WO2011144215A2 - Méthode d'atténuation du bruit harmonique en vibrosismique par filtrage temps-variant avec référence - Google Patents
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- WO2011144215A2 WO2011144215A2 PCT/DZ2011/000003 DZ2011000003W WO2011144215A2 WO 2011144215 A2 WO2011144215 A2 WO 2011144215A2 DZ 2011000003 W DZ2011000003 W DZ 2011000003W WO 2011144215 A2 WO2011144215 A2 WO 2011144215A2
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- G01V1/37—Effecting static or dynamic corrections on records, e.g. correcting spread; Correlating seismic signals; Eliminating effects of unwanted energy specially adapted for seismic systems using continuous agitation of the ground, e.g. using pulse compression of frequency swept signals for enhancement of received signals
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- G01V2210/3246—Coherent noise, e.g. spatially coherent or predictable
Definitions
- the present invention describes a method for improving the quality of vibroseisic data. It is particularly concerned with the attenuation of harmonic distortions, here called harmonic noise, generated during the process of acquiring data in oil seismic when a vibratory source is used.
- the vibroseismic method consists in emitting a frequency-modulated signal where the scanned frequency band [f 1 , f 2 ] is known.
- the transmitted signal, called sweep is transmitted in the ground through a metal plate called flat base, located at the lower end of the vibroseismic system, then reflected at the geological interfaces, to be finally captured on the surface to to form the seismic signal, called trace.
- slip sweep method For productivity reasons, different methods have been designed and implemented in recent years, including the slip sweep method.
- the latter is to emit a sequence of signals, a vibrator starting a new sweep before the previous sweep is completed.
- the time between two consecutive sweeps called slip-time controls productivity. The shorter it is, the more productivity you gain. By doing so, the slip-time is not long enough to prevent interference between the harmonic noise and the previous recording. This phenomenon gets worse if this parameter is taken too short compared to the length of the sweep.
- the correlation by the reference sweep or pilot sweep gives an image of the harmonics, in the case of use of an up-sweep (f2> fi), located in the negative times with respect to the zero time of the signal.
- the elimination is then carried out taking as signal the causal part of the correlated trace.
- FIG. 1 gives the acquisition device in vibroseismic method, where the source signal is generated sequentially by the vibroseismic devices S 1 and picked up by the geophones G k .
- FIG. 5 explains the adapted extraction technique of the harmonic components contained in the transmitted signal in the F-T domain.
- the illustration shows the case of extracting a given component contained in a distorted sweep.
- FIG. 9 shows an example of harmonic noise attenuation by the global version on one of the recordings in which it is represented respectively the raw data, the processed data and finally the noise estimated by the technique.
- the decoder unit installed on the source truck receives a signal transmitted by the Encoder unit installed on the control and acquisition unit, which triggers the generator of the pilot sweep. This signal is converted into a change in oil pressure and mechanical vibration which is then applied to the ground via the base plate 2.
- FIG. 2b The result of the correlation 9 of the mother recording by the pilot sweep, represented in FIG. 2b, illustrates the separation into 4 records of length LT, which will thereafter be the subject of the treatment proposed by the invention.
- Figure 2c shows the FT image of the mother record. Each record corresponds to three components: fundamental 10 + two harmonics 11. Note, inter alia, the interference of the fundamental component of a shot with the first harmonic of the next shot.
- the optimal filtering consists in finding the filter which makes it possible, for an input x (t), which represents in the following the reference signal, to obtain as output a response y (t) as close as possible to a desired response d (t), in the least squares sense.
- This filter is solution of the following matrix equation:
- Rx * H Td; (1) where R x .x is the autocorrelation matrix of the reference signal x (t), H the optimal filter vector h (t) and r dx the desired signal intercorrelation vector d (t) - reference signal x ( t).
- x (t) the signal recorded by one of the geophones G.
- This signal is the result of the convolution of the signal s (t) transmitted at the flat base of the source S (signal GF), by the function of reflectivity r (t) of the field, which represents the chronological succession of the reflection coefficients of the different geological interfaces encountered:
- x k (t) s k (t) * r (t) + n (t) (5) with
- Si (t) is the fundamental component assumed to be very close to the registered pilot sweep p (t), S2 (t), S3 (t), s n (t) the harmonic components 2,3, ..., n , contained in the issued sweep and n (t) additive random noise.
- z k (t) is a non-causal signal because the correlation by the reference sweep gives, in the case of using an up-sweep, an image of the harmonics Sj (t) ®p ( t) for i> 1, located in the negative times with respect to the zero time of the signal.
- the proposed algorithm consists in determining the optimal filter which, from the fundamental component, if (t) ®p (t) * r (t), gives by application the class b (t) desired.
- R ykyk is the autocorrelation matrix of the fundamental component y (k) and r .y k the cross- correlation vector fundamental signal-harmonic noise.
- the algorithm described above has the advantage of treating harmonics, one by one, or by block.
- the estimated noise will then be subtracted from the trace itself and from the traces of the previous firing point.
- Figure 4 shows the example of the extraction of the fundamental component contained in a distorted sweep with two harmonics.
