海洋可控源電磁數(shù)據(jù)的畸變校正與合成孔徑源信號增強方法

　　摘要：我國對海洋可控源電磁勘探方法的研究起步較晚，目前海洋采集數(shù)據(jù)的處理流程較為單一。在經(jīng)典的數(shù)據(jù)處理流程中，仍缺乏針對由存儲設(shè)備讀寫、船速和長線源源距變化等造成的畸變電磁響應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。本文針對存儲設(shè)備運行造成的規(guī)則干擾提出一種基于功率譜分析的自動壓制方法;對 于 船速和長線源源距變化的干擾建立了分時窗畸變校正流程;最后，結(jié)合合成孔徑源技術(shù)進一步增強了有效信號的強度。實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，文中提出的畸變校正與信號增強方法，在提高電磁數(shù)據(jù)信噪比的同時，增強了來自海底地層的有效信號幅度。

　　關(guān)鍵詞：海洋可控源電磁法;預(yù)處理;信號修正;合成孔徑

　　汪軒; 沈金松; 王志剛; 孫衛(wèi)斌， 吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版) 發(fā)表時間：2021-11-26

　　0 引言

　　海 洋 可 控 源 電 磁 (marinecontrolled-sourceelectromagnetics，MCSEM)是一種感應(yīng)類電磁勘探方法，通過測量和處理主動激發(fā)源激發(fā)的低頻電磁場信號，獲得海底地層的電阻率分布，從而推斷海底儲層的含油氣性[1-3]。MCSEM 數(shù)據(jù)的系統(tǒng)處理流程已由國際電磁服務(wù)公司 OHM 和 EMGS開發(fā)建立，限于商業(yè)服務(wù)競爭和知識產(chǎn)權(quán)保護，目前仍處于壟斷和保密階段[4]。因此，研發(fā)具有自主知識產(chǎn) 權(quán)的 MCSEM 數(shù)據(jù)處 理 方 法 并 逐 漸 形 成 相 應(yīng) 的 處 理系統(tǒng)，對于我國豐富海洋資源的勘探與開發(fā)具有重要的實際意義。國際上，海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)已有諸多進展。Behrens[5]開發(fā)了基于 Matlab環(huán)境的海洋電磁數(shù)據(jù)處理算法，處理流程包括：時頻轉(zhuǎn)換、橢圓極化方位 校 正、導(dǎo) 航 數(shù) 據(jù) 合 并 和 隨 機 噪 聲 估 計。Lu等[6]提出了利用被動頻率信號構(gòu)建的噪聲模型消除主動頻率信號中噪聲的去噪方法。Myer等[7]應(yīng)用一階差 分 預(yù) 白 技 術(shù) 壓 制 了 大 地 電 磁 等 頻 譜 污染。Mattson等[8]應(yīng)用空間平均濾波和奇異值分解技術(shù)對拖曳式海洋可控源電磁數(shù)據(jù)進行去噪分析。Maclennan等[9]把時間域的等效源方法引入頻率域可控源電磁數(shù)據(jù)去噪之中。

