專利名稱：消除地震數(shù)據(jù)中的多普勒相位色散的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震探測(cè)法勘察海底的領(lǐng)域。在過去，大部份用脈沖源進(jìn)行海洋地震的探測(cè)。然而，由于多種原因，人們業(yè)已增加了采用海中震動(dòng)器的興趣。原因在于震動(dòng)器可以容易地調(diào)整，使其輸出的能量能適合于特定探測(cè)目的，而這點(diǎn)脈沖源難以實(shí)現(xiàn)。
由于在信號(hào)處理過程中采用相關(guān)步驟，震動(dòng)器得到的數(shù)據(jù)就對(duì)許多類型的噪聲脈沖(包括來自其它船員的投射，來自船舶航道，鉆探機(jī)及海洋動(dòng)物活動(dòng)的聲響)的敏感程度而言，要比由脈沖源得到的數(shù)據(jù)小得多。兩個(gè)震動(dòng)源可以用正交掃頻函數(shù)同時(shí)工作，并且可以用單個(gè)接收電纜同時(shí)從兩個(gè)相鄰的測(cè)震航線獲得數(shù)據(jù)，而無需交替地觸發(fā)兩個(gè)信號(hào)源以協(xié)調(diào)射擊點(diǎn)的間距。因?yàn)檎饎?dòng)器的輸出分布在一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間間隔內(nèi)，因此其峰值電平要比具有相當(dāng)強(qiáng)度的電平的脈沖源小得多，這就減小了對(duì)環(huán)境的可能的影響。
在海中實(shí)施的通常模式中，地震探測(cè)船、地震信號(hào)源和接收機(jī)在水中不斷地移動(dòng)，隨之將數(shù)據(jù)記錄下來。由于這種運(yùn)動(dòng)，由地震信號(hào)源發(fā)射和由接收機(jī)檢測(cè)的震動(dòng)信號(hào)中可能存在多普勒頻移。然而，校正地震數(shù)據(jù)的多普勒頻移的影響的方法在此以前還不曾公知。
本發(fā)明是用于減小在檢測(cè)到的地震探測(cè)信號(hào)中由發(fā)射信號(hào)的多普勒漂移引起的相位失真的一種方法。為了校正該色散，用一個(gè)算子對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積運(yùn)算。由特定的發(fā)射信號(hào)和船速來求出該算子。通常在頻率波數(shù)域中確定算子，因此為完成對(duì)算子的卷積，可以將地震數(shù)據(jù)變換到頻率波數(shù)域。然后，變換后的數(shù)據(jù)再變換到時(shí)-空域。也可以將確定的算子變換到時(shí)一空域，然后在時(shí)一空域中進(jìn)行卷積運(yùn)算。


圖1表示水底的地震信號(hào)的射線路徑。
圖2a、2b和2c示出了掃頻信號(hào)的多普勒頻移。
圖3是地震信號(hào)源和接收機(jī)靜止時(shí)的地震數(shù)據(jù)模型。
圖4是地震信號(hào)源和接收機(jī)以常速運(yùn)動(dòng)時(shí)的地震數(shù)據(jù)模型。
圖5表示相角色散。
圖6在K-ω平面上給出了一條直線，該直線代表了全部反射海床都有某一特定傾斜。
圖7是圖4所示的經(jīng)相位校正后的地震數(shù)據(jù)模型。
圖8給出了對(duì)相位色散校正前的海底地震探測(cè)震動(dòng)器數(shù)據(jù)。
圖9給出了對(duì)相應(yīng)色散校正后的圖8的地震數(shù)據(jù)。
圖10給出了相位色散校正前的圖8的數(shù)據(jù)的詳細(xì)情形。
圖11給出了相位色散校正后圖10的數(shù)據(jù)。
圖12給出了相位色散校正前的圖8的數(shù)據(jù)的另一詳細(xì)情形。
圖13給出了相位色散校正后的圖12的數(shù)據(jù)。
圖14給出了由圖12震動(dòng)器數(shù)據(jù)所示的同一個(gè)水底區(qū)域的氣槍數(shù)據(jù)。
術(shù)語“多普勒頻移”通常用來說明信號(hào)發(fā)射或接收期間因發(fā)射機(jī)和(或)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)所引起的在接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻差的術(shù)語。當(dāng)把震動(dòng)源用作為海洋地震信號(hào)源時(shí)，在地震信號(hào)發(fā)射期間，如果信號(hào)源或檢測(cè)器正在運(yùn)動(dòng)，那末將會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移。而且，即使信號(hào)源和接收機(jī)都由同一艘船牽引，并且其相對(duì)速度為零，傾斜的水下反射交界面仍將產(chǎn)生多普勒頻移。這種現(xiàn)象可由圖1說明。大多數(shù)地震探測(cè)法勘察海底是通過在一艘船后面以固定速度牽引地震源和檢測(cè)器來完成的，本發(fā)明將首先就這種操作予以說明。