- the algorithm used consists in determining a filter g (t) 51 which, from the reference signal 52, pj of order i, gives by application the harmonic component of order i of the signal GF 54, taking the GF 56 as the desired signal, the error 58 being represented by the other components, ie to solve:
- the signal 61 is transformed in the F-T domain using the transformation
- Clip Clipping function
- ⁇ Clipping threshold between 0 and 1.
- Figure 5 shows the example of the extraction of the fundamental component contained in a distorted sweep.
- This two-option extraction step has the particularity, thanks to the variants proposed in the calculation algorithms, to be well adapted to sweep-type frequency modulated signals.
- it makes it possible to extract the different components, in a cascade scheme, where the signal GF taken as the desired signal is readjusted by subtracting the component estimated in the preceding phase, which makes the discrimination between the new component extract and the rest, easier. Filtering by multiple input / output methods:
- y k_1 (t) the trace contaminated by the harmonic noises of the trace y k (t) y k_, (t): the trace denoised.
- b (t) the harmonic noise coming from the trace y k (t) of the next firing point.
- the proposed algorithm consists in determining the optimal filter w (t) which, from the harmonic class b (t) as reference noise, gives by application, a signal which faithfully represents the harmonic distortions b (t).
- the technique that is the subject of this invention proceeds to the attenuation of the harmonic noise in 7 steps: 1)
- the separation 701 of the fundamental and harmonic components in the emitted source signal is carried out in a fine manner, either by a least square method or by a time-frequency method, both adapted.
- the rejection filters 705 of the harmonic noise are calculated by a multiple input / output method from the reference noise obtained in step 4) and the previous contaminated record (in the case of an up sweep) .
- FIGS. 6a and 6b The global option illustrated by FIGS. 6a and 6b consists of:
- the cascading option illustrated by FIGS. 7a and 7b is a multilayer (multi-layer) method with rehabilitation of the input, which consists in:
- step 5) Take as contaminated data the result of step 4) and repeat steps 3) to 4) until elimination of all harmonic components of classes 1 to n-1.
- the multi-reference option illustrated by FIGS. 8a and 8b is a method of attenuation of multiple input interference (multi-input interference canceling), which consists of:
- the subharmonic component (harmonics of order k ⁇ 1) is energetic. Their time of occurrence being positive, the noises relative to the sub-harmonic component of the first arrival, will be superimposed on the useful signal (reflections).
- Equation 7 requires the availability of the fundamental component of the correlated trace, which is supposed to be the last recorded trace or the trace already denoise.
- the denoising procedure consists of estimating the harmonic noise by applying to the correlated trace an H-filter calculated using the class containing, inter alia, the sub-harmonic component. The estimated noise is then subtracted to obtain the optimized fundamental component.
- This processing consists in rendering the source signal in the correlated, zero-phase data using the filter h (t) which made it possible, from the recorded pilot signal p (t), to extract the fundamental component in the signal GF.
- the filter h (t) which made it possible, from the recorded pilot signal p (t), to extract the fundamental component in the signal GF.
Abstract
Méthode d'amélioration de la qualité des données vibrosismiques, particulièrement celles acquises en mode slip-sweep, par estimation et atténuation des différentes composantes harmoniques (voir fig. 3). On estime ces composantes à partir du signal Ground-Force, par une technique de séparation à deux options, moindres carrées, ou temps-fréquence, toutes deux adaptées à la composante à extraire et on subdivise ce bruit en classes. On calcule les harmoniques propres à l'enregistrement considéré et on procède à leur soustraction. On calcule enfin les bruits de référence relatifs à chaque classe et on procède à leur ré-estimation par une méthode à entrées/sorties multiples avec prise en charge dynamique de la bande fréquentielle, réalisable selon l'une des trois options : globale, cascade ou multi-référence, puis soustraction de l'enregistrement contaminé. On améliore la qualité des données, par une mise en forme appropriée du signal source.
Description
Titre de l'invention
Méthode d'atténuation du bruit harmonique en vibrosismique par filtrage temps-variant avec référence
Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention décrit une méthode d'amélioration de la qualité des données vibrosismiques. Elle concerne particulièrement l'atténuation des distorsions harmoniques appelées ici bruit harmonique, généré lors du processus d'acquisition des données en sismique pétrolière lorsqu'une source vibratoire est utilisée.
Etat de la technique antérieure
La méthode vibrosismique consiste à émettre un signal modulé en fréquences où la bande fréquentielle balayée [fi, f2] est connue. Le signal émis, appelé sweep, est transmis dans le sol par le biais d'une plaque métallique appelée base plate, sise à l'extrémité inférieure du système vibrosismique, puis réfléchi au niveau des interfaces géologiques, pour être enfin capté en surface afin de former le signal sismique, appelé trace.
Pour raison de productivité, différentes méthodes ont été conçues et mises en œuvre ces dernières années, parmi lesquelles on trouve la méthode slip sweep. Cette dernière consiste à émettre une séquence de signaux, un vibrateur commençant un nouveau sweep avant que le sweep précédent ne soit terminé. Le temps entre deux sweeps consécutifs appelé slip-time, contrôle la productivité. Plus il est pris court, plus on gagne en productivité. En procédant ainsi, le slip-time n'est pas suffisamment long pour prévenir une interférence entre le bruit harmonique et l'enregistrement précédent. Ce phénomène s'aggrave si ce paramètre est pris trop court par rapport à la longueur du sweep.
