基于卡尔曼滤波的地震反射同相轴自动拾取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卡尔曼滤波的地震反射同相轴自动拾取方法，该方案首先根据地震反射波的运动规律，基于地震反射双曲时距方程建立用于拾取地震反射同相轴信息的卡尔曼滤波系统的状态方程和量测方程，其次检测各道地震信号中的地震子波到达时间从而得到卡尔曼滤波所用的量测数据，根据自由量测点集合中的数据自动起始同相轴，并依据“预测-观测-校正”的顺序逐步迭代滤波，其中利用数据关联技术解决多同相轴同时跟踪问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地震勘探信号处理
，具体涉及地震反射同相轴自动拾取技术。
技术介绍
自从20世纪60年代初卡尔曼滤波方法被提出，它在目标跟踪、导航、电力系统、医学、自动控制、气象、通信、地震勘探等领域得到了广泛的应用。在地震勘探领域，卡尔曼滤波主要用于地震资料的反褶积，以提高地震勘探信号的分辨率和信噪比。而地震信号中所携带的大部分信息基本上都包含在同相轴中，如:同相轴的自激自收时间&在一定程度上反映界面的深度信息，同相轴的形态反映地震波在介质中的传播速度信息，同相轴内地震子波变化源自地震波传播过程的条件等。因此同相轴的检测与拾取对地震资料的处理和解释至关重要。通常获取反射地震资料的方式为:通过人工震源(常用炸药)激发地震波，利用地震波在其传播过程中遇到介质性质不同的岩层界面会有一部分能量反射回地面的性质，然后由布置在与炮点不同远近的各检波器接收而得到多道地震记录(信号)，每道地震信号对应一个检波器。当地下具有多个反射界面时，每道地震信号包含多个反射地震子波。其中，地震记录上各道振动相位相同的极值(俗称波峰或波谷)的连线称为同相轴。为了获取地震资料中的同相轴信息，国内外已发展了多种不同的检测和拾取方法。主要包括:(I)边缘检测法。这类方法将二维地震信号每个采样点的振幅值转换成不同的灰度值，将地震道集看作为一幅灰度图像从而利用图像处理中的边缘检测方法来检测同相轴。此类方法得到的同相轴比较模糊，分辨率不高，受噪声因素影响较大，且检出的结果是灰度突变区域的包络线，并不能直接作为同相轴检测结果，还需一些后续处理，如细化处理等。(2)神经网络法。此类方法利用已知同相轴作标准样本训练网络，利用误差回传法逐步修正神经元之间的连接权值，达到最佳权值分布后即可使用网络处理新的数据。神经网络法训练过程需要足够多的学习样本，样本的选择存在较大困难，且新样本的学习会影响已训练好的网络，大量的迭代运算导致处理耗时较长。(3)互相关法、高阶累积量法和相干算法。这三种方法的基本原理都是利用同相轴在地震道间的波形相似性特征来提取同相轴，易受噪声影响，且随着计算道的增加空间分辨力下降，同时计算量较大。(4)链匹配法。该方法把每道波形用带若干特征的波峰和波谷所组成的链来代表，则同相轴的拾取就转化为各链之间的最优匹配问题，即寻找所有路径中使总代价为最小的链路。该方法同样易受噪声影响且难于解决交叉同相轴问题。(5)插值法与拟合法。插值法是对地震资料先通过手动拾取地震同相轴的一些控制点(种子点)，然后通过插值法对控制点数据插值，再用滤波器滤掉插值过程中可能产生的高频异常值。拟合法的基本思想是将同相轴视为具有某种动态规律的曲线，通过一个广义的时间序列来描述，并用某种模型(如:AR模型)去拟合这个时间序列，其中合适的模型以及波达的时间序列仍是较难确定的，这些都将影响后续的同相轴拟合结果。(6)Tu等提出一种自动拾取同相轴系统(Tu P., Mason 1., Zisserman A.An automated systemfor picking seismic events.SEG63rd annual meeting, 1993:234 - 237)。该方法由二维匹配滤波器、卡尔曼滤波器和柔性模板三步构成。但文中未给出卡尔曼滤波器所需的具体的状态方程和量测方程，方法描述简略，同时未见后续文章进一步报道。(7)混沌振子检测法。该方法利用修正的Duffing方程建立检测微弱同相轴的混沌振子系统，之后根据假设的不同时间-速度对经过对同相轴的扫描处理，构成新子波等时间间隔序列送入混沌振子系统中，若振子系统相态发生大的改变表明该时间-速度对存在同相轴，否则不存在。该方法在地震资料信噪比极低的情况下仍能较准确地检测到同相轴，但该方法由于需要搜索时间-速度对，且每次搜索时都需求解混沌振子微分方程组，运行效率较低。综上所述，到目前为止，国内外地震记录同相轴拾取技术已经取得了许多成果，但多数方法与地震波的运动规律结合较少，且对多同相轴同时拾取有困难。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种，给出了结合地震波的运动规律设计的卡尔曼滤波器，同时利用数据关联技术实现对多同相轴的同时拾取。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于卡尔曼滤波的地震反射同相轴自动拾取方案，该方案首先根据地震反射波的运动规律，基于地震反射双曲时距方程建立用于拾取地震反射同相轴信息的卡尔曼滤波系统的状态方程和量测方程，其次检测各道地震信号中的地震子波到达时间从而得到卡尔曼滤波所用的量测数据，根据自由量测点集合中的数据自动起始同相轴，并依据“预测一观测一校正”的川页序逐步迭代滤波，其中利用数据关联技术解决多同相轴同时跟踪问题，从而提供一套新的噪声中地震反射同相轴的自动拾取技术。