如何识别信号和噪声

如何识别信号和噪声？

答：如今的地震勘探可以分为三个环节，即地震资料采集、地震资料处理、地震资料解释。这三个环节都是围绕着地震资料进行的，因此一手地震资料的好坏对于地震勘探起着举足轻重的作用。随着油气勘探的深入和技术的发展，对地震数据的要求也越来越高。具体可以归纳为高信噪比、高分辨率、高保真度和准确成像，即三高一准。地震勘探人员都希望地震数据只携带了有用的信息，这样便于资料的处理和解释。然而，现实往往受到多种因数的影响，比如仪器本身、地表条件、人为干扰等诸多因数的影响，我们采集到的地震数据夹杂了多种我们目前暂时不需要的信息，我们统称为噪声。目前，地震勘探工作者主要是利用纵波里的一次反射波进行油气勘探，因此，我们认为一次反射波为有效信号，其他为噪声（随着油气勘探技术的提高，以后部分噪声也可以被利用起来，成为有效信号）。如何识别有效信号和噪声，我们得首先了解信号和噪声的各自特点，才能够准确识别并进行压制。

根据噪声的类型、特点以及出现规律，我们将噪声分为规则噪声和无规则噪声两大类。

无规则噪声，也就是随机噪声，主要是指没有固定频率和固定传播方向的波，在地震数据中形成杂乱无章的背景。随机噪声的来源大致可以分为三类：第一类是地面微震，它主要由风吹草动、海浪、水流、人畜、走动、机械开动等外因随机产生。第二类是仪器在接收时或者处理过程中产生的噪声。第三类激发所产生的不规则噪声，比如低频或者高频干扰，在沼泽、流沙、泥潭等松散介质中激发地震波时，这些介质的固有振动构成低频干扰背景（10-30Hz）。在坚硬岩石中激发时，波传到浅层不均匀体（如砾岩、多孔石灰岩等）上产生的散射构成高频干扰背景（80-200Hz）。低频和高频背景的特点是在整张记录上出现，而且显得杂乱无章。

规则噪声是指有一定主频和一定视速度的干扰波，例如面波、声波、浅层折射波、侧面波等。下面主要介绍各种规则噪声的主要特点。

面波。地震勘探中遇到的面波的特点是频率低，一般为几Hz到30Hz；速度低，一般为100-1000m/s，以200-500m/s最为常见。面波的时距曲线是直线因此在小排列（100-150m）的波形记录上面波同向轴是直的。随着传播距离的增大面波振动延续时间也增长，形成扫帚状，即发生频散。面波能量的强弱于激发岩性、激发深度以及表面地震地质条件有关。这是因为在淤泥、厚黄土及沙漠地区，由于对地震波能量的强烈吸收，有效能量减弱，面波能量相对增强；在疏松的低速层中激发或所用炸药量过大，造成激发频率降低，使面波能量增强；爆炸井较深时面波减弱，井较浅时面波增强。合理地选择激发条件和组合参数是克服面波干扰的有效办法。

声波。在坑中、浅水池中或干井中爆炸会出现强烈的声波。声波是空气中传播的弹性波，速度为340m/s左右，比较稳定，频率较高，延续时间较短，呈窄带出现。为了避免声波干扰，应尽量不在坑中或浅井中放炮，而尽量采用井中爆炸，并用埋井的方法有效波的能量和防止声波干扰。在山区工作时，有时还会遇到多次声波干扰。

浅层折射波。当表层存在高速层时，或第四系下面的老地层埋藏浅时，可能观测到同相轴为直线的浅层折射波。

侧面波。在地表条件比较复杂的地区进行地震勘探时，还会出现侧面波（一种来自射线平面以外的反射波）干扰。例如在黄土塬地区，由于水系切割，形成沟谷交错的复杂地形。黄土塬的侧面是沟。塬和沟的相对高差是几百米。塬和沟的交界为陡峭的黄土和空气的接触面，易形成一个较强的波阻抗分界面，因而地震波激发后，传到黄土边沿被反射回来，记录上可能揣想你来自不同方向的具有不同视速度的干扰波，即侧面波。

工业电干扰。当地震测线通过高压输电线路时，地震检波器电缆会感应频率为50Hz的电压，使整张记录或部分纪录道上出现50Hz的正弦干扰波。

虚反射。指震源首先到达地面反射，然后向下传播，再从地下界面反射的波。

多次反射波。当地下存在强波阻抗界面时能够产生多次反射波。它的特点与正常反射波相似，但是时距曲线斜率较一次波大。

还有一类噪声与随机干扰波不同，与规则噪声相比又显得更加复杂，这就是次生的低速干扰和次生的高速干扰。这类干扰在频率域中与有效波是不可分离的，在视速度和和视波长域中次生高速干扰又和有效波重合，他们可以出现在地震记录的任意一个位置。他们是激发源附近各种地面障碍物以及近地表岩性不均匀造成的，是由反射波、面波和各种折射波所激发。因此叫做次生干扰。他们的形成原理初步分析是：反射波到达地面后，使地面产生振动，地面上任何不均匀性和地物障碍受激发而对地面做“敲击”动作，于是在近处就次生的直达波和面波，在远处产生次生的反射波。这些波种类繁多，个数太多又来自不同的方向，给地震记录造成了极大的复杂性。

如果是在海上进行地震勘探，那么可能观测到一些特殊的干扰波，它们主要是重复冲击、交混回响或鸣震、侧面反射波、底波等等。

总的来说，噪声可以分为规则噪声和随机噪声两大类。规则噪声又可以分为：

①沿着水平方向传播的，比如面波和车辆引起的干扰；沿垂直方向传播的，如多次波。

②具有重复性的，如面波；不具有重复性的，比如一些人为因素产生的干扰。

随机噪声也可以分为：重复出现的，比如地表不均匀引起的散射；不重复出现的，比如风吹草动等自然因素引起的随机噪声。

在地震勘探中，各种地震波的频谱特征如下图所示：

各种地震波的频谱特征

还需要指出，有些波在某种地震方法中被看成是噪声（如反射法中的浅层折射），而在另外一种地震方法中可能是有用信号。还有一些包含地下地质信息的波，在未被利用时只能看成是噪声，但将来随着方法技术的改进，它们可以被利用了，也可能转变为有效波。

对地震有效信号和噪声的特点有了以上的认识，我们才能很好的了解地震数据体，找出哪些是有效信号哪些是噪声，并应用相应的方法对噪声进行压制，提高地震资料的质量。目前噪声压制的方法大致可以分为以下几大类：第一，采集和处理相结合压制干扰，比如采集上利用炮点和接收点组合的方法；第二，利用有效波的频率域特性压制干扰，比如通过滤波去噪的方法；第三，利用视速度的差异压制干扰，如折射波的面波压制；第四，利用有效波的传播规律压制干扰，比如压制多次波和切除直达波；第五，利用信号与噪声波形差异压制干扰。