基于压缩感知的非规则地震勘探观测系统设计与数据重建-周松.pdf
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1、第56卷第5期2017年9月石油物探GEOPHYSICAL PROSPECTING F()R PETROLEUMVoL56,No5Sep,2017周松,吕尧,吕公河,等基于压缩感知的非规则地震勘探观测系统设计与数据重建J石油物探,2017,56(5):617625ZHOU Song,LV Yao,LV Gonghe,et a1Irregular seismic geometry design and data reconstruction based on compressive sensingI-JGeophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(5
2、):617625基于压缩感知的非规则地震勘探观测系统设计与数据重建周 松1,吕 尧2,吕公河1,舒国旭2,石太昆2,霍守东2(1中石化石油工程地球物理有限公司,北京100020;2中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)摘要:提出了基于压缩感知的非规则观测系统优化设计和地震数据重建方法。基于贪心序贯策略,利用逐个选取采样点位置的方法来降低感知矩阵的最大互相关值,从而完成非规则观测系统的优化;利用L。正则化和L。正则化混合迭代的方法求解欠定采样矩阵,重建地震记录,获得良好的效果。进行了TFT工区实际观测系统的设计,鉴于接收电缆长度的限制,添加最大道间距和最小道间距作为观测系统设计过程中
3、的约束,得到了符合实际勘探要求的非规则观测系统的优化设计。该方法为三维高密度地震勘探的大规模开展提供了有效的方案。关键词:压缩感知;稀疏;非规则;观测系统设计;数据重建中图分类号:P631文章编号:10001441(2017)05061709文献标识码:ADOI:103969jissn10001441201705001Irregular seismic geometry design and data reconstruction based oncompressive sensingZHOU Son91,LV Ya02,LV Gonghel,SHU Guoxu2,SHI Taikun2。HU
4、O Shoudon92(1Sinopec Petroleum Engineering Geophysics Co,Ltd,Beijing 100020,China;2Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)Abstract:This paper proposes a method of irregular seismic geometry optimal design and data reconstruction based on compressive sens
5、ingTo optimize the irregular geometry design in seismic data acquisition,the method selects sampling points one by oneaccording tO a greedy sequential strategy,which could decrease the maximum cross-correlation value of the sensing matrixTo reconstruct seismic data effectively,the method solves the
6、underdetermined sampling matrix through an Lo and L1 regularizationmixed iterative algorithmWhen applied to the irregular seismic geometry design in the TFT exploration area,the method uses themaximum and the minimum group intervals as constraints tO overcome the limitation of the receiver cable len
7、gthThe results showthat the proposed method provides an effective way for the development of high-density 3D seismic explorationKeywords:compressive sensing,sparse,irregular,seismic geometry design,seismic data reconstruction随着我国油气资源勘探向中西部发展,地球物理的研究也逐渐转向地表构造复杂的区域。在这些区域进行勘探,不论是资料采集,还是后期的资料处理和解释,都对地球物
