一种主动降噪的地震数据采集方法与流程

1.本发明涉及地震预测技术领域，具体涉及一种主动降噪的地震数据采集方法。


背景技术：

2.地震勘探工业界在采集过程中使用炮点和检波点组合以消除相干噪声已经有比较长的历史了。从理论上讲，组合接收技术通过信号采集时单道内各只检波器之间进行规则噪声波压制，以提高地震资料信噪比。为了压制随机干扰，设计的组合点距要大于或等于相干半径，检波器组合使有效波能量得到加强，干扰波得到压制，资料信噪比得到提高。但是，因为干扰波和有效波频率是交差混叠的，组合接收压制干扰波的同时，也会降低有效波能量，尤其是高频部分受组合接收压制衰减严重。
3.另外，实际操作时，理论性的组合比较难适应野外噪声和地形的变化，并对组合当中的每个检波器产生了误差，地面耦合的不一致性和组内静校正的误差污染了地震数据。总之，组合形式越复杂，野外复杂地形情况下越难以开展，波场的采样误差就越大，同时使用多个检波器组合增加了野外成本。
4.目前业内开始尝试使用单个检波器采集地震数据，该种方法在难以展开检波器组合的复杂地形有一定适用性，但这种方法在降低布设难度和采集成本的同时，却导致了对地震干扰波的压制能力大幅降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种主动降噪的地震数据采集方法，以解决现有技术中的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
7.一种主动降噪的地震数据采集方法，包括以下步骤：
8.步骤100、在复杂地形上布设若干单点，在每个单点上放置单个用于主动降噪的地震节点设备；
9.步骤200、在地震采集激发前，所述地震节点设备根据实际情况多次测量环境噪声，并对测量的环境噪声进行噪声特征分析，统计环境噪声的特征参数；
10.步骤300、利用所述地震节点设备采集地震数据，根据测量的环境噪声特征参数识别本次采集的地震数据中的噪声信号，并生成噪声信号的反向噪声信号，将反向噪声信号与本次采集的地震数据叠加进行主动降噪；
11.步骤400、将降噪后的地震数据通过无线通信模块输出，作为该点地震台站采集的地震数据，并远程发送至控制台进行质量监控。
12.作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，对测量的环境噪声进行噪声特征分析，以确定所述环境噪声中的随机噪声和规则噪声；
13.其中，所述规则噪声为具有一定主频和视速度的干扰波，所述随机噪声的主频和传播方向不固定。
14.作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，在环境噪声炮集上，通过图像分割和边缘检测的方法，利用计算机自动区分随机噪声和规则噪声，对于区分出来的随机噪声和规则噪声分别进行噪声特征分析。
15.作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，统计环境噪声的特征参数具体包括以下方法：
16.步骤201、生成多次采集的环境噪声的频谱图，并分析环境噪声的所述频谱图中的频率和振幅变化，以识别所述环境噪声中的规则噪声和随机噪声；
17.步骤202、利用贝叶斯统计系统计算所述随机噪声的均值和方差，并将随机噪声的均值和方差作为所述随机噪声的先验信息；
18.步骤203、记录所述规则噪声在所述频谱图的出现位置，统计所述规则噪声的主频和视速度。
19.作为本发明的一种优选方案，针对具有一定主频的规则噪声，通过自动扫描其主频，并记录其主频和位置信息；
20.针对具有一定视速度的规则噪声，在所述环境噪声的频谱图剖面上自动追踪噪声同相轴，扫描视速度，并记录其视速度和位置信息。
21.作为本发明的一种优选方案，在所述步骤300中，生成噪声信号的反向噪声信号包括：生成所述规则噪声的反向规则噪声信号，以及生成所述随机噪声的反向随机噪声信号；
22.将反向规则噪声信号和反向随机噪声信号与本次采集的地震数据叠加进行主动降噪，得到消除所述规则噪声和随机噪声的地震信号。
