基于EMD的粒子滤波在地震勘探随机噪声压制中的应用

【摘要】地震勘探是探测地下油气资源的重要手段，由于勘探地区地质构造的复杂性及噪声成因的多样性，严重降低了勘探资料的质量，这为有用信息的提取带来了诸多不便，特别在强随机噪声背景下，一些常规的去噪方法很难达到令人满意的效果，因此发展在低信噪比条件下既能有效地抑制随机噪声，又能完整地保留有效信号的方法，提高地震资料信噪比，具有非常重要的现实意义。粒子滤波(ParticleFiltering)在递归贝叶斯框架下完成了蒙特卡洛估计，是一种基于信号生成模型的统计滤波方法，由于以信号生成模型的本身信息作为参考，滤波后更容易获取信号的时变特征信息；加之贝叶斯滤波是基于观测量与经验信息的结合估计，充分地利用先验和因果知识，以最优滤波准则求解了信号的条件概率，因此更容易保留有效信号的真实特性。鉴于以上优点本文首次引入粒子滤波算法来抑制地震资料中的随机噪声。然而实际应用中，粒子滤波过程中的表征后验分布的粒子很容易受到噪声的干扰，特别对于信噪比较低的勘探资料，能量较强的随机噪声严重影响了粒子分布，使其最终有偏于真实后验分布，影响滤波精度，为了解决这个问题，本文结合了时、频域均有较好分辨率的经验模态分解(EMD)法，提出了基于EMD的粒子滤波(EPF)算法消除地震资料中的随机噪声。在基于EMD的粒子滤波压制地震资料随机噪声的算法中，为了完成贝叶斯估计的预测和更新，首先建立了地震记录的状态空间模型，并采用时变自回归(AR)模型描述了地震信号的时变特征；其次，为解决由系统迭代时间过长而引起的粒子退化问题，探讨了重要性密度函数和重采样方法的选取；最后针对地震勘探资料低信噪比特点，为了减少强随机噪声对粒子滤波精度产生的影响，引入了经验模态分解方法，其主要思想是：粒子滤波过程中随着时间迭代，每个粒子会产生粒子时间序列，对序列进行经验模态分解，会产生依频率的高低不同本征模函数(IMF)分量，去除粒子序列受噪声干扰的高频分量，保留接近信号的低频分量，以降低噪声对粒子分布带来的偏差干扰，继而将剩余的分量重构得到新的粒子，更新后的粒子分布更趋于真实后验分布，从而提高滤波精度。最后为了验证本文提出算法的有效性，将粒子滤波算法与基于EMD的粒子滤波算法分别应用到人工模拟地震记录中，通过对比滤波前后时域波形、频域频谱的变化、分析信噪比及均方根误差对滤波性能的评价，结果表明基于EMD的粒子滤波算法兼顾了保幅和去噪的优点，滤波后信噪比可提高11dB左右；最后为了验证算法的实用性，处理了实际地震资料，结果表明经过EPF恢复出的共炮点记录，在有效抑制强随机噪声的同时可以较好地恢复出有用信号的特征。
【作者】乔美玉；
【导师】李月；
【作者基本信息】吉林大学，信号与信息处理，2014，硕士
【关键词】粒子滤波；重采样；经验模态分解；地震勘探；随机噪声；

【参考文献】
[1]李高慧.小学生数学活动经验的教学现状调查研究[D].西南大学,课程与教学论,2014,硕士.
[2]苏苌.甘肃甘南玛曲沼泽化草甸土壤纤毛虫群落对不同放牧强度的响应[D].西北师范大学,生态学,2013,硕士.
[3]李乐.杂色山雀与大山雀的同域共存机制及遗传多样性比较研究[D].辽宁大学,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[4]陈永军.债权人撤销权诉讼制度研究[D].山东财经大学,民商法学,2014,硕士.
[5]梁静谊.皂荚荚果化学组成及皂甙提取工艺的研究[D].南京林业大学,林产化学加工工程,2004,硕士.
[6]金佥.偶联剂、颗粒尺寸与制备磁场对磁流变弹性体磁流变性能的影响研究[D].西南交通大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[7]姚琳.新课程背景下小学教育中的合理惩罚问题研究[D].渤海大学,小学教育（专业学位）,2014,硕士.
[8]万兵.面向二语学习者的汉语成语教学大纲研究[D].山东大学,对外汉语,2013,硕士.
[9]张超.改性SrNdAlO_4与CaYAlO_4基陶瓷的结构及微波介电性能[D].浙江大学,材料学,2013,硕士.
[10]夏艺侨.对比分析汉语国际教育中汉英语法的主谓宾差异[D].西安外国语大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[11]石永青.社会科学方法论翻译实践报告[D].山东大学,英语口译（专业学位）,2013,硕士.
[12]杨阳.东风雪铁龙品牌汽车大连地区促销策略研究[D].大连理工大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[13]刘婉.郑板桥诗画中的道家思想研究[D].华侨大学,宗教学,2013,硕士.
