沿層中值濾波在消除深拖淺地層剖面電干擾中的應(yīng)用.docx

1、第1卷第4期M徑格麻物IT專兼Vol.11,No.42014年7月CHINESEJOURNALOFENGINEERINGGEOPHYSICSJuly,2014文章編號(hào)：16727940(2014)04044105doi：10.3969/j.issn.1672-7940.2014.04.003沿層中值濾波在消除深拖淺地層剖面電干擾中的應(yīng)用蔣錦朋】，羅進(jìn)華2,楊修偉】，朱培民I(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北武漢430074；2.中海油田服務(wù)股份有限公司.天津300451)摘要：聲學(xué)定位系統(tǒng)的充電會(huì)在深拖搭載的淺地層剖面上造成豎條形噪聲，嚴(yán)重影響海底地層資料的處理與解釋.本文分析了上

2、述電噪聲信號(hào)特征，采用r中值濾波方法，對(duì)其進(jìn)行r處理。文中設(shè)計(jì)了水平和沿層位兩種不同窗口進(jìn)行濾波，并改變窗u長度進(jìn)行了濾波效果比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沿層位窗口可以更好地消除噪聲并實(shí)現(xiàn)信號(hào)保真。關(guān)鍵詞：通訊噪聲；中值濾波；水平窗口I沿層位窗口；深拖淺地層剖面中圖分類號(hào)：P631.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A收稿日期：2014013TheApplicationofLayerbasedMedianFilteringMethodtoEliminateElectricalNoiseinDeepTowShallowStratigraphicProfileJiangJinpeng1,LuoJinhua2,YangXiuw

3、ei1,ZhuPeimin1(1.InstituteofGeophysicsandGeomatics.ChinaUniversityofGeosciences,WuhanHubei430074.Chinaj2.ChinaNationalOhfshoreOilCorporation,Tianjin300451,China)Abstract:ThechargingoftheacousticpositionsystemcancauseverticalbarshapednoiseinshallowstratigraphicprofileofDeepTowdetection,seriouslyaffec

4、tingtheseabedstratadataprocessingandinterpretation.Thispaperanalyzedthenoise'scharacteristicsanddealtwiththedatabymedianfiltering.Thehorizontalandlayerbasedfilteringwindowtofilterthenoiseisdesigned,andthewindowlengthtocomparethefiltereffectisadjusted.Experimentalresultsshowthatlayerbasedfilterwi

5、ndowcaneliminatenoiseandprotecttheusefulsignalbetter.Keywords：communicationnoisejmedianfiltering；horizontalwindow；layerbasedwindow；deeptowshallowstratigraphicsection基金項(xiàng)目：中海油阪科研項(xiàng)目（編號(hào)：WTB13YFO19）資助.作者簡介：蔣錦朋（1989）.男.湖北黃岡人.碩士研究生，主要從事地球物理反演學(xué)習(xí)與研究.E-mail：jiangjp2812羅進(jìn)華（1983一），男，工程帥，主要從事海岸工程勘察方面的工作。E-mail：i

6、uojinhua0011引言深拖（DeepTow）調(diào)佐是將一種或幾種海洋調(diào)住儀器進(jìn)行組合安裝在一個(gè)深水拖體上.通過將拖體沉放到預(yù)定深度來減少水體對(duì)調(diào)查精度等影響的一種調(diào)查手段。深拖搭載的淺剖調(diào)佐采集數(shù)據(jù)以M分辨率高、密度大及幾乎不受海面環(huán)境噪皆影響等原因.在深水丁.程物探調(diào)佐中正受到越來越多的關(guān)注。然而.在大鼠的實(shí)踐過程中.發(fā)現(xiàn)采集的淺剖數(shù)據(jù)普遍存在脈沖狀的聲學(xué)干擾（圖】）,嚴(yán)童時(shí)其至?xí)绊戀Y料的判讀與解釋.經(jīng)過試羚表明.該噪音是深拖拖體上措載的超短基線（USBL）定位信標(biāo)充電所造成。對(duì)于這種電干擾噪聲利用常規(guī)方法.如帶通濾波、FK域信號(hào)增強(qiáng)、相干加強(qiáng)、小波去噪等.往往不能很好地濾除噪聲。19