En méthode conventionnelle, la corrélation par le sweep de référence ou sweep pilote, donne une image des harmoniques, dans le cas d'utilisation d'un up-sweep
(f2>fi), située dans les temps négatifs par rapport au temps zéro du signal. L'élimination est alors réalisée en prenant comme signal la partie causale de la trace corrélée.
Pour la méthode slip-sweep, comme les harmoniques d'un tir contaminent l'enregistrement précédent, elles ne peuvent donc être éliminées de la même " manière que dans le cas de la méthode conventionnelle.
Afin de résoudre ce problème, un grand nombre de travaux ont été consacrés à l'étude, à l'estimation et à l'atténuation des distorsions harmoniques. Ces travaux englobent des techniques d'acquisition ou de traitements informatiques spécifiques orientés tous vers l'atténuation de ces distorsions.
On donne ci-après, une liste non exhaustive de références relatives aux travaux réalisés, ayant pour objectif l'étude et l'atténuation des harmoniques en vibrosismique :
« Sheriff-AJ. & KIM.W.H., (1970)."The effects of Harmonie Distortion in the
Use of Vibratory Surface Sources. Geophysics, 35, 234-246.
• Okaya.D, et al, (1992), "Removing vibratory-induced corrélation artifacts by filtering in frequency-uncorrelated time space", Geophysics, Vol 57 n°7, 916-926.
•Rozemond.H.J, (1996),"Slip Sweep Acquisition, 66th Annual International
Meeting SEG, Expanded Abstracts, 64-67.
• Ras.P et al, (1999), "Harmonie distortion in slip sweep records, 69th SEG Annual Meeting. Ainsi que les brevets d'invention suivants :
US 4 159 463, US 4 982 374, US 5 550 786, US 6 418 079, US 6 603707, US 6 665 619, US 6 766 256 B2, US 7 050 356, UK 2 447 236, WO 2004/ 031806, WO 2007/130551.
Dans les documents WO 2004/ 031806 et UK 2 447 236, leurs auteurs présentent chacun, une méthode d'atténuation des harmoniques dans les données
slip sweep basée sur le calcul du rapport spectral composante harmonique globale sur composante fondamentale et obtenu par estimation des fonctions poids spectraux réduits et son application pour l'estimation du bruit harmonique et sa soustraction.
Les deux méthodes peuvent poser un problème de représentativité du filtre : en effet, l'évaluation des harmoniques reposant sur un seul opérateur, pourrait être imprécise, à cause de la nature du signal source (non-stationnarité). La contribution (le poids) de chaque harmonique change d'une trace à une autre, l'estimation de l'opérateur à partir de plusieurs traces non-corrélées (gamme d'offsets), est représentatif de la signature de cette gamme d'offsets, les mesures des GFs ne sont pas entièrement représentatives de la signature des traces lointaines, tout cela fait qu'un opérateur unique calculé de la sorte ne permet pas d'obtenir une estimation précise des harmoniques.
La seconde méthode présente une solution au problème de chevauchement des harmoniques avec la composante fondamentale du tir précédent, éludé par la première méthode, basée sur une calibration du bruit harmonique estimé à l'extérieur de l'intervalle de chevauchement, mais ne résout pas entièrement le problème de représentativité du filtre pour les mêmes raisons que précédemment.
But de l'invention
Comparativement aux méthodes antérieures, qui négligent la variation de l'opérateur d'estimation du bruit harmonique en fonction de l'offset, cette invention propose une méthode d'atténuation du bruit harmonique qui apporte des améliorations dans l'estimation de ce bruit par la mise en oeuvre de techniques fines de décomposition du signal émis et d'un nouveau procédé d'atténuation qui utilise une version filtrage temps-variant avec référence et à bande limitée dynamique.
Présentation de l'essence de l'invention
La présente invention se fixe comme objectif d'estimer les différentes composantes harmoniques et de les atténuer, que ce soit sur les données vibrosismiques en général ou bien sur les données slip-sweep en particulier, L'invention tire sa particularité de présenter une grande flexibilité dans le traitement du bruit harmonique réel, grâce à une technique à entrées/sorties multiples d'extraction de bruit avec référence et prise en charge dynamique de la bande fréquentielle. Elle est capable, entre autres, de prendre en charge :
- l'atténuation du bruit harmonique propre à un enregistrement donné et en particulier, la composante sub-harmonique.
- l'atténuation du bruit harmonique, indifféremment par rapport à la nature de la loi d'émission des fréquences (up-sweep, down-sweep, linéaire, non-linéaire, ...etc.)
- une amélioration des données enregistrées, indépendamment de la technique d'acquisition utilisée en vibrosismique, par une mise en forme du signal source, dans les données corrélées.
Enoncé des figures L'invention est illustrée dans ce qui suit par de figures référencées de 1 à 10, qui en éclairent certains aspects :
- La figure 1 donne le dispositif d'acquisition en méthode vibrosismique, où le signal source est généré de façon séquentielle par les dispositifs vibrosismiques S1 et captés par les géophones Gk.
