基于阈值多级中值滤波的可控震源数据检测

基于阈值多级中值滤波的可控震源数据检测姜弢1,2，陈振振1,2，徐学纯3*，贾海青1,2（1.地球信息探测仪器教育部重点实验室（吉林大学），长春130026；2.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130026；3.吉林大学地球科学学院，长春130022）摘要：地震勘探领域，可控震源已广泛应用于各种陆地地震勘探项目中。

互相关检测技术是可控震源地震数据处理的主要方法，针对常规可控震源地震数据互相关检测方法，当在采集过程中出现强、中脉冲噪声时，会在相当长的时窗内造成噪声水平提升的问题，采用阈值多级中值滤波可控震源数据检测方法，通过对实际可控震源地震资料的处理，结果证明利用阈值多级中值滤波可控震源数据检测方法，有效实现了可控震源地震数据的检测，与传统的检测方法相比数据的信噪比得到了明显提高，说明了此方法的有效性。

关键词：可控震源；阈值；多级中值滤波；检测；脉冲噪声中图分类号：P315.3+1文献标识码：A文章编号：1001-7119（2016）11-0043-04Seismic Data Detection Based on Threshold Multilevel Mdeia Filter forVibroseisJiang Tao 1,2，Chen Zhenzhen 1,2，Xu Xuechun 1,2，Jia Haiqing 1,2（1.Key Laboratory of Geo-Exploration Instrumentation of Ministry of Education ，Jilin University ，Jilin Changchun 130026，China ；2.Jilin University ，College of Instrumentation &Electrical Engineering ，Jilin Changchun 130026，China ；3.Jilin University ，College of Earth Science ，Jilin Changchun 130022，China ）Abstract ：Vibroseis has been widely used in various land seismic exploration projects in seismic.The correlation detection technology is the main method of vibroseis seismic data processing.The problem for the conventional vibroseis seismic data correlation detection method is that the impulse noise will enchance the level of noise during acquisition.We utilize the method of Threshold Multilevel Median Filter in seismic data detection for vibroseis.Through processing of actual vibroseis seismic data,we canmake an conclusion that the mehod effectively realized the detection of vibroseis pared with conventional detection method,the SNR of data has been improved significantly.It illustrates that the method is effective.Keywords ：vibroseis ；threshold ；multilevel median filter ；detection ；impulse noise收稿日期：2015-11-20基金项目：国家深部探测技术与实验研究专项Sinoprobe-09-06（201311197；201011083）；高等学校博士学科专项科研基金（20110061110053）。

作者简介：姜弢（1969-），女，吉林省长春市人，教授，博士生导师，研究方向：地震仪器及信号处理研究。

地震勘探[1]是石油与天然气资源的重要勘查手段。

随着勘探规模的扩大和技术的发展，逐渐发现可控震源[2]同炸药震源[3]相比，具有安全环保，激发信号可人为控制，施工组织灵活，施工成本低等优势，由于上述优势，可控震源勘探在地震勘探领域占有重要地位。

目前，已成为地震勘探的重要激发手段之一。

可控震源通过向地下输入作用时间较长、且为均衡的连续震动信号，通过互相关检测技术将接受到的数据压缩为克劳德（Klauder ）子波[4]形式第32卷第11期2016年11月科技通报BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.32No.11Nov.2016第32卷科技通报的有效信号。

互相关检测技术[5]是可控震源地震数据处理中必须经历的处理过程，这样才能形成与炸药震源相当的子波信号，也是炸药震源与可控震源的重要区分条件。

在野外采集数据过程中强、中脉冲噪声随处可见，脉冲噪声是指持续时间较短的噪声，可控震源地震数据中包含的脉冲噪声主要由可控震源系统内部、背景中的电磁脉冲噪声以及周围环境的震动噪声等组成。

由于炸药震源和可控震源的差异性，炸药震源可对脉冲噪声直接进行剔除[6]，而可控震源必须要进行互相关运算，在互相关运算的过程中脉冲噪声会在相当长的时窗内造成噪声水平提升，严重影响了数据采集质量和后续数据处理结果及解释。

目前，对脉冲噪声的压制主要使用的滤波器有中值滤波、多级中值滤波等。

刘财等[7]对二维多级中值滤波技术在随机噪声消除中进行应用初探，对中值滤波和二维多集中滤波作了详细的讲解，指出中值滤波具有抑制噪声（尤其是脉冲噪声）和保护边缘的特征，一个严重不足之处在于相对滤波窗口而言，较为“细小”的信号细节结构被破坏和丢失，而多级中值滤波是针对图像处理提出的一种具有代表性的细节保护中值滤波器之一。

张军华等[8]对地震资料去噪方法技术进行综合评述，其中对中值滤波进行讲解，并指出中值滤波主要用于剔除野值和不正常值，压制强面波干扰，提高数据信噪比。

韩晓薇等[9]提出先检测脉冲噪声，然后对检测出是脉冲噪声的像素进行邻域信号点均值滤波，刘西成等[10]提出通过多尺度窗口对图像脉冲噪声进行检测，然后根据检测结果进行选择性滤波。

