可控震源采集技术(编辑修改稿)

可控震源采集技术(编辑修改稿)内容摘要：

示相对频带宽度，因此有： ROCT＝ log2（ FH／ FL） （ 11） 或可表示为： ROCT＝（ lg（ FH／ FL）） / lg2 （ 12） ⑹ 扫描信号瞬时频率 f（ t）： 扫描信号瞬时频 率定义为在扫描期间，任意瞬时信号的频率，它可表示为： f（ t）＝ F1177。 kt 0 ≤ t ≤ TD （ 13） 式中若取正号时为升频扫描，取负号则为降频扫描。 线性扫描信号在地震勘探中得到广泛应用是由于线性扫描信号的自相关子波形状接近于雷克子波，此外，在实际应用中，线性扫描信号的参数设计和调整比较简单方便，可控震源机械 液压系统易于响应实现。 相关技术 可控震源的连续扫描振动技术之所以能够在地震勘探领域中取得成功，一个重要的原因就是对可控震源地震数据相关分析技术的应用。 一张炸药记录是由以直达波、反射波、折射波和其它信号波经各种传播途径到达检波器构成。 这些信号幅值各异，相位和极性不同的信号在被检波器接收到之后，形成最终记录。 地震信号记录表明了有许多信号由反射产生，这些信号在速度上会有所差别。 地层与地层间波传播速度的不同，以及地层密度的差异会使地层形成具有一个反射层，且不同的反射层将具有不同的反射系数。 可控震源为了产生足够能量的地震波信号，需采用长时间扫描振动，这个扫描时间往往比最深目的层的反射时间还要长。 所以，从各个地层反射回来的信号就会重叠干扰，形成很复杂的波形，如图 2 6所示。 图中第 1 道表示地层反射特性曲线，第 2 道为传入大地的可控震源信号，第 5 道分别表示几个地层反射信号。 这些反射信号在时间上相互重叠、干涉后形成如图中第 6 道所示曲线，这就是可控震源原始记录。 显然，这样的记录无法用于解释。 若将可控震源原始记录变为可用于解释的、类似于炸药震源的记录，将淹没在相互干涉信号中震源反射信号恢复出来，就需对可控震源原始记录做相关处理。 图 2 6 可控震源相关记录形成示意图 当使用连续振动方法进行地震勘探时，只要扫描信号中所包含的信 号频率成分能被可控震源送入大地，并进行波的传播和反射，则由检波器接收到的连续振动信号与扫描信号相关后，将会产生一个含有与原来扫描信号相同频率，相同极性以及与炸药脉冲信号幅值相对应的相关子波。 这是可控震源施工方法的最大优点之一，这样就可使地震信号能够满足不同信号频谱的需求。 下传的扫描信号 检波器接收到的反射回来的扫描信号 相关器输出信号 T0 负相关噪音 正相关噪音 当检测到检波器中接收到的信号与扫描信号相同时，相关器会输出一个极大值脉冲 R1 R2 R3 R1 R2 R3 1 2 3 4 5 6 7 8 图 27通过相关处理过将埋藏在 “ 噪音 ” 中的信号恢复出来 因为一个正常的可控震源地震记录是由地下各主要反射层扫描信号之和构成的，而无单独的反射信号显现出来。 而在普通爆炸震源中，所有信号频 率在同一时刻在震点处产生，在地震波中，包含了穿过地层中的所有信号。 这些地震波经反射后被记录在记录载体上。 如若从滤波的角度考虑问题，我们可以发现任何波形都可以将它们分解成若干个单一频率和相位的信号，由这些信号构成最终的地震波形。 我们现在假设：地震波在地层中开始传输前，我们已将信号波形分解，如果可以将每个频率信号都可以将波形分解，再将这些分解后的波形，即各个单频信号加一个时间延迟并逐一将这些信号传入大地，就可得到一个反射扫描信号而不是一个爆炸脉冲波形。 相关器的主要作用是在地震数据采集系统中实现对检波器拾取的 原始地震数据与参考信号相关和数据迭加处理的功能，它只是由不同延迟算子构成的系统，并不改变系统输入 输出信号的信号噪音水平，但是，相关器在改变信号的峰值振幅与平均噪音水平之比却非常有效。 因此，相关器在对信号的处理时只是增强了信号的有效幅值部分，而对于信号噪音部分则不加改变。 在可控震源技术的应用中，对于一个给定的扫描信号，若要增强扫描信号能量，则要采用增加扫描信号长度或震源数量的方法。 事实上，可控震源只有采用足够长的扫描信号才能得到足够的下传能量。 因此，相关器输出信号峰值振幅的改善与扫描信号长度有关。 