尺度瞬时谱剖面可以清楚地看到明显的低频阴影现象,且提高了分解效率,从而进一步验证了方法可行性。     

利用波原子分解系数自适应Wiener滤波方法压制地震数据随机噪声

随机噪声是地震勘探数据中常见的背景噪声,会对有效信号产生负面影响,有必要研究更适用的方法去除随机噪声。为此,提出基于波原子分解系数自适应Wiener滤波,并对滤波后的系数进行波原子重构的方法,压制随机噪声以突出有效信号。针对人工合成地震记录,应用SVD阈值、二维多尺度小波分解阈值和波原子分解阈值三种滤波方法与所提方法进行对比测试及分析,可见所提方法在压制随机噪声的同时能充分保留有效信号,使反射同相轴更清晰且连续性更好。利用该方法还对实际地震记录进行了滤波处理,并与用上述三种阈值和时频峰值等滤波方法处理后的记录作对比,进一步表明所提方法在压制随机噪声与保持有效信号方面的性能更优,具有较强的实用性。