- La figure 2 donne un exemple d'enregistrement slip-sweep avant et après l'opération de corrélation avec le sweep pilote. Dans a), on donne l'enregistrement avant corrélation, appelé enregistrement mère, contenant quatre enregistrements successifs. Sur le coté gauche, on trouve la représentation dans le domaine F-T de cet enregistrement, où le signal émis est formé d'un sweep distordu, contenant deux harmoniques. En b), l'opération corrélation par le sweep théorique, donne quatre
enregistrements successifs similaires à ceux qu'on obtiendrait par acquisition vibrosismique conventionnelle.
La figure 3 donne l'organigramme de la méthode objet de l'invention.
La figure 4 explique la technique d'extraction des composantes harmoniques du signal émis, par filtrage adapté. L'illustration montre le cas de l'extraction d'une composante donnée contenue dans un sweep distordu.
La figure 5 explique la technique d'extraction adaptée des composantes harmoniques, contenues dans le signal émis, dans le domaine F-T. L'illustration montre le cas de l'extraction d'une composante donnée contenue dans un sweep distordu.
La figure 6 donne le schéma global d'estimation et de soustraction du bruit harmonique, version globale, conformément aux étapes e) et f). Le filtre recherché est calculé par minimisation de l'erreur quadratique moyenne entre le signal sismique contaminé et la sortie de ce filtre lorsqu'on applique le bruit de référence relatif au bruit harmonique, à l'entrée (figure 6.a). Ensuite, le signal débruité est déterminé par soustraction de ce bruit du signal contaminé (figure 6.b).
La figure 7 donne l'organigramme de la version en cascade. La figure 7. a donne l'ossature du filtre optimal de réduction du bruit harmonique pour un ordre de composante harmonique donnée. La figure 7.b explique la technique d'élimination en cascade de toutes les harmoniques contenues dans le signal contaminé.
La figure 8 donne l'organigramme de la version référence-multiple. La figure 8.a donne l'ossature du filtre optimal de réduction du bruit harmonique pour l'ensemble des composantes harmoniques d'entrée. La figure 8.b explique la technique d'élimination de toutes les harmoniques contenues dans le signal contaminé.
La figure 9 montre un exemple d'atténuation du bruit harmonique par la version globale sur un des enregistrements où l'on a représenté
respectivement les données brutes, les données traitées et enfin le bruit estimé par la technique.
- La figure 10 montre un exemple d'atténuation du bruit harmonique par les versions globale et cascade, où les résultats sont illustrés dans le domaine F-T. L'exemple révèle comment la version cascade atténue de manière progressive les différences composantes du bruit harmonique.
Description détaillée de l'invention
Généralités
Comme montré dans la figure 1 , l'unité Décodeur installée sur le camion source, reçoit un signal émis 1 par l'unité Encodeur installée sur l'unité de contrôle et d'acquisition, qui déclenche le générateur du sweep pilote. Ce signal est converti en variation de pression d'huile puis en vibration mécanique qui est alors appliquée au sol par l'intermédiaire de la base-plate 2.
Les signaux s1(t), s2(t) sN(t) 3 émis par les différents camions sources S1, S2,... ,S 4, sont réfléchis au niveau des interfaces géologiques 5, pour être captés en surface par un ensemble de géophones G1, G2,... ,GM, 6, pour former le signal sismique, qui sera par la suite échantillonné puis stocké sur support numérique au niveau de l'unité de contrôle et d'acquisition 7.
Dans la figure 2a, on montre le cas où quatre camions source travaillant ensemble, ont transmis dans le sol et de façon séquentielle, quatre signaux s1(t), s2(t), s3(t) et s (t), identiques et de longueur SL. Ces signaux, modulés en fréquences et suivant une loi de variation fréquentielle linéaire positive, sont délivrés avec un décalage ST, qui représente le slip-time, donnant ainsi un enregistrement unique très long, appelé enregistrement mère 8, qui englobe quatre enregistrements individuels avec recouvrement.
Le résultat de la corrélation 9 de l'enregistrement mère par le sweep pilote, représenté dans la figure 2b, illustre la séparation en 4 enregistrements de longueur LT, qui feront par la suite l'objet du traitement proposé par l'invention. La figure 2c montre l'image F-T de l'enregistrement mère. Chaque enregistrement
correspond à trois composantes : fondamentale 10 + deux harmoniques 11. On notera, entre autres, l'interférence de la composante fondamentale d'un tir avec la première harmonique du tir suivant. Filtre optimal
Le filtrage optimal consiste à trouver le filtre qui permet, pour une entrée x(t), qui représente dans ce qui suit le signal référence, d'obtenir en sortie une réponse y(t) la plus proche possible d'une réponse désirée d(t), au sens des moindres carrés. Ce filtre est solution de l'équation matricielle suivante :
Rx *H = Td.; (1 ) où Rx.x est la matrice d'autocorrélation du signal de référence x(t), H le vecteur filtre optimal h(t) et rd.x le vecteur intercorrélation signal désiré d(t)-signal de référence x(t).
Dans ce cas, la sortie s'écrira : y(t)= x(t)*h(t) (2) On peut, également, utiliser l'algorithme adaptatif suivant pour les signaux non- stationnaires :
H(k+1^ r,d +(1^Rx.x) .H(k) (3) où le facteur de convergence μ doit satisfaire la condition
0 < μ < 2/ max avec λ,η3χ la valeur propre maximale de la matrice Rx x.
