一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法及装置

本发明属于旋回地层信息处理，尤其是涉及一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法及装置。

背景技术：

1、近年来，随着xrf元素扫描技术的提高，对岩芯进行xrf元素扫描成为了一种较容易获取大量高分辨率地球化学数据的手段，该手段为地质天文学家提供了探测沉积岩中保存的天文轨道周期的机会。

2、如公开号为cn104089964a的中国专利文献公开了测井米氏旋回分析方法的测年方法，包括以下步骤：(1)获取目的层段的不同深度沉积物的沉积记录数据及对应的深度值；(2)获取目的层段的不同深度沉积物的岩心样品及深度值，并对岩心样品进行分析，以确定事件性沉积物所在的深度；(3)在沉积记录数据中剔除事件性沉积物所在深度的沉积记录数据，以获得待频谱分析数据及深度值；(4)将待频谱分析数据及深度值与预先获取的天文周期进行匹配，以获得沉积物所产生的时间。

3、公开号为cn114578444a的中国专利文献公开了一种基于小波多尺度分析的天文地层旋回划分方法，包括以下步骤：步骤1.综合对比各类测井曲线特征，选取敏感测井曲线；步骤2.将测井数据进行频谱分析，找出受轨道参数控制的优势频率；步骤3.根据已知地层年代的时间控制点，求得目的层段地质历史时期天文轨道的理论曲线；步骤4.通过功率谱提取优势尺度因子，并在该尺度值下对测井曲线进行多尺度小波分解；步骤5.将小波分解结果与天文轨道理论曲线对比，选取可作为调谐的目标曲线来划分天文地层旋回。

4、然而，十万年尺度周期(天文轨道周期)对短周期的变化存在一定的干扰，使得千年尺度周期的识别存在一定困难。因此，亟需设计一种用于识别千年尺度周期的方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，可以解决识别千年尺度周期及短尺度气候变化周期的难题。

2、一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，包括：

3、(1)选择用于检测千年尺度周期气候变化的古气候替代指标，预处理(插值，去除背景白噪音等)后进行功率谱分析，识别出与天文轨道周期对应的厚度周期；

4、(2)将识别出的厚度周期相对应的频率进行高斯带通滤波，选取滤波曲线建立时深转换模型，并基于时深转换模型获取替代指标的时间域序列；

5、(3)对时间域序列进行功率谱分析，识别时间域序列中的天文轨道周期以及千年尺度周期；

6、(4)将时间域序列导入matlab高阶光谱分析工具箱，通过双相干谱分析，将时间域序列中的天文轨道周期分别置于频率f1、f2与f3进行相位耦合，能量在这些频率之间非线性地传递，并在频谱上重新分布，形成偏斜和/或不对称的循环几何结构；

7、其中，频率f1、f2分别对应于x轴和y轴，f3＝f1+f2；

8、(5)将双相干谱分析中所形成偏斜和/或不对称的几何结构进行比较识别，导出步骤(4)中整个时间域曲线在时域中的双相干谱图，利用x轴、y轴与投影斜线观察识别相关性大的强响应区域，结合步骤(3)中识别的千年尺度周期，进一步验证该千年尺度周期的存在。

9、本发明中，当双谱的相位耦合时，能量在这些频率之间非线性地传递，并在频谱上重新分布；这种能量的转移形成较低和较高的谐波，并形成偏斜和(或)不对称的循环几何结构，可在选定的时间间隔的双谱中发现较强的周期性。传统的频谱分析法忽略了信号中隐含的天文周期相位信息，而本发明的方法以合理的时间分辨率检测二次相位耦合，有助于千年尺度周期的识别。

10、步骤(1)中，检测千年尺度周期气候变化的古气候替代指标包括xrf元素扫描所获取的主量元素，微量元素或其比值。

11、天文轨道周期指长偏心率周期(405千年)、短偏心率周期(约100千年)、斜率周期(约40千年)和岁差周期(约20千年)，千年尺度周期指小于岁差周期并大于1千年的周期。

12、基于偏心率、斜率和岁差周期的比值关系，识别出与之对应的各厚度周期；该厚度周期与之相对应的深度的关系，应该满足对区域地质背景的沉积速率的估算。

13、步骤(2)中，厚度周期相对应的频率为厚度的倒数。

14、步骤(3)中，识别时间域序列中的天文轨道周期具体包括：识别出的频率对应长偏心率、短偏心率、斜率和岁差周期，分别为：0.00245、0.001、0.0025和0.005周期/千年。

