Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Цифровая обработка сейсмических данных

..pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
24.12 Mб
Скачать

где X2 — спектральная плотность белого шума — воображаемой помехи. Величину л 2 уадают на уровне 5— 15% от максимума спектра

Ву (©).

Функцию S* (со) находят с помощью формул (6.99)—(6.105). Обычно при расчетах по этим формулам вместо | S (со) | используют более легко определяемый спектр Ву (со).

Из перечисленных обратных фильтров реже всего используется фильтр сжатия в чистом виде. При обработке больших объемов сейсмора&ведочной информации для каждой отдельной трассы при­ ходится рассчитывать индивидуальный обратный фильтр, так как операторы обратных фильтров весьма чувствительны к изменению статистических характеристик записи и формы импульса. (Иногда, ради экономии машинного времени, фильтры рассчитываются лишь для выборочных трасс). Параметр Т может при этом меняться от трассы к трассе. Что касается параметров а и X2, а также частотной характеристики X (со) в корректирующем фильтре, то их обычно оставляют неизменными для всего профиля или даже района работ.

Особенности расчета согласованных фильтров. Выбор параметров

Расчет оптимальных согласованных фильтров. Системы уравне­ ний для расчета фильтров воспроизведения и обнаружения легко получить соответственно из (6.80) по аналогии с (6.108). Техника вычислений для фильтра воспроизведения не имеет каких-либо отличительных особенностей. Из особенностей расчета фильтров обнаружения следует упомянуть две. Во-первых, для фильтра обна­ ружения характерны те же затруднения с выбором фазовой харак­ теристики сигнала, с которыми мы встречались при расчете фильтров сжатия. Разрешаются эти затруднения так же, как и для фильтра сжатия. Во-вторых, если в условиях недостатка данных о помехах вводится предположение, что помеха является белым шумом, то это целиком освобождает от необходимости проводить какие-либо рас­ четы после того, как найден сигнал s (t); в качестве весовой функции в этом случае, в соответствии с (6.65), используется непосредственно «перевернутый» сигнал s (—t)

Расчет трапецеидальных согласованных фильтров. Согласован­ ные фильтры используются чаще не в оптимальном варианте, а в упрощенном. Одной из причин этого является то, что сформулиро­ ванные выше критерии оптимальности согласованных фильтров не вытекают из модели сейсмического материала. Задачи, выдвигае­ мые перед согласованной фильтрацией на промежуточных этапах (освобождение записи от наиболее сильных помех перед АРА стати­ стическим анализом, визуальным просмотром), не требуют без­

условной оптимальности, а при выборе

«желаемого оператора х (t)

в корректирующем

фильтре

какие-либо количественные критерии

также отсутствуют.

Другой

причиной

является то, что согласован-

230

ные фильтры в гораздо мень­ шей степени, чем обратные, чувствительны к погрешно­ стям задания статистических свойств сигналов и помех. В силу всех этих причин тру­ доемкие операции по оценке статистических свойств и расчету оптимальных согла­ сованных фильтров обычно считаются неоправданными, и проблему сводят к про­ стой ситуации, когда ампли­ тудные частотные характе­ ристики сигнала и помех

\S(u)\\

\N(CO)\ , \А(Ш)\

Р и с .

94. Соотношение а

м п л и т у д н ы х

с п е к ­

тров

п о л е з н о г о сигнал а

S (со)

(3),

п о м е х

N (со)

(1) и

выделяющего п о л е з н ы й сиг ­

 

н а л

фильтра А (со)

(2).

 

не

перекрываются

(рис. 94).

В этом

случае

искомый фильтр

(его

можно считать

частным

случаем

фильтра

воспроизведения)

должен пропускать все частотные составляющие полезного сигнала без искажений, т. е. в полосе частот сигнала его амплитудная частот­ ная характеристика А (со) должна быть равна единице, а фазовая —

нулю. В полосе частот, занятой помехами, амплитудная

характери­

стика должна

быть равна

нулю1 :

 

 

 

 

А

(СО):

J,

©1

: СО : со„область

сигнала,

(6.110)

 

О,

со2

область

помехи.

