分形守恒定律在地震数据去噪与增强上的应用

分形守恒定律是一种基于偏微分方程的滤波方法.方程最显著的特征是将互为矛盾的两项——分形反扩散项与经典的扩散项结合在一起.反扩散项起信号增强的作用,而去噪的作用在扩散项中体现.通过分形指数,扩散与反扩散的系数可实现滤波器的调节.本文应用这个新颖的滤波模型来实现地震资料中随机噪声的消减,同时又能增强有效的地震信号.方程的求解基于傅里叶变换.对合成地震记录的测试表明。本算法在不同强度的噪声环境中(信噪比为-5 dB至10 dB)都能很好地恢复同相轴,提高信噪比.通过对实际共炮点资料的处理结果表明,基于分形守恒定律的新滤波方法能有效的压制随机噪声并改善同相轴的连续性.     

Walsh列率域中多维分形模型与GIS环境下地球物理信号处理

地球物理信号通常在多个尺度段表现尺度不变性，这些不变性起因于不同的地质、地球物理或成矿过程的自相似性. 利用这种在多个尺度段的尺度不变性可以设计多维分形滤波器，滤波所得信号表征了具尺度不变性的地质地球物理或成矿过程，可以用于成矿预测或环境评价. 本文研究了Walsh变换列率空间地球物理信号的列率功率谱密度与列率之间的分形与多维分形关系, 试验证实了大洋钻探、石油以及煤系地层地球物理测井资料在Walsh域的多维分形性质，提出了用于分解地球物理场,提取有用信号并用于矿产资源勘探或环境评价的多维分形W-A模型. 利用波列率域中的多维分形关系构造了W A图解(W-A Plot). 借助W-A图解可以确定最小平方误差（LS）意义下Walsh功率谱变化的不同自相似性的频率分界点,从而用于设计W-A分形滤波器. 这种滤波器可将地球物理场分解成具有不同自相似性的局部场,并且保留原场的各向异性结构. 与通常使用的基于Fourier变换的滤波技术相比,W-A模型具有许多优点：W-A适用于检测地球物理信号中的突变、线性、环状、局部与纹理结构等弱信号. 同时，由于Walsh变换中只有简单的变号(加法与减法)，其计算速度远快于建立在复数乘法之上的Fourier变换，所以W-A计算速度远快于Fourier域的滤波方法，可以用于地球物理信号的现场实时处理. 用加拿大Nova-cotia省西南地区的布格重力异常进行了W-A方法的试算，处理结果反映了地质、矿产分布规律，能够很好地进行矿产预测.     

分形噪声、多维分形滤波及地球物理测井曲线处理应用

白噪声、布郎运动以及其它满足在双对数坐标中呈一直线和信号具分形结构、自相似性或尺度无关性。地球物理信号通常表现为多个这种信号的叠加,表面为多维分形特征,研究、模拟在双对数坐标中成一直线的信号以及如何将多维分形中多个这种信号剖分出来,对于理解相应的地质、地球物理成因机制有重要意义。通过对两口井的地球物理测井曲线处理,可以初步看出,在选定的物理测井曲线中,其具多维分形特征,不同的沉积过程相互叠架在原始测井曲线中,用滤波方法分析分解信号,可以了解不同沉积作用特征并进一步分析可能的环境变化控制机制。开发的图形界面程序使得这一过程极为容易。     

分形滤波(S-A)技术在物探数据异常分解中的应用

分形滤波(S-A)技术能够有效地揭示地球物理场的空间相关性,对背景场以及异常场进行分解。应用分形滤波(S-A)技术分解内蒙古某银矿区地面高精度磁测异常,结果表明:对研究区高精度磁异常进行了有效分解,获得了研究区背景场以及异常场特征,并剖析所获得的异常场,分解异常8处,并据此结合地质情况提出研究区的成矿有利区。     