' Filtre d'estimation du bruit harmonique à partir du modèle de la trace sismique
Appelons x (t) le signal enregistré par l'un des géophones G. Ce signal est le résultat de la convolution du signal s (t) émis au niveau de la base plate de la source S (signal GF), par la fonction de réflectivité r(t) du terrain, qui représente la succession chronologique des coefficients de réflexion des différentes interfaces géologiques rencontrées : xk(t) = sk(t)*r(t) + n(t) (5) avec
sk(t) = Sl(t) + s2(t) + + sn(t) (6)
- où Si(t) est la composante fondamentale supposée être très proche du sweep pilote enregistré p(t), S2(t), S3(t) ,sn(t) les composantes harmoniques 2,3,... ,n, contenues dans le sweep émis et n(t) le bruit aléatoire additif.
Après corrélation par le sweep pilote, et en négligeant la composante relative au bruit aléatoire n(t)®p(t), le signal enregistré devient : zk(t) = Si(t)<S>p(t)*r(t) + s2(t)®p(t)*r(t) + s3(t)<8>p(t)*r(t) + + sn(t)®p(t)*r(t) où Θ : désigne l'opération de corrélation. (7) zk(t) est un signal non-causal du fait que la corrélation par le sweep de référence donne, dans le cas d'utilisation d'un up-sweep, une image des harmoniques Sj(t)®p(t) pour i > 1 , située dans les temps négatifs par rapport au temps zéro du signal. Le système d'enregistrement délivre une trace corrélée causale. En • procédant ainsi, une grande partie de l'énergie harmonique est éliminée, car la trace corrélée obtenue est alors égale à: yk(t) = zk(t)U(t) ¾ Sl(t)<8)p(t)*r(t) (8) où U(t) désigne la fonction échelon-unité ou fonction d'Heaviside.
Afin de réaliser le filtrage avec référence, on propose dans cette invention, une , nomenclature des harmoniques à extraire sous forme de sous ensembles, appelés classes, pouvant être formées par combinaison :
- de la composante sub-harmonique.
- des composantes harmoniques d'ordre entier.
- des composantes harmoniques d'ordre fractionnaire
L'algorithme proposé consiste à déterminer le filtre optimal qui, à partir de la composante fondamentale, si(t)®p(t)*r(t), donne par application la classe b(t) désirée.
Considérons le cas où b(t) = Sj(t)®p(t)*r(t) (9) désigne l'harmonique d'ordre i.
Le filtre recherché désigné par H, satisfait l'équation matricielle :
où Rykyk est la matrice d'autocorrélation de la composante fondamentale y(k) et r .yk le vecteur intercorrélation signal fondamental-bruit harmonique.
Or, en valeurs, on a :
Rykyk (t) = Rs1 s1(t) * Rp.p (t) * Rr r(t) (11a) rb yk (t)= rs,si(t) * Rp.p (t) * Rr,(t) (11b)
Ce qui permet de réécrire l'équation précédente du filtre, à l'aide uniquement des composantes du GF, fondamentale et harmonique d'ordre i :
- Pour le calcul du filtre H, on peut utiliser l'algorithme de Wiener-Levinson. Le bruit harmonique d'ordre i estimé sera donné par : bi(t) = yk(t) * h(t) (13)
La version non causale de ce filtre aboutit à une équation de convolution si .si(t)*h(t) = Rsi s1(t) (14) qui admet dans le domaine fréquentiel, une solution égale au rapport des densités spectrales.
L'algorithme décrit précédemment, présente l'avantage de traiter les harmoniques, une par une, ou par bloc. Le bruit estimé sera ensuite soustrait de la trace elle- même et des traces du point de tir précédent.
Décomposition du GF par filtre adapté :
Afin de calculer le filtre optimal, il est nécessaire de décomposer le signal émis en ses composantes fondamentale et harmoniques (équation 6).
La figure 4 montre l'exemple de l'extraction de la composante fondamentale contenue dans un sweep distordu à deux harmoniques.
' L'algorithme utilisé, consiste à déterminer un filtre g(t) 51 qui, à partir du signal de référence 52, pj d'ordre i, donne par application la composante harmonique d'ordre i du signal GF 54, en prenant le GF 56 comme signal désiré, l'erreur 58 étant représentée par les autres composantes, soit à résoudre:
RpLpi · G = rPi.s (15) avec
Pj(t) = a(t)-cos(i-<|>(t)) (16) où a(t) et φ(ί) désignent respectivement l'enveloppe et la phase instantanée du sweep pilote p(t). Les références 53, 55, 57 et 59 donnent, pour une meilleure illustration, les images F-T respectives des références 52, 54, 56 et 58.
„ Cette formulation est adaptée à des signaux stationnaires, cependant les signaux vibrosismiques (sweeps) sont non-stationnaires. Pour le calcul du filtre G, une version du filtre Wiener-Levinson à temps-variant a été alors implémentée. Elle
consiste à travailler sur le signal par fenêtre glissante pour estimer la composante recherchée.