 

 

 

 

Фазовую

характеристику

ср (со) таких

фильтров принимают рав­

ной нулю.

Это означает, что частотная

характеристика

фильтров

всегда является целиком вещественной. В зависимости от взаимоот­ ношения спектров сигнала и помех различают следующие фильтры

(рис.

95):

низкочастотный (частота

ниже со =

согр

пропускаются,

выше

подавляются); высокочастотный (частоты

выше

со = согр

пропускаются, ниже — подавляются);

полосовой

(частоты

в диапа­

зоне согр 1

сог р 2 пропускаются, вне

этого диапазона

подавляются);

Р и с . 95. Амплитудны е частотные х а р а к т е р и с т и к и низкочастотного (а), высокочастотного (б), полосовог о (в) и р е ж е к т о р н о г о (г)

фильтров .

Т а к о й фильтр я в л я е т с я н а и б о л е е п о д х о д я щ и м т а к ж е д л я

с л у ч а я ,

к о г д а

спектры сигнал а и п о м е х перекрываются , однако и н ф о р м а ц и я о

точных з н а ч е ­

н и я х спектров отсутствует и известно т о л ь к о , что в д и а п а з о н е частот

со„

п р е о б л а д а е т сигнал , а вне этого д и а п а з о н а — п о м е х а .

 

 

231

режекторный (частоты в

диапазоне

сог р 1 — сог р 2 подавляются, вне

этого

диапазона

пропускаются).

 

 

 

 

Рассмотрим

реализацию

цифрового

низкочастотного

фильтра

 

 

* , ч

И '

« г р ю ^ с о г р ,

 

 

 

 

А (со) =

{ п

 

 

 

 

 

 

 

 

10, со<—сог р , со>сог р ,

 

 

 

 

Ф(со) = 0.

 

 

 

 

 

Весовую функцию a (t) находим

из

(6.15) обратным

преобразо­

ванием

Фурье:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

<°гр

 

 

 

 

a(t)=

f Л(со)е£ ( й 'Ло = f

cosco^co= 8 ' п < й п >'

,

(6.112)

 

 

-co

 

- и г

р

 

 

 

Функция a (t), как и всегда в случае фильтров вида (6.110) с огра­ ниченным спектром, имеет бесконечную протяженность во времени. Практически же при цифровой фильтрации во временной области мы можем использовать только фильтры с операторами ограниченной длины М, т. е. вместо a (t) мы должны использовать некоторую функцию a (t), характеризующуюся свойством a (t) == 0 при | t\ > > М / 2 .

Очевидно, что частотной характеристикой ограниченного фильт­ ра a (t) будет уже не А (со), а какая-то другая характеристика

м ' ' 2

_

м/а

 

А(т)= J

a(t)eiidt

= 2J а(*)е-'ш *.

(6.113)

- М / 2

 

/ = - M / 2

 

Возникает вопрос: как выбрать

функцию a (£), чтобы ее

частот­

ная характеристика А (со) наилучшим образом (в среднеквадратич­ ном смысле) приближалась к А (со)? Оказывается [105], что в классе фильтров вида (6.110) наилучшее подобие частотных характеристик обеспечивается в том случае, когда оператор a (t) является просто усеченным оператором фильтра a (t), т. е.

a(t) = a(t), ~ x < < < f " .

или применительно к низкочастотному фильтру

sin согр<

I ,

М

, QW

' 1 1 ^

2 *

0,

\ t \ > ^ .

Функции a (t), а также полученные из (6.113) и (6.114) частот­ ные характеристики А (со) приведены на рис. 96. Оператор пред­ ставляет собой симметричную осциллирующую кривую с максиму­ мом в центре при t = 0. Видимый период осцилляции близок к 2я/сог р . Частотная характеристика А (со) существенно отличается

232

Р и с . 96. Ч а с т о т н а я х а ­

oft)

 

рактеристика и оператор

 

низкочастотного

ф и л ь ­

 

тра .