微地震信号的变速FK滤波-自适应极化滤波方法

针对微地震信号的特点,研究了变速FK滤波-自适应极化滤波方法.在设计FK滤波因子时,通过计算相邻道滑动时窗内信号的互相关系数,确定时窗内信号的视速度范围,实现变速FK滤波;对时窗内的信号进行二维FFT变换时,分别在时窗的纵横向上补零充位,消除信号在二维变换时造成的时空域的混跌和泄漏;在设计自适应极化滤波因子时,针对复杂波场中波的偏振方向的不确定性问题,本文通过计算相邻道信号偏振投影的最大互相关系数,确定波的跟踪分量;把波的跟踪分量作为极化滤波因子里的期望方向,改进常规滤波因子,实现自适应极化滤波.对理论模型和实际资料的处理结果表明,该方法理论正确,实际资料的处理效果也得到了明显的改善.     

多维分形奇异功率谱分析与应用

地球物理信号中普遍含有噪声，消除噪声是地球物理信号处理中的关键技术之一.奇异功率谱分析（SSA）是在状态空间（又称相空间）中研究（系统）动力学、非线性科学与混沌现象的方法.本文在状态空间中通过SSA分解，研究、应用地球物理序列的尺度不变性进行多维分形滤波：通过在状态空间的SSA分解，构造了经验正交函数系（EOF）；在EOF子空间中定义了两种尺度与测度后，发现了两种测度与尺度皆在多个尺度范围内存在尺度不变性；利用这种尺度~测度的尺度不变性，设计、实现了多维分形奇异功率谱(MSSA)滤波模型；处理解释了大洋钻探（ODP）1143A孔岩芯自然反射性（NGR）资料；Fourier功率谱分析结果证明，MSSA能有效地压制噪声，提取有用信号.研究得出，嵌入维数对MSSA基本无影响（小于1/1000），多维分形滤波器（MSSA）能有效压制噪声或提取有用信号.     

GOCE引力梯度的频谱分析及滤波

GOCE卫星提供的梯度数据含有非常大的低频误差,如何处理这种误差是GOCE数据处理中最为关键的工作之一.本文根据GOCE卫星的运行情况,首先分析了梯度数据的频率特性,推导了频率与阶次的对应关系;并在此之上,介绍了针对低频误差的滤波方法,即移去恢复和向前向后滤波方法,前者可解决滤波中的低频信号损失问题,后者则主要解决了滤波中的相位漂移问题.最终结果表明:引力梯度的时间频谱与球谐展开中的阶次虽不是一一对应的,但各阶所对应的最大截止频率与阶次却有一定的显式表达.同时也表明,本文所采用的滤波方法是有效的,达到了消除低频误差但保留观测频段信号的目的.     

数学形态滤波与大地电磁噪声压制

数学形态滤波是一种新型的非线性滤波方法.介绍了形态学滤波的基本原理,针对大地电磁信号表现出的非线性、非平稳性和非最小相位特性,综合结构元素特征我们提出一种基于数学形态滤波的大地电磁噪声压制方法.为了有效抑制目标信号中的噪声干扰及修正统计偏倚现象,通过选用合理的结构元素及形态开-闭、闭-开组合,将正、负结构元素级联构造组合广义形态滤波器对实测大地电磁信号进行噪声压制.实验结果表明,该方法是切实可行的,有效地剔除了大尺度干扰及基线漂移,较好地还原了大地电磁信号的原始特征,修正了标准形态算子所产生的统计偏倚现象,去噪精度高.该方法计算速度快,具有潜在优势,为矿集区海量大地电磁信号与强干扰的分离提供了一条新的途径,应用前景广阔.     