8、理人员提出了更高的要求。对于地震勘探来说,在复杂地区施工,往往会遇到峭壁、河流、沟壑、村庄和工业区等不易甚至无法布置检波器的情况,从而给数据的采集带来了一定的困难,甚至导致无法采集的情况发生。如果因为这些原因导致原始数据的大量缺失,就会严重影响整个工区的勘探质量和成像效果,从而给资料解释带来困难。收稿日期:2017-0124;改回日期:2017-0615。作者简介:周松(1963一),男,高级工程师,从事地球物理数据采集、非常规勘探以及物探技术管理等工作。基金项目:中国石油化工股份有限公司科技攻关项目“基于压缩感知的地震勘探采集技术研究”及中石化石油工程技术服务有限公司科技项目“压缩感知技术在
9、地震勘探中的应用研究”(SGl652K)联合资助。This research is financially supported by the project of the Ministry of Science and Technology of SINOPEC and the project of Sinopec OilfieldService Corporation(Grant NoSGl652K)万方数据618 石油物探 第56卷经典信号采集理论一般都会遵循ShannonNyquist采样定理,即:若要使采集到的数据能不失真地保持原信号中的信息,采样频率必须是原信号频带宽度的两倍以上。地
10、球物理的野外资料采集也都遵循该定理。为了描述目标体的精细特征,往往需要采集更精确的信号,因此,需要通过在空间上加密采样点数和在时间上减小采样间隔来实现。这样的采集方式大大增加了采集的数据量,从而导致采集成本的急剧增高。基于信号稀疏性的采样理论1。2的压缩感知(Compressed Sensing,CS)在图像压缩、无线通信、模式识别和医疗成像等研究领域受到了格外的关注。2006年,CANDES等3提出基于压缩感知的信号恢复技术,大大推动了压缩感知在地球物理勘探方面的应用。压缩感知技术的发展和应用基于大部分信号都可以进行稀疏表示。在稀疏域对信号进行重建,可以获得原始的真实信号。压缩感知技术突破了
11、Shannon-Nyquist采样定理的局限,大大节省了采集数据所占的空间,成为提高地震勘探效率的重要方法。目前,压缩感知理论在地球物理勘探领域得到广泛应用4。1 5|。基于压缩感知理论,HERRMANN等41提出了一种多震源的采集框架;MOLDOVEANU5探索了海上数据采集的随机观测方法;MOSHER等6。7提出并完善了一种在观测系统设计中基于约束条件的更优选择激发点和接收点位置的非均匀采样方法;陈生昌等8提出了一种针对地球物理数据的高效采集方法,并通过归一化各列数据的感知矩阵的互相关系数最小作为约束条件来设计最优的采集方案。基于压缩感知的地震采集技术,获得的数据需要进行重建9。1 0|。
12、HENNENFENT等11提出了利用抖动欠采样进行波场重建的方法,并基于曲波变换进行了地震数据的重建;wU等12提出了Dreamlet域地震成像和数据重建的方法;LI等13提出了基于插值压缩感知的数据重建方法(interpolated CompressiveSensing,interpolated CS),设计了非均匀优化采样观测系统(NonUniform Optimal Sampling,NUOS),并通过地震数据重建,分别在海上和陆上取得了良好的试验效果;王华忠等14详细讨论了压缩感知技术在地震勘探应用中的问题和难点,从不同方面展示了压缩感知的有效应用。本文通过降低感知矩阵的最大互相关值,
13、从而进行非规则观测系统的优化设计;并利用L。正则化和L,正则化混合迭代的方法进行欠定采样矩阵的求解,完成了地震数据的重建。1 基于压缩感知的非均匀观测系统设计方法压缩感知理论的基本假设是目标信号具有稀疏性或者可压缩性,也就是说,目标信号或者其在某个变换域中只有有限个成分不等于o(对应稀疏性),或者只有有限个成分远大于0(对应可压缩性)。若目标信号有K个成分不等于0,则称该信号为K稀疏的。假设具有稀疏性或者可压缩性的目标信号为X,稀疏变换采用傅里叶变换F,则正交稀疏基为傅里叶基函数或分窗傅里叶基函数,于是有:xFHs (1)式中:s为信号X在傅里叶域的稀疏表示;()H表示共轭转置。这样采集得到的
14、数据可以看作是采样函数或采样矩阵与目标信号相乘的结果。记采样矩阵为西,当进行满采样时,有一I,其中,J表示单位矩阵。当不能满足满采样条件(如采样数不足)时,m为J抽出的若干列组成的矩阵,只有采样位置对应的列向量被保留,则有采样数据:Y一嘶一FHs一弧 (2)式中:y一鲫H记为感知矩阵。根据压缩感知理论,成功重建K稀疏的目标信号的充分必要条件是感知矩阵甲满足有限等距准则(Restricted Isometry Property,RIP)条件,即对于任意2K稀疏向量l,均有(1一艿)iIv惦|甲v惦(1+3)lv孵成立。然而,求解满足RIP条件的矩阵是个NP-hard问题,取而代之,可采用一种可计