[14]刘晗.多发性骨髓瘤患者外周血T细胞亚群及双阴性T细胞的研究[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[15]赵伟.复杂工程结构可靠度分析的高斯过程动态响应面方法研究[D].广西大学,结构工程,2014,博士.
[16]邓腾辉.复合算子P·T的范数估计[D].哈尔滨工业大学,基础数学,2013,硕士.
[17]罗辞勇,陈民铀.适应性粒子群寻优算法[J].控制与决策,2008,10:1135-1138+1144.
[18]魏克新,高强,陈在平.模糊控制中解模糊方法的研究[J].控制与决策,1997,S1:477-481.
[19]钱仁瑞.计算机直接制版机数据适配卡的研究[D].杭州电子科技大学,集成电路工程,2014,硕士.
[20]方丽娟.网络环境下探究性实验教学过程研究[D].陕西师范大学,教育技术学,2004,硕士.
[21]张楠.中国主要致病性水霉菌病原及水霉病暴发预警研究[D].上海海洋大学,临床兽医学,2014,硕士.
[22]何凯.介电材料的制备与表征[D].苏州大学,应用化学,2013,硕士.
[23]陈志杰.公交车站区域交通流运行行为的仿真研究[D].北京交通大学,2014.
[24]吴珠珠.基于政治关联度的上市公司多元化与企业绩效的实证研究[D].浙江工业大学,企业管理,2012,硕士.
[25]佟维,孙华文,王大玲,于戈,鲍玉斌.一种Web个性化推荐服务中间件技术的研究与实现[A].中国计算机学会数据库专业委员会.第二十届全国数据库学术会议论文集（技术报告篇）[C].中国计算机学会数据库专业委员会:,2003:3.
[26]张丽丹.会阴部血管瘤和血管畸形的综合治疗[D].山东大学,临床医学（专业学位）,2013,硕士.
[27]王苏苏.4岁幼儿执行功能与语言能力关系研究[D].西南大学,学前教育学,2014,硕士.
[28]刘龙.红细胞分布宽度联合GRACE风险评分对急性冠脉综合征近期死亡风险的预测[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[29]陈兴.光整流法产生太赫兹辐射强度与转换效率的理论研究[D].哈尔滨工业大学,2014.
[30]陈丹锋.A展览公司电子商务应用及相关业务流程再造研究[D].厦门大学,工商管理,2014,硕士.
[31]张良扬.单件小批生产模式下的计划系统与优化算法研究[D].南京航空航天大学,机械电子工程,2004,硕士.
[32]孙秋影.三星显示器产品中国市场定位及实施策略研究[D].北京交通大学,2014.
[33]郭观七,尹呈,曾文静,李武,严太山.基于等价分量交叉相似性的Pareto支配性预测[J].自动化学报,2014,01:33-40.
[34]刘亚.河北省名城镇村价值特色分类保护研究[D].河北师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[35]方铭.利用ASP技术建设智能化小区信息服务系统的探讨[D].华中科技大学,2004.
[36]王丹.144例原发胃肠道淋巴瘤临床诊治分析[D].吉林大学,临床医学（专业学位）,2014,硕士.
[37]黄银芳.患者视角下的医院住院服务质量评价和改进研究[D].杭州师范大学,社会医学与卫生事业管理,2013,硕士.
[38]彭红艳.2009-2011年湖北省梅毒疫情及健康教育需求调査研究[D].武汉科技大学,流行病与卫生统计学,2012,硕士.
[39]王江波,戴慎志,苟爱萍.老旧住区居民地震紧急避难路径选择的空间特征研究[J].城市发展研究,2014,11:95-101.
[40]余艳霞.表面一维席夫碱聚合物的STM研究[D].哈尔滨工业大学,物理化学,2014,硕士.
[41]刘浩.基于语料库的中国外语学习者英语短语动词习得研究[D].中国矿业大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[42]杨瑞凤.活性维生素D_3对糖尿病大鼠肾组织BMP-7、TGF-β1表达的影响[D].郑州大学,内科学,2013,硕士.
[43]王金梅.流动性失衡治理问题研究[D].辽宁大学,投资经济学,2012,硕士.
[44]王昊文.基于脑电的三维立体电视健康安全评价基础研究[D].南京航空航天大学,精密仪器及机械,2013,硕士.
[45]戴明明.功能性单体作用下无皂苯丙乳液的合成与性能研究[D].湖北大学,高分子化学与物理,2011,硕士.
[46]程宝毛.《押沙龙，押沙龙！》的文学伦理学解读[D].青岛大学,英语语言文学,2013,硕士.
[47]钱文超.反钙钛矿GaCMn_3外延薄膜的制备与物性研究[D].中国科学技术大学,凝聚态物理,2014,硕士.
[48]姚禛.NO在Rh/SiO_2表面催化分解机理的密度泛函理论研究[D].哈尔滨工业大学,物理化学,2013,硕士.
[49]孙颖.短命植物新疆庭荠粘液种子的萌发生态适应性[D].新疆农业大学,植物学,2012,硕士.
[50]李宏锋.地铁轨道波浪形磨耗检测系统研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.