时频峰值滤波去噪技术及其应用

本文将时频峰值滤波(TFPF)去噪技术应用于共炮点地震资料的随机噪声压制.时频峰值滤波技术是通过频率调制将信号调制成解析信号的瞬时频率,利用解析信号的Wigner-Ville分布的峰值进行瞬时频率估计,恢复有效信号,与其它去噪方法相比,TFPF具有在较少的约束条件下压制强随机噪声的优点.本文针对实际地震资料的非线性特性,利用加窗的Wigner-Ville分布实现TFPF,使得地震信号在一个窗长内近似满足线性瞬时频率条件,减小由地震信号非线性引起的偏差.本文对共炮点地震记录做时频峰值滤波处理,滤波结果表明在地震勘探资料中存在强随机噪声的情况下,利用局部线性化处理的时频峰值滤波技术可以有效地压制地震资料中的随机噪声,恢复出湮没在随机噪声中的地震反射信号.信噪比提高3～6 dB.     

基于SW统计量的自适应时频峰值滤波压制地震勘探随机噪声研究

由于金属矿区地震记录中随机噪声性质复杂且信噪比低,常规降噪方法难以达到预期的滤波效果.时频峰值滤波(TFPF)方法是实现低信噪比地震勘探记录中随机噪声压制的有效方法,但其在复杂地震勘探随机噪声下时窗参数优化问题仍难以解决.本文充分利用地震勘探噪声的统计特性,结合Shapiro-Wilk(SW)统计量辨识地震勘探记录中的微弱有效信号,提出基于SW统计量的自适应时频峰值滤波降噪方法(S-TFPF).在S-TFPF方案中,对于有效信号集中区,S-TFPF方法根据信号频率特征,选择有利于信号保持的较短时窗长度;对于噪声集中区,按噪声方差自适应增加时窗长度,增强随机噪声压制能力.S-TFPF应用于合成记录和共炮点记录的滤波结果表明,与传统时频峰值滤波方法相比,S-TFPF方法可以有效抑制低信噪比地震勘探记录中的随机噪声,更好地恢复出同相轴.     

Fractal analysis applied to faults and earthquakes——A case study of China

Ｆｒａｃｔａｌａｎａｌｙｓｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｆａｕｌｔｓａｎｄｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ———ＡｃａｓｅｓｔｕｄｙｏｆＣｈｉｎａＪＩＡＮＷＡＮＧ（王建）ＸＩＡＯＨＵＡＺＨＵ（朱晓华）ＹＯＮＧＨＵＩＸＵ（徐永辉）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｇ...     

Fractal analysis applied to faults and earthquakes—A case study of China

The characteristics and correlation of faults and earthquakes are discussed based on fractal and statistical analysis of the earthquakes in the last 500 years and the active faults in China. It is found that fractal relationship exists between the frequency and the length of the active faults, and the fractal dimension is 1.70 in the continental region of China, and 1.40 in the northwest China. The fractal relationship also exists between the frequency and the scales of earthquakes during the last five centuries and the fractal dimension is 1.30 for the whole continental region of China and 1.08 for the northwest China. The differences of the fractal dimensions between the active faults and the earthquakes indicate that some of the active faults have not caused earthquakes during the last 500 years. The differences of fractal dimensions of the active faults and earthquakes between the northwest China and the whole continental region of China suggest that the frequency of strong earthquakes is greater in northwest China than that of the average level of China, because the number of longer active faults is larger in northwest China than that of the average in whole China. Thus, the fractal analysis is an effective method for studies of faults and earthquakes.     

Fractal interrelationships between topography and structure

Factal interrelationships between topography and structure are investigated in two areas of the North American central Appalachian Mountains: one in the intensely deformed Valley and Ridge province and the other in the relatively undeformed foreland area of the Appalachian Plateau province. In the Valley and Ridge province the fractal dimensions of topographic and structural relief vary systematically along the strike of major folds following a second-order polynominal trend. Cross-correlation of the fractal dimensions of topography to structure indicates that there is a significant positive correlation between the two. Fractal analysis of topography in the relatively undeformed foreland area of the Appalachian Plateau revealed no significant variation in the fractal characteristics of topography across the study area, consistent with the lack of near-surface structure. However, fractal analysis of deeper structures beneath the Plateau area undertaken using reflection seismic data revealed step-wise increases in fractal dimension from the deeply buried Precambrian basement to the near-surface. These vertical changes in fractal dimension can be related to the tectonic history of the area. Taken together, these studies indicate that fractal analysis provides a means to quantify and compare the influence of near-surface structure on topographic development and lateral and vertical structural variability. Fractal analysis provides a means to characterize the systematic changes in the complex patterns formed by topography and structure and the interrelationships between them. Similarity in their fractal characteristics implies similarity in the relative amplitude and abundance of different wavelength features in the topographic or structural profile. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