　　國內(nèi)，在國家863計劃“深水可控源電磁勘探系統(tǒng)開發(fā)”課題的推動下，6所大學(xué)的不同課題組、2家企業(yè)的研究人員共同研發(fā)具有 自 主 知 識 產(chǎn) 權(quán) 的MCSEM 勘探系統(tǒng)，目前已取得諸多成果[10]。中國海洋大學(xué)的李予國課題組提出一套 MCSEM 數(shù) 據(jù)預(yù)處理方法，并應(yīng)用于實際數(shù)據(jù)處理[11-12]。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)的 鄧 明 課 題 組 基 于 C++11語 言開發(fā)了一套 MCSEM 數(shù) 據(jù)可 視 化 預(yù) 處 理 軟 件[13-14]，并把壓 縮 感 知 技 術(shù) 引 入 對 MCSEM 數(shù) 據(jù)去 噪 的 處理中[15]。同校的 魏 文 博 課 題 組 討 論 了 不 同 時 域 濾波 時 窗 長 度 對 頻 域 信 號 振 幅 的 影 響[16]，并 利 用Hilbert-Huang 變 換 對 MCSEM 數(shù) 據(jù) 進 行 時 頻 分析[17]。吉林大學(xué) 的 劉 財 課 題 組 建 立 了 MCSEM 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程和軟件，并改進了壓制噪聲的平滑濾波和雙邊濾 波 方 法[18]。中國石 油 集 團 東 方 地 球 物理勘探有 限 公 司 在 GMECS系 統(tǒng)中 開 發(fā) 和 集 成 了MCSEM 預(yù)處理模塊，成功應(yīng)用于中國南海北部油氣區(qū)塊[19]。隨著國家863計劃“深水可控源電磁勘探系統(tǒng)開發(fā)”的結(jié)題，我國已建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 MCSEM 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了零的突破[10]。但與國際橫向?qū)Ρ龋覈鴮?MCSEM 數(shù)據(jù)處理方法的研究仍處于初步階段。縱觀國內(nèi)已發(fā)表的 MCSEM數(shù)據(jù)處理方法和軟件，基本采用經(jīng)典的海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù) 處 理 流 程：時 頻 變 換、橢 圓 極 化 方 位 校正、導(dǎo)航數(shù)據(jù)合并，未見關(guān)于“飛點”的規(guī)則噪聲去除方法、時變源矩和時變偏移距的信號畸變修正。本文從實際勘探的發(fā)射信號和接收信號分析開始，基于經(jīng)典數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，提出規(guī)則噪聲的去除方法、時變源矩的歸一化校正和偏移距的航速修正，并進一步利用合成孔徑源方法改善數(shù)據(jù)信噪比。所有處理過程均使用某海域可控源電磁實測數(shù)據(jù)。

　　1 發(fā)射信號與接收信號分析

　　為了鑒別接收電磁信號中的有效信號和噪聲信號，首先對發(fā)射電流和接收電磁信號的組成進行分析。在 MCSEM 勘探中，通常根據(jù)峰值頻率對勘探目標(biāo)的敏感 度，選 用 基 頻 能 量 高 的 方 波 信 號[20]，也稱為“Cox”方波。這種雙對稱方波的能量主要集中于基頻和三次諧頻，每個周期在切換電流極性時有短暫的時刻沒有電流通過，可實現(xiàn)寬頻帶和可控相位輸出。電偶極源激發(fā)的電磁場經(jīng)過海底地層、海水及空氣層的作用，返回到多分量電磁接收器。采集到的電磁場信號由來自地層的有效信號、大地電磁場與其他噪聲組成。圖1給出了某海域?qū)崪y發(fā)射機電流波形及其頻譜。由圖1a可 見，發(fā) 射 機 的 穩(wěn) 定 電 流 約 為800A，周期為12.5s。截 取100～150s時 窗作 傅 里 葉 變換，并輸 出 頻 段0.02～2.00 Hz于 圖1b。圖1b顯示，發(fā)射機電磁能量主要集中于 基 頻0.08 Hz和 三次諧 頻 0.24 Hz，且 與 穩(wěn) 定 電 流 的 幅 值 比 分 別 為0.823和0.762。

　　工作期間發(fā)射機隨勘探船只沿測線拖動，接收器持續(xù)記錄海底電磁場響應(yīng)。圖2給出了26個接收器中第一個接收器水平電場 Ex的時間序列。圖2a為 MCSEM 接 收器 工 作 時 段 的 接 收 信 號;圖2b為 MCSEM 發(fā)射源工作時段的接收信號，共16：35：47.625時長，其余為大地電磁和背景噪聲信號。發(fā)射機開始工作時，發(fā)射機-接收器間距約為 10900m，對應(yīng)于 電 磁 波 在 海 水 中 的 傳 播 時 長 約 為 0.32ms，小于接收 機 時 間 采 樣 間 隔1/1024≈0.98ms，所以可以認為發(fā)射機工作時段即為 MCSEM 記 錄時間序列時段。需要注意的是，由于發(fā)射機發(fā)射信號與接收器的 采 樣 頻 率 不 同(發(fā) 射 機 為1024 Hz，而接收器為128 Hz)，需 計算 兩 組 時 間 序 列 的 交 集時段以確定 MCSEM 數(shù)據(jù)的起始與結(jié)束時刻。