23.作为本发明的一种优选方案，生成所述随机噪声的反向随机噪声信号的具体实现步骤为：
24.以所述随机噪声的均值和方差为先验信息；
25.以本次采集的地震数据作为观测数据，所述地震数据为有效信号和环境噪声的叠加数据，并构建所述地震数据的似然函数，将所述地震数据简化为有效信号和随机信号之和；
26.将先验信息和似然函数相乘以构建后验概率分布函数，以所述后验概率分布函数作为目标函数来预测采集的地震数据中的随机噪声，并生成针对此次采集的地震数据的反向随机噪声信号。
27.作为本发明的一种优选方案，生成所述规则噪声的反向规则噪声信号的具体实现步骤为：
28.根据所述规则噪声在所述频谱图的出现位置，统计所述规则噪声的主频和视速度为检索参数，搜索本次采集的地震数据中的规则噪声，并追踪规则噪声；
29.生成识别的规则噪声的反向规则噪声信号。
30.作为本发明的一种优选方案，在本次采集的地震数据中先以位置信息作为索引来搜索所述规则噪声，然后通过主频和视速度信息对所述规则噪声进行自适应识别。
31.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
32.本发明提供了一种应用于复杂地形的地震单点采集节点，该节点能够针对野外环境噪声进行主动降噪，能够更好地对采集结果进行质量控制，并能够降低由于组合带来的采集施工成本，能够解决现有单点采集地震节点在复杂地区采集时无法进行野外组合，而
带来的低信噪比和无法有效开展质量控制的问题。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
34.图1为本发明实施例提供的地震数据采集方法的流程示意图。
35.图2为本发明实施例提供的地震节点设备的结构框图；
36.图3为本发明实施例提供的环境噪声压制过程的流程示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1
39.如图1所示，本发明提供了一种主动降噪的地震数据采集方法，现有利用单个检波器采集地震数据时，虽然降低布设难度和采集成本，但是导致了对地震干扰波的压制能力大幅降低。
40.本实施方式利用“反向降噪”原理，在地震数据采集之前，先采集布设环境的环境噪声，并识别出环境噪声中的规则噪声和随机噪声，利用统计学概念标记环境噪声中的规则噪声和随机噪声中的特征参数，因此在实际采集地震数据中，利用预先比较的特征参数识别出地震数据中的噪声信号，生成相应的反向噪声信号，与地震数据叠加后即可消除噪声后的地震数据，从而本实施方式能够针对野外环境噪声进行主动降噪，能够更好地对采集结果进行质量控制。
41.本实施方式的地震数据采集方法包括以下步骤：
42.步骤100、在复杂地形上布设若干单点，在每个单点上放置单个用于主动降噪的地震节点设备。
43.步骤200、在地震采集激发前，所述地震节点设备根据实际情况多次测量环境噪声，并对测量的环境噪声进行噪声特征分析，统计环境噪声的特征参数。
44.在步骤200中，对测量的环境噪声进行噪声特征分析，以确定所述环境噪声中的随机噪声和规则噪声；所述规则噪声为具有一定主频和视速度的干扰波，所述随机噪声的主频和传播方向不固定。
45.在步骤200中，统计环境噪声的特征参数具体包括以下方法：
46.步骤201、生成多次采集的环境噪声的频谱图，并分析环境噪声的所述频谱图中的频率和振幅变化，以识别所述环境噪声中的规则噪声和随机噪声；
47.步骤202、利用贝叶斯统计系统计算所述随机噪声的均值和方差，并将随机噪声的均值和方差作为所述随机噪声的先验信息；
48.步骤203、记录所述规则噪声在所述频谱图的出现位置，统计所述规则噪声的主频和视速度。
49.其中，针对具有一定主频的规则噪声，通过自动扫描其主频，并记录其主频和位置信息；针对具有一定视速度的规则噪声，在所述环境噪声的频谱图剖面上自动追踪噪声同相轴，扫描视速度，并记录其视速度和位置信息。
50.即本实施方式在预先采集环境噪声时，就确定了确定所述环境噪声中的随机噪声和规则噪声，且统计环境噪声的特征参数，比如说，随机噪声的均值和方差，以及规则噪声在所述频谱图的出现位置，统计所述规则噪声的主频和视速度。
