專利名稱：自適應(yīng)地震噪聲和干擾衰減方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震數(shù)據(jù)勘測(cè)，并且涉及處理地震數(shù)據(jù)的方法。它涉及一種用一種自適應(yīng)波束形成方法從地震數(shù)據(jù)來(lái)濾波相干噪聲和干擾的過(guò)程。在另一方面，它涉及自適應(yīng)地從地震數(shù)據(jù)濾波相干噪聲和干擾同時(shí)保留在頻率波數(shù)域中具有任意頻譜量的地震信號(hào)。在另一個(gè)方面，它涉及自適應(yīng)濾波時(shí)空不穩(wěn)定的相干噪聲和干擾。在又一個(gè)方面，它涉及自適應(yīng)濾波已經(jīng)在擾動(dòng)存在下已經(jīng)由一個(gè)傳感器陣列記錄的相干噪聲和干擾。
在地震勘探中，地震源在地面或靠近地面產(chǎn)生地震波。爆炸、振動(dòng)裝置及氣槍是地震源的例子。這些波經(jīng)大地傳播，并且由地球內(nèi)的巖層反射、折射和衍射，及能由地面處的多個(gè)傳感器(一般為聽(tīng)地器和水聽(tīng)器)檢測(cè)。每個(gè)這樣的接收器監(jiān)視隨后記錄的地震波場(chǎng)。由接收器接收和隨后記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為蹤跡。存儲(chǔ)蹤跡的集合以便進(jìn)一步處理以得到關(guān)于地表下巖石的信息。通常判讀這種信息以檢測(cè)可能存在的油氣、或監(jiān)視含油氣巖的變化。
地震數(shù)據(jù)一般包含相干噪聲信號(hào)、以及地震反射信號(hào)。這些噪聲信號(hào)，下文稱作噪聲，干擾地震信號(hào)的判讀，并且降低通過(guò)進(jìn)一步處理能得到的地震信號(hào)的質(zhì)量。因此希望在處理記錄數(shù)據(jù)之前抑制其中存在的噪聲以便成象。
在陸地地震勘探中，象地滾波和氣波之類的源生噪聲是主要的噪聲類型，并且能導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量的嚴(yán)重下降。在海洋地震勘探中，作為波傳播捕獲在水柱和近表面層中的能量、以及從沿接收器裝置的拖纜傳播的波生成的膨脹噪聲和體波噪聲是占優(yōu)勢(shì)的源。在海洋地震勘探中的相干噪聲的其他源包括過(guò)往船只、在附近勘測(cè)地震數(shù)據(jù)的其他船只、或靠近勘測(cè)區(qū)域的任何鉆探活動(dòng)。
所謂相干噪聲存在于地震數(shù)據(jù)中的一個(gè)重要特征是其上噪聲顯現(xiàn)相干的距離。在多種情況下，噪聲僅在幾米上是相干的。在其他情況下，盡管噪聲大都是相干的，但存在有空間脈沖噪聲。在這些情況下，具有大空間擴(kuò)展的濾波方法，象已知的頻率波數(shù)濾波，產(chǎn)生在進(jìn)一步處理和成象之后錯(cuò)誤辨別為地震事件的多余人工產(chǎn)物。
噪聲存在于地震數(shù)據(jù)中的另一個(gè)特征在于，它作為時(shí)間的函數(shù)常常是不穩(wěn)定的；即，其特性作為時(shí)間的函數(shù)而變化。
在最近幾年，已經(jīng)提出了把自適應(yīng)信號(hào)處理思想的中心概念應(yīng)用于抑制地震數(shù)據(jù)中的相干噪聲問(wèn)題的各種方法。
Booder和Ong在“Mutiple-constraint adaptive filtering(多重約束自適應(yīng)濾波)”Geophysics(地球物理學(xué))，Vol.36,PP.498-509,1971中已經(jīng)導(dǎo)出了用于多通道時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理的算法，該算法對(duì)于已知信號(hào)或噪聲源保持規(guī)定的初始多重濾波器約束，同時(shí)采用濾波器把未知源場(chǎng)的影響減到最小。約束條件是多重觀看方向約束類型的，其中必須準(zhǔn)確地規(guī)定觀看方向。
在國(guó)際專利申請(qǐng)WO97/25632中，zbek已經(jīng)描述了一類在相位和振幅擾動(dòng)存在的情況下用來(lái)衰減地震數(shù)據(jù)中的分散、不穩(wěn)定及混淆相干噪聲的自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)。研制的方法能分類為多通道自適應(yīng)干擾消除器。由于信號(hào)無(wú)噪聲信號(hào)基準(zhǔn)不容易在地震數(shù)據(jù)勘測(cè)中得到，所以引入各種預(yù)處理技術(shù)以產(chǎn)生相干噪聲基準(zhǔn)通道。在該方法的單分量樣式中，時(shí)差(視在速度)和時(shí)空相干用作用來(lái)區(qū)分信號(hào)和噪聲的標(biāo)準(zhǔn)。在多分量樣式中，極化用作用于區(qū)分的輔助屬性。一旦建立單或多個(gè)噪聲基準(zhǔn)通道，就使用數(shù)據(jù)適應(yīng)最小平方多通道濾波器組消除在初級(jí)通道中的相干噪聲。
美國(guó)專利No.4,556,962試圖通過(guò)把傳感器靠近源放置以檢測(cè)干擾噪聲來(lái)從表面地震源衰減地滾波。借助于來(lái)自較遠(yuǎn)聽(tīng)地器陣列的信號(hào)定標(biāo)、延遲及求和干擾噪聲，并且然后使干擾噪聲與原始振動(dòng)源互相關(guān)。該專利也建議使用自適應(yīng)濾波器以便改進(jìn)延遲信號(hào)以更密切地對(duì)應(yīng)于由較遠(yuǎn)聽(tīng)地器陣列的檢測(cè)的信號(hào)。然而，地滾波一般具有不均勻的性質(zhì)；由于從近表面異常分散和散射，在一點(diǎn)處測(cè)量的地滾波與在另一點(diǎn)處測(cè)量的地滾波在性能上隨距離增大而偏差增大。所以，靠近源測(cè)量的地滾波可能與由聽(tīng)地器陣列接收的地滾波大不相同，并且自適應(yīng)濾波器可能能夠處理這種情形。也難以測(cè)量靠近源的地震信號(hào)(地滾波)。往往最近偏移是100米。對(duì)于精密測(cè)量，可能需要更可靠的傳感器，并且檢測(cè)器‘性能’匹配應(yīng)該是重要的初始步驟。
在美國(guó)專利No.4,890,264中，提出了一種用來(lái)抑制由表面波傳播、風(fēng)、及機(jī)械產(chǎn)生非均勻分布噪聲的方法。多個(gè)水平靈敏聽(tīng)地器分布在常規(guī)縱向取向的水聽(tīng)器中。結(jié)合自適應(yīng)濾波器利用表面波檢測(cè)器的輸出來(lái)消除表面波干擾的影響。用于地滾波抑制的該方法本質(zhì)上是多分量方法，并且不能結(jié)合單分量勘測(cè)使用。另外，它忽略了一些地震體波也由水平靈敏聽(tīng)地器檢測(cè)的事實(shí)，并且這可能導(dǎo)致信號(hào)抵消。
在英國(guó)專利申請(qǐng)GB-A-2273358中，線性抑制自適應(yīng)波束形成和自適應(yīng)干擾消除波束形成用于地滾波抑制。在線性抑制自適應(yīng)波束形成中，濾波和求和由聽(tīng)地器陣列測(cè)量的信號(hào)，以便保留從一個(gè)最佳方向入射的信號(hào)，同時(shí)抑制從其他方向入射的干擾。在應(yīng)用自適應(yīng)干擾消除時(shí)，在地震反射與地滾波之間的時(shí)差微分用來(lái)形成初級(jí)和基準(zhǔn)通道。使用諸如LMS(最小平均平方)算法之類的連續(xù)自適應(yīng)方法進(jìn)行濾波。建議的用途是在地震中同時(shí)鉆探，其中水平偏移范圍非常小，從而地震反射具有幾乎垂直的入射角，并且由于用作地震源的牙輪鉆頭運(yùn)動(dòng)得非常緩慢，所以有從每個(gè)源接收器位置得到的多個(gè)有效數(shù)據(jù)。噪聲的統(tǒng)計(jì)量然后變化得非常緩慢，允許象LMS之類的隨機(jī)梯度型算法收斂。然而，在表面地震試驗(yàn)中，地滾波存在常常是不穩(wěn)定和非均勻的。因此，諸如LMS之類的隨機(jī)坡度型算法可能收斂得太慢。