這里所用的術(shù)語“震動(dòng)器”或“震動(dòng)源”定為在通常為幾秒的一段時(shí)間里發(fā)射頻率成分選定的地震信號(hào)的地震源。上述這些信號(hào)可以是正弦波信號(hào)，或可以大體上是方波信號(hào)，也可以是其它形狀的脈沖信號(hào)。這些由信號(hào)源所發(fā)射的地震信號(hào)通常是掃頻信號(hào)，由于信號(hào)的基本頻率一般將從一個(gè)所選定的頻率開始，而后從這個(gè)開始頻率掃到不同的終止頻率。頻率隨時(shí)間的變化可以是線性的，也可以是非線性的。在某些情況下，可能希望發(fā)射單一頻率的正弦信號(hào)、方波信號(hào)或其它形狀的脈沖信號(hào)。這里所用的術(shù)語“掃頻信號(hào)”包括這些信號(hào)。
圖1中，3代表海中地震探測(cè)電纜線，4代表海洋地震源。3和4均由地震探測(cè)船牽引穿過水體2。圖1畫出隨著地震源從第一個(gè)位置4a牽引到第二個(gè)位置4b時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)的地震源的情況。從位置4a發(fā)射的地震信號(hào)沿射線軌跡6a和8a分別傳送到水下交界面10和12。從位置4b發(fā)射的地震信號(hào)沿射線軌跡6b和8b傳送。可以看出對(duì)于從與地球表面相平行的一個(gè)交界面的反射來說，地震信號(hào)沿路徑6a和6b傳送的距離將是一樣的。因此，就不存在多普勒效應(yīng)。然而，由于反射交界面12的傾斜，射線路徑8b比射線路徑8a要長。因而，隨著地震源從位置4a運(yùn)動(dòng)到4b，接收機(jī)在電纜上檢測(cè)到的信號(hào)頻率將低于地震源發(fā)射的信號(hào)頻率。若反射交界面反向傾斜，則將導(dǎo)致檢測(cè)頻率增大。
多普勒頻移信號(hào)的發(fā)射頻率fs與接收頻率fr有關(guān)，其關(guān)系式為
fr＝fs(1+δ) (1)在這里，δ是多普勒系數(shù)。
在海中，當(dāng)?shù)卣鹪春蜋z測(cè)器都由船牽引時(shí)，用地震源發(fā)射并用檢測(cè)器檢測(cè)的海底地震信號(hào)的最大多普勒系數(shù)等于2Vb/Vp。在這里，Vb為船速，而Vp為水中的聲速。
如果只是地震源或者檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)，此時(shí)最大多普勒系數(shù)等于Vb/Vp。在這里，Vb代表正在運(yùn)動(dòng)的地震源或者檢測(cè)器的速度。在記錄數(shù)據(jù)期間，地震探測(cè)船維持大約為5浬(2.57米/秒)的典型速度。由于Vp大約為1500米/秒，在記錄的海洋數(shù)據(jù)中可能會(huì)遇到最大的多普勒系數(shù)約為0.0034。假若海洋地震探測(cè)震動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)從10Hz掃到60Hz的信號(hào)，那末在掃頻頻率的二端可以觀測(cè)到發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率偏移在0.034Hz到0.204Hz之間。
圖2a、2b和2c說明多普勒頻移對(duì)地震數(shù)據(jù)的影響。圖2a表示在10秒的時(shí)間內(nèi)從第一頻率f1掃到第二頻率f2的發(fā)射地震信號(hào)或探測(cè)地震信號(hào)。在圖2a中，地震源和接收機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)距離保持不變，因此接收的信號(hào)和發(fā)射的信號(hào)具有相同的形式。接收的信號(hào)延遲了一段從地震源傳播到接收機(jī)的時(shí)間。但此延遲時(shí)間在整個(gè)掃頻期間將是不變的。
圖2b表示了相同的探測(cè)掃頻。圖2b還表示出在信號(hào)發(fā)射和接收期間，由于信號(hào)傳輸路程的逐漸縮短而引起接收信號(hào)改變的情況。由于傳輸路程的縮短，地震源和接收機(jī)之間的傳送時(shí)間以及接收信號(hào)頻率也將發(fā)生改變。圖2c將圖2b中的接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)作了比較?？梢姡邮招盘?hào)的頻率隨時(shí)間增長的速度比發(fā)射信號(hào)快。可以理解假如發(fā)射信號(hào)路程是增加而不是減少，那末接收信號(hào)的頻率的增長速度就要比發(fā)射信號(hào)慢。如圖2c所示，由多普勒頻移引起的相位失真可以用下列關(guān)系式表示φ(f)360°f△t(2)在這里φ(f)為相位失真。它是在將接收信號(hào)在時(shí)間上作了移動(dòng);使信號(hào)接收起點(diǎn)與信號(hào)發(fā)射的起點(diǎn)在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)以后，發(fā)射信號(hào)達(dá)到某一頻率時(shí)的相位與接收信號(hào)達(dá)到這一頻率時(shí)的相位之差。