On peut, également, utiliser l'algorithme adaptatif suivant :
μ fpi.s +(1- Rpi.pi) «G (17) où le facteur de convergence μ vérifie la condition 0 < μ < 2/Xmax, avec Xmax la valeur propre maximale de la matrice RPj.pi. Décomposition du GF par STFT
Pour la décomposition des composantes du sweep émis, on propose une deuxième variante basée sur la séparation des différentes composantes du sweep dans le domaine F-T, qui nécessite l'utilisation d'une transformation F-T réversible et offrant une bonne résolution. Pour ce faire, on utilisera la transformation STFT (Short Time Fourier Transform). On notera toutefois que cette variante ne se limite pas uniquement à l'usage de la transformation STFT, et peut être appliquée en utilisant toute transformation répondant aux critères cités dans ce paragraphe. Dans la figure 5, on explique le procédé de séparation et d'extraction des différentes composantes dans le signal émis s(t).
Le signal 61 est transformé dans le domaine F-T à l'aide de la transformation
STFT:
où (t) est une fenêtre adaptée au signal et centrée en t. la transformation STFT inverse est égale à :
Sur l'image en amplitude
appelée spectrogramme 62, on applique un masque M'(t,f) ou fenêtre bidimensionnelle 63, adapté à la composante d'ordre i 64 qu'on voudrait séparer puis extraire, le terme phase étant conservé tel quel.
Cette technique présente l'avantage de permettre un calcul du masque de façon automatique, sans avoir besoin de l'expression mathématique de la fréquence instantanée ni des paramètres du sweep pilote, ce calcul se faisant uniquement à partir du sweep pilote enregistré 65 et l'ordre de l'harmonique désirée.
Le filtre de séparation de l'harmonique d'ordre i dans le domaine F-T est donné par la formule suivante :
ou
SPj (t,f) : STFT du signal de référence d'ordre i
Clip : Fonction d'écrêtage
λ : Seuil d'écrêtage compris entre 0 et 1.
μ : Régulateur de rampe, positif. La composante harmonique s,(t) d'ordre i du signal émis 66 est donnée alors par , l'équation :
s,(t) = STFT"1[M'(t, f) x STFT[s(t)]] (21)
La figure 5 montre l'exemple de l'extraction de la composante fondamentale contenue dans un sweep distordu.
Cette étape d'extraction à deux options, présente la particularité, grâce aux variantes proposées dans les algorithmes de calcul, d'être bien adaptée aux signaux modulés en fréquences de type sweep. En outre, elle permet d'extraire les différentes composantes, dans un schéma en cascade, ou le signal GF pris comme signal désiré, est réadapté par soustraction de la composante estimée dans la phase précédente, ce qui rend la discrimination entre la nouvelle composante à extraire et le reste, plus aisée.
Filtrage par méthodes à entrées/sorties multiples :
Lors de la propagation et à cause de non stationnarité du sweep il peut exister un phénomène de distorsion non stationnaire qui rend le signal émis utilisé pour le traitement différent du signal dans la trace (variation en fonction du temps sur la même trace et en fonction de l'offset) par conséquent les filtres calculés de , manière conventionnelle à partir des GFs ne sont pas entièrement représentatifs de toutes les traces.
Le signal enregistré au niveau de vibrateurs, utilisé dans le calcul du filtre, ne représente pas fidèlement le vrai signal émis pour la raison essentielle suivante :
• L'utilisation d'un signal moyen de plusieurs vibrateurs représentant le même point de tir, comme signal émis, qui élude les imprécisions dues à: o Un manque de répétitivité dans le signal émis,
o Une réflectivité différente pour chaque vibrateur du même groupe.
Par conséquent, l'utilisation du GF comme signal émis, peut donner une estimation du bruit b(t), imprécise où une simple soustraction laissera un résidu, qui peut être parfois très énergique par rapport au signal utile, particulièrement pour la composante HF de ce résidu.
'
Dans cette invention, on propose une soustraction adaptative appliquée à chaque ordre d'harmonique séparément, c'est à dire harmonique par harmonique avec prise en charge dynamique de la bande fréquentielle. Ceci est justifié par le fait que les distorsions négligées, diffèrent d'une harmonique à une autre, et le traitement proposé permet d'éliminer efficacement, le bruit désiré b(t) de la trace précédente y^t) , soit : yk-1(t)=yk-1(t)+b(t)
avec
yk_1(t) : la trace contaminée par les bruits harmoniques de la trace yk(t) yk_,(t) : la trace débruitée.
b(t) : le bruit harmonique provenant de la trace yk(t) du point de tir suivant. L'algorithme proposé consiste à déterminer le filtre optimal w(t) qui, à partir de la classe harmonique b(t) comme bruit de référence, donne par application, un signal qui représente fidèlement les distorsions harmoniques b(t) .
Selon l'équation (1 ), Le filtre recherché désigné par W, satisfait l'équation matricielle :
Rb.b » W = rb (22)
où Rb b est la matrice d'autocorrélation du bruit de référence et rb ^ le vecteur d'intercorrélation bruit de référence-signal contaminé. Donc, la trace débruitée devient :
yk 1(t)=yk-1(t)-b(t)* w(t) (23)
Pour le calcul du filtre W, une version du filtre Wiener-Levinson à temps-variant avec bande passante à limitation dynamique, a été implémentée. Elle consiste à travailler sur le signal par fenêtre glissante pour estimer le bruit.