　　2 規(guī)則噪聲壓制

　　對Ex的時間序列信號應(yīng)用經(jīng)典預(yù)處理方法，得到Ex的振幅 隨 偏 移 距 變 化 (MVO)曲 線，見 圖 3。在 MVO 曲線上，我們可以清晰觀測到多個明顯的異常值———“飛點”。對于明顯的異常值，可以 采 用手動剔除的方法去除[10]，但隱藏在正常信號之間的異常值無法通過肉眼觀察識別，仍保留在采集信號之中。注意，噪聲的信號振幅也可能與有效信號相近。a.接收器工作時段;b.發(fā)射源工作時段。圖2 實測電場水平分量的時間序列Fig.2 Timeseriesofrealfielddata圖3 某實測海洋可控源電磁數(shù)據(jù)的 MVO曲線Fig.3 MVOcurveofrecordedMCSEMdataset對發(fā)射源工作時段的 Ex時間序列進行離散短時傅里葉變換，并繪制其功率譜(圖4)。從圖4中可以觀測到不同頻率下信號的分布，同時也可以觀測到多條 淺 色 豎 線。我 們 高 亮 這 些 淺 色 豎 線 并 把Ex的 MVO 曲線疊加覆蓋在功率譜之上，得到圖5。圖5清晰地表明飛點噪聲具有獨特的功率譜特征。我們抽取圖5中第393、514和1197號時窗的規(guī)則噪聲功率譜曲線和非規(guī)則噪聲功率譜曲線，并繪制于圖6中。由圖6a可見，在非激發(fā)頻 段 上，規(guī) 則 噪聲的功率譜呈現(xiàn)相似的曲線形態(tài)，功率譜隨頻率的增大而減小;反 觀 一 般 信 號(圖6b)，在 非 激 發(fā) 頻 段上呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，無相似性特征。

　　通過上文的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，此飛點噪聲并非隨機噪聲，而是具有一定特征的規(guī)則噪聲。利用其信號的獨特性和普遍性特征可以自動壓制所有此類 規(guī) 則 噪 聲。我 們 提 出 了 5 步半自動去噪方法：1)在單時窗功率譜曲線上光滑激發(fā)頻率上的數(shù)值;2)人工挑選一條明顯的規(guī)則噪聲，并記錄其時窗號;3)計算其余時窗 的 功 率 譜 曲 線 與 第2)步 挑 選 規(guī) 則噪聲功率譜曲線的相關(guān)性;4)篩選出相關(guān)系數(shù)大于0.85的時窗;5)校正。MVO 曲線去噪效果如圖7所示。通過調(diào)整篩選相關(guān)系數(shù)的閾值可以控制去除規(guī)則噪聲的程度。另外，可以進一步使用圖像識別技術(shù)代替第2)步的人工挑選工作，實現(xiàn)全自動去噪。此規(guī)則噪聲可能是接 收 機 中 的 硬 盤 在 工 作 時 磁 盤 旋 轉(zhuǎn) 引 起 的 噪聲[5]。

　　3 MCSEM 測量數(shù)據(jù)校正

　　3.1 時變源矩計算與歸一化處理

　　經(jīng)時頻轉(zhuǎn) 換 后 的 MCSEM 頻 域電 磁 場 數(shù) 據(jù) 需要依據(jù)發(fā)射源源矩進行源矩歸一化處理。本文所采用電磁測量數(shù)據(jù)的電偶極源由2條拖纜上的前后兩個電極組成，兩電極間距 約 為300 m。對 于埋 深 遠大于300m 的地質(zhì)體而言，該電極組激發(fā)的電磁場可以近似認為電偶極子源激發(fā)的電磁場。由于拖纜的可延展性和施工環(huán)境的復(fù)雜性，擺動的拖纜導(dǎo)致電偶極子源的長度隨時間變化，所以在作歸一化處理時，需要考慮電偶極子源長度的變化，對不同時窗的電磁場數(shù)據(jù)采用不同的源矩歸一化參數(shù)。設(shè)發(fā)射源源矩(M)為M =I·L 。 (1)式中：I 為電流，文中實測數(shù)據(jù)使用的電流為穩(wěn)定電流800A;L 為源長。圖8為實測電偶極子源源長隨時窗變化曲線，平均源長約為304m，最大與最小源長差約為26m。圖9為時變源矩與固定源矩歸一化的振幅譜，圖中虛線框內(nèi)是局部振幅譜。由圖9可知，20m 左右的源長變化對于Ex振幅譜存在較小影響。