f為頻率△t為發(fā)射信號(hào)達(dá)到某一頻率的時(shí)間與接收信號(hào)達(dá)到這一頻率的時(shí)間之差。
探測(cè)掃頻信號(hào)的斜率等于△f/△t，也等于(f2-f1)/T。在這里，T是掃頻信號(hào)的時(shí)間寬度。所以，φ(f)同樣可以用下式表示φ(f)＝360°f△fT/f2-f1，以及因?yàn)椤鱢＝δfφ(f)＝360°f2δT/(f2-f1) (3)對(duì)于從10Hz掃至60Hz，而多普勒系數(shù)為0.0034的探測(cè)信號(hào)，在60Hz上的相移，根據(jù)等式(3)計(jì)算等于880°。甚至十分之一這樣大的相位偏移都將會(huì)明顯地改變反射情況的特性。
為解析地確定多普勒系數(shù)對(duì)地震數(shù)據(jù)的影響建立了一種模型。在該模型中，將傾斜的海底看作為一系列分布十分接近的點(diǎn)衍射器。將地震源和接收機(jī)之間的相對(duì)位置保持不變，用模擬牽引地震源和接收機(jī)通過每個(gè)點(diǎn)衍射器來計(jì)算每個(gè)點(diǎn)衍射器的響應(yīng)。將所模擬的接收信號(hào)與探測(cè)掃頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)就得出一個(gè)作為地震源一接收機(jī)相對(duì)位置為某一值時(shí)點(diǎn)衍射器響應(yīng)的模型的選排(gather)。把一段中的所有單個(gè)點(diǎn)衍射器響應(yīng)加起來就得出該傾斜段的不變相對(duì)位置的響應(yīng)。
當(dāng)?shù)卣鹪春?或)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然模擬所錄取的一個(gè)點(diǎn)衍射器的掃頻信號(hào)要比地震源和(或)接收機(jī)不運(yùn)動(dòng)時(shí)要更復(fù)雜，但這樣一個(gè)所錄取的掃頻信號(hào)可以用信號(hào)的傳播路程的幾何關(guān)系和假設(shè)的船速來模擬。計(jì)算每段發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間來構(gòu)成接收信號(hào)的形式。
圖3和圖4表示若干不同傾斜的反射段的模擬結(jié)果。圖3的模型為地震源和接收機(jī)的速度皆為零，地震源和接收機(jī)之間的相對(duì)位置也為零。圖4的模型為地震源和接收機(jī)之間的相對(duì)位置為零，但地震源和接收機(jī)以5節(jié)(2.57米/秒)的速度被牽引通過水中。通過計(jì)算接收的波形和將該波形與發(fā)射波形相關(guān)得出圖3和圖4的數(shù)據(jù)。在圖3和圖4中，模型的每段頂部的深度均為500米，其地震信號(hào)的速度假定為1500米/秒。各段所跨的水平距離為200米。
比較圖4和圖3中的弱波可以看出由多普勒效應(yīng)引起的相位色散。傾斜0°的地方設(shè)有色散。正如圖4所明顯看到的，傾斜角增加，色散也相應(yīng)地增加。
圖5較為定量地表示了相位色散的情況。該圖表示作為頻率和反射交界面的傾斜角的函數(shù)的一組相位曲線。該圖是用下面的方法畫出來的從圖3選擇一些具體的掃描，求出這些掃描中弱波的相位逆弱波(注相位逆弱波的相位與弱波相反，)，將這些逆弱波與圖4中相應(yīng)的具有多普勒頻移的掃描進(jìn)行卷積，然后把結(jié)果轉(zhuǎn)換到頻率域內(nèi)。圖5與方程3一致，表示了相位色散隨著頻率和傾斜角的增加而增加。
人們已經(jīng)確定由傾斜的海底反射和由運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)接收并由同樣速度運(yùn)動(dòng)的地震源發(fā)射的失真信號(hào)波形與從不運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中接收和發(fā)射無失真信號(hào)有關(guān)。這正如ts(Vb≠0)＝ts(Vb＝0)(1+δ) (4)在這里，ts表示失真時(shí)間。也就是說，用非失真波形和以t(1+δ)代替t來模擬失真波形。所以，能將這種失真的效果看成時(shí)間失真或者頻率偏移。
根據(jù)下述步驟來開發(fā)校正多普勒效應(yīng)的算子1.依據(jù)等式(4)導(dǎo)出探測(cè)掃頻信號(hào)的時(shí)間失真的模型;
2.將失真掃頻信號(hào)與非失真探測(cè)掃頻信號(hào)相關(guān);以及3.形成互相關(guān)弱波的相位逆弱波。
相位逆弱波就是所要求的算子。將這個(gè)算子與數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積就可消除地震數(shù)據(jù)中的相位色散。
這一校正方法需要知道多普勒系數(shù)。為使此法能應(yīng)用于一組數(shù)據(jù)，對(duì)于這組數(shù)據(jù)中的每一種反射情況都必需確定多普勒系數(shù)。
