地震数据处理与时频分析可视化工具箱

资 源 简 介

本工具箱是一款专为地球物理研究与石油地震勘探设计的集成化软件环境，其核心目标是提供一套高效、灵活的语言框架，用于处理海量的地震反射及折射数据。 在读取功能方面，系统深度支持SEG-Y、SU以及GRD等国际标准地震数据格式，具备自动解析卷头、道头信息的能力，能够快速将原始二进制流转化为MATLAB可操作的矩阵结构。 在绘图展示方面，工具箱实现了多样化的地震剖面可视化功能，包括传统的变面积显示（Wiggle）、灰度图像显示以及彩色合成渲染，支持用户实时调整增益控制（AGC）与绘图窗口参数，以满足对地下细微特征

详 情 说 明

地震数据处理工具箱 - 基于MATLAB的一体化分析平台

项目介绍

本项目是一款专为地球物理研究与石油地震勘探设计的集成化MATLAB工具箱。它为研究人员和工程师提供了一个高效、灵活的语言框架，旨在处理海量的地震反射及折射数据。该工具通过模拟生成地震记录、读取标准格式文件、应用信号增强算法以及多维度的时频分析，实现了从原始数据到高质量地下结构成像的完整工作流。

功能特性

1. 多格式数据读取与模拟：模拟生成包含多个反射层的合成地震记录，并提供符合SEG-Y国际标准的读取接口逻辑，支持地震卷头、道头信息的解析。
2. 信号增强处理：集成自动增益控制（AGC）与数字滤波技术，能够有效识别弱信号并压制环境噪声。
3. 高级时频分析：支持全序列频谱分析、短时傅里叶变换（STFT）及连续小波变换（CWT），多维度刻画信号的非平稳特性。
4. 专业可视化引擎：提供灰度图像、彩色渲染以及符合行业标准的变面积波形（Wiggle）显示方法。
5. 预留进阶处理能力：框架内嵌了动校正（NMO）与反褶积（Deconvolution）的逻辑接口，支持后续算法扩展。

系统实现逻辑详述

工具箱的核心处理流程分为五个阶段，每个阶段均在主程序逻辑中得到严格执行：

1. 数据生成与获取逻辑 系统首先定义采样频率（1000Hz）、偏移距、道数等核心参数。通过物理建模模拟出三个具有不同层速度和零偏移时间的双曲反射层。每一道信号通过在特定双曲时距处加载雷克（Ricker）子波生成，模拟真实地下波场传播。随后引入高斯白噪声以还原真实的野外采集环境。

2. 自动增益控制（AGC）实现 针对地震波随深度增加而产生的能量衰减问题，系统采用滑动时间窗（默认100ms）计算信号的均方根（RMS）包络。通过将原始信号除以该包络值，实现对弱反射信号的动态增强，确保浅部与深部反射特征在可视化时均具有清晰的对比度。

3. 数字滤波处理 利用4阶巴特沃斯（Butterworth）带通滤波器（20-80Hz）对增益后的数据进行二次加工。该步骤使用双向零相位滤波技术（filtfilt），在有效滤除高频随机噪声和低频背景干扰的同时，确保地震层位的时间位置不发生相位偏移。

4. 信号变换分析

• 频谱分析：利用快速傅里叶变换（FFT）提取中心道的幅频特性。
• STFT分析：采用汉宁窗对信号进行分段处理，揭示主频随时间演化的趋势。
• CWT分析：基于Morlet小波基函数，通过多尺度卷积计算生成小波能量谱，提供比STFT更高精度的时频分辨率，用于细微地质特征的识别。

5. 剖面可视化渲染 系统在一个集成窗口中展示六个子图。其中，变面积（Wiggle）显示逻辑通过手动计算道间距，并使用填充算法将正振幅区域涂黑，完美复现了传统纸质记录记录的视觉效果。

关键函数与算法分析

• 变面积绘制算法 (plot_wiggle)：这是地震学特有的绘图方式。算法通过对每一地震道进行偏移缩放，利用patch函数对正相位部分进行多边形填充，兼顾了波形细节与整体剖面趋势。
• 连续小波变换 (calculate_cwt)：不同于调用现成的工具箱，代码内部实现了基于复Morlet小波的尺度分解逻辑。通过构造不同尺度的子波算子并与地震信号进行卷积，获取信号在不同频段的能量分布。
• SEG-Y 解析逻辑：函数模拟了大端格式（Big-Endian）的数据读取流程。它遵循SEG标准，分别处理3200字节的文本卷头、400字节的二进制卷头以及每道240字节的道头，通过二进制流式读取（fread）将磁盘上的点转换成MATLAB矩阵。
• 动校正接口 (nmo_correction)：提供了一种基于双曲时差公式的重采样框架，旨在消除偏移距对反射时间的影响，为后续的水平叠加提供基础。

使用方法

1. 环境配置：启动MATLAB，将相关脚本文件置于当前工作目录中。
2. 参数自定义：用户可根据任务需求修改采样参数（fs, nt, nx）或滤波器频段。
3. 运行程序：在命令行输入主函数名称并回车。
4. 交互观察：程序将自动弹出可视化窗口。用户可以通过图形界面的缩放工具观察不同偏移距下的反射同相轴，并对比STFT与CWT在刻画薄层信号时的差异。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 依赖项：基础模块运行无需第三方库；进阶频谱分析建议安装信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）。
• 硬件建议：由于地震数据处理涉及大量卷积计算，建议内存不低于8GB。