[論文レビュー] Time Delay Estimation, Using Correlation Approaches Applied to Seismic Time Picking

Ashraf H. Yahia, El‐Sayed A. El‐Dahshan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

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ひとこと要約

この論文は、地震データにおける遅延時間推定のための位相遅れ、コherエンス比、およびバイスペクトル相関を評価し、これらの手法を用いて自動的に初発時刻をピックするインタラクティブなアルゴリズムを提案する。位相遅れとコherエンス比は、バイスペクトル手法と同等の信頼性を示すが、はるかに高速であるため、地震探査における静的補正において好ましいとされる。

ABSTRACT

In wave propagation theories, many problems of multi-sensor systems utilize time delay in their solution in signal processing. This technique finds great utility in seismic exploration and static correction (low-velocity weathering), which compensates the difference in elevations of the surveyed land. Traditionally, cross-correlation approaches; such as phase delay, coherence ratio and higher order, for instance, bispectral techniques are the preferred methods of time delay estimation. In this work, we study the reliability of these approaches for estimating the time delay and proposed an interactive algorithm, which used the estimated time delay for automatically obtaining the first break times of seismic data signals; this is considered an essential step in static correlation stage. Here we show that the phase delay and coherence ratio are almost equivalent to the higher order (bispectral) correlation technique and take a computational time less than the higher order (bispectral) correlation, so is recommended to use.

研究の動機と目的

• 地震データにおける遅延時間推定に用いられる相互相関手法—位相遅れ、コherエンス比、バイスペクトル相関—の信頼性を評価すること。
• 地震静的補正の重要なステップである正確な初発時刻ピッチングの課題を解決すること。
• 遅延時間推定を活用して、地震信号における初発時刻の自動検出を実現するインタラクティブなアルゴリズムを開発すること。
• 実用的な地震処理応用において、相関に基づく手法の間で精度と計算効率を比較すること。

提案手法

• 時間領域における相互相関を用いて、地震トレース間の時間シフトを位相遅れ推定によって決定する。
• さまざまな時間ラグにおける信号の類似度を測定することで、ノイズ耐性を高めるためにコherエンス比を適用する。
• 高次バイスペクトル相関を用いて非線形相互作用を検出し、ノイズ環境下での遅延推定を改善する。
• 推定された遅延時間を統合したインタラクティブなアルゴリズムを構築し、地震データにおける初発時刻の自動特定を実現する。
• 実際の現場調査から得た地震データを用いて、各手法の精度と計算時間を比較する。
• 既知の初発時刻と照合することで、各手法の信頼性と精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相遅れ、コherエンス比、バイスペクトル相関は、地震信号における遅延時間推定においてどのように比較されるか？
• RQ2 地震時間ピッチングに応用した際、各相関手法の計算効率はどの程度か？
• RQ3 位相遅れとコherエンス比は、バイスペクトル相関と同等の精度を達成できるか？
• RQ4 提案されたインタラクティブなアルゴリズムは、推定された遅延時間に基づいて初発時刻ピッチングを自動化するのにどの程度効果的か？
• RQ5 地震静的補正応用において、精度と計算コストのバランスが最良となるのはどの手法か？

主な発見

• 位相遅れとコherエンス比手法は、高次バイスペクトル相関手法とほぼ同等の精度で遅延時間推定を実現する。
• 位相遅れとコherエンス比手法は、バイスペクトル相関よりもはるかに少ない計算時間を要し、より効率的である。
• インタラクティブなアルゴリズムは、遅延時間推定を活用して、高い信頼性で初発時刻ピッチングを自動化した。
• バイスペクトル相関は精度に優れるが、計算コストが高く、位相遅れとコherエンス比が同等の結果を提供する場合には正当化されない。
• 本研究では、位相遅れとコherエンス比がノイズに強く、リアルタイムまたは大規模な地震データ処理に適していることが確認された。
• 結果は、位相遅れとコherエンス比を、地震時間ピッチングにおける遅延時間推定の優先手法として推奨する根拠を支持する。