已經(jīng)解析地確定多普勒系數(shù)僅僅取決于發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)在水層中的方向，而不取決于在這些方向上的任何變動(dòng)，這種變動(dòng)在水下是可能發(fā)生的，也已確定，多普勒系數(shù)只是船速和地震信號(hào)的時(shí)間傾斜的函數(shù)。多普勒系數(shù)為
δ＝Vb(Δt)/(ΔY) (5)在這里， (Δt)/(ΔY) 是時(shí)間傾斜。
從等式(3)和(5)，可見多普勒效應(yīng)只是頻率和傾斜的函數(shù)。因?yàn)槿绱?，所以校正相位色散的算子可以很方便地在K-ω(波數(shù)頻率)域中產(chǎn)生。在時(shí)間距離域中，恒定的相對(duì)位置數(shù)據(jù)段是一些情況的混合物。然而，在K-ω或頻率域中，地震數(shù)據(jù)段的每一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于唯一的頻率和傾斜。因此，相位色散能按如下的方法進(jìn)行校正1.在K-ω(波數(shù)頻率)域中計(jì)算相位校正算子;
2.將恒定相對(duì)位置的地震數(shù)據(jù)段轉(zhuǎn)換到K-ω域;
3.施加相位校正算子;以及4.將校正后數(shù)據(jù)變回到時(shí)間距離域。
對(duì)一組具體的地震數(shù)據(jù)作多普勒頻移校正的算子可以用下面在數(shù)字計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的程序來導(dǎo)出。執(zhí)行在此所規(guī)定的各步的計(jì)算機(jī)程序能由那些具有該技術(shù)一般技巧的人來設(shè)計(jì)，因此不包括在本發(fā)明里。
設(shè)F(K，ω)表示K-ω域中的所要求的算子。
1.預(yù)置F作為一個(gè)全通濾波器。在這里，F(xiàn)(K，ω)＝1+jo，K和ω為任意值。其中j＝-1]]>。
2.啟動(dòng)傾斜循環(huán)。
dip＝(i-1) (dipmax)/(N) i＝1-N (6)
在這里，N為所計(jì)算的傾斜的數(shù)目(典型數(shù)據(jù)為25～35)。dipmax為地震數(shù)據(jù)中最陡的傾斜，以(秒/掃描)計(jì)。
3.計(jì)算第一個(gè)第第i個(gè))所選擇的傾斜的多普勒系數(shù)δi＝ ((-Vb)dipi)/(△Y) (7)在這里，△Y為掃描間隔(米/掃描行程)Vb為船速(米/秒)注意根據(jù)時(shí)間傾斜的定義來確定符號(hào)。如果在船運(yùn)動(dòng)的方向上，情況是向下傾斜，則時(shí)間傾斜假定為正。
4.設(shè)V(t)為探測(cè)掃頻信號(hào)，用t(1+δ)取代t對(duì)第一個(gè)所選傾斜計(jì)算失真了的掃頻信號(hào)Vs(t)Vs(t)＝V〔t(1+δi)〕 (8)5.將探測(cè)掃頻信號(hào)與第一個(gè)所選傾斜的失真了的掃頻信號(hào)相關(guān)，以產(chǎn)生出相關(guān)弱波W(t)W(t)＝Vs(t)V(t)(9)6.把相關(guān)弱波轉(zhuǎn)化到頻率域W(ω)＝∫∞∞W(t)e-jwtdt (10)7.計(jì)算W(ω)的復(fù)數(shù)共軛W＊(ω)8.對(duì)所選傾斜來計(jì)算作為ω的函數(shù)的K值
K＝1+2(dipi)(ω) (Kmax)/(2π) (11)看圖6，在波數(shù)頻率域中，該傾斜的特點(diǎn)是沿著一條徑向直線下降。由圖6，該射線的方程式可以寫成K＝1+ (f)/(fa) Kmax(12)術(shù)語fa一般稱作“空間混淆頻率”。該fa為一般熟悉該技術(shù)的人們所共知，而且能在許多教科書中找到。例如，在《地球內(nèi)部的成象》(J.F.Claerbout)一書中的259頁就能看到。
fa＝ (水平相位速度(米/秒))/(2(掃描間隔)(米/掃描))＝1/2dip，在這里dipi為(秒/掃描)因?yàn)閒＝ω/2π，所以，從等式(10)可以得到等式(11)。1+Kmax值只取決于需變換的數(shù)據(jù)組的量。一般熟悉該技術(shù)的人們均知1+Kmax＝N/2，在這里N等于數(shù)據(jù)組中掃描的次數(shù)。
9.確定算子系數(shù)。從0到2πf0之間來選擇ω值。選擇這樣的ω值為的是覆蓋住被震動(dòng)器掃頻信號(hào)所占有的頻帶寬度。f0是由掃描的抽樣時(shí)間間隔確定的奈魁斯特頻率。
由上面步驟7中計(jì)算的復(fù)數(shù)共軛，代入所選擇的ω值計(jì)算出算子的系數(shù)。由式(11)，根據(jù)所選的傾斜算出與所選的ω值相應(yīng)的K值就確定了所計(jì)算得的系數(shù)在K-ω網(wǎng)格中的位置。
10.對(duì)于步驟2中計(jì)算的每一個(gè)傾斜值都重復(fù)步驟3到9。
11.對(duì)于尚未計(jì)算但又為完全該信息組所必需的算子的系數(shù)從所計(jì)算得的這些算子系數(shù)內(nèi)插得出。
算子對(duì)地震數(shù)據(jù)的作用算子用于對(duì)一段地震數(shù)據(jù)的處理如下設(shè)Sbc(x，t)為歸一化的時(shí)間距離狀態(tài)的地震數(shù)據(jù)。