7、71年,Turky提出了中值渡波的方法，其敞初是針對(duì)解決離散數(shù)據(jù)平滑問題而提出的后來被引入到一些質(zhì)要的數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域并得到發(fā)展。Bednar（1983）和Duncan（1995）等將這種方法應(yīng)用于地震勘探數(shù)據(jù)處理中.取得廠艮好效果m.但中值濾波主要是針對(duì)疊后資料處理，.用于別除野值和剖面相干加強(qiáng)等日的.隨著發(fā)展.中值濾波技術(shù)也用于地震資料榨前處理中.但必須是經(jīng)過動(dòng)校正之后的數(shù)據(jù)'氣王成禮（1989）用該方法沿視速度做中值旋波,并取得良好效果.道號(hào)50010001S002000250030003500伯匕部依困1沒剖記彖原始信號(hào)Eig.1Rawsignalofshallowstrati

8、graphicprofile本文針對(duì)實(shí)際淺剖數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的特殊噪聲.采用中值濾波進(jìn)行去噪處理.文中選取r水平窗口和沿層位畝口兩種不同的底口進(jìn)行中值濾波,通過比較得出沿層位窗口能夠更好地保真信號(hào)。2淺剖資料噪聲特征2013年5月，使用EdgeTech公司DTT深拖系統(tǒng)措載EdgeTech全頻譜CHIRP淺地層剖面儀等在中國南海某深水區(qū)塊進(jìn)行了淺層高分辨物探調(diào)查。發(fā)射脈沖頻率4.5kHz°圖1為淺剖記錄原始信號(hào)圖一共有3659道.每道6956個(gè)采樣點(diǎn),采樣率為16Ms.從圖中看出海底反射層比較清晰。削面中出現(xiàn)很強(qiáng)的百達(dá)波。采集的信號(hào)中含有直流分址，因此剖面信號(hào)沒有負(fù)值出現(xiàn).由于機(jī)械干擾.剖

9、面上出現(xiàn)豎條形無規(guī)律分布的噪聲.這些噪聲能ht相對(duì)較大.對(duì)削面整體而貌有較大影響。從空間上來看，這種機(jī)械F擾在淺剖信號(hào)采集過程中出現(xiàn)的時(shí)間是隨機(jī)的因此在淺剖圖中無規(guī)律分布，而且能址比有效信號(hào)強(qiáng)。3方法原理3.1中值波波基本原理中值波波（MedianFilter）是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的作線性信號(hào)處理技術(shù)。這種濾波器優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡單而且速度較快.在濾除噪聲（特別是脈沖噪聲）的同時(shí)能很好地保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息.對(duì)于一個(gè)點(diǎn)序列來說如，刀，z.將其排序?yàn)橛餠iqWzq<<.（il,2M表示排序后下標(biāo)）。當(dāng)為奇數(shù)時(shí)，則該序列中位值為排序后序列中間值.即.r“寧,，當(dāng)為偶數(shù)時(shí),則該

10、序列中位值取為排序后序列中間兩個(gè)值的平均值即嚀+以扣門。具體如式（1）所示.式中Med表示對(duì)序列求中位膈y=Medx.X|,x,砂（為奇數(shù)）=1.y（"為偶數(shù)）（1）在中值濾波實(shí)現(xiàn)的過程中.需要選取一個(gè)空間窗口.窗口的長度一般取奇數(shù).將窗口在數(shù)據(jù)上滑動(dòng)，中值濾波輸出就是窗口正中所對(duì)的點(diǎn)處的值用窗口內(nèi)點(diǎn)的中位值代替。y,=Medj-,=Medjt,（2）（2）式中，窗口長度廉+1。慚【I分別選取左右各，個(gè)點(diǎn)，再加上了,一共24+1個(gè)點(diǎn)，則對(duì)幻點(diǎn)進(jìn)行中值濾波輸出為3.2水平窗口中值濾波算法聲波記錄可表示為%3=1j=l,2,，N）,其中勇和j分別代表道號(hào)與時(shí)間采樣點(diǎn)號(hào)；M表示總道數(shù)；N表