On peut, également, utiliser l'algorithme adaptatif suivant :
W(k+1) =Mrb + (l - MRb.b )W<k) (24) où le facteur de convergence μ doit satisfaire la condition 0 < μ < 2/ max, avec Xmax la valeur propre maximale de la matrice Rb.t>-
Manière dont l'invention est susceptible d'application
Dans le cas d'enregistrements slip-sweep corrélés, la méthode objet de cette invention, réalise l'atténuation du bruit harmonique en 7 étapes 70 :
Pour ce faire, et dans le cas d'enregistrements slip-sweep corrélés, la technique objet de cette invention, procède à l'atténuation du bruit harmonique en 7 étapes :
1) On procède de façon fine à la séparation 701 des composantes fondamentale et harmoniques dans le signal source émis, soit par une méthode moindres carrées ou bien par une méthode temps-fréquences, toutes deux adaptées.
2) On procède au rangement 702 des harmoniques extraites sous forme de sous ensembles, appelés classes puis au calcul des filtres correspondants.
3) On procède à l'estimation des harmoniques propres 703 à l'enregistrement considéré et leur soustraction.
4) On estime les bruits de référence 704 relatifs à chaque classe dans le signal émis à partir du signal obtenu dans l'étape 3).
5) On calcule, par une méthode à entrées/sorties multiples, les filtres réjecteurs 705 des bruits harmoniques à partir des bruits de référence obtenus dans l'étape 4) et l'enregistrement précédent contaminé (dans le cas d'un up sweep).
6) On applique ces filtres pour estimer le bruit harmonique global 706 qui sera soustrait de l'enregistrement précédent afin d'obtenir le signal non bruité.
7) On peut appliquer, comme option, à la trace fondamentale, un traitement de mise en forme (shaping processing) 707 pour rendre à phase nulle, le signal source.
' L'algorithme proposé, en subdivisant les composantes du bruit harmonique en classes, tel que décrit précédemment, permet de traiter les harmoniques, une par une, ou par bloc, selon l'une des trois options suivantes :
1- option globale
2 - option cascade
3 - option multi-référence
L'option globale illustrée par les figures 6a et 6b, consiste à :
1) Constituer une classe unique renfermant l'ensemble des composantes harmoniques significatives.
2) Estimer le bruit harmonique de référence correspondant à la classe considérée.
3) Calculer le filtre optimal d'estimation du bruit harmonique
4) Appliquer ce filtre sur le bruit de référence pour estimer le bruit harmonique, puis soustraire le résultat, des données contaminées enregistrées et corrélées.
L'option en cascade illustrée par les figures 7a et 7b, est une méthode multicouches (multi-layers) avec réadaptation de l'entrée, qui consiste à :
1) Extraire et de manière individuelle, toutes les composantes significatives pour constituer les classes de référence 1 à n-1 correspondantes.
2) Estimer les bruits harmoniques de référence correspondants à chaque classe considérée.
3) Calculer le filtre optimal d'estimation du bruit harmonique de la 1ere classe.
4) Appliquer ce filtre sur le bruit de référence correspondant pour estimer le bruit harmonique, puis soustraire le résultat, des données contaminées enregistrées et corrélées.
5) Prendre comme données contaminées le résultat de l'étape 4) et réitérer les étapes 3) à 4) jusqu'à élimination de toutes les composantes harmoniques des classes 1 à n-1.
L'option multi-référence illustrée par les figures 8a et 8b, est une méthode d'atténuation des interférences à entrées multiple (multi-inputs interférence canceling), qui consiste à :
1) Extraire et de manière individuelle, toutes les composantes significatives afin de constituer les classes de référence correspondantes.
2) Estimer les bruits harmoniques de référence correspondants à chaque classe considérée.
3) Constituer une classe de référence, formée par les n-1 classes placées en cascade et dans l'ordre naturel.
4) Calculer le filtre optimal d'estimation du bruit harmonique correspondant à la référence construite précédemment.
5) Appliquer ce filtre sur les bruits de référence pour estimer les bruits harmoniques, puis soustraire les résultats, des données contaminées enregistrées et corrélées.
Réduction des harmoniques propres à l'enregistrement considéré :
Dans certains cas, la composante sub-harmonique (harmoniques d'ordre k < 1) est énergique. Leur temps d'occurrence étant positif, les bruits relatifs à la composante sub-harmonique de l'arrivée première, vont se superposer sur le signal utile (réflexions).
De plus, l'estimation du bruit harmonique, (équation 7), nécessite la disponibilité de la composante fondamentale de la trace corrélée, qui est supposée être la dernière trace enregistrée ou la trace déjà débruitée.
Ceci suppose que les traces corrélées dans une acquisition conventionnelle ne contiennent pas de bruit harmonique. Bien qu'une grande partie de ce bruit ait été éliminé par troncature de la partie non causale de la trace, (équation 8), il en subsiste toujours une fraction dans la trace. Une meilleure estimation des bruits harmoniques affectant le point de tir précédent, peut être faite à partir de la vraie composante fondamentale de la trace sismique. La procédure de débruitage consiste à estimer le bruit harmonique en appliquant à la trace corrélée, un filtre H calculé à l'aide de la classe contenant, entre autres, la composante sub- ' harmonique. Le bruit estimé est ensuite soustrait pour obtenir la composante fondamentale optimisée.