　　3.2 偏移距船速修正

　　前文構(gòu)建 MVO 曲線時，需要與導(dǎo)航數(shù)據(jù)合并，即實現(xiàn)對振幅譜與相位譜進行時窗-偏移距轉(zhuǎn)換，其中的偏移距計算至關(guān)重要。由于海洋環(huán)境的不可控，海上作業(yè)難以確保船速均勻，因此，在時窗-偏移 距 轉(zhuǎn) 換 時 應(yīng) 對 時 變 船 速 加 以 修 正，以 提 高MCSEM 數(shù)據(jù)的定位精度。圖10給出了某工區(qū)實測船速隨時窗的變化曲線。平均船速1.38kn，約0.71m/s，在整個發(fā)射源工作時段內(nèi)，船 速 在1.06～1.59kn之 間變 化。圖11為原始偏移距、修正偏移距和偏移距修正量隨時窗變化曲線。由圖11可見，300號和900號時窗附近偏移距受船速影響較大;其中300號時窗存在約100m的負修正量，而900號 時窗 存 在 約190 m 的正修正量(正負號表示沿測線正向或負向修正)。圖12為 船 速 修 正 前 后 Ex 分 量 的 MVO 曲 線。結(jié)合圖11和圖12可知，由于船速不均勻?qū)е陆凭嗯c中到遠 偏 移 距 之 間 存 在 最 大 約190 m 的 偏移 據(jù) 誤差。

　　4 合成孔徑源方法隨機噪聲壓制與信號增強

　　在電磁響應(yīng)修正的基礎(chǔ)上，為了同時壓制隨機噪聲和增強 有 效 信 號，我 們 應(yīng) 用 合 成 孔 徑 源 方 法。合成 孔 徑 源(syntheticaperturesource，SAS)方 法最初由 Fan等[21]引入海洋可控源電磁領(lǐng)域，用于增強高阻油氣儲層的可探測性。本文應(yīng)用這一方法實現(xiàn)數(shù)個單源響應(yīng)的優(yōu)化疊加，從而構(gòu)建一個加長穩(wěn)健的合成源響應(yīng)[22-23]，增強來自海底儲層的有效信號，以提高海底電磁響應(yīng)的信噪比。

　　4.1 方法原理

　　對于來自 N 個激發(fā)源的復(fù)電磁場數(shù)據(jù)，合成孔徑源信號S 定義為[23-24]S(r，ω)= ∑ Nn=1exp(-iαc1Δrn)·exp(-αc2Δrn)·F(r，sn，ω)。(2)式中：F 為來自 單 源sn接收位 置r 的電磁 場 信 號; α=槡ωμσ/2 為電磁場的波數(shù)，ω 為角頻率，μ 為磁導(dǎo)率，σ 為電導(dǎo)率;Δrn = rn -r1 為第n 個源與第1個源之間的距離;c1和c2分別為相移因子和振幅加權(quán)因子。為分析合成孔徑源的應(yīng)用效果，我們將標(biāo)準(zhǔn)化幅度作為可探測性 D 的度量：D(r，ω)=S(r，ω)/Sb(r，ω)。 (3)式中，Sb為背景模型下的合成孔徑源信號。

　　現(xiàn)在我們 應(yīng) 用 粒 子 群 算 法[25-26]優(yōu)化c1和c2。在粒子群算法中，視向量x 為一個在高維度坐標(biāo)系中可自由移動的粒子。由于通常有多個粒子(例如10～100)同時以特定交互規(guī)則搜索目標(biāo)，所以稱其為粒子群。每個粒子代表最優(yōu)化問題的一個解，對于合成孔徑源問題即為權(quán)重因子向量 (c1，c2);最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)則是可探測性 D。通過單 個粒子簡單的運動和粒子間特定的交互規(guī)則，尋找可探測性的最大值。每 個 粒 子 初 始 位 置 設(shè) 置 為 搜 索 空 間 中 的 隨 機值。當(dāng)粒子群開始搜索時，所有粒子同時向下一個位置移動：xk+1 i =xki +vk+1 i ， (4)vk+1 i = αvki +U(0，β)(pi -xki)+U(0，β)(pg -xki)。(5)式中：xki 為第i個粒子在k 次迭代時的位置向量;vki 為第i個粒子在k 次迭代時的速度向量;pi為第i個粒子目前尋找到的最佳位置向量;pg為所有粒子目前尋找到的最佳位置向量;α 和β為正常數(shù);U 為單位隨機數(shù)生成函數(shù)。

