本發(fā)明屬于工程勘探，具體而言，涉及一種提升溶洞勘探反演精度的彈性波ct信號(hào)去噪方法。
背景技術(shù)：
1、在巖溶區(qū)、構(gòu)造破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件的勘察工作中，彈性波ct法憑借其高分辨率、無損探測的核心優(yōu)勢(shì)，已成為業(yè)內(nèi)首選的物理勘探技術(shù)之一。技術(shù)人員通過對(duì)海量交叉射線的走時(shí)進(jìn)行反演計(jì)算，可重建探測區(qū)域的波速分布圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體的高分辨率可視化成像。
2、盡管彈性波ct法在理論與應(yīng)用上具備顯著優(yōu)勢(shì)，但在溶洞與破碎帶探測的實(shí)際場景中，其數(shù)據(jù)后處理環(huán)節(jié)仍面臨極大挑戰(zhàn)。波速反演的基礎(chǔ)是精準(zhǔn)獲取每一組激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的實(shí)際傳播距離和每條射線對(duì)應(yīng)的有效直達(dá)p波初至波走時(shí)。而在復(fù)雜巖溶地質(zhì)環(huán)境下，接收端捕獲的信號(hào)數(shù)據(jù)不僅體量龐大，還伴隨嚴(yán)重的噪聲干擾與信號(hào)畸變，導(dǎo)致有效信息的提取難度大。
3、溶洞、破碎帶的界面往往呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，彈性波在傳播過程中遇到這些界面時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的散射與反射，大量能量被耗散或偏離傳播方向，直接導(dǎo)致直達(dá)p波的能量大幅衰減，振幅顯著降低。進(jìn)一步的，在溶洞規(guī)模較大或破碎帶極度發(fā)育的區(qū)域，直達(dá)p波信號(hào)甚至?xí)粐?yán)重削弱，成為淹沒在噪聲中的弱信號(hào)，難以與干擾信號(hào)區(qū)分。此外，在彈性波激發(fā)過程中，淺部地層的振動(dòng)、鉆孔孔壁的擾動(dòng)都會(huì)同步激發(fā)面波，這類面波具有能量強(qiáng)、傳播范圍廣的特點(diǎn)，其振幅通常是直達(dá)p波的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，且傳播速度遠(yuǎn)低于p波，其強(qiáng)能量信號(hào)會(huì)直接覆蓋直達(dá)p波的初至波起跳點(diǎn)，導(dǎo)致初至波的起跳特征被掩蓋，使得人工或算法均難以精準(zhǔn)捕捉起跳時(shí)刻。此外，外部環(huán)境噪聲的復(fù)合干擾，會(huì)隨機(jī)疊加在有效彈性波信號(hào)之上，進(jìn)一步破壞其波形的完整性，導(dǎo)致初至波的特征更加不明顯，極大地增加了走時(shí)拾取的誤差，直接影響波速計(jì)算的準(zhǔn)確性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種提升溶洞勘探反演精度的彈性波ct信號(hào)去噪方法，解決以上技術(shù)問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
3、一種提升溶洞勘探反演精度的彈性波ct信號(hào)去噪方法，用于提高溶洞勘探反演精度，包括以下步驟：
4、s1、接收信號(hào)歸一化預(yù)處理：首先對(duì)彈性波ct接收信號(hào)進(jìn)行有效段截取：保留包含完整直達(dá)p波和面波的信號(hào)片段作為原始含噪信號(hào)，確保完整覆蓋直達(dá)p波有效波列與面波干擾波列；同時(shí)截取直達(dá)p波起跳前的信號(hào)段作為噪聲信號(hào)，該噪聲段無有效p波成分，僅包含環(huán)境隨機(jī)噪聲與面波前置干擾，與原始含噪信號(hào)中的噪聲成分強(qiáng)相關(guān)；采用均值歸一化算法對(duì)原始含噪信號(hào)和噪聲信號(hào)進(jìn)行同步歸一化處理，消除不同勘探測點(diǎn)、不同激發(fā)能量導(dǎo)致的信號(hào)幅值差異，避免原始信號(hào)中強(qiáng)幅值面波掩蓋弱能量直達(dá)p波；所述歸一化公式為：
5、
6、其中，為歸一化后的信號(hào)，x為輸入信號(hào)，e(x)為輸入信號(hào)均值；
7、s2、自適應(yīng)濾波抑制隨機(jī)噪聲：采用最小均方誤差自適應(yīng)濾波器對(duì)歸一化信號(hào)進(jìn)行前置去噪，向?yàn)V波器中批量輸入歸一化原始含噪信號(hào)d(n)與歸一化噪聲信號(hào)x(n)；濾波器輸出信號(hào)滿足以下公式:
8、
9、其中，n為信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)，?，w(n)為濾波器權(quán)值向量，m為濾波器階數(shù)；濾波器權(quán)值更新滿足以下公式：
10、
11、其中，為濾波器權(quán)值更新步長參數(shù)，需根據(jù)勘探地點(diǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，e(n)為誤差信號(hào)，滿足以下公式：
12、