Le traitement mise en forme du signal ou shaping Processing
Ce traitement consiste à rendre le signal source dans les données corrélées, à phase nulle en utilisant le filtre h(t) qui a permis, à partir du signal pilote enregistré p(t), d'extraire la composante fondamentale dans le signal GF. En convoluant, les enregistrements corrélés obtenus avec ce pilote comme signal source originel, par
ce filtre, on obtient des données où le signal source est alors égal à l'autocorrélation de la composante fondamentale du signal GF. De la même façon, les données où le signal source est égal à l'autocorrélation du signal pilote, sont facilement calculables.
Claims
1. Méthode d'amélioration de la qualité des données vibrosismiques, particulièrement celles acquises en mode slip-sweep, par atténuation du bruit harmonique, en estimant les différentes composantes harmoniques par des méthodes à entrées/sorties multiples, dont les entrées sont les composantes harmoniques de référence et les sorties les composantes harmoniques adaptées au bruit réel, avec prise en charge dynamique de la bande fréquentielle et mise en forme appropriée du signal source, dans ces données.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les méthodes à entrées/sorties multiples donnent à partir des bruits harmoniques de référence de la trace actuelle et la trace précédente contaminée comme entrées, les bruits
" harmoniques réels et la trace précédente filtrée comme sorties.
3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bruit harmonique est subdivisé en classes, correspondant aux bruits harmoniques de référence comme entrées et aux bruits harmoniques réels comme sorties et pouvant être formées par combinaison :
- de la composante sub-harmonique.
- des composantes harmoniques d'ordre entier.
- des composantes harmoniques d'ordre fractionnaire.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les méthodes à entrées/sorties multiples d'estimation du bruit harmonique et sa soustraction de „ l'enregistrement précédent contaminé, peuvent être réalisées en utilisant une parmi les trois versions temps-variant proposées : globale, cascade et référence- multiple.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la procédure de soustraction temps-variant version globale estime et enlève, de manière globale, le bruit relatif à la classe renfermant l'ensemble des composantes harmoniques.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la procédure de soustraction temps-variant version cascade est une méthode multicouches (multi-layers) avec réadaptation de l'entrée qui estime et enlève, un par un, et de manière récursive les bruits relatifs à chaque classe considérée.
7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la procédure de soustraction temps-variant version référence-multiple est une méthode d'atténuation des interférences à entrées multiple (multi-inputs interférence canceling) qui estime et enlève, de manière globale, le bruit relatif à l'ensemble des classes considérées simultanément.
8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'estimation des bruits de référence relatifs à chaque classe se fait par convolution de la composante fondamentale de la trace actuelle et du filtre correspondant à la classe, ou bien par multiplication des spectres de cette composante et du filtre dans le domaine fréquentiel.
Le calcul dans le domaine temporel des filtres correspondants est fait en résolvant l'équation suivante :
R Sl^ * H = rSi Sl où : Rs si est la fonction d'autocorrélation de la composante fondamentale du signal émis et rs/.si la fonction d'intercorrélation composante fondamentale-classe harmonique du signal émis.
* Ces filtres peuvent aussi être calculés dans le domaine fréquentiel.
9. Procédé selon les revendications 3 et 8, caractérisé en ce que l'extraction des composantes fondamentale et harmoniques du signal émis, peut se faire selon l'une des deux méthodes proposées :
- Filtrage temps-variant avec référence
- Transformation dans le domaine F-T.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les références pi utilisées pour l'extraction dans les deux options, sont basées sur le sweep pilote enregistré, avec pi(t) le signal de référence d'ordre i, écrit comme suit :
Pi(t) = a(t)cos (i. (p(t)) où a(t) et <|>(t) représentent respectivement l'enveloppe et la phase instantanée du sweep pilote enregistré p(t).
1 1 . Procédé selon les revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le filtre ' optimal temps-variant avec référence, recherché, qui, à partir du signal pi, donne par application la composante harmonique d'ordre i du signal émis s(t), satisfait l'équation :
RPi.Pi*G = TPi.s où : RPitPi est la matrice d'autocorrélation du signal de référence et rp. s le vecteur intercorrélation signal de référence - signal émis.
12. Procédé selon les revendications 9 et 10, caractérisé en ce que l'image dans le domaine F-T d'une composante donnée à extraire, est obtenue par application, sur l'image globale du signal émis, d'un masque ou fenêtre bidimensionnelle (F,T) adapté de façon automatique à cette composante, et ce, quelle que soit sa nature. Pour une composante d'ordre i, ce masque est donné par la formule suivante : 
où sPi(t,fy. STFT du signal de référence d'ordre i
Clip : Fonction d'écrêtage
λ : Seuil d'écrêtage compris entre 0 et 1.
μ : Régulateur de rampe, positif.
Ce masque est appliqué sur le spectrogramme du signal, la composante phase étant gardée sans modification.
13. Procédé caractérisé en ce que l'estimation du bruit harmonique propre à l'enregistrement considéré est mise en œuvre par l'application à la trace corrélée, d'un filtre H calculé à l'aide de la classe contenant, entre autres, la composante sub-harmonique. Le bruit estimé est ensuite soustrait pour obtenir la composante fondamentale de la trace.
14. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la trace fondamentale peut aussi subir un traitement de mise en forme (shaping processing) pour rendre à phase nulle, le signal source dans la trace.
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