美國(guó)專利No.5,237,538提出了一種從地震數(shù)據(jù)除去相干噪聲的方法。在這種方法中，首先辨別噪聲的時(shí)差特性。其次，定義和抽取包含噪聲的空間-時(shí)間門(mén)，并且除去時(shí)差以使噪聲列扁平。然后從門(mén)除去振幅和時(shí)間變量。使用常規(guī)疊加來(lái)估計(jì)相干噪聲。單通道Wiener濾波器用來(lái)把噪聲估計(jì)與包含單脈沖噪聲的數(shù)據(jù)蹤跡中的噪聲相匹配。已經(jīng)減去濾波噪聲估計(jì)后，把反向振幅標(biāo)量用來(lái)解除振幅均衡的影響。信號(hào)然后運(yùn)出重新存儲(chǔ)到原始地震記錄中。用來(lái)從地震數(shù)據(jù)除去相干噪聲的這種具體方法是叫做后波束形成器干擾消除的熟知技術(shù)的應(yīng)用。它對(duì)于用于地滾波的用途有一些具體的缺點(diǎn)。首先，信號(hào)總是泄漏到地滾波估計(jì)中，特別是對(duì)于較短的陣列。在與初級(jí)通道中的信號(hào)按時(shí)間定位在同一處的基準(zhǔn)通道處總是有信號(hào)分量存在。另一方面，當(dāng)允許陣列較長(zhǎng)時(shí)，在地滾波中存在的分散使得難以達(dá)到有效的波束控制。
在海洋地震勘探中，聲源產(chǎn)生的波穿過(guò)水并且進(jìn)入大地。這些波然后由地面下地質(zhì)構(gòu)造反射或衍射，穿過(guò)水返回，并且由拖在地震船后靠近水面的長(zhǎng)水聽(tīng)器陣列記錄。水聽(tīng)器安裝在拖纜、或拖船中。通常拖有1-12根拖纜，每根拖纜幾千米長(zhǎng)。拖纜由一般可以為100-200米長(zhǎng)的段組成；每段包括在可以填充有油、泡沫、或較多固體物質(zhì)的外皮內(nèi)的水聽(tīng)器。應(yīng)力鋼絲和墊片形成拖纜的內(nèi)部骨架。
在拖纜拖在船后面的同時(shí)，由于各種源產(chǎn)生本身噪聲。船的擺動(dòng)，特別是在強(qiáng)浪中，在應(yīng)力鋼絲中引起振動(dòng)，應(yīng)力鋼絲與連接器和油填充表皮相互作用，產(chǎn)生沿拖纜傳播的膨脹波(或呼吸波)。該壓力變化由水聽(tīng)器檢測(cè)，添加噪聲及污染檢測(cè)的地震信號(hào)。由于拖纜穿過(guò)水運(yùn)動(dòng)，所以邊界層擾動(dòng)引起在外表皮壁處的壓力波動(dòng)，這再次耦合到水聽(tīng)器上。
膨脹波也可以由在拖纜周?chē)刹ɡ俗饔靡鸬臋E圓水運(yùn)動(dòng)下的渦流分離引起。在美國(guó)專利No.4,821,241中描述了一種把自適應(yīng)信號(hào)處理應(yīng)用于體波衰減的方法。這里提出與拖纜中的水聽(tīng)器共同定位應(yīng)力傳感器。應(yīng)力傳感器響應(yīng)施加到纜上的機(jī)械應(yīng)力，但基本上不響應(yīng)在流體介質(zhì)中傳播的聲波。來(lái)自應(yīng)力傳感器的信號(hào)輸出與來(lái)自對(duì)應(yīng)共同定位水聽(tīng)器的信號(hào)輸出相結(jié)合，以消除由體波造成的寄生信號(hào)。
在美國(guó)專利No.5,251,183中描述了另一種把自適應(yīng)信號(hào)處理應(yīng)用于體波衰減的方法。在該專利中，提出使用在拖纜和水聽(tīng)器的引入段之間固定的加速度儀。記錄內(nèi)射和互射加速度儀和水聽(tīng)器信號(hào)。該方法利用內(nèi)射和互射自適應(yīng)處理循環(huán)?；ド渥赃m應(yīng)處理循環(huán)從互射加速度儀信號(hào)和互射水聽(tīng)器信號(hào)導(dǎo)出互射復(fù)合權(quán)重。內(nèi)射自適應(yīng)處理循環(huán)通過(guò)把互射復(fù)合權(quán)重與內(nèi)射加速度儀信號(hào)相結(jié)合模型化在內(nèi)射水聽(tīng)器信號(hào)中的體波噪聲。通過(guò)從內(nèi)射地震檢測(cè)器信號(hào)減去內(nèi)射體波噪聲模型實(shí)現(xiàn)體波噪聲衰減。
按照本發(fā)明，提供有一種用來(lái)從離散噪聲地震信號(hào)濾波噪聲的方法，該方法包括步驟使用多個(gè)接收器接收信號(hào)；相對(duì)于接收器位置確定信號(hào)的傳播特性；及使用一個(gè)至少部分自適應(yīng)的濾波器濾波接收的信號(hào)，從而衰減具有除確定傳播特性之外的傳播特性的信號(hào)。濾波步驟包括步驟用定義一個(gè)希望(靜態(tài))響應(yīng)的第一集合和一個(gè)定義要保留的信號(hào)的傳播特性的第二集合，定義至少兩個(gè)獨(dú)立的條件(約束)集合；及使濾波器的濾波器系數(shù)經(jīng)受獨(dú)立條件(約束)集合，以便對(duì)于具有除確定傳播特性之外的傳播特性的信號(hào)減小(優(yōu)化)濾波器輸出。
對(duì)于本發(fā)明的用途，便利的是對(duì)于濾波器權(quán)重或系數(shù)的優(yōu)化過(guò)程定義一個(gè)信號(hào)依賴部分(相關(guān)矩陣)和一個(gè)信號(hào)獨(dú)立部分。信號(hào)獨(dú)立部分通常包括約束，并且這里常常稱作約束矩陣。使用約束矩陣的這種概念，本發(fā)明的重要方面能描述成在約束矩陣內(nèi)有一個(gè)由希望靜態(tài)響應(yīng)定義的子空間和一個(gè)定義保護(hù)信號(hào)的區(qū)域的子空間。通過(guò)使這兩個(gè)子空間正交，能找到同時(shí)把兩個(gè)限制施加在濾波器響應(yīng)上的濾波器權(quán)重。由于約束矩陣有效地減小適用于適應(yīng)過(guò)程的濾波器的自由度，所以本發(fā)明的這方面能描述成把自由度的總數(shù)分裂成一個(gè)對(duì)于適應(yīng)過(guò)程可得到的第一部分和一個(gè)用來(lái)定義約束的第二部分。分配給約束的自由度在這些約束中分裂，這些約束定義希望響應(yīng)、和一個(gè)定義時(shí)間和/或空間頻譜量或要保留的信號(hào)的傳播特性的第二集合。
該方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，不限于窄帶信號(hào)，但也可應(yīng)用于導(dǎo)致濾波器隨輸入信號(hào)的頻率改變其響應(yīng)的寬帶地震信號(hào)。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面在于，已經(jīng)導(dǎo)出了一種把希望靜態(tài)響應(yīng)和與區(qū)域有關(guān)的約束分離成正交子空間的方法，任何已知的方法能用于適應(yīng)過(guò)程。這種已知的適應(yīng)方法是已知的，并且在例如LMS、RLS、LSL、FTF等文獻(xiàn)中描述。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，一個(gè)包括時(shí)空局部濾波器的濾波器組用作自適應(yīng)濾波器。
一個(gè)濾波器組能定義為包括M個(gè)具有K個(gè)每個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通道的局部多通道自適應(yīng)濾波器。對(duì)于大多數(shù)用途，系數(shù)的數(shù)量L等于或大于三。通道的數(shù)量K和各個(gè)濾波器的數(shù)量M最好為二或更大。
在國(guó)際專利申請(qǐng)WO97/25632中，已經(jīng)描述了用于地震信號(hào)的噪聲衰減的濾波器組的使用。然而，本發(fā)明為了計(jì)算適應(yīng)濾波器組系數(shù)不需要定義基準(zhǔn)通道。沒(méi)有噪聲估計(jì)輸入適應(yīng)過(guò)程。因此，本方法能應(yīng)用于噪聲污染地震信號(hào)，其中沒(méi)有適用的獨(dú)立測(cè)量或噪聲估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，約束濾波器的系數(shù)，從而其響應(yīng)對(duì)應(yīng)于具有規(guī)定觀看方向的波形成器的響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，設(shè)置約束，從而濾波器保留來(lái)自觀看方向或頻率波數(shù)域的定義區(qū)域的范圍的信號(hào)。根據(jù)特性，更具體地說(shuō)根據(jù)地震信號(hào)的視在速度，能預(yù)選擇區(qū)域。速度的一定極限，如1500m/s，定義在頻率波數(shù)域中的諸區(qū)域。