 

 

от желаемой, особенно вблизи граничной частоты фильтра. Вместо резкой ступени получился плавный переход, осложненный колеба­ ниями кривой. Эти колебания возникают вследствие разрывности планируемой характеристики и носят название «явления Гиббса». Амплитуда колебаний Гиббса максимальна вблизи граничной час­ тоты фильтра.

Максимальная амплитуда колебаний Гиббса не зависит от М и согр и во всех случаях составляет 9% от проектной величины. Это является главным недостатком фильтра, определяемого выражением (6.1:14), так как означает, что в области подавления вредных частот­ ных составляющих остаточная энергия будет значительной.

Практически в большинстве случаев предпочтительным является фильтр, имеющий несколько меньшую крутизну частотной характе­ ристики в области среза, но и меньшую амплитуду колебаний Гиббса. Поэтому для уменьшения влияния разрывности частотной характе­ ристики вводятся сглаживающие множители, обеспечивающие плав­ ный переход от области пропускания к области подавления [87].

Рассмотрим фильтр с косинусным сглаживанием в области среза, обладающий наиболее предпочтительными параметрами. Желаемой амплитудной частотной характеристикой такого фильтра будет

функция

(рис. 97)

 

 

 

 

 

1,

со

< с о г р — £,

Л (CD):

-cos

Н — ®гр +

со,

согр + £.

 

 

о,

со| > с о г р - К , I € сог р .

 

 

 

 

(6.115)

Из рис. 97 видно, что выбором величины

£ можно регулировать

крутизну срезов фильтра. Оператор фильтра (6.115) определяется выражением

шгр

 

a{t)=

2 А

И

 

s in ш г р г

 

cos tf

 

Е Ш =

nt

1 -

 

 

 

-(0))г р

 

 

 

S T ? "

 

 

 

1

sin С О ] / + sin со2г

 

(6.116)

 

 

 

2ni

 

 

 

 

 

 

1 — ^ ( a v

 

 

 

 

 

 

 

 

где со j

со

со,

= СО,гр

 

 

 

233

A (U)
Р и с . 97. В ы б о р а м п л и т у д н о й частот н о й х а р а к т е р и с т и к и т р а п е ц е и д а л ь ного фильтра .

Такой фильтр обеспечивает на порядок лучшее подавление неже­ лательных составляющих, чем фильтр со ступенчатой характе­ ристикой, если выполняется со­ отношение

M^Ss 2,6л.

(6.117)

Фильтр, у которого положение среза определяется путем задания частот tOj и со2, иногда называют трапецеидальным (хотя на самом деле его частотная характеристика лишь приближенно аппроксими­

руется трапецией). Напомним, что частотная характеристика дис­ кретного фильтра является периодической с частотой повторения

2Q

Поэтому вся информация о спектре

обрабатываемых

сигналов должна содержаться в первом частотном

квадранте — <

 

 

At -

< со

В противном случае повторные максимумы частотной

характеристики будут пропускать вредные частотные составляющие. Оптимальное число отсчетов М оператора фильтра определяется выражением (6.117).

Частотную характеристику высокочастотного фильтра, пропуска­ ющего все частоты выше сог р , легко получить, зная характеристику соответствующего низкочастотного фильтра. Если А (со) есть харак­ теристика низкочастотного фильтра, а Н (со) — характеристика фильтра, пропускающего без искажений все частоты (т. е. В (со) — = 1), то искомая характеристика высокочастотного фильтра (рис. 98)

£ (со) = Я ( и ) - 2 (со) = = 1 - Л (со).

(6.118)

Оператор I (t) этого фильтра находим обратным преобразованием Фурье выражения (6.118):

 

я / Д *

л/At

л/At

l(t)=

2

Ц — А(а>)] е ш = 2

е'ш '— 2 1 ( ш ) е » ' = ^ - й й .