15、步骤(4)中，假设时间域序列{x(n)}的自相关函数表示为：

16、r(τ)＝e{x(n)x(n+τ)}

17、{x(n)}的三阶矩阵公式如下：

18、r(τ1,τ2)＝e{x(n)x(n+τ1)x(n+τ2)}

19、双谱是用频率特性函数的形式来表达，是对r(τ1,τ2)的二维傅立叶变换，公式如下：

20、b(f1,f2)＝e{x(f1)x(f2)x*(f1+f2)}

21、式中，τ1,τ2为随机时间，e{}为数学期望值，x(f)为{x(n)}的傅立叶变换，x*(f1+f2)为复共轭；b(f1,f2)反映了数据中天文信号成分在f1、f2处的非线性相互作用，被认为是信号的歪度在频域范围的分解；

22、双相干谱用于描述信号的非对称相位耦合，将上述双谱做归一化处理得到双相干谱，如公式：

23、

24、式中，p(ω1)，p(ω2)，p(ω1+ω2)为x(n)的功率谱在ω1，ω2，ω1+ω2处的值。

25、步骤(5)中，若不存在该频率下的千年尺度周期信号，那么双相干谱系数接近0，当探测到千年尺度周期信号，双相干谱系数不再保持零值，千年尺度周期信号越显著，双相干谱系数越接近1；进一步根据双相干谱图上的谱峰确定该周期对应的频率，频率的倒数即为该千年尺度周期。

26、一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述千年尺度周期识别方法。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、传统的傅立叶变换(功率谱分析)是分析平稳信号的方法，但地质记录的天文周期信号大多具有非平稳的特点，其频率、幅值、相位都会随时间发生改变。双相干谱分析是一种可以分析相位信息的方法，能够检测信号中的二次相位耦合。针对高分辨率的气候替代指标，功率谱分析无法区分千年尺度周期信号和噪声信号，提取的频率有可能并不属于千年尺度气候变化周期。但本发明利用双相干谱分析，可以识别已知天文轨道参数周期(长偏心率、短偏心率、斜率和岁差)的频率的分量之间的关联、耦合，从而识别出千年尺度的气候变化周期。

技术特征：

1.一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，步骤(1)中，天文轨道周期指长偏心率周期、短偏心率周期、斜率周期和岁差周期，千年尺度周期指小于岁差周期并大于1千年的周期。

3.根据权利要求2所述的基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，步骤(1)中，基于偏心率、斜率和岁差周期的比值关系，识别出与之对应的各厚度周期；该厚度周期与之相对应的深度的关系，应该满足对区域地质背景的沉积速率的估算。

4.根据权利要求1所述的基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，步骤(2)中，厚度周期相对应的频率为厚度的倒数。

5.根据权利要求1所述的基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，步骤(3)中，识别时间域序列中的天文轨道周期具体包括：识别出的频率对应长偏心率、短偏心率、斜率和岁差周期，分别为：0.00245、0.001、0.0025和0.005周期/千年。

6.根据权利要求1所述的基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，步骤(4)中，假设时间域序列{x(n)}的自相关函数表示为：

7.根据权利要求1所述的基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法，其特征在于，步骤(5)中，若不存在该频率下的千年尺度周期信号，那么双相干谱系数接近0，当探测到千年尺度周期信号，双相干谱系数不再保持零值，千年尺度周期信号越显著，双相干谱系数越接近1；

8.一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别装置，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1-7中任一项所述的千年尺度周期识别方法。

技术总结
本发明公开了一种基于双相干谱分析的千年尺度周期识别方法及装置，包括：(1)选择古气候替代指标，预处理后进行功率谱分析，识别出与天文轨道周期对应的厚度周期；(2)将厚度周期相对应的频率进行滤波，选取滤波曲线建立时深转换模型获取替代指标的时间域序列；(3)对时间域序列进行功率谱分析，识别天文轨道周期以及千年尺度周期；(4)将时间域序列导入Matlab高阶光谱分析工具箱，通过双相干谱分析，计算两组频率之间的非线性相位耦合关系；(5)导出步骤(4)中整个时间域曲线在时域中的双相干谱图，观察识别相关性大的强响应区域，进一步验证该千年尺度周期的存在。本发明可以解决识别千年尺度周期及短尺度气候变化周期的难题。

技术研发人员：金思丁,郭涵,刘四兵,刘岩
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15