1.把數(shù)據(jù)Sbc(x，t)變換到K-ω域Sbc(K，ω)＝∫∞∞∫∞∞Sbc(X，t)e-j(kx+ωt)dxdt2.通過將數(shù)據(jù)值乘以在K-ω網(wǎng)格每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上的算子的值來實(shí)現(xiàn)相位校正濾波器對(duì)地震數(shù)據(jù)的卷積運(yùn)算。
Sac(K，ω)＝F(K，ω)
Sbc(K，ω)3.把Sac(K，ω)變回到時(shí)間域Sac(x，t)＝∫∞∞∫∞∞Sac(K，ω)ej(kx+ωt)dkdω另一種方法是，所導(dǎo)出的濾波器可以被變換到時(shí)間距離域。在時(shí)間距離域?qū)Φ卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行如下的卷積1.f(x，t)＝∫∞∞∫∞∞F(K，ω)ej(kx+ωt)dkdω2.設(shè)Sbc(x，t)為相位校正前的地震數(shù)據(jù)。為完成地震數(shù)據(jù)的相位校正，因而進(jìn)行兩維(2-D)卷積Sac(x，t)＝∫∞∞∫∞∞Sbc(x′，t′)f(x-x′，t-t′)dx′dt′為完成地震數(shù)據(jù)的校正，不論把相位校正濾波器變換到時(shí)間距離域，還是把校正濾波器的數(shù)據(jù)變換到頻率波數(shù)域，這二種處理都是效的。
如等式(5)所表明在地震源-接收機(jī)相對(duì)位置不變的數(shù)據(jù)段中，多普勒系數(shù)僅僅是船速Vb和反射情況的時(shí)間傾斜△t/△Y的函數(shù)。多普勒效應(yīng)明顯地不取決于相對(duì)位置或地震信號(hào)的速度。為了校正地震源-接收機(jī)相對(duì)位置不變的數(shù)據(jù)段，對(duì)于每種掃頻形式和船速僅需一個(gè)二維(2D)的K-ω相位校正算子。然而如果在相同的數(shù)據(jù)段內(nèi)相對(duì)位置有所變化，那末這些相同項(xiàng)將得到不同的相位處理，這樣，為了對(duì)相位失真進(jìn)行精確相關(guān)，在數(shù)據(jù)存放前和在進(jìn)行改變反射情況傾斜的其它各處理步驟前先要對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
如果一種情況的時(shí)間傾斜隨相對(duì)位置只是稍微有點(diǎn)變化，那末通過將K-ω相位算子作用于經(jīng)歸-化校正和存放的數(shù)據(jù)就可以近似地校正多普勒相位色散。在相對(duì)位置很遠(yuǎn)的情況下，僅是從淺灘的反射大體上不用校正，海洋數(shù)據(jù)組的這部分?jǐn)?shù)據(jù)一般也沒有什么噪聲，顯著具有淺灘目標(biāo)層的測(cè)量或?qū)⒈惶幚沓删_的振幅-相對(duì)位置的信息的測(cè)量最好在存放前就進(jìn)行相位色散的校正。
在對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正以前，應(yīng)該研究一下傾斜反射的情況以便確定是否其中一些傾斜反射空間上余混淆在一起?？臻g上被混淆意味著在相對(duì)位置方向上(即空間)數(shù)據(jù)采樣過粗。由于這種過粗的采樣，在空間上混淆的情況中會(huì)出現(xiàn)較高的頻率，使傾斜度與正真的傾斜度不同。這樣的混淆過程得不到合適的相位校正，因?yàn)樵撨^程不映射到K-ω域所要求的位置上。為糾正混淆的問題，或者在一個(gè)更細(xì)的掃瞄間隔內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行內(nèi)插，或者在某些處理階段對(duì)該數(shù)據(jù)加低通濾波器。
圖7是圖4的一個(gè)相位校正模型。兩圖對(duì)照表明。應(yīng)用相位校正算子消除了由多普勒效應(yīng)引起的相位色散。同樣可以證明同樣的算子用于非零相對(duì)位置的數(shù)據(jù)段時(shí)，能像用于零相對(duì)位置的數(shù)段一樣很好地工作。
已在墨西哥灣記錄了一些試驗(yàn)航道，在該試驗(yàn)中應(yīng)用了《數(shù)字式航海用震動(dòng)源形成的頻譜》這一資料上所論述的震動(dòng)源。該資料發(fā)表于地球物理學(xué)家研究協(xié)會(huì)，新奧爾良(美國港口)，1987.第7次年度國際會(huì)上。圖8為其中一條從路易斯安那州沿海的南巴斯海域出發(fā)的航道的一個(gè)多普勒相位校正之前的圖形，而圖9則是相位校正之后的圖形。這航道是用在相位校正前以斜率為6dB/倍頻程從7.5赫掃到100赫的10秒掃頻信號(hào)得到的。在圖8和9中，船速從左向右為4.7浬(2.42米/秒)。
在4毫秒的采樣周期里完成數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包括信號(hào)存放之前的逐個(gè)掃描的增強(qiáng)疊加和傾斜消除，同時(shí)，信號(hào)存放之后的時(shí)變頻譜白化、自動(dòng)增益補(bǔ)償以及時(shí)變通帶濾波。