本發(fā)明的另外一個(gè)方面包括使用近似使費(fèi)用函數(shù)最小，這種近似是當(dāng)應(yīng)用于在其中所述窗口函數(shù)重疊的區(qū)域中的相同信號(hào)時(shí)M個(gè)濾波器的相鄰濾波器的輸出的、由窗口函數(shù)加權(quán)的和相等。最好該方法包括把M個(gè)濾波估計(jì)與時(shí)間窗口函數(shù)相乘的步驟。時(shí)間窗口函數(shù)并因此生成時(shí)間窗口對(duì)結(jié)合元件的應(yīng)用，保證濾波過(guò)程在時(shí)間方面是局部的，并且允許該方法自適應(yīng)地按照全局優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)從地震數(shù)據(jù)除去噪聲。數(shù)據(jù)選擇時(shí)間窗口函數(shù)最好由兩個(gè)要求確定，其中第一要求是在任何給定時(shí)間在所有窗口上的和等于一，并且第二要求是只有相鄰窗口重疊。這些要求保證通過(guò)使用一種近似能解決濾波信號(hào)的全局優(yōu)化，在這種近似中對(duì)于在所有時(shí)間上的和及所有濾波器和所有相鄰濾波器，相鄰濾波器的誤差函數(shù)用與濾波器本身有關(guān)的誤差函數(shù)代替。
數(shù)據(jù)選擇時(shí)間窗口的應(yīng)用分離求解濾波信號(hào)的優(yōu)化需要的等式。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，濾波器的響應(yīng)能通過(guò)使用一個(gè)正則化參數(shù)來(lái)控制。該參數(shù)如這里應(yīng)用的那樣，確定費(fèi)用函數(shù)的兩個(gè)分量的相對(duì)權(quán)重。費(fèi)用函數(shù)的分量之一能定義為輸出功率，而另一個(gè)可以特征化為基本上是濾波器組的白噪聲增益，即響應(yīng)在時(shí)間和空間不相關(guān)的輸入的濾波器輸出。
噪聲信號(hào)在通到自適應(yīng)濾波裝置之前通過(guò)使用一個(gè)重新構(gòu)造濾波器，例如正交鏡象濾波器，把信號(hào)劃分成頻帶可以預(yù)處理。這允許要處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的減小，并且當(dāng)有效減小原始信號(hào)的帶寬時(shí)，也允許自適應(yīng)濾波裝置中的系數(shù)數(shù)量的減小。
本發(fā)明可應(yīng)用于兩維(2D)和三維(3D)地震勘探，并且能用在陸地地震、包括海底地震的海洋地震、及過(guò)渡區(qū)地震中。
對(duì)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能執(zhí)行該方法，或在勘測(cè)原始地震數(shù)據(jù)時(shí)能對(duì)其執(zhí)行該方法。因而根據(jù)在數(shù)據(jù)勘測(cè)場(chǎng)合處的方法可以濾波原始地震數(shù)據(jù)。這保證可從數(shù)據(jù)勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)得到“清潔”信號(hào)，并且可以直接以這種形式從現(xiàn)場(chǎng)下載。這減小了為離場(chǎng)分析發(fā)送的數(shù)據(jù)量，并且減小了與為離場(chǎng)分析累積足夠量的噪聲數(shù)據(jù)有關(guān)的費(fèi)用和存儲(chǔ)問(wèn)題。該方法能便利地應(yīng)用于單傳感器記錄，用于在把兩個(gè)或多個(gè)地震傳感器的信號(hào)結(jié)合成任何組形成之前的記錄。
盡管本發(fā)明的描述基于地震信號(hào)處理，但它能應(yīng)用于聲音信號(hào)，象被用于例如測(cè)井用途。特定的地震用途包括膨脹噪聲或拖纜噪聲衰減，包括在橫流勘測(cè)中的拖纜噪聲衰減；來(lái)自海洋、陸地、或過(guò)渡區(qū)數(shù)據(jù)的地滾波或泥滾波或其他相干噪聲的衰減；地震干擾抵消，即使用多拖纜陣列的全孔徑濾波噪聲，該多拖纜陣列或者拖在水中或者用在海底；或從抽象源特征估計(jì)除去海底反射，一種使用在歐洲專利申請(qǐng)EP-A-066423中描述的技術(shù)。其他用途包括用于各種鉆孔地震勘探方法的噪聲抑制，其中噪聲或信號(hào)具有優(yōu)先方向。已知的鉆孔地震方法包括鉆時(shí)地震(SWD)、垂直地震剖面測(cè)量(VSP)、前看及鉆探時(shí)環(huán)顧。
由如下詳細(xì)描述和附圖熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將體會(huì)和理解本發(fā)明、最佳實(shí)施例和其變例的這些和其他特征、可能用途及優(yōu)點(diǎn)。


圖1表明地震陸地勘測(cè)的一般元件；圖2表示按照本發(fā)明一個(gè)例子的自適應(yīng)波束形成器的一般方塊圖；圖3表示由按照本發(fā)明一個(gè)例子的自適應(yīng)波束形成器保留的區(qū)域的例子；圖4表示按照本發(fā)明一個(gè)例子定義一個(gè)約束矩陣的步驟；圖5表明按照本發(fā)明一個(gè)例子在濾波地震記錄的過(guò)程中使用約束矩陣的步驟；圖6表示包括由按照本發(fā)明一個(gè)例子的自適應(yīng)波束形成器抑制的噪聲區(qū)域的保留區(qū)域的例子；圖7A-C表示按照本發(fā)明定義一個(gè)保留區(qū)域或諸區(qū)域的例子。
在下面詳細(xì)展開(kāi)支持本發(fā)明的基本概念。
一種典型的陸地地震勘測(cè)表明在圖1中。
致動(dòng)一個(gè)源10，因而產(chǎn)生地震波11，即具有小于500Hz頻率的地震波。波穿過(guò)大地12的內(nèi)部傳播，并且在各位置處反射。盡管僅表示了一個(gè)反射體13，但一般有多個(gè)反射體，每個(gè)把一部分地震波反射回表面。在表面處，地震波由地震傳感器14(聽(tīng)地器)記錄。這些傳感器沿一條線或以兩維圖案散開(kāi)。
作為一個(gè)主要噪聲源的例子，表示所謂的“地滾波”的傳播路徑15。地滾波是在靠近表面的層內(nèi)傳播的直接波能量。地滾波的一個(gè)明顯特征是具有與從較深反射體層反射的信號(hào)不同的傳播特性地滾波一個(gè)接一個(gè)地到達(dá)繪出傳感器線的傳感器。相反，來(lái)自很深處的反射體的地震信號(hào)16幾乎同時(shí)到達(dá)所有的傳感器14。當(dāng)轉(zhuǎn)換成稱作f-k域的頻率波數(shù)域時(shí)，希望地震信號(hào)因此通常位于繞f-軸的窄錐內(nèi)(等效于k的小值)，而地滾波往往具有較大的k值。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，這里表示一種按照本發(fā)明的自適應(yīng)波束形成器的一般方塊圖。假定存在位于rk處的K個(gè)傳感器，k=1,…,K。每個(gè)傳感器k記錄一個(gè)信號(hào)gk(n),n=1,…,N。字母‘n’用作對(duì)離散時(shí)間樣本的下標(biāo)。抽樣間隔是△t。使用向一般“信號(hào)方向”的延遲τk波束控制信號(hào)gk(n)。這是期望地震信號(hào)從其到達(dá)的一般方向。波束控制通道xk(n)由局部多通道自適應(yīng)濾波器處理以產(chǎn)生輸出信號(hào)[1]y(n)=Σi=1MΣk=1KΣv=-L1L2hi(n)wikvxk(n-v)]]>其中Wikv(t)是自適應(yīng)濾波器的可調(diào)節(jié)系數(shù)，hi(n)是在輸出端處施加的窗口，M是局部多通道自適應(yīng)濾波器的數(shù)量(或輸出窗口的數(shù)量)，并且L=L1+L2+1是每個(gè)通道的系數(shù)數(shù)量。這里和下面，在字母下的線指示向量(小寫(xiě)字母)或矩陣(大寫(xiě)字母)。