13、歸一化原始含噪信號(hào)d(n)由原始純凈信號(hào)和噪聲共同構(gòu)成，由于自適應(yīng)濾波器的參考輸入為噪聲信號(hào)，且用于更新濾波器權(quán)值的誤差信號(hào)，定義為歸一化原始含噪信號(hào)d(n)與濾波器輸出y(n)的差值；結(jié)合最小均方誤差自適應(yīng)濾波器權(quán)值更新的核心目標(biāo)是最小化誤差信號(hào)的均方值知：輸出y(n)本質(zhì)是對(duì)歸一化原始含噪信號(hào)d(n)中噪聲成分的最優(yōu)估計(jì)，因此，當(dāng)自適應(yīng)濾波器收斂后，最終輸出的誤差信號(hào)e(n)，即為已消除噪聲干擾的原始純凈信號(hào)；
14、s3、時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)f-k域及面波識(shí)別：s2輸出的原始純凈信號(hào)e(n)為時(shí)域信號(hào)，將其進(jìn)行二維快速傅里葉變換，使其從時(shí)間-振幅域的一維信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率-波數(shù)（f-k）域的二維譜圖；在f-k域中，彈性波的波速、頻率與波數(shù)的關(guān)聯(lián)公式滿足以下公式：
15、
16、其中k為波數(shù)，f為頻率，v為傳播速度；根據(jù)彈性波ct接收信號(hào)中面波頻率和速度均小于p波的原理知，在f-k域中，面波基本處于低頻低波數(shù)區(qū)域，而p波基本處于高頻高波數(shù)區(qū)域，二者在f-k域中區(qū)別較為明顯，因此可以通過f-k域?qū)波和面波進(jìn)行分離；基于面波與直達(dá)p波的傳播特性差異，完成面波在f-k域的精準(zhǔn)定位；
17、s4、高斯型帶阻濾波器濾除面波信號(hào)：面波的能量在時(shí)域中遠(yuǎn)超直達(dá)p波，但在?f-k?域中其能量集中在狹窄的線性區(qū)域內(nèi)，因此通過針對(duì)性衰減該區(qū)域即可高效剔除面波，同時(shí)保留直達(dá)p波有效成分；利用高斯型帶阻濾波器對(duì)面波進(jìn)行平滑衰減，可以避免傳統(tǒng)矩形濾波器導(dǎo)致的信號(hào)畸變；高斯型帶阻濾波器傳遞函數(shù)滿足以下公式：
18、
19、其中為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，決定濾波窗口的寬度與過渡平滑度，為面波波數(shù)；將該濾波器與f-k域二維譜圖相乘，實(shí)現(xiàn)面波區(qū)域的平滑衰減；
20、s5、?f-k域信號(hào)轉(zhuǎn)回時(shí)域：對(duì)s4濾波后的f-k域譜圖進(jìn)行逆二維快速傅里葉變換，將其還原為一維時(shí)域信號(hào)；對(duì)還原后的信號(hào)進(jìn)行幅值反歸一化處理，恢復(fù)直達(dá)p波的真實(shí)幅值特征，最終得到高純度的直達(dá)p波信號(hào)。
21、綜上所述，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：
22、本發(fā)明提供一種提升溶洞勘探反演精度的彈性波ct信號(hào)去噪方法，在去噪前先對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，將信號(hào)幅值統(tǒng)一縮放到?[-1,1]?區(qū)間，有效消除激發(fā)能量、測點(diǎn)距離差異導(dǎo)致的幅值波動(dòng)，使被強(qiáng)面波掩蓋的弱p波起跳特征清晰凸顯，確保后續(xù)自適應(yīng)濾波能平等捕捉有效p波與噪聲的特征，避免傳統(tǒng)算法因聚焦強(qiáng)幅值面波而忽略弱p波的缺陷。最小均方誤差自適應(yīng)濾波器無需預(yù)設(shè)噪聲模型，僅以p?波起跳前的純?cè)肼暥螢閰⒖迹ㄟ^實(shí)時(shí)迭代更新權(quán)值即可自動(dòng)跟蹤溶洞勘探中隨機(jī)噪聲、面波的動(dòng)態(tài)變化特征，針對(duì)性壓制干擾的同時(shí)，最大程度保留弱?p?波的起跳斜率、主頻等核心特征；且該算法計(jì)算復(fù)雜度低，無需額外升級(jí)硬件，即可實(shí)現(xiàn)海量測點(diǎn)信號(hào)的批量高效處理，為后續(xù)?f-k?濾波提供低干擾的優(yōu)質(zhì)信號(hào)基底。本發(fā)明將自適應(yīng)濾波后的信號(hào)轉(zhuǎn)換至?f-k?域，基于面波與直達(dá)?p?波的傳播特性差異，完成面波線性分布區(qū)域的精準(zhǔn)定位；通過設(shè)計(jì)高斯型帶阻濾波器對(duì)該區(qū)域進(jìn)行平滑衰減，相較傳統(tǒng)矩形濾波器，避免了濾波邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的信號(hào)畸變，實(shí)現(xiàn)面波的高效剔除與?p?波信號(hào)的完整保留。
23、本發(fā)明通過歸一化預(yù)處理、自適應(yīng)濾波去隨機(jī)噪聲、f-k?域定位、高斯濾波去面波、逆變換和反歸一化還原信號(hào)的協(xié)同流程，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)噪聲與面波的分層、精準(zhǔn)去除，最終輸出高純度直達(dá)?p?波信號(hào)；有效提升了?p?波初至波走時(shí)拾取精度與波速計(jì)算準(zhǔn)確性，顯著優(yōu)化溶洞、破碎帶等地質(zhì)缺陷的成像分辨率，解決了現(xiàn)有單一濾波技術(shù)去噪不徹底、易損傷有效信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致反演精度低的技術(shù)痛點(diǎn)。