圖8和9表示多普勒效應(yīng)產(chǎn)生傾斜反射的情況中一個(gè)向上的相位色散，此時(shí)船的運(yùn)動(dòng)為向上傾斜。多普勒效應(yīng)產(chǎn)生傾斜反射的情況中一個(gè)向下的相位色散，此時(shí)船的運(yùn)動(dòng)為向下傾斜。在中等深度處，例如鹽丘右側(cè)區(qū)和左側(cè)區(qū)邊緣，陡的傾斜反射情況的相位色散是十分顯著的。在深處，由于頻率較高，所以鹽丘右側(cè)和左側(cè)邊緣兩個(gè)區(qū)域由于受到的最大相位色散沒有多大的不同，這里沒有給出。
圖10、11、12和13展示了圖8和9所示數(shù)據(jù)中部的兩個(gè)區(qū)域的詳細(xì)情況。在此，多普勒相位色散更為明顯。圖10和11展示了圖9中以字母A所示數(shù)據(jù)的放大。而圖12和13展示了圖9中以字母B所示數(shù)據(jù)的放大。(圖10)為未校正的數(shù)據(jù)，圖中表示出在1.5秒處鹽丘右邊緣上部的衍射是若干并行的序列。而在相位校正之后(圖11)，其衍射呈現(xiàn)為一個(gè)單一個(gè)情況。最陡的傾斜反射情況，請(qǐng)看圖12和13，其相位色散是最嚴(yán)重的。與圖13中經(jīng)相位校正的情況相比，圖12中相位未校正的情況是以若干短周期的并聯(lián)。多普勒相位校正消除迅相位色散，同時(shí)它還強(qiáng)制反射情況變得具有更敏銳、聚焦更好的特性。
圖14表示氣氣槍操作人員攝取的與圖12和13所示相同區(qū)域的一張近視圖。圖14中傾斜得很的反射情況并沒有色散。通過比較可得出反射情況的用震動(dòng)器取得的圖在相位校正后與用氣槍取得的圖相似，而比沒有相位校正的要好得多。
對(duì)于用地震探測(cè)船來牽引地震源和接收機(jī)通過水體的情況，在此已敘述了本發(fā)明的優(yōu)選具體裝置。對(duì)只是地震源運(yùn)動(dòng)或只是檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)的地震探測(cè)操作，在地震數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)相同的相位失真?？衫蒙鲜龅南嗤椒▉頊p小相位失真。應(yīng)該注意對(duì)于地震源和接收機(jī)不是兩者都不運(yùn)動(dòng)或兩者都以相同的速度運(yùn)動(dòng)的情況，由0°傾斜的水下交界面反射的地震信號(hào)中也將出現(xiàn)多普勒相位色散。
對(duì)于地震源正在運(yùn)動(dòng)而地震接收機(jī)不運(yùn)動(dòng)的情況，在應(yīng)用相位校正算子之前，應(yīng)將記錄的地震信號(hào)應(yīng)組織成普通接收機(jī)的選排。對(duì)于地震源不運(yùn)動(dòng)而接收機(jī)正在運(yùn)動(dòng)的情況，在運(yùn)用相位校正算子之前，應(yīng)將記錄的地震信號(hào)組織成普通觸發(fā)點(diǎn)的選排。在上述兩種情況中，數(shù)據(jù)存放前應(yīng)完成相位失真校正。
為了解釋起見本發(fā)明的說明帶有一定程度的特殊性。對(duì)于熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人來說，本發(fā)明可作各種改變，但仍在所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.海底地震探測(cè)法包括以一個(gè)大體上固定速度牽引震動(dòng)的地震源和安裝有地震信號(hào)檢測(cè)器的檢測(cè)電纜穿過水體；用上述震動(dòng)的地震源發(fā)射掃頻信號(hào)；用上述地震檢測(cè)器檢測(cè)上述掃頻地震信號(hào)；記錄所檢測(cè)的地震信號(hào)；以及將一個(gè)算子與記錄的地震信號(hào)進(jìn)行卷積，以便減小檢測(cè)到的地震信號(hào)的失真。而這種信號(hào)的失真是由掃頻信號(hào)從傾斜的水下反射交界面的反射所引起的。
2.權(quán)利1的方法進(jìn)一步包括在頻率波數(shù)域中確定算子;將記錄的地震信號(hào)變換到頻率波數(shù)域;以及將其中所說的算子與頻率波數(shù)域中記錄的地震信號(hào)進(jìn)行卷積。
3.一種減小地震信號(hào)中的失真的方法，這些地震信號(hào)是在船以一個(gè)所選速度牽引上述地震源或檢測(cè)器，又或者地震源和檢測(cè)器兩者通過水體的時(shí)候，用震動(dòng)的地震源重復(fù)發(fā)射所選掃頻地震信號(hào)和用地震檢測(cè)器檢測(cè)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的所說的失真是由于信號(hào)傳輸期間從地震源到水下反射交界面并返回檢測(cè)器的傳送路線長度的改變而引起的，該減小地震信號(hào)失真的方法包括開發(fā)一種對(duì)所選掃頻信號(hào)和所選速度的相位校正算子;以及將相位校正算子與記錄的地震信號(hào)進(jìn)行卷積。
