基于四元数的多分量地震数据矢量滤波方法研究

The dynamic information contained in vector wavefield is the footstone for deeply understanding the anisotropy of underground medium and finely characterizing the complex oil and gas reservoirs. Thus it is important to preserve the dynamic information in the processing of multicomponent seismic data. However, at present, the research on signal processing of preserving vector features is only in the initial stage. This project will study vector denosing methods for multicomponent seismic data based on quaternion theory which gets successful development and application in the fields of mathematics and color image. These vector denosing methods can effectively attenuate noises, and preserve the dynamic information of multicomponent seismic data. The main research contents include two parts. 1) Analysing the high dimensional statistical characteristics of vector seismic signal and random noise in the time-space domain, establishing the mathematical model of quaternion adaptive filter, proposing quaternion function optimization strategy, and finally getting the time-space domain adaptive vector filtering methods. 2) Designing a Quaternion Fourier Transform which can effectively characterize the physical significance of vector wavefields, systematically investigating the characters of signal and noise in the quaternion frequency domain, and finally proposing the vector filtering methods in the quaternion frequency domain. The researches of this project will provide high quality multicomponent seismic data for subsequent processing, interpretation and inversion, and thus promote the development of the interpretation and application technologies of vector seismic wavefield.

在多分量地震数据处理过程中，保持矢量波场的动力学信息不畸变是深刻认识地下介质各向异性特征、精细刻画复杂油气藏的基石，但目前国内外保矢量特征的信号处理、解译方法研究仍处于起步阶段。本项目拟基于数学与图像领域最新发展的四元数理论开展多分量地震数据的矢量去噪方法研究，通过各分量信息互补，保幅保矢量特征地压制不同类型的噪声。主要研究内容包括：1）通过分析矢量地震信号和随机噪声在时-空域的高维统计特征，建立适合矢量地震信号的四元数自适应滤波器数学模型，并发展出四元函数优化策略，获得时空-域的自适应矢量滤波方法；2）通过设计能表征矢量波场物理意义的四元傅里叶变换，研究有效信号和噪声在四元数频域的矢量特征参数，分析其可分离性，进而发展出四元傅里叶变换域内的矢量去噪方法。上述研究将为多波多分量地震数据处理、解释和反演提供高信噪比、高保真的矢量场数据，促进矢量地震波场解译和应用技术的发展。

随着油气勘探开发程度不断深入，油气勘探目标日趋复杂，相应的勘探技术水平也在不断提高，多分量地震勘探已成为当前寻找和开发岩性油气藏、裂隙裂缝型油气藏、煤层气与页岩气等复杂非常规油气藏的热门技术。如能充分利用纵横波矢量场信息可以更加精确地估计各向异性参数，定量描述裂缝、孔隙参数，精细刻画储集层岩性，甚至直接识别油气藏。所以在多分量地震数据处理过程中，保持波场矢量特征不畸变是非常重要而有意义的。目前已有一些研究将多分量地震数据当作矢量场进行处理，但这些矢量处理技术仍处于研究初期阶段，且只零散地分布于多分量地震数据处理流程的少数独立环节上，其前后相配套的处理技术仍不完善。. 四元数的建立为矢量分析提供了一个有效的理论基础，也为矢量信号处理提供了有力的工具。本课题基于四元数理论，研究了多分量地震数据的矢量去噪方法，主要研究内容和成果如下：1）提出了三分量地震数据的双四元数表示模型，在该表示模型下，经过四元数FK变换，在四元数频率波数域能有效识别并分离多分量地震数据面波。2）时频变换是处理稀疏或独立检波器记录的地震数据的有效技术，本项目提出了一种一维广义四元数S变换，可有效处理四分量及以下的多分量地震数据，用于多分量地震数据属性提取、信噪分离等。3）通过分析矢量地震信号和随机噪声在时-空域的高维统计特征，提出了四元数SVD去噪方法，基于右奇异向量的形态差异，利用深度学习的Mobilenet V2分类网络自适应智能地识别分离信号和噪声。4）将常规的Cadzow滤波扩展为适用于多分量地震数据的四元数Cadzow矢量滤波技术。上述研究成果将为多波多分量地震数据处理、解释和反演提供高信噪比、高保真的矢量场数据，促进矢量地震波场解译和应用技术的发展。. 基于本项目研究内容发表了学术论文7篇，其中SCI论文5篇；登记了软件著作权2项，取得国内授权发明专利3项，美国发明专利1项。