使用在時(shí)間t的分接輸入向量x(n)和分接權(quán)重wi能把公式[1]重寫(xiě)成在標(biāo)量乘積上的(開(kāi)窗口的)和，x(n)定義為[2]x-(n)≡[x1(n+L1),...,x1(n-L2),]]>x2(n+L1),...,x2(n-L2),]]>xk(n+L1),...,xk(n-L2)]T]]>而wi定義為[3]w-i≡[wil(-L1),...,wilL2,wi2(-L1),...,wi2L2,]]>wik(-L1),...,wikL2]T]]>使用公式[2]和[3]，公式[1]成為[4]y(n)=Σi=1Mhi(n)w-iTx-k(n)=Σi=1Mhi(n)x-T(n)w-i]]>
公式[1]和[4]描述一旦已經(jīng)規(guī)定M個(gè)分接權(quán)重wi如何求出波束形成器或?yàn)V波器組輸出。作為下面描述的優(yōu)化問(wèn)題的解計(jì)算這些向量。
優(yōu)化問(wèn)題定義為[5]w-1,...,w-MminJ=w-1,...,w-Mmin{J1+δ2KLJ2}]]>受到約束[6]CT-Wi-=f-]]>其中i=1,2,…,M和[7]J1=Σn=1Ny2(n)]]>和[8]J2=Σi=1M||w-i||2Σn=1Nhi(n)(n)||x(n)-||2,]]>KL是濾波器系數(shù)的總數(shù)，并且‖.‖指示L2范數(shù)。該費(fèi)用函數(shù)是波束形成器的輸出功率的線性組合(在公式[5]中第一項(xiàng))，而所謂的波束形成器的“白色噪聲增益”由輸入功率(在公式[5]中的第二項(xiàng))加權(quán)。兩項(xiàng)的相對(duì)權(quán)重由δ2項(xiàng)調(diào)節(jié)。在費(fèi)用函數(shù)中包括波束形成器的“白色噪聲增益”是打算增大在信號(hào)模型不確定性(有時(shí)稱作擾動(dòng))和在信號(hào)與噪聲之間的數(shù)值相關(guān)存在的情況下增大波束形成器穩(wěn)健性。
公式[6]描述對(duì)于對(duì)優(yōu)化問(wèn)題的容許解的Q線性約束。這里，KLxQ矩陣C是約束矩陣，并且Q向量f是響應(yīng)向量。下面討論線性約束的實(shí)際設(shè)計(jì)。
優(yōu)化的一種可能解取決于對(duì)窗口函數(shù)hi(n)施加如下兩個(gè)約束[9]Σi=1Mhi(n)=1]]>對(duì)于n=1,…,N和hi(n)hj(n)=0對(duì)于j＜＞i-1,i,i+1。第一約束保證，如果所有局部濾波器(wi)相同則濾波器組等效于單濾波器情形。第二約束保證窗口具有緊湊支持。
使用第二條件(公式([10])和如下近似能很大程度上優(yōu)化問(wèn)題分離，[11]ΣnΣiΣj=i-1,i+1hi(n)hj(n)wiT-x-(n)xT-(n)wj-≈]]>ΣnΣiΣj=i-1,i+1hi(n)hj(n)wiT-x-(n)xT-(n)wi-]]>當(dāng)應(yīng)用于其中相鄰窗口重疊的時(shí)間區(qū)域中的相同輸入數(shù)據(jù)時(shí)，公式[11]的近似需要相鄰濾波器產(chǎn)生類似的結(jié)果，而不是要求相鄰濾波器在一點(diǎn)一點(diǎn)的基礎(chǔ)上類似。因而，該近似類似于要求兩個(gè)函數(shù)的積分接近，而不是函數(shù)本身。
借助于這種近似，費(fèi)用函數(shù)的第一項(xiàng)J1成為[12]J1=Σi=1MwiT-Φi-wi-]]>以及[13]Φi-=Σnhi(n)x-(n)xT-(n).]]>費(fèi)用函數(shù)中的第二項(xiàng)能重寫(xiě)為[14]J2=Σi=1M||wi-||2tr{Σn=1Nhi(n)x-(n)xT-(n)},]]>用“tr”指示矩陣的蹤跡。
結(jié)合公式(5)、(12)、(14)，并且重新組織諸項(xiàng)，總費(fèi)用函數(shù)能寫(xiě)成[15]J=Σi=1MwiT-{Φi-+δ2KLtr(Φi-)I-}wi-,]]>
以及I指示KLxKL純量矩陣。對(duì)于經(jīng)受約束[6]的M個(gè)時(shí)間窗口的每一個(gè)能解決分離優(yōu)化問(wèn)題。使用拉格朗日乘子法，在每個(gè)窗口中的最佳分接權(quán)重由下式給出[16]wi*-=Φi-1-~C-(CT-Φi-1-~C-)-1f-,]]>以及[17]Φi-~=Φi-+δ2KLtr(Φi-)I-,]]>改進(jìn)局部相關(guān)矩陣Φi~的第二項(xiàng)能認(rèn)為是調(diào)節(jié)項(xiàng)，用δ2作為調(diào)節(jié)參數(shù)。在陣列信號(hào)處理文獻(xiàn)中，在窄帶波束形成器的上下文中，已經(jīng)建議增大添加有標(biāo)量純量矩陣的相關(guān)矩陣的調(diào)節(jié)以增大在擾動(dòng)存在的情況下的穩(wěn)健性。這里，費(fèi)用函數(shù)[5]包括從開(kāi)始引導(dǎo)到用于寬帶自適應(yīng)波束形成的一般化的規(guī)則化。因此，濾波器響應(yīng)作為信號(hào)頻率的函數(shù)而變化。
當(dāng)至波束形成器的輸入數(shù)據(jù)由時(shí)空非相關(guān)(或白)噪聲特征化時(shí)，相關(guān)矩陣Φi和改進(jìn)相關(guān)矩陣Φi~都變得與純量矩陣成比例，在這種情況下，最佳權(quán)重向量成為[18]wi*-≡wq-=C-(CT-C-)-1f-.]]>權(quán)重向量wq叫做對(duì)最佳波束形成器問(wèn)題的靜態(tài)解，并且對(duì)應(yīng)響應(yīng)稱作靜態(tài)響應(yīng)。注意靜態(tài)解完全取決于約束矩陣C和響應(yīng)向量f。
當(dāng)增大規(guī)則化參數(shù)δ2時(shí)，即使對(duì)于一般噪聲場(chǎng)最佳權(quán)重向量wi也接近靜態(tài)權(quán)重向量wq。在這種情況下，改進(jìn)相關(guān)矩陣Φi~接近純量矩陣(參考資料[17])。規(guī)則化參數(shù)δ2因此加權(quán)在一個(gè)完全取決于接收數(shù)據(jù)、與一個(gè)獨(dú)立于數(shù)據(jù)的解之間的最佳解。對(duì)于δ2=1,兩個(gè)解在其對(duì)應(yīng)相關(guān)矩陣具有相等蹤跡值的意義上等同地加權(quán)。在其中擾動(dòng)較高的情況下，即在關(guān)于地震勘測(cè)幾何外形的假定不準(zhǔn)確保持的情況下，求出對(duì)較高級(jí)規(guī)則化的波束形成器響應(yīng)能給出更可靠的結(jié)果。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及要施加在波束形成器上的線性約束(公式[6])的設(shè)計(jì)。
能施加在波束形成器上的另一種類型的線性約束是設(shè)計(jì)成保留從目標(biāo)方向入射的地震信號(hào)的那些，同時(shí)抑制從其他方向入射的干擾。控制象圖2中所示那些一樣的延遲τk定義一個(gè)單“觀看方向”。在該方向上入射的信號(hào)同相，并且對(duì)于這些信號(hào)能把系統(tǒng)當(dāng)作單個(gè)FIR(有限脈沖響應(yīng))濾波器。用于該等效處理器的系數(shù)值等于在自適應(yīng)處理器中的對(duì)應(yīng)系數(shù)之和。每個(gè)局部波束形成器wi包括處理來(lái)自每個(gè)通道、和一個(gè)求和單元的數(shù)據(jù)的自適應(yīng)濾波器wi1、wi2、…、wik。各個(gè)濾波器wi1、wi2、…、wik之和約束成給出weq,weq是對(duì)于在觀看方向入射的信號(hào)，例如在觀看方向的單位脈沖，的希望響應(yīng)。靜態(tài)響應(yīng)然后成為對(duì)所有元件具有單個(gè)相等權(quán)重的固定權(quán)重波束形成器的靜態(tài)響應(yīng)。在頻率波數(shù)域中，這對(duì)應(yīng)于在f方向是常數(shù)的同步函數(shù)。因此，為了增大規(guī)則化參數(shù)δ2的值，波束形成器保留不僅從觀看方向、而且從相鄰方向入射的信號(hào)。