15、算的准则来进行采样设计。设矩阵y的列向量为lf,列向量间的最大互相关值为:lf,。Hlf,川 ,。户一警可百盯_可瓦面 JAMAIL-RAD等16指出,感知矩阵列向量间的最大互相关值即为非规则采样归一化频谱的最大非零频率振幅。在频率域,采样数据Y的频谱是感知矩阵V的频谱和目标信号的稀疏表达s的频谱之间卷积作用的结果。肚就是因为非规则采样造成傅里叶基(稀疏基)的正交性被破坏所引起的最大频谱泄漏,压制口使感知矩阵甲的频谱近似Delta函数,否则,感知矩阵y的频谱出现多个峰,与稀疏表达s卷万方数据第5期 周 松等基于压缩感知的非规则地震勘探观测系统设计与数据重建 619积作用后,将在频率域(稀疏域)
16、产生“假频”噪声。CANDES等17指出,口越小,则信号在非规则采样后能够重建的概率就越高。由于掣一面FH,其中F是固定的,因此,在采样数目不足时,可以通过改变采样矩阵o,即改变非规则采样点的分布来降低最大互相关值,从而优化采样矩阵,提高目标信号重建的概率,即:西一arg min“(垂) (4)JAMAIL-RAD等16给出了口达到下界时的一种确定性采样方式,然而这种采样方式只在一些特定的条件下才能成立。注意到该优化问题是非凸的,具体优化时只要能够找到局部最优解就足够满足需求18-19。这里我们采用贪心序贯策略来优化采样点的位置,进而构建采样矩阵。具体策略如下:1)首先确定目标信号的网格点数目
17、和间距,将所有目标信号的网格点作为候选采样点;2)遍历所有候选采样点,计算将其加入采样矩阵后的肛值,取使1值最小的候选点作为新的采样点,更新采样矩阵;3)重复步骤2)的操作,直到采样点数达到规定数目;4)在初步选定规定数目的采样点位置后,利用时间抖动(Jitter)方法D8-19,以(4)式为目标,进行采样微调,最终确定采样矩阵。以一维简单情况为例,假设在751个网格点上,选取375个点(近50)作为采样点。当规则采样时,采样点分布及其归一化后的傅里叶谱如图1所示。可以看出,欠采样的规则采样函数会产生很强的频谱泄漏,造成假频混叠。同样的网格和采样点数,当随机采样时,采样点分布及其归一化后的傅里
18、叶谱如图2所示。可以看到,随机产生的非规则采样降低了采样矩阵与傅里叶矩阵的相关性,没有假频产生,但是在整个频率范围都出现了很低的频谱泄漏,最大幅值为0794 9lo。保持网格和采样点数目不变,采用贪心序贯策略获得优化的非规则采样,采样点分布及其归一化后的傅里叶谱如图3所示。图3中采样点非均匀分布,压制了假频,降低了整个频率范围内的频谱泄漏,频谱泄漏的最大幅值0538210 ,比随机采样的频谱泄漏小。由压缩感知原理可知,更小的频谱泄漏表明由非规则采集而造成的漫布在整个频带内的杂乱噪声更弱,这样采样频谱就更加逼近规则满采样时的频谱,更有利于目标信号的重构,优化后的非规则采样比随机采样所得到的数据能
19、够完美重建的概率更高。当采样点数较少或者采样率较低时,这种差异更加明显。而当采样点较多时,采样条件往往会受其它因素如地形、实际施工条件限制等影响,此时可在采样点优化设计过程中加入这些约束,从而得到满足施工要求的采集方案,这是随机采样很难实现的。另外,对于某些二次施工工区,采样设计时还需要考虑其它指导目标如地下照明、数值模拟恢复信号的信噪比等,此时可在优化目标(4)式中加入其它约束项,然后优图2随机采样点分布(a)及其频谱(b)万方数据620 第56卷化完成满足要求的非规则采样点设计,这也是随机采样很难实现的。地震信号的稀疏性已经被广泛应用。对于三维地震勘探的数据采集情况来说,假设真实信号为D。
20、-,其时间维度为N,与非规则采集的时间维度相同,而空间维度为NN,N,与非规则采集数据重建后的规则数据所具有的空间维度对应。选择傅里叶变换作为稀疏变换,先将均匀满采样的时间方向做傅里叶变换,真实信号D。l由t-xy域变换至f-xy域。由于采样网格只与空间有关,故对所有频率切片使用相同的非规则采样设计。为了降低公式的维度,不失一般性,取其第q个频率切片,记为S。,再对|sa做空间方向上的傅里叶变换,将其变换至f-k域,记为Sa,则有:S。=F,x雪9 Fx。 (5)式中:F,和F。分别为37方向和Y方向上的傅里叶变换矩阵。引入向量化操作1 6|,将二维目标信号转化为一维信号。向量化算子:vec(
21、A)一口 (6)表示将任意矩阵A各列叠加排列成一个很长的列向量n。向量化算子具有如下性质:vec(ABc)一(cT o A)vec(B) (7)式中:A,B,c是任意3个连乘有意义的矩阵;o表示克罗内克积。通过以上计算,可以将f-k域中第q个频率切片的数据向量化,得到真实信号为D reaI向量化的稀疏表示s 9。在实际非规则采样时,时间上均匀满采样,与真实信号的时间维度保持一致,均为N,。在空间上,使用基于压缩感知的非规则优化采集方案,实际的采样点数为M,MN。也就是说,要应用一个采样算子G,对稀疏表示s 9进行采样,采样算子G实际上就是从N维单位矩阵JN中取M行而得到,其决定了实际非规则采集
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