下面先对本专利技术根据地震反射波的运动规律所建立的卡尔曼滤波器进行描述。在反射波地震勘探领域中，地震反射波传播时距曲线一般近似为双曲线，其运动方程满足双曲时距方程。考虑某均匀水平层状介质，假设地震波在反射界面之上介质中的平均传播速度为V，炮点的自激自收时间为V N个检波器的炮检距分别为X1, X2,…，xk,Xk+1,…，Xn，各检波器接收该反射界面反射波的波达时间分别为t1; t2,..., tk, tk+1,..., tN,JC2则根据地震反射波双曲时距方程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于卡尔曼滤波的地震反射同相轴自动拾取方法，其特征在于，该方法建立基于地震反射波运动规律的卡尔曼系统模型，并利用卡尔曼滤波来逐步迭代拾取地震反射同相轴；所述卡尔曼系统模型的建模步骤为：依据地震反射波运动规律建立用于卡尔曼滤波的状态方程和量测方程；令第k个检波道的状态向量为Xk=tk21vk2;其中vk是地震波由炮点经界面反射传播至第k个检波器过程中的平均速度，tk是第k个检波器接收界面反射波的波达时间；则状态方程写成Xk+1＝FkXk+Uk，???????????（2）其中状态转移矩阵Fk=1(xk+12-xk2)01,xk是第k个检波器的炮检距；Uk＝Γkuk为过程噪声，其中过程噪声分布矩阵Γk=12(xk+12-xk2)2xk+12-xk2,uk为零均值高斯过程噪声；令第k个检波道的量测向量为Zk＝[zk2]，其中zk为从地震记录中所提取的第k个检波道中各地震子波的波达时间，则量测方程写成Zk+1＝Hk+1Xk+1+Wk+1，??????????????(2)其中量测矩阵Hk+1＝[1?0]，Wk+1为在上述量测方程中引入的量测噪声；所述利用卡尔曼滤波来逐步迭代拾取地震反射同相轴的步骤包括：步骤S00，初始化；置自由量测点集合、同相轴集合为空，迭代步数k＝1；步骤S01，提取波达时间点；取出地震记录中的第k道地震信号，提取该道数据中地震子波的波达时间点即量测点{zk(i),i＝1,2,…,mk}，mk表示第k道地震信号中提取到的地震子波个数，同时记录各波达时间点位置地震子波的振幅值{Ak(i),i＝1,2,…,mk}；步骤S02，数据关联；根据步骤S04在上一次卡尔曼滤波迭代过程中预测得到的第k道地震信号上各同相轴的位置即波达时间预测值zk|k?1，将步骤S01中所提取的波达时间点zk(i)与同相轴集合中的各个同相轴进行关联，具体关联方式为：针对提取的每个量测点zk(i)，判断其是否落入以同相轴集合中任意一个同相轴的预测结果zk︱k?1为中心的给定时间区域内，如果是，则该量测点属于该同相轴，即该量测点作为其落入的同相轴的候选点而相关联，将该量测点存入关联同相轴对应的候选数据集合中；若量测点与同相轴集合中任何同相轴均关联不上，则将该量测点存入自由点集合中；若同相轴集合为空，此时直接将本轮处理中步骤S01提取的所有量测点存入自由点集合中；步骤S03，起始新同相轴；根据自由点集合中数据采用M/L直观法起始新同相轴，即根据连续L道量测点中任意连续两点估计反射地震波的波速l的取值范围为1,2,…,L?1，若有M点的波速满足给定速度要求，则起始一条新同相轴，将该新同相轴加入同相轴集合中，并将用于起始新同相轴所使用的M个量测点从自由点集合中删除；起始成功后进行新同相轴对应的卡尔曼滤波器的初始化；其中M和L均为正整数，且M小于或等于L；步骤S04，逐一对同相轴集合中所有同相轴进行本次卡尔曼滤波迭代，得到本次迭代的状态估计和状态估计协方差矩阵，继而给出下次迭代所需的各同相轴位置的预测值zk+1︱k；步骤S05，令k＝k＋1，重复步骤S01~S04，直至最后一道地震信号迭代完毕；则最后得到的一系列状态向量中包含了所要拾取的地震同相轴信息，包括同相轴的位置信息tk和速度信息vk。FDA00002874591500021.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波的地震反射同相轴自动拾取方法，其特征在于，该方法建立基于地震反射波运动规律的卡尔曼系统模型，并利用卡尔曼滤波来逐步迭代拾取地震反射同相轴； 所述卡尔曼系统模型的建模步骤为:依据地震反射波运动规律建立用于卡尔曼滤波的 lk状态方程和量测方程；令第k个检波道的状态向量为2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S02中，将量测点zk(i)存入关联同相轴对应的候选数据集合中时，如果出现多个量测点关联到同一同相轴的情况，则将关联到同一同相轴的各量测点合成一个合成量测点，作为参与第k次卡尔曼滤波迭代的量测数据。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤04和步骤05之间，进一步包括同相轴管理...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓小英，曾涛，刘海波，毕锐锐，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：