11、示每道總采樣點(diǎn)數(shù)。水平窗口中的點(diǎn)都在每道的同一采樣時(shí)刻（圖2（a）。窗口長度一般選取奇數(shù)道。文章中分別選取了3個(gè)、5個(gè)、7個(gè)采樣點(diǎn)。將窗口在剖面匕滑動(dòng)進(jìn)行濾波。一般先選取濾波道，在該道上沿時(shí)間方向滑動(dòng)，一道完成后換到下一道繼續(xù)沿時(shí)間方向滑動(dòng)，宜到覆蓋整個(gè)剖面。圖中“”表示窗口的中心位置。具體濾波步驟如下：1）以第i道為中心，在該道左右再分別對(duì)稱選取，道，一共2&+1道，取各道第/個(gè)采樣點(diǎn)值。一共於+1個(gè)采樣點(diǎn)。2）對(duì)選取的24+1個(gè)采樣點(diǎn)按信號(hào)幅值進(jìn)行排序。3）將排序后中間點(diǎn)值作為第i道第j個(gè)樣點(diǎn)的濾波輸出。33沿層窗口中值濾波算法常規(guī)的水平窗口濾波能夠?qū)ζ拭嬖肼暰哂泻芎玫臑V波作用，但

12、對(duì)地震信號(hào)去噪能力過強(qiáng)而導(dǎo)致有用的信息被破壞，尤其在層位起伏比較大的地方，破壞更加嚴(yán)重。為了保護(hù)淺剖中的有效層位，在局部地方采用沿層位窗口進(jìn)行濾波，可以減小有效信號(hào)失真。沿層窗門的形狀是依據(jù)層位變化的（圖2（b）。窗口K度一般選取奇數(shù)道。濾波前，先確定剖面上需要沿層位濾波的區(qū)域，讓窗口滑動(dòng)整個(gè)區(qū)域，完成局部沿層位濾波。濾波步驟如下：1）通過解釋軟件獲取層位坐標(biāo)數(shù)據(jù)。2）根據(jù)剖面特點(diǎn)，選取要濾波的范圍。3）以第，道第，個(gè)采樣點(diǎn)為中心（位于濾波區(qū)域之內(nèi)），在該道左右再對(duì)稱選取k道，一共2k+1道，沿層位取各道的相應(yīng)采樣點(diǎn)。一共桀+1個(gè)采樣點(diǎn)。4）對(duì)選取的24+1個(gè)采樣點(diǎn)按幅值進(jìn)行排序。5）將排序后

13、中間點(diǎn)值作為第i道第/個(gè)采樣點(diǎn)的濾波輸出。4濾波結(jié)果分析圖3是對(duì)圖1采用水平窗口的中值濾波結(jié)果。圖3（a）.（b）和（c）分別對(duì)應(yīng)窗口長度3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)的濾波結(jié)果。從圖3（a）可見3點(diǎn)水平窗口濾波對(duì)地震記錄有效信號(hào)保持較好，細(xì)節(jié)信息齊全.隨機(jī)噪聲消除效果還不錯(cuò),但圖上還有些機(jī)械噪聲沒有濾除（圖3（a）中箭頭所指處）。圖3（b）經(jīng)過5點(diǎn)水平窗口濾波，幾乎完全消除了隨機(jī)干擾，剖面的一些弱信號(hào)層位開始顯現(xiàn)出來（圖3道方向一時(shí)間方向時(shí)間方向道方向(a)水平濾波窗口<b)沿層位窗口圖2中值濾波示意Fig.2Schematicdiagramofmedianfilter(a)Horizontalfi