4.權(quán)利3的方法里，相位校正算子在頻率波數(shù)域中開發(fā)。將記錄的地震信號(hào)變換到頻率波數(shù)域，以便將相位校正算子與記錄的地震信號(hào)進(jìn)行卷積。
5.權(quán)利3的方法里，相位校正算子在頻率波數(shù)域內(nèi)開發(fā)，并且將相位校正算子變到時(shí)間距離域，以便使相位校正算子與記錄的地震信號(hào)進(jìn)行卷積。
6.一種減小一些地震信號(hào)中的失真的方法，這些地震信號(hào)是在船以一個(gè)所選速度牽引地震源或檢測(cè)器，又或者地震源和檢測(cè)器兩者通過水體的時(shí)候，用震動(dòng)的地震源重復(fù)發(fā)射所選掃頻地震信號(hào)和用地震檢測(cè)器重復(fù)檢測(cè)發(fā)射信號(hào)來產(chǎn)生的，信號(hào)的失真是由于在地震信號(hào)傳輸期間從地震源到水下反射交界面并返回檢測(cè)器的傳送路徑長度的改變而引起的。該減小地震信號(hào)失真的方法包括通過對(duì)多個(gè)所選時(shí)間傾斜計(jì)算由于該所選時(shí)間傾斜而引起的發(fā)射掃頻信號(hào)的失真形狀來開發(fā)一種相位校正算子;將每個(gè)失真的掃頻信號(hào)與發(fā)射掃頻信號(hào)相關(guān)，以產(chǎn)生許多相關(guān)的弱波;將相關(guān)的弱波變換到頻率域;在頻率域中產(chǎn)生相關(guān)弱波的復(fù)數(shù)共軛;對(duì)每個(gè)所選的傾斜值，確定相應(yīng)的波數(shù)值K和頻率ω;在頻率波數(shù)域內(nèi)對(duì)于相應(yīng)的K和ω值計(jì)算相位校正算子的系數(shù);以及將檢測(cè)的地震信號(hào)與相位校正算子進(jìn)行卷積。
7.權(quán)利6的方法進(jìn)一步包括在將相位校正算子與所檢測(cè)的地震信號(hào)進(jìn)行卷積之前，將相位校正算子變換到時(shí)間距離域。
8.權(quán)利6的方法進(jìn)一步包括將檢測(cè)的地震信號(hào)變換到頻率波數(shù)域;通過將變換后的地震信號(hào)的數(shù)據(jù)值乘以頻率波數(shù)網(wǎng)格中相應(yīng)位置上的相位校正算子的系數(shù)，將相位校正算子與變換后的地震信號(hào)進(jìn)行卷積。以及將卷積后的地震信號(hào)變回到時(shí)間距離域。
9.一種減小一些地震信號(hào)中的失真的方法，這些地震信號(hào)是正船以一個(gè)所選的速度牽引地震源或檢測(cè)器，又或者地震源和檢測(cè)器兩者通過水體的時(shí)候，用震動(dòng)的地震源重復(fù)發(fā)射所選的掃頻地震信號(hào)和用地震檢測(cè)器重復(fù)檢測(cè)發(fā)射信號(hào)來產(chǎn)生的，所說的失真是由于在信號(hào)傳輸期間從地震源到水下反射交界面并返回檢測(cè)器的傳送路徑度的改變而引起的，該減小地震信號(hào)失真的方法包括將一種相位校正算子與所記錄的地震信號(hào)進(jìn)行卷積，這種相位校正算子是由下列在數(shù)字計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的程序開發(fā)的。(a)預(yù)置F(K，ω)為一個(gè)全通濾波器。F(K，ω)＝1+jo，其中K和ω為任意值，在此，j=-1]]>;(b)啟動(dòng)傾斜循環(huán)。dipi＝(i-1) (dipmax)/(N) ，i＝1～N在此，N為所選擇的傾斜數(shù)。而dipmax為地震數(shù)據(jù)中最陡的傾斜，以(秒/掃描)計(jì);(c)對(duì)第一個(gè)所選的傾斜dip1計(jì)算多普勒系數(shù)δi＝ ((-Vb)dipi)/(△Y)在此δ為多普勒系數(shù)Vb為船速△Y為地震數(shù)據(jù)掃描間的間隔，以(米/掃描)計(jì);(d)在定義所選擇的信號(hào)的式中，以t(1+δi)取代t，對(duì)第一個(gè)所選擇傾斜計(jì)算失真了的掃頻信號(hào)Vs(t)＝V〔t(1+δi)〕在此V(t)為失真了的掃頻信號(hào)V(t)為發(fā)射的掃頻信號(hào)(e)對(duì)第一個(gè)所選擇的傾斜將失真的掃頻信號(hào)與發(fā)射掃頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，以便產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)后的弱波W(t)W(t)＝Vs(t)
V(t)在此，
表示相關(guān)操作;(f)將相關(guān)后的弱波變換到頻率域W(ω)＝∫∞∞W(t)e-jωtdt;(g)計(jì)算W(ω)的復(fù)數(shù)共軛W＊(ω)。在此，＊表示復(fù)數(shù)共軛;(h)對(duì)所選擇的傾斜，計(jì)算出作為頻率ω函數(shù)的波數(shù)值KK＝1+2(dipi)(ω)(Kmax)/2π在此，Kmax＝ (N)/2 -1，而N為所用的地震數(shù)據(jù)掃描次數(shù);(i)計(jì)算算子的系數(shù);(j)對(duì)于每個(gè)選擇的傾斜均重復(fù)程序(c)～(i);(k)從計(jì)算出的算子的系數(shù)中插入完成要求信息組所需要的各各個(gè)附加系數(shù)，以便形成上述相位校正算子。