如在上段中討論的那樣，使用單觀看方向約束和規(guī)則化，有可能保留從靠近觀看方向入射的信號(hào)。盡管這種方法是有用的，并且足以用于多種用途，但希望導(dǎo)出更直接滿足在任何地震數(shù)據(jù)勘測(cè)情形中的要求的更一般線性約束。
在窄帶波束中，已知不同的一般化約束設(shè)計(jì)方法。通過(guò)迫使在響應(yīng)空間的某些點(diǎn)處波束形成器響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是零，把導(dǎo)出系數(shù)用來(lái)影響在響應(yīng)空問(wèn)一個(gè)區(qū)域上的響應(yīng)。本征向量約束基于對(duì)希望響應(yīng)的最小平方近似，并且通常用來(lái)控制在響應(yīng)空間區(qū)域上的波束形成器響應(yīng)。這些方法對(duì)于寬帶波束問(wèn)題的一般化已經(jīng)表明，在這些方法提供在響應(yīng)空間的選擇區(qū)域中的良好響應(yīng)的同時(shí)，他們?cè)谄渌麉^(qū)域中能產(chǎn)生不可接收的高旁瓣。
對(duì)于本發(fā)明，一般化約束設(shè)計(jì)的要求是把任意靜態(tài)響應(yīng)施加在波束形成器上，并且肯定在頻率波數(shù)域中的某些區(qū)域完全由靜態(tài)響應(yīng)控制。通過(guò)記住如下功能目標(biāo)已經(jīng)建立了這些要求-視在信號(hào)速度的任意范圍的容納；-對(duì)擾動(dòng)的增大穩(wěn)健性；-使用較大陣列的能力；-能夠借助于較低規(guī)則化級(jí)(δ2)在自適應(yīng)波束形成器上運(yùn)行，因此實(shí)現(xiàn)較高噪聲衰減；及-通過(guò)靜態(tài)響應(yīng)的適應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)給定規(guī)則化級(jí)的較高噪聲衰減。
為了把任意靜態(tài)響應(yīng)施加在波束形成器上，能利用線性約束[6]定義在KL維空間中的一個(gè)Q維超平面的事實(shí)。公式[18]表明，靜態(tài)權(quán)重向量wq是對(duì)于公式[6]的最小正交范數(shù)解，即它是從原點(diǎn)到超平面的最短向量。
公式[18]也表示，wq是由約束矩陣C的列跨過(guò)的子空間的數(shù)量。C的列一般是獨(dú)立的(否則一些約束是多余的)，因而，他們能選擇成是正交的而沒(méi)有一般性損失。在定義一個(gè)希望權(quán)重向量wqd之后，這建議用于約束矩陣C和響應(yīng)向量f的如下形式[19]C-=[αwqd-,D-]]]>及[20]f-=[β0-],]]>以及條件[21]β=α||wqd-||2]]>其中D是其列與wqd正交的KLx(Q-1)矩陣。下面描述矩陣D的準(zhǔn)確形式。對(duì)于分別根據(jù)公式[19]和[20]選擇的C和f，能證明希望權(quán)重向量等于靜態(tài)響應(yīng)向量wq(公式[18])。
在定義施加到靜態(tài)權(quán)重向量上的約束矩陣C和響應(yīng)向量f的第一列之后，在如下段中導(dǎo)出是C一部分的矩陣D的定義。
在地震勘測(cè)中，應(yīng)該保留的反射信號(hào)能認(rèn)為是平面波與來(lái)自頻率波數(shù)空間的已知區(qū)域的有關(guān)頻率和波數(shù)值的線性組合。在圖3中指示為A的該區(qū)域取決于具體勘測(cè)幾何形狀，但通常是一個(gè)繞頻率軸的錐。在頻率波數(shù)域中的保留區(qū)域的一個(gè)可能例子表示在圖3中，其中選擇A以便包括+/-1500m/s或更大的視在速度的所有信號(hào)。在當(dāng)前例子中，在區(qū)域A中的波束形成器響應(yīng)應(yīng)該完全由保留該信號(hào)的靜態(tài)響應(yīng)控制。
通過(guò)濾波過(guò)程保留的地震信號(hào)的集合SA由[22]SA={s(t,r-):s(t,r-)=∫∫Adfdk-s(f,k-)ej2π(ft-k-·r-)}]]>定義為平面波與來(lái)自區(qū)域A的有關(guān)頻率和波數(shù)值的合成，其中S(f,k)是與具有頻率f和波數(shù)k的信號(hào)的平面波分量相對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)傅里葉振幅。
使用[22]，能把分接輸入向量[2]重寫(xiě)成[23]s-(n)=∫∫(f,k-∈A)dfdk-s(f,k-)ej2πfnΔtd-(f,k-),]]>d(f,k)定義為與由具體頻率f和波數(shù)k規(guī)定的平面波分量相對(duì)應(yīng)的陣列控制向量。值得注意，與上述例子不同，時(shí)間延遲τ還沒(méi)有引入到控制濾波器響應(yīng)的信號(hào)通路中。陣列控制向量能寫(xiě)成Kronecker乘積 使用[4]，波束形成器對(duì)信號(hào)分接輸入向量的s(n)的響應(yīng)是y(n)=Σi=1Mhi(n)∫∫Adfdk-s(f,k-)Tej2πfnΔtdT-(f,k-)wi-]]>為了使波束形成器響應(yīng)對(duì)于最佳權(quán)重向量wi和靜態(tài)權(quán)重向量wq都相同，并且進(jìn)一步要求該等式對(duì)保留區(qū)域的所有信號(hào)s(t,r)即具有任意有關(guān)傅里葉系數(shù)S(f,k)保持，從而(f,k)處于A中。這要求[26]dT-(f,k-)wi*-=dT-(f,k-)wq,-∀(f,k-)∈A]]>通過(guò)把最佳權(quán)重向量分解成一個(gè)等于靜態(tài)權(quán)重向量的固定權(quán)重部分和一個(gè)根據(jù)稱作“一般化旁瓣抵消器”(GSC)的解的自適應(yīng)權(quán)重部分，能證明以上公式等效于要求d(f,k)位于約束矩陣C的列空間內(nèi)。
因此本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，求出一種用于控制向量d(f,k)的空間的有效即最好是低秩的基。然而，wqd的標(biāo)量倍數(shù)已經(jīng)建立為C的第一列，我們實(shí)際需要求出用于位于wqd的正交余子空間中的該空間部分的低秩基。d(f,k)對(duì)wqd的正交余的投影是投影控制向量[27]d-~(f,k-)≡(I--P-w-qd)d-(f,k-),]]>其中在括號(hào)內(nèi)的表達(dá)式是相對(duì)于wqd的正交余投影線，有[28]P-w-qd=w-qd(w-qdTw-qd)-1w-qdT]]>使用任何KL維d~(f,k)能寫(xiě)成正交向量(v1,…,vKL)的線性組合的事實(shí)，[29]d-~(f,k-)=Σp=1KLσp(f,k-)vp-≡vσ-(f,k-),]]>投影控制向量的秩P(P＜KL)近似由下式得到[30]d-~P(f,k-)=Σp=1Pσ-^p(f,k-)v-p≡v-σ-^(f,k-),]]>
其中[31]σ-^(f,k-)=[σ1(f,k-),...,σp(f,k-),0,...,0]T.]]>為了導(dǎo)出用于區(qū)域A中任何(f,k)的d~(f,k)的有效秩P，把相對(duì)于L2范數(shù)的誤差函數(shù)定義為[32]μp=∫∫Adfdk-||d-~(f,k-)-dp-~(f,k-)||2]]>使用在由下式給出的頻率波數(shù)空間的區(qū)域A中所有投影控制向量的相關(guān)[33]RA-~≡∫∫Adfdk-d-~(f,k-)dH-~(f,k-)]]>誤差函數(shù)能表示為[34]μP=Σp=p+1KLv-PHR-~v-P.]]>上標(biāo)“H”指示向量或矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
通過(guò)使受到約束vPHvP=1的費(fèi)用函數(shù)μP最小能求出有序基向量v的最佳集合，1＜=p＜=KL使。用拉格朗日乘子，把任務(wù)最小化[35]Σp=p+1KL[vpH-RA-~vp--λp(vpH-vp--1)].]]>通過(guò)得到相對(duì)于vP的梯度和把它設(shè)置到零，求出最佳基向量v1,…,vKL，作為RA~的本征向量(相對(duì)于本征值λP)。約束矩陣C的丟失部分D(參考資料[19])現(xiàn)在能定義為RA~的主本征向量[36]D-=[v-1,...,v-p].]]>