　　由式(5)可見，在每次迭代中每個粒子的速度向量由三部分組成：第一部分是上一次迭代的速度，我們設(shè)置初始速度向量為v0i =(0.01，0.01);第二部分是第i個粒子當(dāng)前位置與其歷史最佳位置的距離(自我認知部分);第三部分是第i 個粒子當(dāng)前位置與所有 粒 子 的 歷 史 最 佳 位 置 的 距 離 (社 會 認 知 部分)。我們設(shè)置α=0.5，β=1.5[27]。當(dāng)粒子群開始運動后，每個粒子對比其當(dāng)前的D 和其歷史最優(yōu)D 值。如果目前 D 即為歷史最優(yōu)值，則pi更新為xi。在所有 粒 子 完 成 移 動 后，如 果pi是歷史最優(yōu)值，則pg更新為pi。下面，給出粒子群最優(yōu)化算法步驟：1)初始化參數(shù);2)計算每個粒子的目標(biāo)函數(shù);3)順序更新每個粒子的最佳位置向量和所有粒子的最佳位置向量;4)所有粒子移動至下一位置;5)循環(huán)步驟2)—4)直至粒子移動向量小于某一閾值。

　　4.2 數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)應(yīng)用

　　鑒于文中的測量數(shù)據(jù)均為二維測線，下文分別基于單激發(fā)源測線的模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，應(yīng)用合成孔徑源方法，分析其增強有效信號的效果。模擬數(shù)據(jù)來自于三維崎嶇海底儲層模型。表1列出了去除海底崎嶇的背景模型參數(shù)。

　　100Ω·m 的異常體規(guī)模設(shè)置為4km×4km× 100m，其頂界面位 于 海 底 以 下2km 處，異 常體 輪廓和崎嶇地形輪廓如圖13所示。接收器以均勻間距放置于海底，x 方向間距為500m，y 方向間距為2km，如圖13所示。　　我們計算合成孔徑源(10個單源)的響應(yīng)，然后比較單源與合成孔徑源可探測性的差異。圖14給出了合成孔徑源與單源的可探測性分布。對于海水厚度為300m 的情形，合成孔徑源方法提高了可探測性，在優(yōu)化相移因子和振幅加權(quán)因子后，最大可探測性提高了5倍。

　　對于實測數(shù)據(jù)，利用測線上前6個接收器響應(yīng)進行合成孔徑源處理，并與單源(第一個接收器)作對比。圖15為單源與合成孔徑源電場 Ex的 MVO曲線。從圖15看到，合成孔徑源長大約6km，其響應(yīng)幅值與單源相比在合成源右側(cè)偏移距大幅度增高，有效信號能量增強，進而提高信噪比。

　　5 結(jié)論

　　本文對經(jīng)典海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理流程提出了預(yù)處理信號的進一步修正與增強方法。利用電磁信號的功率譜信息識別并去除規(guī)則噪聲，分時窗矯正船速和發(fā)射源長度以及應(yīng)用合成孔徑源方法實現(xiàn)弱信號增強。將文中建立的處理方法應(yīng)用于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)及某工區(qū)的實測數(shù)據(jù)，得到如下認識：

　　1)信號 功 率 譜 特 征 是 識 別 規(guī) 則 噪 聲 的 有 效 屬性，使用人工或圖像識別技術(shù)可以半自動或自動壓制規(guī)則噪聲。

　　2)對頻率域電磁響應(yīng)的時變源矩歸一化和船速偏移距修正，提高了電磁響應(yīng)對地下目標(biāo)電性參數(shù)變化的分辨準(zhǔn)度。

　　3)合成孔徑源方法的應(yīng)用，在不增加采集成本的條件下，進一步增強了有效信號的強度，提高了信噪比。