（地球探测与信息技术专业论文）基于预测滤波的谐波干扰压制方法研究.pdf

m e t h o do fh a r m o n i cn o i s ee l i m i n a t i o nb a s e do n i t se s t im a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h o ux u e f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iz h e n c h u n c o l l e g eo fg e o - r e s o u r c e sa n di n f o r m a t i o n c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( h u a d o n g ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 烨 日期：b 序多月工日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存 学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：。，年多月咱 日期：斗d 年莎月 耖日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存 学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：一 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 摘要 在可控震源地震勘探的过程中，由于可控震源机械系统、液压伺服系统的非线性以 及震源与大地耦合等因素的影响，在可控震源地震勘探中谐波干扰不可避免。尤其是当 采用可控震源高效采集时，如滑动扫描采集、v 1 采集等，由于当前炮不等前一炮扫描结 束就已经开始激发，导致前后两炮甚至几炮的数据部分叠加在一起，在传统的相关过程 中，当前炮的谐波就可能会污染前一炮甚至前几炮的数据，严重降低了资料的信噪比， 影响了资料的品质。 因此通过一定的方法来消除或者压制可控震源勘探中的谐波干扰，对于地震资料后 续的处理具有重要的意义。本文从谐波干扰产生的机理入手，详细分析了可控震源谐波 干扰产生的主要原因及其主要特点。通过研究表明对于滑动扫描资料，谐波干扰分为两 部分，炮记录本身含有的谐波干扰和相邻炮之间的邻接干扰，而且后者的能量远大于前 者，因此对滑动扫描资料的处理也主要放在对后者的压制上。在此基础上，研究了多种 谐波干扰压制的方法，主要分为三类：时频域分析法，预测相减法和反褶积的方法。本 文在假设地层介质是线性弹性的以及震源平板是刚性的，可以忽略平板弯曲作用力的前 提下，提出了基于预测滤波的谐波干扰压制方法。该方法通过预测滤波算子，利用震源 力信号估测谐波分量，从地震道记录中减去估测出来的谐波分量，从而达到消除谐波干 扰的目的。该方法既可以对相关前的数据进行处理，也可以对相关后的数据进行处理， 而且该方法在消除谐波干扰的同时，对有效信号的损害比较小。通过对仿真数据和实际 数据进行测试，表明该方法算法稳定，运算效率较高，基本上可以满足目前野外生产日 以万炮的需求。 关键词：谐波干扰，滑动扫描，预测，纯相移，时频分析 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fv i b r o s e i s a c q u i s i t i o n ，d u et o t h en o n l i n e a re f f e c t so fv i b r a t o r s m e c h a n i c a ls y s t e ma n dh y d r a u l i cs e r v os y s t e ma n dt h ec o u p l i n gw i t ht h ee a r t h ，t h eh a r m o n i c s a r eu n a v o i d a b l e p a r t i c u l a r l yw h e nh i g he f f i c i e n c yt e c h n i q u e sa r eu s e dt os p e e du pt h e v i b r o s e i sa c q u i s i t i o n ，s u c ha st h es l i ps w e e pt e c h n i q u ea n dv1t e c h n i q u ea n ds oo n ，o n e v i b r a t o rg r o u ps t a r t ss w e e p i n gw i t h o u tw a i t i n gf o rt h ep r e v i o u sg r o u p ss w e e pt ot e r m i n a t e ， r e s u l t si nt w oo re v e ns e v e r a lr e c o r d sf r o md i f f e r e n ts h o t sa r eo v e r l a p p e dt o g e t h e r t h r o u g h t h et r a d i t i o n a lc o r r e l a t i o np r o c e s s ，t h eh a r m o n i c so ft h ec u r r e n ts h o tw i l lc o n t a m i n a t es e v e r a l p r e v i o u ss h o t s ，a n dc a n c a u s ear e m a r k a b l ed e c r e a s eo ft h es i g n a l t o n o i s er a t i o t h e r e f o r e ，e l i m i n a t i n go rs u p p r e s s i n gt h eh