注意控制向量d(f,k)一般復(fù)數(shù)估價(jià)。因此，復(fù)數(shù)估價(jià)在頻率波數(shù)空間中在一般區(qū)域A上的其相關(guān)矩陣RA~，使RA~的本征向量，所以也使C的列復(fù)數(shù)估價(jià)。然而，在地震勘探中，信號(hào)是具有復(fù)數(shù)共軛傅里葉系數(shù)的實(shí)數(shù)估價(jià)信號(hào)。因此，有興趣的A區(qū)域的類型在頻率波數(shù)空間中相對(duì)于原點(diǎn)總是對(duì)稱的。然后生成的矩陣(RA~、C)都是實(shí)數(shù)估價(jià)的。
以上描述的投影控制向量d~(f,k)的展開(kāi)類似于Karhunen-Loeve展開(kāi)。盡管原始Karhunen-Loeve展開(kāi)用于隨機(jī)向量，但這里呈現(xiàn)的展開(kāi)用于確定性向量集合。這反映在定義近似誤差函數(shù)μP的方法中，參考資料[32]。
控制向量的協(xié)方差矩陣，類似于在[33]中定義的相關(guān)矩陣，首先由K.M.Buckley在IEEE Trans.Acoust.Speech Signal Processing(語(yǔ)音信號(hào)處理)，Vol ASSP-35,249-266 1987年3月中介紹，但隨后啟發(fā)性地定義在隨機(jī)骨架中，假定零平均信號(hào)和使用寬帶信號(hào)的窄帶表示。在本發(fā)明的描述中，從確定性骨架內(nèi)的最初原理已經(jīng)導(dǎo)出相關(guān)矩陣。
一般化約束設(shè)計(jì)方法的主要步驟表示在圖4的流程圖中。他們包括-希望靜態(tài)權(quán)重向量wqd的說(shuō)明，wqd定義約束矩陣的第一列；-在頻率波數(shù)空間中信號(hào)保護(hù)區(qū)域A的說(shuō)明；-RA～的計(jì)算，在區(qū)域A中所有投影控制向量的相關(guān)矩陣；及-確定RA～的主本征向量v1,…,vKL)作為約束矩陣的剩余列；已經(jīng)計(jì)算這些后，把約束矩陣規(guī)定為[37]C-=[wqd-/||wqd-||2,v1-,...,v-p]]]>及響應(yīng)向量為[38]f==[10-],]]>
使用對(duì)于公式[21]中α和β的便利選擇。
形成希望靜態(tài)響應(yīng)的希望靜態(tài)權(quán)重向量的說(shuō)明基本上是一個(gè)非自適應(yīng)多維濾波器設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如能參照這些手冊(cè)，如W.Chen(ed.),“The Ciucuits and Filters Handbook(電路和濾波器手冊(cè))”，IEEE和CRC Press,2732-2761(1995)；D.E.Dudgeon和R.M.Martinez,“Multidimensional Digital Signal Processing”,Prentice Hall(1984)，或J.S.Lim,Two-Dimensional Signal and Image Processing(兩維信號(hào)和圖象處理)，Prentice Hall(1990)。
一旦定義約束矩陣，就能濾波單地震傳感器的數(shù)字化記錄以產(chǎn)生具有減小噪聲的單傳感器記錄。“清潔”記錄然后能用在進(jìn)一步的處理步驟中，如用在先有技術(shù)中已知的組形成、重疊、速度分析、時(shí)差校正等中，以最終產(chǎn)生地下構(gòu)造的表示。這些步驟在圖5的流程圖中概述。然而由于這些步驟(除濾波步驟之外)的細(xì)節(jié)與本發(fā)明沒(méi)有特別關(guān)系，所以這里省略其詳細(xì)描述。
如下段提供高效定義由靜態(tài)響應(yīng)保護(hù)的區(qū)域A(見(jiàn)圖3)的可選擇方法。
對(duì)于地震用途，能這樣設(shè)計(jì)靜態(tài)權(quán)重向量，從而在頻率波數(shù)空間中的區(qū)域A上，響應(yīng)接近一，因而保留在該區(qū)域中的地震信號(hào)。在其中期望噪聲存在的頻率波數(shù)空間的區(qū)域中，靜態(tài)響應(yīng)應(yīng)該具有較低值，從而即使當(dāng)使用規(guī)則化時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)較高性能。
能擴(kuò)展約束設(shè)計(jì)過(guò)程，如在下段中描述的那樣。以上概述的約束設(shè)計(jì)導(dǎo)致在A中投影控制向量的低秩基。目的在于保留在保留區(qū)域A中的所有信號(hào)而不用對(duì)其相對(duì)強(qiáng)度的任何參照。這反映在[32]中定義的誤差函數(shù)μP的選擇中。在多種用途中，這種選擇有意義，其中希望保護(hù)具有遠(yuǎn)比其他信號(hào)分量低的振幅的信號(hào)分量。另一方面，在一些其他用途中，可能希望使整個(gè)信號(hào)失真的功率最小。
上述方法的這種擴(kuò)展通過(guò)μP的定義的一般化反映到[39]μp=∫∫Adfdk-s(f,k-)||d-~(f,k-)-dp-~(f,k-)||2]]>
在A中的原始控制向量的相關(guān)矩陣然后成為[40]RA-≡∫∫Adfdk-|S(f,k-)|2d-(f,k-)dH-(f,k-).]]>使用正交余投影線(公式[27][28])從[40]能導(dǎo)出投影控制向量的相關(guān)矩陣[41]R-~A=(I--P-w-qd)R-A(I--P-w-qd).]]>在一些用途中，可能希望保存頻率波數(shù)空間的另外區(qū)域，在該空間上波束形成器響應(yīng)完全由靜態(tài)響應(yīng)控制。在圖6中，在包括信號(hào)保護(hù)區(qū)域A1和噪聲區(qū)域A2的頻率波數(shù)空間中表示有區(qū)域A的例子。如果已知在一定環(huán)境中有幾乎總是占有區(qū)域A2的相干噪聲分量，那么有益的可能是，設(shè)計(jì)把深零放入該區(qū)域的、即抑制來(lái)自其中(f,k)是A2的元素的方向(f.k)的任何信號(hào)的靜態(tài)權(quán)重向量wqd。然后，自適應(yīng)權(quán)重集中衰減在頻率波數(shù)空間的剩余區(qū)域中的噪聲。
采用一般化約束設(shè)計(jì)方法，能準(zhǔn)確地規(guī)定波束形成器的靜態(tài)響應(yīng)，并且能約束在f-k空間中的預(yù)定區(qū)域A上的波束形成器響應(yīng)以把靜態(tài)響應(yīng)近似到任意程度。這種近似的精確度由用戶參數(shù)P控制，用戶參數(shù)P是RA~的主分量的數(shù)量。隨著P增大，固定波束形成器的越來(lái)越多的自由度，并且減小自適應(yīng)自由度。隨著P接近KL-1，波束形成器響應(yīng)接近不僅在A中而且在整個(gè)f-k空間上的靜態(tài)響應(yīng)，而不顧使用的噪聲場(chǎng)特征或規(guī)則化參數(shù)。
當(dāng)區(qū)域A較大時(shí)，RA~的本征值的分布可以僅緩慢地減小，從而在A中適當(dāng)表示控制向量的空間所需要的主分量的數(shù)量可以較高。如果為了保持較多的自由度自適應(yīng)僅使用較小數(shù)量的主分量，則波束形成器的響應(yīng)可能顯著偏離靜態(tài)響應(yīng)。即使在由k=0指示的原始觀看方向上這也可能發(fā)生。這與以前描述的原始單“觀看方向”約束相反，這些約束保證在k=0線上的響應(yīng)對(duì)于所有頻率都為一。
為了保證波束形成器的響應(yīng)準(zhǔn)確地是在k=0上的靜態(tài)響應(yīng)的響應(yīng)，如在單觀看方向約束的情況下那樣，同時(shí)把響應(yīng)任意緊密地約束在區(qū)域A的其余部分中，區(qū)域A最好分區(qū)，并且分別處理每個(gè)段。
追求這種手段的方法表示在圖7A-C中，其中A是表示在圖3中的區(qū)域。在如下例子中，把該區(qū)域A分區(qū)成段A1和A2，如圖7A和7B中表明的那樣。