51.需要补充说明的是，地震数据采集每次激发生成一个炮集，每个炮集由若干个单点采集的数据汇集而成，在地震数据处理环节的去噪工作，都是对一个炮集进行操作的，都是在炮集上进行噪声的消除。
52.另外，本实施方式所涉及的噪声识别和消除也是在炮集上进行的，若干个环境噪声的采集形成若干个环境噪声的炮集，环境噪声的特征分析也在炮集上完成。
53.步骤300、利用所述地震节点设备采集地震数据，根据测量的环境噪声特征参数识别本次采集的地震数据中的噪声信号，并生成噪声信号的反向噪声信号，将反向噪声信号与本次采集的地震数据叠加进行主动降噪。
54.在所述步骤300中，生成噪声信号的反向噪声信号包括：生成所述规则噪声的反向规则噪声信号，以及生成所述随机噪声的反向随机噪声信号；
55.将反向规则噪声信号和反向随机噪声信号与本次采集的地震数据叠加进行主动降噪，得到消除所述规则噪声和随机噪声的地震信号。
56.其中，生成所述随机噪声的反向随机噪声信号的具体实现步骤为：
57.以所述随机噪声的均值和方差为先验信息；
58.以本次采集的地震数据作为观测数据，所述地震数据为有效信号和环境噪声的叠加数据，并构建所述地震数据的似然函数，将所述地震数据简化为有效信号和随机信号之和；
59.将先验信息和似然函数相乘以构建后验概率分布函数，以所述后验概率分布函数作为目标函数来预测采集的地震数据中的随机噪声，并生成针对此次采集的地震数据的反向随机噪声信号。
60.从而本实施方式更加适宜于处理自然界中在一定时间长度内普遍存在的随机噪声，能够根据统计结果来预测随机噪声
61.需要补充说明的是，现有技术中的降噪耳机，也采用主动噪音控制，其原理为：1、先由安置于耳机内的讯号麦克风侦测耳朵能听到的环境中低频噪音(100～1000hz)(目前已经可以到3000hz)2.再将噪声讯号传至控制电路，控制电路进行实时运算3.通过hi-fi喇叭发射与噪音相位相反、振幅相同的声波来抵消噪音4.因此噪音就消失听不见了，降噪耳机的即时处理特性，因此其不区分规则噪声或者随机噪声。
62.而本实施方式则通过采集噪声的延续性，将噪声分为规则噪声和随机噪声，并生成相应的反向规则噪声和反向随机噪声进行降噪处理，使得降噪效果更好，降噪更彻底。
63.进一步的，生成所述规则噪声的反向规则噪声信号的具体实现步骤为：
64.根据所述规则噪声在所述频谱图的出现位置，统计所述规则噪声的主频和视速度
为检索参数，搜索本次采集的地震数据中的规则噪声，并追踪规则噪声；
65.生成识别的规则噪声的反向规则噪声信号。
66.具体的，在本次采集的地震数据中，先以位置信息作为索引来搜索所述规则噪声，然后通过主频和视速度信息对所述规则噪声进行自适应识别，来提高检索规则噪声的准确度。
67.此步骤适宜于处理自然界延续一定时间长度的规则噪声，能够根据所述参数自适应识别规则噪声，而现有技术中的主动降噪设备，例如主动降噪耳机采集的噪声为某一时刻的噪声，没有一定的延续性，也就没有规则的概念。
68.步骤400、将降噪后的地震数据通过无线通信模块输出，作为该点地震台站采集的地震数据，并远程发送至控制台进行质量监控。
69.需要特别说明的是，地震数据的整个获取流程包括：采集、处理和解释三个环节，本实施方式所涉及的工作都是在采集环节进行，相当于把部分应该在处理环节进行的工作前移到了采集环节，从而提高采集获得地震数据的信噪比，提高了采集环节的智能性，能够更好地对于单点采集进行质量控制。
70.实施例2
71.实施例1中所提及到的地震节点设备，如图2和图3所示，具体包括：地震检波器1、噪声检测模块2、中央处理器3、通信模块4和电源模块5，其中电源模块5与中央处理器3连接，并为中央处理器3提供电源。
72.地震检波器1用于采集工作环境的地震数据以及工作环境内的环境噪声。
73.噪声检测模块2与所述地震检波器1的输出端连接，所述噪声检测模块2用于接收所述地震检波器1多次采集的环境噪声，并对采集的环境噪声进行噪声特征统计分析。