a r m o n i c st h r o u g hs o m ec e r t a i nm e t h o dw i l l h a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ef o l l o w i n gd a t ap r o c e s s i n g t h i sp a p e rf i r s t l yg i v e sdd e t a i l e d a n a l y s i so ft h ec a u s e sa n dt h ef e a t u r e so ft h eh a r m o n i c s r e s e a r c hs h o w st h a tf o rt h es l i p s w e e pd a t at h eh a r m o n i c sc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h eh a r m o n i c sc o n t a i n i n gi nt h e c u r r e n ts h o ti t s e l fa n dt h eh a r m o n i c si n t e r f e r e n c ef r o ma d ja c e n ts h o t s ，a n dt h ee n e r g yo ft h e l a t t e ri sm u c h l a r g e rt h a to f t h ef o r m e r ，s oi nt h ep r o c e s s i n gw em a i n l ys u p p r e s st h eh a r m o n i c s o ft h el a t t e r b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，w es t u d ys e v e r a lm e t h o d so fh a r m o n i c s e l i m i n a t i o n ，w h i c hc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：m e t h o d so ft i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ， m e t h o d so fs u b t r a c t i o no nt h eb a s eo fe s t i m a t i o na n dm e t h o d so fd e c o n v o l u t i o n a s s u m i n g t h em e d i u ms t r a t u mi sl i n e a ra n de l a s t i c ，a n dt h ep l a t ei ss t i f fw h i c hm e a n st h eb e n d i n gf o r c e c a nb ei g n o r e d ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h em e t h o do f s u p p r e s s i o nh a r m o n i c sb a s e do ne s t i m a t i o n t h i sm e t h o du s e st h eh a r m o n i c sp r e d i c t i o no p e r a t o r ( h p o ) f r o mt h eg r o u n df o r c et oe s t i m a t e t h eh a r m o n i cc o m p o n e n t s ，a n dt h e ns u b t r a c tt h eh a r m o n i c sf r o mt h er e c o r d t h i sm e t h o dc a n d e a lw i t ht h eu n c o r r e l a t i o nd a t aa n dt h ec o r r e l a t i o nd a t a , a l s ot h i sm e t h o dw i l ln o td a m a g et h e e f f e c t i v es i g n a l sw h e ne l i m i n a t i n gt h e h a r m o n i c s t h et e s t so fs y n t h e t i c _ d a t a _ a n d t h e r e a ld a t a s h o wt h a tt h em e t h o di ss t a l ：i l ea n de f f i c i e n t ，a n dc a nm e e tt h ed e m a n d so ft h ec u r r e n tf i e l d p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：h a r m o n i c s ，s l i ps w e e p ，p r e d i c t i o n ，p u r ep h a s es h i f t ，t i m e f r e q u e n c y a n a l y s i s 目录 第一章引言1 1 1 论文的选题背景和研究内容1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 研究内容2 1 2 可控震源地震勘探的现状3 1 2 1 为什么采用可控震源地震勘探? 