宇宙分维构造及其数学基础

探讨了宇宙分维构造的形式,给出了分维微积分及分形测度的数学基础,包括分维导数及分维微积分的表述形式、分维微分方程的规整空间积分解、分形测度的分维微积分定义及自相似分形的测度计算方程．作为诠释,探讨了原子核内中子与质子的趋势关系方程,以及其周期解和原子序数极限值。     

模糊分维及其在地震研究中的某些应用

在模糊集理论与分形理论的基础上,引进了模糊分维的概念;给出了模湖容量维D₀与模糊关联维D₂的定义与确定方法;讨论了模糊分维与常用的分维（清晰分维）的关系.给出了模糊分维在地震研究中的应用结果: 1.根据模糊容量维D₀随时间的上升趋势变化,可以划分出大地震活动的高潮期;由模糊容量维D₀与模糊关联维D₂随时间变化的曲线,可以分析识别大地震前的中长期前兆异常. 2.根据模糊容量维D₀随空间和时间的变化,可以划分出未来大震所在的地区,并可发现大震前数年D₀呈现增大或减小的趋势. 3.根据前兆数据的模糊时间分维D₀随时间的变化,可以发现大地震的短期前兆异常.     

分形几何的数学基础及其在地震预报中的应用

本文就地震预报中常用的分形几何中的几个数学概念做了简要的介绍，包括测度，豪斯道夫维数、计盒维数等，并介绍了有关维数的性质和估计方法。作者试图通过了这些数学概念的简要介绍，使读者对分维有更准确的理解。     

Study on Self-Affine Fractal and Multi-Fractal Features of Geomorphic System in the Tianshan Area of Xinjiang Region, China

In this paper, we use the standard deviation method and the fixed mass method to study the self-affine fractal and multi-fractal features along two topographic profiles across different tectonic-geomorphic elements in the Tianshan area of Xinjiang region, China. The results show that in the studied scaling range, the two profiles display different scaling fractal features, and the form and value range of multi-fractal spectra Dq also show different characteristics. The study suggests that the landforms are not completely random, but are deterministically random. The fractal dimension values in different scaling ranges express the mode, intensity and spatial dimension of the endogenic and exogenic processes. Meanwhile, a boundary point between the macroscopic and microscopic scales of geomorphic process is suggested to be about 5km. These results are of significance in quantitative study of geomorphic dynamics.     

云南地区强震前时空强分维特征

本文以标度变换法、相关函数法、最小二乘法分别计算时间分维D_t、空间分维D_s、强度分维D_m(b值),系统清理了云南地区1976年以来6级以上强震前时空强分维的变化特征,表明强震前的降维现象是普遍存在的,但各次强震前的异常三要素又表现出复杂的多样性。结果还表明,强震前小震活动在时间分布上的明显不均匀性主要表现在强震孕育地区,而在空间分布上的明显不均匀性却主要表现在强震孕育的外围地区。     

地震波形的分形判别与特征提取

研究地震波的复杂性和它的自相似性以及计算地震道时间序列分数维等一系列特征问题,能得出地震波在复杂构造及断点位置的一系列特征,能轻易地实现地震道异常点的计算机自动拾取。对更深入地研究地震波和更准确地解释地震资料,会有很大的帮助。本文提出了计算地震道分数维的一般方法。实验表明地震道时间序列的分数维在异常点会具有不同的数值,其变化点能够定量指示出异常的准确位置。这对更精确的研究时间剖面上断点及不同地质构造变化有着非常重要的意义。