能證明如果A1是在f-k空間中的k=0線，那么在A1上的投影控制向量的空間能由RA1~的L-1個(gè)本征向量跨過(guò)(見(jiàn)下面的公式[42])，只要靜態(tài)響應(yīng)wq在A1上具有單位響應(yīng)，如通常的情況那樣。就是說(shuō)，矩陣[42]RA1-~≡∫A1dfd-~(f,0-)dH-~(f,0-).]]>具有秩L-1。這是感興趣的觀察，因?yàn)樗?jiǎn)潔地限制單觀看方向約束和一般化約束。如果把信號(hào)保護(hù)區(qū)域A選擇為A1，則把靜態(tài)響應(yīng)wq選擇為 并且把約束矩陣C中的矩陣D的列選擇為與非零本征值相對(duì)應(yīng)的RA1~的L-1個(gè)本征向量，然后由兩種方法設(shè)置的線性約束成為相同的。
上面已經(jīng)把區(qū)域A1定義為k軸之后，有用來(lái)定義A2的各種可能性。一個(gè)是把A2定義為區(qū)域A的其余部分，如圖7A中所示。另一種定義A2的方式表示在圖7B中。在這種情況下，A2基本上是原始區(qū)域A的邊界。
一般地說(shuō)，如果陣列元素k的數(shù)量較小，并且原始區(qū)域A具有較短的波數(shù)程度，則如圖7B中那樣設(shè)置輔助約束是最佳的。當(dāng)傳感器元件的數(shù)量較小時(shí)，限制作為波數(shù)的函數(shù)的波束形成器響應(yīng)的可變性，并且在用于每個(gè)頻率的幾點(diǎn)處更嚴(yán)格地約束響應(yīng)可能比在寬區(qū)域的所有點(diǎn)上約束它更有效。如果陣列元素的數(shù)量較大或區(qū)域A在波數(shù)中較寬，則如圖7A中那樣定義A2是最佳的。當(dāng)然有可能進(jìn)一步一般化，以把圖7C中所示兩種類型的輔助約束相結(jié)合，產(chǎn)生區(qū)域A的三段指示A1、A2和A3。
當(dāng)保護(hù)區(qū)域A使用以上手段的任一種分區(qū)時(shí)，能計(jì)算如在公式[38]中定義響應(yīng)向量的約束，其中0具有適當(dāng)長(zhǎng)度，并且約束矩陣C給出為[44]C-=[wqd-/||wqd-||2,DA1-,DA2-]]]>這里，DA1是其列是RA1~的L-1個(gè)主本征向量的矩陣(參考公式[42])[45]RA1-~=(I--P-w-qd)RA1-(I--P-w-qd)]]>使用相對(duì)于在公式[27]、[28]中定義的wqd的投影矩陣。DA2是其列是RA2~的主本征向量的矩陣[46]RA2-~=(I--P-C-A1)RA2-(I--P-C-A1)=]]>(I--P-D-A1)(I--P-w-qd)R-A2(I--P-w-qd)(I--P-D-A1)]]>其中[47]C-A1=[w-qd/||w-qd||2,D-A1],]]>[48]P-C-A1=C-A1(C-A1TC-A1)-1C-A1T]]>[49]P-D-A1=D-A1(D-A1TD-A1)-1D-A1T,]]>R-A2=∫∫A2dfdk-d-(f,k-)d-H(f,k-).]]>公式[46]表示計(jì)算RA2~的兩種另外的方法。已經(jīng)寫(xiě)出這些公式以便把A分區(qū)成兩個(gè)子區(qū)域，但能一般化成多個(gè)子區(qū)域。
通過(guò)把原始信號(hào)保護(hù)區(qū)域A按描述的那樣分區(qū)、選擇A1作為k=0線、如[43]中那樣設(shè)置靜態(tài)響應(yīng)wq、及建造，把在約束矩陣C中的矩陣D的列選擇成與非零本征值相對(duì)應(yīng)的RA1~的L-1個(gè)本征向量，任何輔助子區(qū)域A2、A3等相對(duì)于觀看方向約束給出對(duì)波束形成器的輔助控制。
對(duì)于某些用途，減小由自適應(yīng)波束形成器使用的自由度可能是有用的。在所謂的部分自適應(yīng)波束形成器中，僅自適應(yīng)地使用適用自由度的一部分。減小自適應(yīng)自由度的主要優(yōu)點(diǎn)是減小計(jì)算費(fèi)用和改進(jìn)的自適應(yīng)收斂速率。部分自適應(yīng)波束形成的主要缺點(diǎn)在于，在穩(wěn)定狀態(tài)下波束形成器的干擾抵消能力降低。因此，部分自適應(yīng)波束形成器設(shè)計(jì)的目的在于，減小自適應(yīng)權(quán)重的數(shù)量而不顯著降低自適應(yīng)陣列的性能。
以上部分自適應(yīng)方法包括用來(lái)近似使用于自適應(yīng)權(quán)重的希望數(shù)量的平均一般化旁瓣的抵消器(GSC)輸出功率最小的數(shù)值技術(shù)，其中平均是在干擾參數(shù)的范圍上。本發(fā)明使用一種基于由H.Yang和M.A.Inguam描述的設(shè)計(jì)方法的方法，IEEE Trans.On Antennas andPropagation,Vol.45,843-850,1997年5月。它也試圖使平均GSC輸出功率最小，但在用于所有情況償試的減小維數(shù)解位于相同子空間的約束下。這種約束使得有可能使用單值分解以得到秩減小的轉(zhuǎn)置，由此簡(jiǎn)化優(yōu)化問(wèn)題。
一般化旁瓣抵消器解能寫(xiě)為(參考[18])[51]wi*=wq-Bwai其中B是其列橫跨約束矩陣C的正交子空間的KLx(KL-Q)全秩矩陣，并且稱作堵塞矩陣。向量wai是最佳權(quán)重向量的KLxQ維自適應(yīng)部分，并且由下式給出[52]w-ai=(B-TΦiB--~)-1B-TΦ-~iw-q,]]>部分自適應(yīng)GSC通過(guò)在自適應(yīng)加權(quán)之前使用跟隨B的(KL-Q)xW線性轉(zhuǎn)置T，實(shí)現(xiàn)較小數(shù)量W的自適應(yīng)權(quán)重。部分自適應(yīng)最佳權(quán)重向量能表示為[53]wi*=wq-BTwpi,其中最佳權(quán)重的W維自適應(yīng)部分是[54]w-pi=(T-TB-TΦ-~iBT-)-1T-TB-TΦ-~iwq.]]>現(xiàn)在目的是選擇使在可能干擾情況集合上的干擾和噪聲輸出功率最小的T。這些情況能由不同的參數(shù)，如干擾源數(shù)量、干擾源方向、干擾源譜密度、白噪聲級(jí)等，特征化。應(yīng)用的方法能總結(jié)如下-對(duì)于來(lái)自情況參數(shù)的分布的每個(gè)隨機(jī)輸出θj，計(jì)算來(lái)自[52]的全秩最佳自適應(yīng)權(quán)重向量wai，并且轉(zhuǎn)置權(quán)重向量α由下式給出[55]α(θi)=U∑UTwai(θj),其中[56]B-TΦ-~i(θj)B-=U-Σ-2U-T]]>是Φi~(θj)的特征組成；-把向量wai(θj)和α(θj)分別存儲(chǔ)到矩陣W和A中；-計(jì)算A的單值分解以從下式得到UA[57]A-=U-A-Σ-A-V-A-H,]]>及-導(dǎo)出T作為WA#UA的最初W列，其中上標(biāo)“#”指示偽逆。
在大多數(shù)地震勘探中，諸如地滾波或膨脹噪聲僅占據(jù)適用時(shí)間帶寬的一部分。例如在陸地地震勘探中，Nyquist頻率是250Hz，而地滾波能量的大部分在30Hz以下。把濾波努力集中到其中噪聲駐留的頻帶上希望減小計(jì)算費(fèi)用。
實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一種手段涉及添加QMF(正交鏡象濾波器)完整重新構(gòu)造濾波器組，例如對(duì)于上述使用自適應(yīng)多通道濾波器組的地震噪聲和干擾抑制系統(tǒng)，由P.P.Vaidyanathan在“Multirate Systemsand Filter Banks(多速率系統(tǒng)和濾波器組)”，Prentice Hall中、或由M.J.T.Smith和T.P.Barnwell Ⅲ在IEEE Trans.Acoust.SpeechSignal Processig(語(yǔ)音信號(hào)處理)，Vol.ASSP-34，434-441(1986)中描述。兩個(gè)濾波器組用在該系統(tǒng)中。QMF濾波器組用來(lái)把蹤跡分解成頻帶，并且在應(yīng)用自適應(yīng)濾波之前分樣，及以后用來(lái)重新合成原始信號(hào)。多通道自適應(yīng)濾波器組是進(jìn)行對(duì)于噪聲抑制的實(shí)際濾波的系統(tǒng)核心。使用完整重新建造濾波器組來(lái)分樣減小了要處理的點(diǎn)的數(shù)量，并且也允許減小在自適應(yīng)濾波器中的系數(shù)數(shù)量，帶來(lái)CPU時(shí)間和存儲(chǔ)器需要的顯著節(jié)省。