 

-Л/At

-Я/At

-я/At

Подставляя в качестве a (t) выражение (6.116) для фильтра с тра­ пецеидальной характеристикой, получаем

l(t).

1

S i n

(Hit — S i n 0)2<

t = i, 2.

(6.119)

2nt

 

 

 

 

1-

 

(0)2 — Cux)2

 

 

 

 

П2"

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим, что в силу периодичности характеристики дискретных функций фильтр I (t) фактически является полосовым, пропускаю­ щим частоты от согр до^О = л/At, так как частоты со > Q должны быть устранены при регистрации или воспроизведении. Иначе спектр

234

a A,(U)

1,0

Р п с .

98.

Расчет

частотной

характеристик и

Р и с .

99. Расчет

частотной

 

 

высокочастотного

фильтра .

 

характеристик и

полосового

а — ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а

фильтра,

п р о п у с к а ­

 

 

фильтра .

ю щ е г о

все частоты;

б — х а р а к т е р и с т и к а

н и з к о ч а ­

а,

б — частотные

х а р а к т е р и с т и к и

с т о т н о г о

фильтра;

в — х а р а к т е р и с т и к а

в ы с о к о ч а ­

д в у х

н и з к о ч а с т о т н ы х фильтров;

с т о т н о г о

фильтра;

г — п е р и о д и ч н о с т ь

х а р а к т е р и ­

в

— частотная х а р а к т е р и с т и к а п о ­

стики д и с к р е т н о г о высокочастотного фильтра .

 

 

л о с о в о г о фильтра .

 

 

 

 

 

 

 

 

исходного сигнала будет искажен наложением зеркальных частот (эйлисинг-эффект).

Частотная характеристика полосового фильтра С (to) может быть найдена как разность частотных характеристик двух низкочастот­

ных фильтров с разными граничными частотами. Если

A i (со) —

характеристика низкочастотного фильтра со срезом

на

частоте со4

к А2 (со) характеристика

фильтра со срезом на частоте

со2 (рис99),

тогда фильтр, пропускающий сигналы в полосе

COJ-CCCD < со2,

будет иметь характеристику

 

 

 

С12(<в) = Ла (©)-Л1 (<в)

 

 

(6.120)

и оператор

 

 

 

 

С1 2 (*) = с2 (0-%(*)•

 

 

(6.120')

Для симметричного полосового фильтра с косинусным сглажи­

ванием

 

 

 

 

С1 2 (*) = - ! . —

( s i n o y - s i n o V ) , * = 1,

2 . . .

(6.121)

235

Задавая различную крутизну срезов комбинируемых низкочастот­ ных фильтров, получим оператор полосового фильтра с несимметрич­ ными срезами (рис. 100)

С 1 2 3 4 (*) =

1

s in (Ogf-fsin

w^t

s m coi* + sin a2t

2я4

1 —^2"

( " I -

Ы 3 ) 2

 

 

 

(6.121*)

 

 

 

 

 

 

^1234 (° ) =

К +

Ю 3

— « 2 »l) •

 

Смысл величин

 

co2,

и ( 0

4 ясен

из рис. 100.

Формула (6.121) позволяет рассчитывать операторы широкого класса фильтров: прямоугольных при © t «г- со2 и со3 со4.. трапецеи­ дальных и треугольных при со2 — с°3. Она применяется для расчетов фильтров при обработке данных сейсморазведки.

Режекторный фильтр предназначен для устранения из входного сигнала заданной полосы частот. В сейсморазведке он применяется для устранения электрических наводок, имеющих, как правило, узкий (2 3 Гц) спектр вблизи частоты промышленной сети и относи­ тельно большую интенсивность. Поэтому фильтр должен обеспечи­

вать глубокое подавление в узком

диапазоне частот. При этом сле­

дует учитывать, что во всех реальных

случаях

сейсмический полез­

ный сигнал

находится

в ограниченной полосе

частот,

так что и

фильтр должен

пропускать не все частоты

вне полосы

подавления,

а только те, которые не выхо­

 

 

 

 

 

дят за некоторые пределы. При

а

7

 

 

 

этих условиях оператора ре-

 

 

 

 

 

жекторного

фильтра

можно по­

 

 

 

 

 

лучить как разность

операторов

 

 

 

 

 

низкочастотного

и

полосового

 

 

 

 

 

фильтра или же как

разность

 

о

 

 

U)

операторов

двух

полосовых

 

 

 

 

с,2

(й)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

о.л &>> иг

to

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

О со

 

ai3

со

Р и с . 100.