相关的实现 什么是相关。 实质上，相关处理是一种数字滤波。 相关是比较两个波形相似程度的数学方法，它所解决的问题是在什么时候两个波形最为相似。 相关在许多技术领域有着广泛的应用。 相关实际上是一种数字滤波处理技术，它的作用主要是： （ 1） 脉冲压缩；利用相关处理可将延续时间较长的信号压缩成持续时间较短的相关子波信号。 （ 2） 滤波作用；相关对与信号不相干的噪音具有很强的滤波作用，可以用来提高被噪声淹没信号的信噪比。 在对地震记录处理解释时，常常需要比较两个波形之间的相似性。 如何定量衡量两个波形之间的相似性，这就是相关分析所要解决的问题。 因此，相关的基本思想是比较两个波形的相似程度。 它的数学表达式为： ab（ ） =∫a （ t） b（ t+） dt（ 14） 在进行相关处理时，即比较两个波形的相似性的过程中，先固定两个波形中的一个，另外一个波形以 τ 值为步长，在时间轴上依次滑过。 按照相关运算规则，相关图形中各点幅值大小为对应两个波形样点幅值相乘累加的结果。 当一个波形在滑动时，两个波形都试图在相对的波形中找到与自身波形相同或相似的地方，以此类推，最终得到互相关函数。 当两个波形有完全相同的形态时，相关函数将出现一个最大值，反之，则出现一个 较小值。 相关实现的过程如图 26。 从相关的数学表达式中可以看出，相关的运算过程就是通过对应每次 τ 值的采样点的相乘（ a0b0、 a1b „ ，如图 28所示）并将每次所得到的结果相加，得到一个新的序列（ c0、 c c2„ ，）。 如果固定二个波形中的一个，另外一个以 τ 值为步长在时间轴上依次滑过，最终得到互相关函数。 图 28 相关实现过程 a0a1a2a3a4a(k) s a mpl e kamplitudes a mpl e kb0b1b2b3b4b(k)amplitudec0c1 c2c(k)amplitudes a mpl e k 图 29 相关过程 在可控震源应用过程中，显然：  a（ k） =检波器接受的信号 =采集长度  b（ k） =参考信号 =扫描长度  c（ k） =a(k)与 b(k)的互相关结果 =记录长度 = a(k)b(k)+1个 样点 在相关处理的过程中，参考信号与检波器信号的相关结果以每个采样率为 τ 值进行计算，直到移到记录长度为止。 有时，可将记录长度看作听时间，这也是为什么记录长度与扫描听时间一样长的原因，因为相关结果是在这个记录长度内计算的。 记录长度与相关记录长度之间的关系见图 210。 图 210 扫描信号长度、记录长度与相关记录长度之间的关系 相关函数子波的特性 对检波器接收信号与参考信号进行互相关处理过程如图 211所示： 扫描信号 ( a) ( b) ( d) T0 检波器接收的信号 ( c) 相关过后的震源记录 ( e) 检波器接收的信号 以 τ 为时移量 滑动 图 211 互相关实现过程 图 211 中（ a）为检波器接收到的信号。 该信号是各个不同反射信号之和。 从零时刻起，我们开始滑动扫描信号（ b），即进行检波器接收信号与参考信号进行互相关处理。 时移量 τ 将表示反射波的旅行时间，对信号进行互相关处理后得到的相关子波脉冲说明了检测到了扫描信号的存在，第二个相关反射脉冲也以同样方法得到。 因此，与相关前信号相比，我们可以看出在信号道（ e）中，相关处理极大改善了检波器信号的信噪比。 正如我们从波形中所看到的那样，频率成份不相同的两个信号波形没有或者有着很小的相关量，所以互相关处理实 际上是对扫描信号中没有共同存在的频率信号成份进行滤除的一个过程。 若两个信号不相同，则为互相关函数。 对互相关函数，有以下几点结论： 互相关则有以下性质： 检波器接收的信号 扫描长度 听时间 12s 3s * * 相关参考信号 = = = C0 C1 Cn 3s /.../ SR shift 1） 在 τ ＝ 0 时，互相关函数 Φab （ τ ）不一定具有最大值。 一般情况下，互相关函数 Φab （ τ ）在某个 τmax 值时，才达到最大值。 2） 一般情况下， Φab （ τ ）不是关于 τ 的偶函数。 