希尔伯特-黄变换在雷达测井中的应用研究

摘要

瞬态脉冲成像测井雷达是是一种工作在井孔中的地质勘探雷达，通过向井周地层中发射瞬态脉冲信号，利用瞬态脉冲的传播特性来获取井周地层信息。瞬态脉冲测井雷达是钻孔雷达技术的深化和发展。由于常规测井技术存在径向探测距离短，勘探效率低下，难以识别储层非均质性强、微裂缝发育区域、低孔-低渗-致密性储层。瞬态脉冲测井雷达具有径向探测距离远，分辨率高等特点，能够弥补常规测井技术的不足，逐渐成为世界各国争相研究的重点[1]。
　　瞬态脉冲测井雷达的信号具有没有初始条件、没有边界条件、非稳态等特殊性，无法用常规的傅立叶变换进行频域分析；且雷达回波信号复杂，频域宽，无法预知目标信号准确频率，小波提取困难；瞬态脉冲成像雷达目前主要使用雷达回波绘制原始剖面来确定地下介质，但一些异常信息相对较弱或者回波信号含较多杂波，这些异常就很难清晰地反映在原始剖面中，这样利用原始剖面来做解释是不够准确的。以上三点极大限制了雷达测井数据处理及后期解释工作。
　　希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,简称HHT)适用于非稳定信号处理。经验模态分解是HHT的一个重要组成部分，其过程具有自适应性，不需要预先知道信号频域，也不需要提取小波，这个特性能很好的解决瞬态脉冲测井雷达前两个问题。HHT在模态分解后使用Hilbert变换对信号从瞬时振幅，瞬时相位，瞬时频率三个方面分析，可以获取更多的地质信息。所以研究希尔伯特-黄变换在雷达测井的应用对测井资料的解释有重要意义。
　　首先本文对柱坐标时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,简称FDTD)做了相关研究，对柱坐标系下的中心奇点问题和完全匹配层(Perfectly Matched Layer,简称PML)做了细致推导，并编程实现了三维柱坐标FDTD仿真平台，为后续瞬态脉冲测井雷达的仿真实验工作奠定了基础。
　　其次，本文对钻孔雷达的数据格式做了简单介绍，然后针对一维的A扫数据，引入了几种有效的常规数据处理方法，并对这些方法进行编程实现。同时，本文还介绍了用来处理B扫的合成孔径偏移算法，包括克希霍夫偏移和频率-波数域偏移，并使用仿真数据对两种成像方法的处理效果做了对比。
　　最后，本文引入了希尔伯特-黄变换方法，使用希尔伯特-黄变换方法对雷达测井的仿真数据和实测数据进行了处理，对经验模态分解的各个本征模的物理含义做了探讨，然后提取各本征模的三瞬参数，并绘制三瞬图像。实验结果表明，经验模态分解具有自适应的滤波特性，对筛选后的本征模进行重新组合可以使地层异常显示的更加明显。而三瞬图可以从三个不同的角度对地层中的异常进行分析，能更加有效地对雷达信号进行解释。
　　本文工作的主要创新点是将希尔伯特-黄变换应用到瞬态脉冲测井雷达数据处理中，对其处理方式及效果做了大量尝试，并且根据三维柱坐标FDTD编写搭建了瞬态脉冲测井雷达的数据仿真平台。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 本文研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文的主要工作与内容安排

第二章 柱坐标系FDTD及完全匹配层

2.1 概述

2.2 三维柱坐标FDTD标准形式

2.3 柱坐标差分格式中心奇点去除

2.4 完全匹配层

2.5 柱坐标CPML-FDTD仿真验证

2.6 本章小结

第三章 常规数据处理方法

3.1 概述

3.2 钻孔雷达数据格式

3.3 A扫描数据处理

3.4 合成孔径成像处理算法

3.5 常规数据处理的应用

3.6 本章小结

第四章 希尔伯特-黄变换方法在雷达测井中的应用

4.1 概述

4.2 希尔伯特-黄变化方法

4.3 信号的瞬时属性

4.4 希尔伯特-黄变换对实测数据的处理

4.5 本章小结

第五章 全文总结及展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果