權(quán)利要求
1．一種用來(lái)從離散噪聲(地震)信號(hào)濾波噪聲的方法，所述方法包括步驟-使用多個(gè)接收器接收信號(hào)；-相對(duì)于接收器位置確定所述信號(hào)的傳播特性；及-使用一個(gè)至少部分自適應(yīng)的濾波器濾波接收的信號(hào)，從而衰減具有除所述確定傳播特性之外的傳播特性的信號(hào)；所述濾波步驟包括步驟-用定義一個(gè)希望的響應(yīng)的第一集合和一個(gè)定義要保留的信號(hào)的所述傳播特性的第二集合，定義至少兩個(gè)獨(dú)立的條件集合；及-使所述濾波器的濾波器系數(shù)經(jīng)受至少兩個(gè)獨(dú)立條件集合，以便對(duì)于具有除所述確定的傳播特性之外的傳播特性的信號(hào)優(yōu)化濾波器輸出。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中信號(hào)的傳播特性由其時(shí)間和空間頻譜量確定。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中信號(hào)的傳播特性由其k值和頻率確定。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中信號(hào)的傳播特性定義為在頻率波數(shù)域中的一個(gè)區(qū)域或諸區(qū)域。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中諸條件定義一個(gè)包括至少兩個(gè)相互正交子空間的約束矩陣，一個(gè)第一子空間定義濾波器的希望響應(yīng)，而一個(gè)第二子空間定義要保留的信號(hào)的傳播特性，在濾波器系數(shù)的適應(yīng)過(guò)程期間應(yīng)用所述矩陣。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中諸條件定義一個(gè)約束矩陣，該矩陣使用一個(gè)靜態(tài)響應(yīng)向量和由控制向量組成的相關(guān)矩陣的主本征向量，這些控制向量定義其中保留信號(hào)的頻率波數(shù)域的至少一個(gè)區(qū)域。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，定義諸條件，從而具有預(yù)定傳播特性的信號(hào)由濾波器抑制。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，定義另外的條件集合，這些集合具有一個(gè)強(qiáng)迫濾波器的希望響應(yīng)為零的條件集合、和一個(gè)定義由濾波器抑制的信號(hào)的傳播特性的條件集合。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中濾波器包括M個(gè)時(shí)間局部濾波器，所述濾波器形成一個(gè)濾波器組，及M是等于或大于二的數(shù)。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括把M個(gè)濾波估計(jì)與時(shí)間窗口函數(shù)(hi(n))相乘的步驟。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中時(shí)間窗口函數(shù)的特征在于只有相鄰窗口重疊的要求。
12．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在適應(yīng)過(guò)程中，優(yōu)化表示濾波器輸出功率和其白噪聲增益的費(fèi)用函數(shù)(J)。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中輸出功率的相對(duì)權(quán)重和在費(fèi)用函數(shù)(J)中的“白噪聲增益”是可調(diào)節(jié)的(使用參數(shù)δ)。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用這樣一種近似使費(fèi)用函數(shù)(J)最小當(dāng)應(yīng)用于在其中所述窗口函數(shù)重疊的時(shí)間域中的相同信號(hào)上時(shí)，M個(gè)濾波器的相鄰濾波器的輸出的、由窗口函數(shù)加權(quán)的和相等。
15．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括把濾波器系數(shù)劃分成一個(gè)固定部分和一個(gè)自適應(yīng)部分的步驟。
16．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括另外的步驟把信號(hào)分裂成至少兩個(gè)頻帶；濾波所述至少兩個(gè)頻帶的至少一個(gè)；及在進(jìn)一步處理之前，把所述頻帶結(jié)合以收回噪聲衰減地震信號(hào)。
17．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用作輸入的離散噪聲信號(hào)是在任何組形成技術(shù)之前來(lái)自各個(gè)地震傳感器的記錄。
18．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括另外的步驟在陸地、海洋或過(guò)渡區(qū)環(huán)境中適當(dāng)位置處定位至少一個(gè)地震源和多個(gè)地震接收器；致動(dòng)所述至少一個(gè)源以通過(guò)地下構(gòu)造傳播能量，并且使用所述接收器來(lái)測(cè)量能量作為單傳感器記錄，把所述單傳感器記錄轉(zhuǎn)換成離散的地震信號(hào)；及把所述信號(hào)作為輸入傳播到濾波器。
19．一種處理地震信號(hào)以產(chǎn)生地下構(gòu)造的表示的方法，其中在所述信號(hào)中存在的噪聲通過(guò)使用如下步驟濾波所述信號(hào)來(lái)衰減-使用多個(gè)接收器接收信號(hào)；-相對(duì)于接收器位置確定所述信號(hào)的傳播特性；及-使用一個(gè)至少部分自適應(yīng)的濾波器濾波接收的信號(hào)，從而衰減具有除所述確定傳播特性之外的傳播特性的信號(hào)；所述濾波步驟包括步驟-用定義一個(gè)希望的響應(yīng)的第一集合和一個(gè)定義要保留的信號(hào)的所述傳播特性的第二集合，定義至少兩個(gè)獨(dú)立的條件集合；及-使所述濾波器的濾波器系數(shù)經(jīng)受所述至少兩個(gè)獨(dú)立條件集合，以便對(duì)于具有除所述確定傳播特性之外的傳播特性的信號(hào)優(yōu)化濾波器輸出。
全文摘要
使用允許把任意預(yù)設(shè)計(jì)的靜態(tài)響應(yīng)施加在波束形成器上的約束設(shè)計(jì)方法,描述了一種涉及通過(guò)約束的自適應(yīng)波束形成濾波來(lái)自地震數(shù)據(jù)的相干噪聲和干擾的方法,該方法也保證在頻率波數(shù)空間的選擇區(qū)域中的波束形成器響應(yīng)完全由該靜態(tài)響應(yīng)控制,因此保證信號(hào)保留和對(duì)擾動(dòng)的穩(wěn)健性。內(nèi)裝規(guī)則化帶來(lái)另外的可靠度。保留在頻率波數(shù)域中具有任意譜量的地震信號(hào),同時(shí)自適應(yīng)地濾波相干噪聲和是時(shí)空不穩(wěn)定的干擾。該方法適用于在地震數(shù)據(jù)中的所有類型的相干噪聲的衰減,包括膨脹噪聲、體波噪聲、地滾波、氣波、地震船只和設(shè)備干擾等。它適用于線性或平面陣列。
文檔編號(hào)G01V1/36GK1306621SQ9980759
公開(kāi)日2001年8月1日 申請(qǐng)日期1999年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月20日
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