مجله ژئوفیزیک ایران

مجله ژئوفیزیک ایران

تضعیف نوفه تلاطم بر روی داده‌های لرزه‌ای دریایی با استفاده از روش تجزیه مد متغیر در یک رهیافت خودکار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
3 دانشیار، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
چکیده
تضعیف نوفه یکی از مراحل مهم در پردازش داده‌های لرزه‌ای می‌باشد که می‌تواند باعث بهبود نتایج دیگر مراحل پردازشی و پیرو آن تفسیر دقیق‌تر مقاطع لرزه‌ای شود. یکی از نوفه‌های موجود در داده‌های لرزه‌ای دریایی نوفه تلاطم می‌باشد که دارای دامنه‌ی بالا و باند فرکانسی پایین است و در داده‌ها به صورت نوار‌های عمودی مشاهده می‌شود. روش‌های مختلفی برای تضعیف نوفه تلاطم وجود دارند که هر یک مزایا و محدودیت‌هایی دارند. رهیافت بیشتر روش‌های نوفه‌زدایی جداسازی حداکثری نوفه از سیگنال است که در حین تضعیف نوفه کمترین آسیب به سیگنال‌های مطلوب زده شود. تجزیه مد متغیر روشی است که با جداسازی مدهای مختلف سیگنال و نوفه در این زمینه نتایج امیدبخشی داشته است. اگرچه با توجه به اینکه این روش بر روی سیگنال‌ها بصورت جداگانه اعمال می‌شود و چون تشخیص مد آلوده در فرایند تجزیه نیاز به نقش کاربر دارد، لذا کارایی روش برای نوفه‌زدایی از داده‌های لرزه‌ای، که شامل تعداد زیادی ردلرزه هستند، تحت تأثیر قرار می‌گیرد.  به همین منظور در این مقاله یک الگوریتم خودکار برای تضعیف نوفه تلاطم با استفاده از تجزیه مد متغیر پیشنهاد شده است. در این الگوریتم ابتدا هر ردلرزه با تجزیه مد متغیر به مدهای سازنده‌اش تجزیه می‌شود. سپس بصورت خودکار و بر مبنای تابع خودهمبستگی، مدهای آلوده به نوفه تلاطم شناسایی شده و در یک فرایند آستانه‌گذاری خاص، این مدها نوفه‌زدایی شده و سپس سیگنال بازسازی می‌شود. کارایی الگوریتم پیشنهادی با بکارگیری آن بر روی داده‌های لرزه‌ای مصنوعی و واقعی به اثبات رسیده است. قابل ذکر است که این روش در مقایسه با فیلتر بالاگذر و روش نوفه‌زدایی زمان-فرکانس (TFDN) متداول، عملکرد بهتری را از خود نشان می دهد، به گونه‌ای که به طور مؤثر نوفه تلاطم را تضعیف می‌کند و در عین حال اطلاعات باارزش لرزه‌ای با فرکانس پایین را حفظ می‌نماید.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Swell noise attenuation on marine seismic data using variational mode decomposition in an automatic approach

نویسندگان English

Zahra Sadat Atashgahi 1
Mohammad Radad 2
Amin Roshandel Kahoo 3
1 M.Sc., Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
3 Associate Professor, Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده English

Denoising is an important step in seismic data processing that can improve the results of other processing steps and, consequently, the interpretation of seismic sections. Both land and marine seismic data contain coherent and incoherent noise. Swell noise is one of the noises present in marine seismic data. It has a high amplitude and low frequency band and is observed as vertical bands in marine seismic data. Developing methods that can attenuate swell noise more while causing the least damage to the signal in marine seismic data seems necessary. There are various methods for attenuating swell noise, each with its advantages and limitations. The approach of most denoising methods is to maximize the separation of noise from the signal. Variational mode decomposition (VMD) has shown promising results in seismic denoising by separating different modes of signal and noise. The goal is to obtain a set of intrinsic mode functions (IMFs) and their corresponding center frequencies. The main approach of VMD is to decompose the input signal into a number of sub-signals (modes), which also have sparsity properties while recovering the input signal. Here, the sparsity of each mode is chosen as the bandwidth of that mode. In other words, it is assumed that each mode is more concentrated around the center frequency, which is determined in the decomposition. Another important issue in noise attenuation is that the denoising method should be able to perform the denoising process automatically with minimal user intervention. The proposed denoising algorithm in this paper consists of four steps: decomposition, identification, filtering, and reconstruction. In the first step, the seismic signal is decomposed into its constituent modes using the VMD method. In the second step, the modes contaminated with noise is identified according to the autocorrelation function of the modes, where the higher values of standard deviation of autocorrelation above a predefined measure present noisy modes. In the third step, the noise is removed through a filtering process based on a hard thresholding procedure. In the final step, the constituent modes, including the clean untouched modes, the denoised modes, and the residue, are summed together and the signal is denoised. The proposed algorithm's efficacy is demonstrated through its application to both synthetic and real seismic data. Notably, the method demonstrates superior performance compared to conventional high-pass filtering and time-frquency denoising (TFDN) method, effectively attenuating swell noise while preserving valuable low-frequency seismic information.

