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基于块结构相似性的地震信号去噪研究

基于块结构相似性的地震信号去噪研究

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作者：韩卫雪河北工业大学

学位级别：硕士

地震信号去噪对后续地震信号处理尤为关键。利用地震信号的块结构相似性,有助于去噪算法更准确地辨识有效信号与噪声。通过将地震信号分块,利用信号块间的相似性和冗余信息,增强其有效信号的相关性,为地震信号去噪算法奠定基础,本文提... 详细信息

地震信号去噪对后续地震信号处理尤为关键。利用地震信号的块结构相似性,有助于去噪算法更准确地辨识有效信号与噪声。通过将地震信号分块,利用信号块间的相似性和冗余信息,增强其有效信号的相关性,为地震信号去噪算法奠定基础,本文提出基于块结构相似性的地震信号去噪研究,主要内容如下:（1）基于卷积神经网络（CNN）的地震信号随机噪声去除构建一种基于CNN的地震信号随机噪声去除算法,算法的关键在于构建一个适用于地震信号去噪的CNN,主要包括输入层、卷积层、激活层、归一化层及输出层等。CNN训练过程以分块不含噪地震信号构成信号矩阵作为输入层,由多个卷积层提取并处理地震信号,激活层采用修正线性单元层获取地震信号波动特征,再借助归一化层加速网络训练收敛速度,通过残差学习获得随机噪声并由网络输出层输出。而CNN去噪过程以完整含噪地震信号作为输入层。分别采用CNN、小波变换、双树复小波变换、曲波变换对实际海上叠前地震信号、叠后陆地信号及复杂陆地叠后信号进行去噪,实验结果表明,CNN能有效去除随机噪声,并且比常规去噪算法具有更强的去噪能力,对探索地震信号去噪新途径具有一定的参考价值。（2）基于W加权核范数最小化（W-WNNM）的地震信号盲去噪提出一种基于W-WNNM的地震信号盲去噪算法,首先通过基于弱纹理块选择的噪声水平估计算法（WPCA）估计含噪地震信号的噪声水平:即首先对含噪地震信号分块,在迭代过程中,利用阈值的更新来筛选弱纹理信号块,之后通过主成分分析估计其噪声水平,得到最终估计值;随后将该估计值作为加权核范数最小化（WNNM）的输入参数,去除地震信号所含随机噪声:即在迭代过程中通过权值分配控制矩阵奇异值的收缩程度,逼近原始地震信号。分别对实际海上叠前地震信号、陆地单炮地震信号及陆地叠后地震信号去噪,并与双树复小波变换、曲波变换、WNNM的去噪结果对比。实验结果表明,W-WNNM能够在噪声水平未知的情况下达到良好的去噪效果,并且优于传统去噪算法的去噪性能,从而验证了本文算法的可行性及有效性。对于探索地震信号盲去噪具有一定的参考价值。（3）基于加权Schatten p-范数最小化（WSNM）的地震信号去噪将WSNM用于地震信号去噪。与传统的迹范数相比,Schatten p-范数能够保证更准确的信号修复,受到Schatten p-范数与WNNM的启发,结合地震信号的块结构相似性,将地震信号分块构建低秩矩阵,利用WSNM进行地震信号去噪。分别利用WSNM与WNNM对海上叠前地震信号、陆地单炮地震信号及陆地叠后地震信号进行去噪实验,实验中选择WSNM的参数p为最佳值时的去噪性能参数与WNNM对比,实验结果表明,在高噪声水平的情况下WSNM比WNNM对地震信号的去噪效果更好,对高噪声水平下的地震信号去噪研究有一定参考价值。

关键词：地震信号去噪块结构相似性卷积神经网络加权核范数最小化噪声估计加权Schatten p-范数最小化

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改进的块匹配三维协同滤波及应用研究

改进的块匹配三维协同滤波及应用研究

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作者：罗帆西南石油大学

学位级别：硕士

地震勘探过程中,由勘探环境、人为干扰及仪器因素等造成的噪声干扰会严重降低地震数据的信噪比和分辨率,因此需要提升地震数据的保真度和成像质量。而地震数据去噪方法作为地震数据解释的处理基础,具有重要的研究意义和价值。鉴于块匹... 详细信息

地震勘探过程中,由勘探环境、人为干扰及仪器因素等造成的噪声干扰会严重降低地震数据的信噪比和分辨率,因此需要提升地震数据的保真度和成像质量。而地震数据去噪方法作为地震数据解释的处理基础,具有重要的研究意义和价值。鉴于块匹配三维协同滤波(Block-matching and 3D Filtering,简称BM3D)在图像去噪领域具有良好的去噪性能,可有效压制数据中噪声,且保护细节边缘成分。本文将从块结构相似性的方向研究BM3D方法。BM3D主要分为基础估计阶段和最终估计阶段,每个阶段均由块匹配、变换域滤波及块聚集组成;每个步骤均要求较精确,即块匹配参数与滤波参数的设定和选择将严重影响滤波效果,精准的参数选取会展现BM3D极佳的滤波性能,故获取数据的先验信息尤为重要;且块聚集步骤中,不同相似分块返还加权叠加后,滤波结果易在细节边缘等结构处出现边缘效应,BM3D方法滤波性能有待进一步提升。因此,本文提出基于噪声估计方法的BM3D和基于块聚集权值改进的BM3D,具体如下:基于噪声估计的BM3D方法从噪声估计方法进行研究,采用不同的噪声估计方法进行对比,选用估计效果较优的方法进行估计;然后,在BM3D方法运算时,通过噪声估计方法在基础估计阶段的滤波结果决定是否进行迭代运算,直至获取经验维纳滤波需要的理想滤波效果,即基础估计滤波效果;同时,在滤波时将采用软/硬阈值滤波的方式提升参数选取效率和精度。噪声先验信息的获得使BM3D在参数选取更精确,其滤波效果有效提升。基于权值改进的BM3D方法从权值运算方向进行分析,发现了块聚集不同相似块加权叠加过程中的不足,通过相似块叠加次数的方式进行权值改进,并将改进的权值计算方法运用到BM3D方法中。相比于传统方法,改进方法可有效减轻BM3D方法在相似块聚集时存在的边缘效应,同时降低对细节、边缘等结构信息的损伤,得到一个理想的滤波效果。所提出的基于噪声估计的BM3D方法、基于权值改进的BM3D方法及结合噪声估计与权值改进的BM3D方法均在图像模型数据、合成地震数据及实际地震数据中应用处理,实验结果表明本文的改进方法能有效提升传统BM3D方法的去噪性能,减轻滤波效果中存在的边缘效应,保护数据中的有效信息。

关键词：块结构相似性相似块匹配噪声估计协同滤波块聚集

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