Ч а с т о т н а я характеристика

п о л о с о в о г о

фильтра с

несимметрич ­

 

ными с р е д а

м и .

 

0

1

U), (О

Р и с . 101. Расчет частотной характери­

стики р е ж е к т о р н о г о фильтра .

а — х а р а к т е р и с т и к а

н и з к о ч а с т о т н о г о фильтра;

б — х а р а к т е р и с т и к а

п о л о с о в о г о

фильтра;в

х а р а к т е р и с т и к а

р е ж е к т о р н о г о

фильтра .

 

236

фильтров (рис. 101). Здесь рассмотрим только первый вариант. Если весовая функция низкочастотного фильтра

 

 

 

as

(t) ••

s in m3t

cos Zf

 

 

 

 

 

 

 

nt

4

,

 

 

 

 

 

 

 

 

1 — \

£ 2 * 2

 

 

и весовая функция

 

полосового фильтра

 

 

 

п

/,\

1

COS tt

, .

,

.

 

С12

(t) = —f

7 ^

(Sin GV - S i n

 

то при условии co3

>co 2

^>co1

весовая функция режекторного

филь­

тра определяется

 

соотношением

 

 

 

 

 

 

1

 

COS lit

 

 

 

 

 

^123 (0—

 

" * l

/

[sinco3£ — sm co2£ +si n co^],

 

 

 

 

i - 4 - t 2 « a

 

 

 

(6.122)

^ 1 2 3 ( ° ) = — (Щ— ©2+<»l),

* =

1, 2 . . .

 

Для частотной

 

характеристики

Z ) 1 2 3 (со)

этого режекторного

фильтра с учетом (6.120) получаем:

 

 

 

#123 И = Л И - С12

(со) = Л 3 (со) -

2

(со) - Л (со)].

(6.122')

Для всех рассмотренных типов фильтров граничные частоты и крутизны срезов задаются произвольно, исходя из представлений о соотношении частотных спектров сигналов и помех. Обычно опро­ буется несколько вариантов фильтров, и окончательный выбор делается на основании визуальной оценки качества результатов фильтрации.

Следует подчеркнуть, что задание граничных частот наклады­ вает существенные ограничения на длину применяемых операторов: чем уже полоса пропускания и круче срезы, тем длиннее должна быть весовая функция. Зависимость между числом точек М весовой функции и крутизной среза для всех фильтров дается соотношением (6.117). При этом ширина полосы пропускания Дсо должна удовлет­ ворять условию

 

 

 

МД* Дсогэ 10я.

 

(6.123)

 

Особенно критичным к выбору величины интервала

сглаживания

£

является

режекторный

фильтр.

При £ > - | ( ( ° 2 -

0 3 *)

фильтр

не

обеспечит

глубокого подавления

в

полосе режекции (рис. 102).

При % —• (со2 — сох)

теоретически

возможно достичь

значитель­

ного подавления мешающих частот, но в силу условия (6.117) это потребует применения очень длинных операторов, до 0,2—0,4 с. Поэтому для режекторной фильтрации предпочитают использовать рекурсивный фильтр, описываемый гораздо меньшим числом коэф­

фициентов.

ЧТ'ЯУ

237

Р и с .

102.

П о л о ж е н и е

с р е з о в

фильтра д л я

р а з л и ч н ы х

значе ­

н и й

интервала с г л а ж и в а н и я .