14、lteringwindow；(b)Layerbasedfilteringwindow道號(hào).500100015002000250030003500信弓*你500023(a)水平13點(diǎn)濾波道號(hào)500100015002000250030003500信耳幅也150300!:M：300.JIJoJLJo(b)水平1»門5點(diǎn)濾波<c)水平卸7點(diǎn)濾波S3水平窗口混波效果對(duì)比Fig.3Resultcomparisonofdifferenthorizontalfilteringwindow(a)Resultof3pointshorizontalwindow；(b)Resultof5pointsh

15、orizontalwindow；(c)Resultof7pointshorizontalwindow1O<I5<2O<oO2O道號(hào)5001000150020002500300035001601005001000!5002000250030003500信號(hào)事值150(a)原始剖面(b)水平S點(diǎn)和沿層位5.點(diǎn)結(jié)合波波E94沿層位窗口5點(diǎn)濾波和水平窗口5點(diǎn)混合滲波Fig.4Hybridfilteringofhorizontalandlayerbasedwindow(a)Rawprofile；(b)Hybridfilteringof5pointshorizontaland5point

16、slayerbasedwindow(b)中箭頭所指處).圖3(c)經(jīng)過7點(diǎn)水平畝口楚的顯示.但相對(duì)5點(diǎn)來說增加了計(jì)算虬對(duì)比濾波.隨機(jī)噪聲被消除得很好.弱能址層位也更清來右本試驗(yàn)中5點(diǎn)濾波效染相對(duì)來說較好.能夠道號(hào)道號(hào)(a)圖4(b)和圖3(b)差剖面(b)圖5(a)中方框部分放大困5水平5成與沿層位5點(diǎn)濾波差割面Fig.5Differencebetween5pointshorizontalwindowandlayerbasedwindowprocessing(a)DifferencebetweenFig.4(b)andFig.3(b)；(d)EnlargementoftheboxinFig.5

17、(a)有效去掉機(jī)械噪由而且計(jì)算時(shí)間較少.圖4(b)為水平窗口5點(diǎn)和沿層位餅口5點(diǎn)混合濾波的效果圖。其中圖4(a)上所標(biāo)出的黑線為沿剖面層位趨勢(shì)確定的濾波邊界。其內(nèi)采用沿層位窗口法濾波.其外采用水平窗口濾波。區(qū)域的選取需要依據(jù)剖面的情況而定。圖5(a)為混合5點(diǎn)濾波(圖4(b)與水平窗口5點(diǎn)(圖3(b)濾波的差值圖像。圖5(b)為(c)中矩形框區(qū)域的放大圖。比較得知，地層斜率越大相差的能最值越大。這說明了水平窗口濾波會(huì)在地層傾斜處造成能仙的損失.而旦地層傾斜越大能量損失越大。由此可見，選用混合窗口浪波的方法能較好獲得保真度高的信號(hào)。5結(jié)語通過對(duì)深拖淺剖電干擾剖面的處理，表明了沿層中值渡波去除豎條

18、形電干擾波聲的有效性,沿層中ffi濾波能夠減小瞥通中值濾波在層位傾斜處產(chǎn)生的畸變從而更好地保真信號(hào)。同時(shí)還分析r不同窗口長度對(duì)濾波效果的影響。濾波窗口短，噪聲濾不干凈.窗口太K，需要計(jì)算的時(shí)間較長。因此窗口K度需要根據(jù)情況折衷處理。參考文獻(xiàn)：1 李河林,張忠民.弈宗琪.中值濾波技術(shù)在圖像處理中的應(yīng)用J.信息技術(shù).2004.28(7):2627.2 BednarJB.Applicationsofmedianfilteringtodeconvolution.pulseestimation,andstatisticaleditingofseismicdataJ.Geophysics*1983.48(12)：15981610.3 DuncanGBeresford(；.Someanalysesof21)medianfkfiltersJ.Geophysics