贾海青等[11]对可控震源记录中的脉冲噪声进行了详细的分析，得出结论：普通相关检测不仅难以压制可控震源非相关域记录中的脉冲噪声，而且将脉冲噪声的干扰程度扩大，得出无论在野外采集还是对可控震源数据进行相关处理时，都应首先对脉冲噪声进行控制或压制，但文中并没有对脉冲噪声如何处理进行讲解。

由此可见，对可控震源地震数据中的脉冲噪声进行控制或压制就显得尤为重要。

由于可控震源的特殊性，互相关运算是必不可少的数据处理环节，而脉冲噪声会对互相关后的结果造成数据信噪比降低，为了克服上述问题，本文提出了阈值多级中值滤波可控震源数据检测方法，第一步，选取阈值。

第二步，对阈值操作后的数据进行多级中值滤波操作。

通过设定阈值可以快速的区分脉冲噪声和有效信号，多级中值滤波的引入既能有效压制脉冲噪声，又能保留更多的信号细节，而且对随机噪声也有一定的压制效果。

最后对阈值和多级中值滤波后的数据再进行互相关操作，即可完成对可控震源地震数据的检测。

1常规可控震源互相关检测原理及方法可控震源地震勘探[12]通过向地下输入作用时间长的线性扫频地震信号，经过地下介质，被检波器长时间接收，形成未相关的地震记录，即可控震源最原始的地震记录（如图1）。

设u(t)为可控震源扫描信号：u(t)=A sin[2π(f1+f2-f12T t)t] , 0≤t≤T 式中，A为扫描信号振幅；f1和f2分别为扫描起始频率和终止频率；t为时间；T 为扫描时间长度。

由于可控震源激发的地震波u(t)的扫描时间长度T 远大于地下各反射层界面之间的反射时差，相关前的各种信号都是以扫描信号u(t)的形式体现，不同的信号相互叠加，难以直接分辨出有效信号的类型。

但u(t)满足确定的函数关系式，通过将检波器接收到的原始可控震源地震记录s(t)与扫描信号u(t)进行互相关操作，就可实现对不同类型的有效信号进行识别[13]，即D(t)=s(t)⊗u(t) 。

其中，D(t)为子波形式的地震记录；⊗为相关算子。

2常规可控震源互相关检测的缺点常规可控震源互相关检测，在作互相关运算（a）和相关检测（b）原理图1常规可控震源工作Fig.1Conventional vibrator system operationalprinciple44第11期前并没有对原始可控震源地震记录s (t )进行处理。

而在实际野外地震勘探过程中，原始可控震源地震记录中常常伴随着由可控震源系统内部、背景中的电磁脉冲噪声以及周围环境的震动噪声等变现为持续时间较短的脉冲噪声，脉冲噪声的出现，假设脉冲噪声为n (t )，此时子波形式的地震记录：D (t )=[s (t )+n (t )]⊗u (t )，会在相当长的时窗内造成噪声水平提升，严重影响了数据采集质量和后续数据处理结果及解释。

由于脉冲噪声在野外采集是普遍存在的，因此对脉冲噪声的压制和处理势在必行。

3改进后的可控震源互相关检测方法基于上述问题作者提出了改进后的可控震源互相关检测方法，首先对非相关域的可控震源地震记录，根据其数理统计特征，定义强脉冲噪声阈值；然后根据阈值使大于阈值的采样点数据，即强脉冲噪声置零，此时，阈值滤波后的数据中包含两类噪声，一是阈值滤波引入的高频干扰，二是低于阈值的中等强度脉冲噪声。

中值滤波具有降低这两类噪声的能力。

但是，中值滤波同时存在损失信号细节的问题。

基于此，本文引入了多级中值滤波，既可以满足对高频干扰和中等强度脉冲均有较好的抑制效果，同时能保留更多的信号细节，提高数据的信噪比。

在此基础上采用常规互相关检测方法，最终完成对可控震源地震数据的有效检测。

3.1阈值操作阈值的选取至关重要，首先对可控震源非相关原始单炮记录进行数理统计分析。

取每道的平均值为阈值基值，然后选取阈值因子，最终才能确定每道的阈值。

设S 为可控震源非相关原始单炮记录：S =[s 1 s 2 ⋯ s i ⋯ s l ]，s i =[x i (1) x i (2) ⋯ x i (j ) ⋯ x i (k ) ]Τ，其中l 为总采集道数，i 为任意采集道编号，i ∈[1,l ]，k 为每道的采样点数，j 为采样点序号，j ∈[1,k ]；从S 中选取第一道数据（即s i ，i =1）；E (s i )=1k ∑j =1k||x i(j )（1）由公式（1）求取s 1平均值：E (s 1)=1k ∑j =1k||x 1(j )；则第一道的阈值为Γ1=μ1∗E (s 1)，其中μ1为阈值因子，μ1取值为2到6之间的任意数；得到第一道的阈值后，对s 1的每个采样点数据x 1(j )按公式（2）进行阈值滤波。