[论文解读] 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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一句话总结

本文评估了相位延迟、相干比和双谱相关性在地震数据时间延迟估计中的应用，提出了一种交互式算法，结合这些方法自动拾取初至时间。研究发现，相位延迟和相干比方法在可靠性上与双谱方法相当，但计算速度显著更快，因此在地震勘探的静校正中更具优势。

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.

研究动机与目标

• 评估互相关技术——相位延迟、相干比和双谱相关性——在地震数据时间延迟估计中的可靠性。
• 解决准确初至时间拾取的挑战，这是地震静校正中的关键步骤。
• 开发一种交互式算法，利用时间延迟估计实现地震信号中初至时间的自动检测。
• 比较基于相关性的方法在实际地震处理应用中的计算效率和准确性。

提出的方法

• 采用相位延迟估计方法，通过时域互相关确定地震道之间的时移。
• 应用相干比方法，测量在不同时移下信号之间的相似性，增强对噪声的鲁棒性。
• 使用高阶双谱相关性检测非线性相互作用，提升在噪声环境下的延迟估计性能。
• 将估计的时间延迟整合到交互式算法中，自动识别地震数据中的初至时间。
• 利用野外调查的真实地震数据，比较各方法在准确性和计算时间方面的性能。
• 通过与已知初至时间对比验证结果，评估每种方法的可靠性和精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 相位延迟、相干比和双谱相关性在地震信号时间延迟估计中的表现如何比较？
• RQ2 在地震时间拾取中，各相关性方法的计算效率如何？
• RQ3 相位延迟和相干比能否在时间延迟估计中达到与双谱相关性相当的精度？
• RQ4 所提出的交互式算法在利用估计时间延迟实现初至时间拾取自动化方面的有效性如何？
• RQ5 在地震静校正应用中，哪种方法在精度与计算成本之间提供了最佳权衡？

主要发现

• 相位延迟和相干比方法生成的时间延迟估计值在精度上几乎与高阶双谱相关性技术相当。
• 相位延迟和相干比方法的计算时间显著短于双谱相关性，因此效率更高。
• 交互式算法成功利用时间延迟估计，实现了初至时间拾取的高可靠性自动化。
• 尽管双谱相关性精度较高，但计算成本过高，当相位延迟和相干比已能提供相当结果时，其使用并不合理。
• 本研究证实，相位延迟和相干比对噪声具有鲁棒性，适用于实时或大规模地震数据处理。
• 结果支持将相位延迟和相干比推荐为地震时间拾取中时间延迟估计的首选方法。