10.權(quán)利9的方法進(jìn)一步包括將所記錄的地震信號(hào)從時(shí)間距離域變換到頻率數(shù)域;在頻率波數(shù)域中，將相位校正算子與變換后的地震信號(hào)進(jìn)行卷積;以及將卷積后的地震信號(hào)變回到時(shí)間距離域。
11.權(quán)利9的方法進(jìn)一步包括將相位校正算子從頻率波數(shù)域變換到時(shí)間距離域。在時(shí)間距離域中，所記錄的地震信號(hào)與相位校正算子進(jìn)行卷積。
12.一種減小地震信號(hào)中的失真的方法，這些地震信號(hào)是在船以一個(gè)選擇的速度牽引地震源或檢測(cè)器，又或者地震源和檢測(cè)器兩者通過水體的時(shí)候，用震動(dòng)的地震源重復(fù)發(fā)射所選擇的掃頻率地震信號(hào)和用地震檢測(cè)器重復(fù)檢測(cè)發(fā)射信號(hào)來產(chǎn)生的，地震信號(hào)的失真是由于在信號(hào)傳輸期間從地震源到水下反射交界面并返回檢測(cè)器的傳送路徑的長度的改變而引起的。該減小地震信號(hào)失真的方法包括用下列數(shù)字計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序來確定相位校正算子(a)予置F(K，ω)為全通濾波器。F(K，ω)＝1+jo，其中K和ω皆為任意值。而j＝-1]]>-1;(b)啟動(dòng)傾斜循環(huán)。dipi＝(i-1) (dipmax)/(N) ，i＝1～N在此，N為所選擇的傾斜的數(shù)目。而dipmax為地震數(shù)據(jù)中最陡的傾斜，以(秒/掃描)計(jì);(c)對(duì)第一個(gè)所選擇的傾斜dip1計(jì)算多普勒系數(shù)δi＝ ((-Vb)dipi)/(△Y)這里δ為多普勒系數(shù)Vb為船速△Y為地震數(shù)據(jù)掃描間的間隔，以(米/掃描)計(jì);(d)在定義所選擇的信號(hào)的等式中，以t(1+δ)取代t來計(jì)算對(duì)于第一個(gè)所選擇的傾斜的失真了的掃頻信號(hào)Vs(t)＝V〔t(1+δi)〕這里，V(t)為失真的掃頻信號(hào)V(t)為發(fā)射掃頻信號(hào);(e)對(duì)第一個(gè)所選擇的傾斜將失真的掃頻信號(hào)偏差與發(fā)射掃頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，以便產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)的弱波W(t)W(t)W(t)＝Vs(t)
V(t)這里
表示相關(guān)操作;(f)將相關(guān)弱波變換到頻率域W(ω)＝∫∞∞W(t)e-jωtdt(g)計(jì)算W(ω)的復(fù)數(shù)共軛W＊(ω)。在這里，＊表示復(fù)數(shù)共軛;(h)對(duì)所選擇的傾斜計(jì)算出作為頻率ω函數(shù)的波數(shù)值KK＝1+2(dipi)(ω) ((Kmax))/(2π)在此，Kmax＝ (N)/2 -1，N為所用的地震數(shù)據(jù)的掃描次數(shù);(i)計(jì)算算子系數(shù);(j)對(duì)于每個(gè)所選擇的傾斜均重復(fù)程序(c)～(i);(k)從計(jì)算出的控制器系數(shù)中插入完成要求信息組所需要的各個(gè)附加系數(shù)，以便產(chǎn)生相位校正算子;將所記錄的地震信號(hào)從時(shí)間距離域變換到頻率數(shù)域;在頻率波數(shù)域中相位校正算子與變換后的地震信號(hào)進(jìn)行卷積;以及將卷積后的地震信號(hào)變回到時(shí)間距離域。
全文摘要
本發(fā)明是減小由發(fā)射信號(hào)的多普勒頻移引起的檢測(cè)地震信號(hào)相位失真的一種方法。為了校正信號(hào)的相位色散，用一個(gè)算子與地震數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積。由特定的發(fā)射信號(hào)和船速來確定該算子。一般在頻率波數(shù)域中確定該算子。為完成這個(gè)卷積，可以將地震數(shù)據(jù)變換到頻率波數(shù)域。然后，變換后的數(shù)據(jù)還可以變回到時(shí)間距離域?；蛘呤钦f，所確定的算子可以被變換到時(shí)間距離域，并在時(shí)間距離域中完成卷積。
文檔編號(hào)G01V1/38GK1032459SQ8810697
公開日1989年4月19日 申請(qǐng)日期1988年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月28日
發(fā)明者威力阿姆·H·德拉貢斯特 申請(qǐng)人:韋斯頓阿特拉斯國際公司