[发明专利]基于自适应谱峭度滤波器的沙漠地震信号噪声消减方法

摘要

本发明涉及一种基于自适应谱峭度滤波器的沙漠地震信号噪声消减方法，属于地球物理技术领域。根据沙漠地震勘探随机噪声与信号的频域能量分布特性，采用基于短时傅里叶变换方法求得含噪信号的谱峭度，通过求得的谱峭度设计阈值，从而保留能量瞬变大于阈值的谱峭度，非瞬变小于阈值的谱峭度置0，得到一个自适应的带通滤波器，从而达到去噪的目的。本发明是首次应用于沙漠地震时域信号去噪，与传统滤波方法相比，可以根据信号与噪声的频域能量特性，自适应的将信号与噪声分离，无需人为设置频带范围，提高了信噪分离的准确性，更加简洁方便，同时在去噪效果上，与其他传统方法相比，可以更大程度的压制噪声，更好的保留有效信号。

主权项

1.一种基于自适应谱峭度滤波器的沙漠地震信号噪声消减方法，其特征在于，包括下列步骤：1)二维沙漠地震勘探记录的获取：采用与地质构造走向垂直的方向来安排测线，沿地震测线等间距布置N个检波器组，选择中间放炮排列方式来接收地震波信号，根据观测仪器的不同，检波器组的数量N为20～1000个，激发炮点后，每个检波器接收的信号通过放大器和记录器，得到一道地震勘探波形记录，记录的长度与接收时间成正比，与检波器的采样频率成反比，N道记录组成一幅含噪声的二维地震时域信号x(t)；2)求取沙漠含噪信号x(t)的谱峭度：对x(t)其进行离散随机采样得到离散随机信号x(n)，再进行离散分解表达式为：其中，w(n)为窗函数，采用汉宁窗，Nw表示窗长取60，P表示时窗每一次的移动步长为15，k表示窗移动的次数，它的值取决于信号的长度；对上面求得的采样信号进行2n阶谱矩估计，可以得到表达式：式中...k表示k阶时间平均算子，根据谱峭度的定义，分别把n＝1和n＝2代入上式中，可以得出基于STFT的谱峭度计算公式为：Y_w(kP,f)是信号Y(n)在频率f处通过窄带滤波得到的信号复包络，所以上式中的可以用于表示衡量Y_w(kP,f)处的包络能量离差；3)根据求得的谱峭度设计滤波器进行滤波：首先对滤波器的推导过程进行一个阐述，一个非平稳随机过程Z(t)＝Y(t)+N(t),其中Y(t)是要检测的纯净信号，N(t)是加性高斯平稳随机噪声，并且N(t)独立于信号Y(t)；可以得到Z(t)的谱峭度表达式为：其中，ρ(f)＝S2N(f)/S2Y(f)为噪声功率谱密度跟信号功率谱密度的比值，S2N(f)表示噪声的功率谱密度，S2Y(f)表示信号的功率谱密度，KZ(f)为含噪信号谱峭度值，KY(f)为纯信号的谱峭度值，当噪信比ρ(f)趋于0的时候，KZ(f)≈KY(f)，当噪信比趋于无穷的时候，近似认为只含有噪声，KZ(f)趋近于0，因此，利用谱峭度找到信号所在的频带范围；维纳滤波器的表达式为：由公式(6)可以利用谱峭度对含噪信号进行噪信比的盲估计，根据ρ(f)与谱峭度和维纳滤波器之间的关系，设计出基于谱峭度的自适应带通滤波器；因此可以根据性质公式(4)和(5)得到滤波器函数表达式：其中，k是一个未知的可调参数，可以设定一个在0到KZ(f)的两倍最大谱峭度值的范围，通过代入范围内最小值得到一个初始滤波函数，然后进行滤波计算峭度值，逐渐增大k值，通过多次迭代找到使得到的滤波信号峭度值最大时就是所要求的滤波函数；谱峭度可以自动准确地识别出信号与噪声的频带，鉴于信号部分谱峭度值较大而噪声部分谱峭度值在0上下浮动这一特点，设置一个阈值，其表达式为：式中，表示步骤(2)中求得的含噪信号谱峭度的最大值，小于阈值的谱峭度部分可以认为是噪声部分全部置0，得到最终的谱峭度值K_Z(f)，代入得到滤波函数W(f)；最后得出去噪后信号的表达式：式中X(f)是对原始时域含噪信号进行傅里叶变换后得到的频域表示形式，为经过滤波以后进行傅里叶反变换得到的去噪以后的时域信号。