[发明专利]一种地震信号的谱分析方法

说明书

本发明公开了一种地震信号的谱分析方法，该方法首先设计高斯窗函数，对于输入信号进行滑窗傅里叶变换，得到广义时频变换，对得到的广义时频变换，进行时频浓度测量，得到时频聚集度CM，计算时频能量聚集度的四个参数，遍历限制条件内所有参数获取CM集，再进行参数优化，筛选出CM值最大时的窗口参数。最后，应用优化后的参数获取最优广义时频变换。经实验证明，该方法拥有更高的分辨率和能量聚集性以及更好的抗噪性能，便于分析信号的特征信息。

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别涉及一种地震信号的谱分析方法，可应用于地震资料的处理与解释、地震薄层结构的探究以及油气储层的预测等。

背景技术

在地下勘探的探索与资料收集过程中，常用人工激发地震波的方式，根据反馈的信号特征分析地下介质等信息。但是由于地下介质的分布不均匀且种类繁多等特征，信号的传播路径，振动幅度都会受到不同程度的改变，加上采集地震波时的各种噪声影响，所以收集到的信号都是时变非平稳信号。

对于地震信号的分析是地震资料解释与处理的必要步骤。传统的傅里叶变换是一种全局性质的信号分析方法，不能对信号局部细节进行分析，由于地震信号的复杂性，该方法已经不能满足实际的需要。因此使用时频联合分布的方法对信号进行分析是必须的。

短时傅里叶变换将信号从一维时间域分析变换到二维时间频率联合分布进行分析，在时域用是窗函数对输入信号进行截取，对被截取的信号进行快速傅里叶变换，然后移动窗口，重复这个过程直到获取整个时间轴上信号的频谱。短时傅里叶变换能很好地对地震信号进行局部特征的精细刻画。但是，短时傅里叶变换的局限在与其窗函数选定后对于非平稳信号来说是固定的，会导致分辨率固定单一。

Wigner-Ville分布是一种高精度时频分析方法，因为没有使用窗函数，所以也不受海森堡不确定性原理的限制，拥有较高的时频聚集度。但是其缺点是存在严重的交叉干扰项，在实际应用中，由于干扰项的存在，得到的频谱不能准确地分析信号的特征信息。

发明内容

针对传统方法存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新的地震信号的谱分析方法，该方法通过引入四个参数根据需要灵活的控制时窗宽度，从而获得更高的时频分辨率。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种地震信号的谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对于输入信号长度为x(n),n＝0,1,2,...,N-1,N的表达式，N取偶数，设计高斯窗函数如下式(1)所示：

式中，f为频率，其中，T为采样后数据时间长度A,B,C,D为可调节的控制窗口形态的参数；为保证控制窗口有一个合适的形态，规定0≤A,B,C,D≤2；

步骤二，基于高斯窗函数，对输入信号进行滑窗Fourier变换，得到广义时频变换如下式(2)所示：

式(2)即为非平稳信号x(n)的新型广义时频变换的离散形式，它给出了信号在n＝m附近的一段时间内的时频信息，V(n,f)的相位谱和幅度谱均由相位函数e^-j2πfm定位；

步骤三，对得到的广义时频变换，进行时频浓度测量，得到时频聚集度CM如下：

其中，V(n,f)的模归一化后为它的模定义为：

步骤四，计算时频能量聚集度最优的四个参数如下式所示：

{A_opt,B_opt,C_opt,D_opt}＝argmax{CM^ABCD}   (5)