کلیدواژه‌ها English

Marine seismic data
swell noise attenuation
variational mode decomposition
thresholding
automatic algorithm
خلیل طهماسبی، مهرداد، روشندل کاهو، امین و نجاتی کلاته، علی. (1396). تضعیف نوفه‌های زمین‌غلت در داده های لرزه­ای با استفاده از تجزیه مُد متغیر. پژوهش های ژئوفیزیک کاربردی، 3(2)، 177-188.
روشندل کاهو، امین و نجاتی کلاته، علی. (1395). تضعیف نوفه‌های اتفاقی در داده‌های لرزه‌ای با استفاده از تجزیه مُد تجربی. مجله ژئوفیزیک ایران، 5(2)، 61-68.
Bagheri, M., & Riahi, M. A. (2018). Using a Novel Method for Attenuating Random Noises from Seismic Data. Iranian Journal of Oil & Gas Science and Technology, 7(3), 65-72.
Bagheri, M., Riahi, M. A., & Hashemi, H. (2017). Denoising and improving the quality of seismic data using combination of DBM filter and FX deconvolution. Arabian Journal of Geosciences, 10, 1-8.
Bagheri, M., & Riahi, M. A. (2016). Seismic data random noise attenuation using DBM filtering. Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata, 57(1).
Bekara, M., & van der Baan, M. (2010). High-amplitude noise detection by the expectation-maximization algorithm with application to swell-noise attenuation. Geophysics, 75(3), V39-V49.
Dondurur, D., & Karslı, H. (2012). Swell noise suppression by Wiener prediction filter. Journal of Applied Geophysics, 80, 91-100.
Dragomiretskiy, K., & Zosso, D. (2013). Variational mode decomposition. IEEE transactions on signal processing, 62(3), 531-544.
Elboth, T., Hermansen, D., & Andreassen, Ø. (2009, June). Some unusual types of noise. In 71st EAGE Conference and Exhibition incorporating SPE EUROPEC 2009 (pp. cp-127). European Association of Geoscientists & Engineers.
Elboth, T., Presterud, I. V., & Hermansen, D. (2010). Time‐frequency seismic data de‐noising. Geophysical prospecting, 58(3), 441-453.
Huang, N. E., Shen, Z., Long, S. R., Wu, M. C., Shih, H. H., Zheng, Q., ... & Liu, H. H. (1998). The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis. Proceedings of the Royal Society of London. Series A: mathematical, physical and engineering sciences, 454(1971), 903-995.
Khalil Tahmasebi, M., Roshandel Kahoo, A. & Nejati Kalateh, A. (2017). Ground-roll noise suppression by time-frequency filtering based on variational mode decomposition. Journal of Research on Applied Geophysics, 3(2), 177-188.
Kim, S., & Hong, J. K. (2012). Swell noise attenuation using a cascade of FX filter and median filter. Geophysics and Geophysical Exploration, 15(4), 199-208.
Kopsinis, Y., & McLaughlin, S. (2008, August). Empirical mode decomposition based soft-thresholding. In 2008 16th European Signal Processing Conference (pp. 1-5). IEEE.
Liu, W., Cao, S., & Wang, Z. (2017). Application of variational mode decomposition to seismic random noise reduction. Journal of Geophysics and Engineering, 14(4), 888.
Mohanty, S., Gupta, K. K., & Raju, K. S. (2014, December). Comparative study between VMD and EMD in bearing fault diagnosis. In 2014 9th International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS) (pp. 1-6). IEEE.
Presterud, I. V. (2009). Time frequency de-noising of seismic data. Master's thesis. University of Oslo.
Roshandel Kahoo, A. & Najati Kalateh, A. (2011). Random noise suppression in seismic data by empirical mode decomposition, Iranian Journal of Geophysics, 5(2), 61-68.
Schonewille, M., Vigner, A., & Ryder, A. (2008). Swell-noise attenuation using an iterative FX prediction filtering approach. In SEG Technical Program Expanded Abstracts 2008 (pp. 2647-2651). Society of Exploration Geophysicists.
Torres, M. E., Colominas, M. A., Schlotthauer, G., & Flandrin, P. (2011, May). A complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise. In 2011 IEEE international conference on acoustics, speech and signal processing (ICASSP) (pp. 4144-4147). IEEE.
Vaezi, Y., & Kazemi, N. (2016). Attenuation of swell noise in marine streamer data via nonnegative matrix factorization: 86th Annual International Meeting, SEG, Expanded Abstracts, 4633–4638, doi: 10.1190/segam2016-13848102.1. Abstract.
Wu, Z., & Huang, N. E. (2009). Ensemble empirical mode decomposition: a noise-assisted data analysis method. Advances in adaptive data analysis, 1(01), 1-41.
Zhao, X., Lu, P., Zhang, Y., Chen, J., & Li, X. (2019). Swell-noise attenuation: A deep learning approach. The Leading Edge, 38(12), 934-942.