3） 互相关函数 Φab （ τ ）只包含有信号 a（ t）与 b（ t）中所共有的频率成份。 这一性质表明相关具有较强的滤波作用。 我们可以利用互相关函数这一性质选择扫描信号频率，压制环境噪声干扰。 与相关前信号相 比，相关将显著地改善检波器所接收到信号的信噪比。 同时也可以看出，在两个信号没有频率相同的地方，相关结果将近似为零，可以认为相关运算将扫描信号中没有用的频率成分全部滤掉了，因此，相关处理具有滤波作用。 当二个波形有完全相同的形态时，互相关函数出现一个大值，反之则表现为一个小值。 如果两个波形完全相同，互相关函数则变成自相关函数，该函数在时移轴零时刻处具有最大相关值。 在图 211中，表示了通过自相关函数的计算，对信号进行相关处理的一个例子。 自相关函数实际上就是将互相关处理中两个不同的波形换成两个完全相同波形得到的。 换句话说，对两个不同的信号进行相关，就称为互相关；对两个相同的信号进行相关，就称为自相关。 自相关函数的定义： 若在式（ 14）中，令 a（ t）＝ b（ t），则有： Φaa （ τ ）＝ Σa （ t） a（ t+τ ）（ 15） 称 Φaa （ τ ）为 a（ t）的自相关函数。 自相关过程可以认为是在每个样点上，分别计算出两个信号波形在纵坐标的乘积值，然后将它们求和，这个过程应在一个固定扫描信号的扫描长度内进行。 在扫描信号（ 2）起点处，图中信号（ 1）和（ 2）间的相关结果就等于 A。 因此，我们可以将与扫描信号时移相对应的相关值绘制出来，这就是 信号道（ 6）中的 A点。 在扫描信号时间轴上逐点滑动，我们可以分别计算出两个波形乘积值的和（图 310 中的 B， C和 D点），即自相关值，然后波形得到自相关函数（ 15）。 (5) 扫描信号 (1) (3) T0 下传扫描信号 (4) 自相关 (2) * = (6) A B C D 以 τ 为时移量 滑动 图 212 自相关函数 由图 310 中的波形（ 6），我们可以知道： （ 1） 两个频率不相同的波形之间没有或有很小的相关量； （ 2） 扫描信号的自相关函数在较大时移处（ A和 D处）具有很小的相关量。 对于信号（ 1）和（ 3）而言，在纵坐标上，它们具有相同零点值，且每个乘积值又为正值，因此，乘积值求和后所得到的相关值 最大，由此得到相关时移为零的自相关函数值 B。 自相关函数在零时移的相关值大小表示了扫描信号的能量。 自相关函数左右对称并在零点处出现最大值。 t ab (t ) 图 213 自相关子波 对于自相关波形，有以下几点结论： 1） 在自变量 τ ＝ 0时，自相关函数有着正的最大值。 这一点由图 311 可知，当 τ＝ 0时，两个波形完全相同并且重叠，相似程度最大，因此 Φaa （ 0）为最大。 自相关函数子波在 τ ＝ 0 点处的振幅值代表了扫描信号相关子波的能量。 换句话说，自相关子波的最大值即中心波峰幅值等于扫描信号的总能量。 2） 自相关函数 Φaa （ τ ）是 τ 的偶函数 ，也即自相关子波是一个关于坐标中心轴对称的波形。 3） 当 τ→+∝ 时，一般而言，自相关函数 Φaa （ τ ）趋向于 0。 这是因为在实际应用中，我们所研究的扫描信号波形持续时间总是有限长度，当 τ→+∝时，两个波形将不再重叠，完全分开，亦即两个波形毫无相似性可言，自相关函数值就为 0。 4） 自相关函数 Φaa （ τ ）的波形与信号 a（ t）本身波形无关，而只与信号中所包含的频率成份有关，也就是说频率分量相同而波形不同（即振幅谱相同，而相位谱不同）的两种信号可以有完全相同的自相关函数。 两个信号相关的特性 1）两个相位相差 90176。 的扫描信号进 行相关后，它们的互相关子波为一个关于原点对称波形， 如 图 312 所示： 图 214 相位相差 90176。 的两个扫描信号的互相关子波 从相关波形上可以看出该相关子波中间的波峰与波谷的信号幅值相等，波形中没有类似自相关子波的主波峰。 2）一个 1040Hz 的扫描信号与一个 30Hz 正弦波相关后，得到一个 30Hz 的正弦波。 在相关波形中仅含有两个信号所共有的 30Hz 频率成份，因此，相关后得到一个 30Hz 的正弦波。