1 — £ <

~(ч>2

to,); 2 — I

>

 

4л;

 

 

Рекурсивный режекторный фильтр. Как указывалось выше, задача синтеза рекурсивных фильтров сводится к определению поло­ жения корней z-полиномов числителя и знаменателя рациональной дроби, описывающей фильтр. Для простых случаев это можно сделать графически, с учетом геометрического смысла z-преобразования.

Уравнение

z =

(At

= 1) можно разложить на

реальную

и мнимую

части:

 

 

 

 

z

zRe +

tZim : = cos со At — i sin со At.

(6.124)

На комплексной плоскости с горизонтальной осью реальных чисел и вертикальной осью — мнимых (рис 103) уравнение z =

_

е-!соД( изобразится в виде круга с центром в начале

координат

и

радиусом, равным единице. Так как при всех реальных

значениях

частот

|z| = lAbe + z!m = l/cos2 roAi + sin2 to A* = 1,

то все z, для которых | z = 1, соответствуют реальным частотам. Согласно (6.124), точка z — 1 + i • 0 соответствует частоте со — 0,

а точка z = 1 + i-0 — найквистовой частоте О. = т. е. максимально возможной частоте при выбранном интервале дискретиза­

ции.

Частотам, линейно

распре­

 

 

 

деленным

в интервале

 

от 0

до

 

 

 

Q, соответствуют

точки

верхней

 

7

 

половины

единичного

 

круга,

ли­

 

 

 

 

 

 

нейно

распределенные

 

в

угле

 

 

 

между нулем и л.

 

 

 

 

 

 

 

Полюса

и

нули

z-полиномов

 

 

V

рекурсивного

фильтра

изобража­

 

 

ются

на комплексной

 

плоскости

 

0

в виде точек, причем для стабиль­

 

•Re

ных

фильтров,

как

 

отмечалось

 

 

 

выше,

необходимым

 

 

условием

 

 

 

является,

чтобы

все

 

полюсы их

 

 

 

по модулю

были

больше единицы,

 

-/

 

т. е. находились

вне

единичного

 

 

Р и с . 103.

И з о б р а ж е н и е

к о м п л е к с н о й

круга. Для фильтра D (со), устра-

 

z - плоскости .

 

238

1 - W K

Р и с . 104.

О п р е д е

л е н и е а м п л и т у д н о й

х а р а к т е р и с т и к и

D (со)

р е ж е к -

торного

фильтра

с одним н у л е м

(а) и с н у л е м и

п о л ю с о м

(б) на

 

 

z - плоскости .

 

 

няющего частоту

& k ,

следует

расположить нули — корни

числи­

теля — в точках

| z | =

1, для которых

 

 

z R e =

coscufe At,

z i m = ± sin со At.

(6.125)

Эти точки в z-плоскости находятся на единичном круге под углами

 

 

 

 

180

 

 

 

cpfe = ±a>kAt в радианах,

или

tpft

— ±

akAt

в

градусах

(см.

рис. 104, а). Амплитудная

частотная

характеристика

этого фильтра

D (со) (рис. 105, а) выражается

как огибающая отрезков, соединяю­

щих точку cofe со всеми точками верхней половины единичного

круга.

Из рис. 105, а видно, что фильтр с одним нулем

устраняет

неже­

лательную частоту cofe, но

вместе с тем искажает

и все остальные

частоты. Для ослабления искажений следует предусмотреть пару комплексно-сопряженных корней знаменателя — полюсов в непо­ средственной близости к нулям (естественно вне единичного круга, так как в противном случае фильтр будет нестабильным). Наиболее удобно расположить полюса на продолжении лучей, соединяющих начало координат с нулями фильтра. В этом случае амплитудная

б

N

- < у г р

-и>к

0

щ

а>гр

гр

к

0

и>н

агр

Р и с . 105.

А м п л и т у д н ы е

частотные

х а р а к т е р и с т и к и

D (со)

р е ж е к т о р н ы х

фильт­

ров с о д н и м

н у л е м (а) и с

н у л е м

и п о л ю с о м (б) на

z - плоскости

 

239

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