74.所述噪声检测模块2生成多次采集的环境噪声的频谱图，并分析环境噪声的所述频谱图中的频率和振幅变化，以识别所述环境噪声中的规则噪声和随机噪声。
75.所述噪声检测模块2还包括随机噪声标记单元，所述随机噪声标记单元利用贝叶斯统计系统计算所述随机噪声的均值和方差，并将随机噪声的均值和方差作为所述随机噪声的先验信息。
76.对于野外地震信号采集，一般将噪声划分为规则噪声和随机噪声。规则噪声通常为具有一定主频和视速度的干扰波，例如面波、声波等等。随机噪声主频和传播方向不固定，例如风吹草动、机器运转等。
77.地震信号的有效频带一般在0hz到200hz之间，超出的信号可以直接通过滤波系统去掉，所以本实施方式中的去噪处理具体是消除0hz-200hz的地震信号中的噪声。
78.中央处理器3与所述地震检波器1和所述噪声检测模块2连接，所述中央处理器3生成所述噪声检测模块2统计的环境噪声的反相噪声信号，并利用所述反向噪声信号对地震数据进行主动降噪。
79.需要补充说明的是，实时采集的所述地震数据为有效信号和环境噪声的叠加数据，所述地震数据简化为有效信号和随机信号之和，所述中央处理器3内设有用于构建地震数据的似然函数的函数模型构建模块，以将地震数据进行数字化处理。
80.所述中央处理器3包括规则噪声反向信号生成单元和规则噪声压制单元，所述规则噪声反向信号生成单元基于所述规则噪声的频谱图生成相应的反向信号。
81.所述规则噪声压制单元将所述规则噪声的反向信号与所述地震检波器1采集的地震数据叠加，以生成压制规则噪声后的地震数据。
82.所述中央处理器3还包括随机噪声反向信号生成单元和随机噪声压制单元，所述随机噪声反向信号生成单元将先验信息与所述似然函数相乘，构建后验概率分布函数并直接计算出所述地震数据中携带的随机噪声，生成所述随机噪声相应的反向信号。
83.所述随机噪声压制单元将随机噪声的反向信号与所述地震检波器1采集的地震数据叠加，以生成压制随机噪声后的地震数据。
84.通信模块4与所述中央处理器3连接，所述通信模块4用于接收主动降噪后的地震数据，并通过无线通信方式将主动降噪后的地震数据输出。
85.需要特别说明的是，地震信号处理中，规则噪声通常通过采集阶段的检波器组合来进行部分压制，剩余的规则噪声传输到控制台后通过后续的数据处理环节进行进一步压制，但是检波器组合会带来降频、混波、串内各个检波器间相应特征不一致等问题，降低野外地震采集信号的保真度。同时，相对单个检波器采集，野外工作量也会加大，单个检波器采集存在上述优点，但其相对于检波器组合采集而言，现有的检波器采集的信号信噪比低，质量差。
86.但是本实施方式与现有技术的区别在于：
87.本技术在现有的地震检波器内集成噪声检测模块2和中央处理器3，即在地震节点的采集端主动降噪，就是为了提高采集信号的信噪比，在保留单个检波器采集优点的同时，增强其采集信号的信噪比另外，虽然本实施方式与现有技术中的主动降噪耳机均利用到生成反向信号进行主动降噪的原理，即地震检波器的主动降噪原理与主动降噪耳机相同的部分在于：都是生成反向信号用来压制环境噪声。
88.但是两者的不同之处在于，主动降噪耳机是采集当前噪声，生成反向信号，认为该时刻与下一刻噪声相同，反向信号与下一刻噪声叠加用于降噪；
89.而地震采集需要延续一定时间，其主动降噪是通过多次采集环境噪声，分析环境噪声的频率、振幅等特点，识别采集时的环境噪声，生成采集时刻的反向信号，将环境噪声压制。
90.由于主动降噪耳机的特点是即时性，是采集环境噪声后马上生成反向信号，是对某一时刻的信号进行处理，由于这种即时性，噪声也没有办法分为规则和随机，更多的是区分出来突变噪声，如果没有突变噪声，短暂的两个时刻之间的噪声的误差可以忽略。但是地震数据采集做不到这种即时反向，因为有效信号在地下传播需要时间，地震数据需要一个长时间的记录，根据这种特点，可以把炮集上的噪声分为规则和随机两种，因此本实施方式产生规则噪声和随机噪声的相应反向信号，使得降噪效果更好。
91.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。