3 1 2 2 可控震源地震勘探的工作原理5 1 2 3 可控震源地震勘探主要采集技术7 第二章谐波压制的理论基础1 0 2 1 谐波产生的原冈及特点1 0 2 2 谐波干扰的数学表征1 1 2 2 1 扫描信号1 1 2 2 2 定义扫描信号和谐波畸变信号1 4 2 2 3 谐波畸变信号相关特性分析1 5 2 3 滑动扫描谐波干扰分析1 8 2 3 1 滑动扫描介绍1 8 2 3 2 滑动扫描谐波干扰分析2 0 2 4 压制谐波的方法介绍2 3 2 4 1 分数傅里叶方法2 3 2 4 2 纯相移滤波器方法2 6 2 4 3 反褶积方法和h p v a 方法2 8 2 5 本章小结3 0 第三章相关法和相移法预测滤波压制谐波干扰研究3 l 3 1 相关法预测滤波压制谐波干扰3 1 3 1 1 滑动扫描实验3 l 3 1 2 谐波特点分析3 2 3 1 3 谐波消除基本原理3 3 3 1 4 数据测试3 5 3 2 相移法预测滤波压制谐波干扰3 6 3 2 1 相移法预测滤波的基本原理3 6 3 2 2 相移法压制谐波干扰的基本流程3 8 3 2 3 仿真实验4 0 3 2 4 实际资料处理4 2 第四章震源力信号预测滤波压制谐波干扰4 6 4 1 弓i 言4 6 4 2 预测滤波方法的基本原理4 7 4 2 1 定义谐波畸变扫描信号4 7 4 2 2 求取预测滤波算子4 7 4 3 方法测试4 9 4 3 1 仿真实验4 9 4 3 2 对实际资料进行处理5 0 4 4 结论5 8 第五章时频域二维互相关压制谐波干扰方法研究5 9 5 1 时频域二维互相关压制谐波干扰基本思想5 9 5 2 基于小波变换压制谐波方法研究5 9 5 2 1 引言5 9 5 2 2 离散小波变换6 0 5 2 3 基于小波变换压制谐波基本原理6 1 5 2 4 仿真实验6 2 5 3 时频域二维互相关算法压制谐波干扰本质6 3 5 3 1 对谐波干扰进行压制6 3 5 3 2 对随机噪音进行压制6 5 5 3 3 传统一维相关算法和时频域二维相关算法之间的关系6 6 5 3 4 对基于小波变换回波提取压制谐波干扰的思考6 7 5 4 认识和结论6 9 讨论和结论7 0 致谢7 l 参考文献7 2 i v 中国石油大学( 华东) 大学硕十学位论文 第一章引言 1 1 论文的选题背景和研究内容 1 1 1 选题背景 从2 0 世纪6 0 年代开始，可控震源成为地震勘探中重要的激发震源之一1 1 1 。在国际 地震勘探领域，可控震源已成为最主要的激发震源，并被广泛应用于油气勘探开发中。 近几年来，随着物探技术和物探装备的不断进步和发展，以及国家发展国民经济和战略 安全方面对能源持续的和大量的需求，地震勘探工作逐步走向高难地区。中国石油东方 地球物理公司( 以下简称b g p ) 在“十一五”规划中明确提出：“国内勘探施工可控震源应 用率要达4 0 以上”，这表明可控震源在国内勘探市场应用的步伐也将加快。同时伴随 着石油勘探逐渐走向国际市场，可控震源技术也在广泛的应用到实际的勘探中去，特别 是可控震源高效采集方式，如滑动扫描采集、v 1 采集等，大大提高了勘探效率，降低了 可控震源地震勘探的成本。因此，对可控震源的工作原理、激发参数、处理技巧等方面 进行研究，提高采集、处理可控震源数据的能力对适应国内地震勘探震的发展趋势是非 常必要的。 但是在使用可控震源进行施工时，可控震源在向地下传输扫描信号的同时，由于可 控震源机械装置和震动装置的非线性以及与大地耦合等特点，可控震源向地下输入的信 号必然存在谐波畸变。谐波畸变的存在，大大损害了可控震源资料的品质，降低了资料 的分辨犁2 - 3 1 。 尤其是为了提高生产效率，降低采集成本，采用可控震源高效采集方式时，谐波干 扰更为明显。以滑动扫描为例，它就是一种多震源激发高效采集方式。滑动扫描的基本 思想就是实现无等待激发【4 】。即一组震源在前一组震源扫描尚未结束时，就已经开始了 下一组扫描。采用这种扫描方式，大大缩短了单位时间平均每次采集数据的时间，这样 就有效的节省了震源的等待时间，提高了震源的作业效率1 5 l 。但是因为在滑动扫描记录 中因为滑动时间小于扫描时间，前后两炮的资料部分重叠在一起，在相关的过程中，后 炮的初至强能量就会干扰到前一炮或者前几炮的相关记录。 但是由于常规滑动扫描仅支持4 组震源，使得采集效率的提高仍然受到了限制。随 着配套装备技术的发展，利用g p s 时钟同步技术，加上电台的t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，分时多址连接) 技术，c g g v e r i t a s 公司在滑动扫描的基础上又成功推 1 第一章前言 出了v l 技术。该技术采用高密度炮点、加长扫描时间、单台震源来替代传统的低密度 炮点、短的滑动时问来提高整体的施工效率。都是相应的由于其扫描时间长，滑动时问 短，v 1 资料收谐波干扰影响严重【6 l 。 因此通过一定的方法，消除或压制可控震源资料中的谐波干扰，对于提升地震资料 的品质和后续的处理过程都具有重大的意义。 可控震源谐波干扰严重影响了资料的品质，降低了资料的信噪比，因此很早就引起 了人们的关注。但是国内起步比较晚，目前国内很少通过数据处理来压制谐波，主要还 是通过在采集方面进行优化来有效的对谐波进行压制。比如采取合适的采集参数，激发 合适的扫描信号等措施。在国内可控震源地震勘探主要集中在东方地球物理公司，张慕 刚、张宏乐、曹务祥、李明星等人在谐波的产生、基本特征、压制方面做了很多的工作。 这方面国外发展非常迅速，在采集中研究较多的为变相位扫描技术 7 - 1 0 l ，该技术是 指通过向地下输入不同初始相位的扫描信号，然后对采集到的道记录数据进行变相位叠 加来压制谐波干扰。但是该方法实现起来比较困难，也很难对其进行质量监控1 1 1 1 。l i 等人1 1 2 - 1 3 1 针对线性扫描方式，提出了纯相移滤波器方法。该方法通过选取一个非整次的 k 次谐波分量，利用有效信号与谐波分量相位谱的差异来实现有效信号和谐波分量的分 离。m e u n i e r l l 4 - 1 6 1 提出了一种通过预测谐波，然后在道记录中依次减去谐波的方法。它 通过相关反相关算法依次预测各谐波分量，然后在道记录中依次减去各谐波分量的方 法。2 0 0 5 年c g g y e r i t a s 公司推出了h p v a ( h i g hp r o d u c t i v i t yv i b r o s e i sa c q u i s i t i o n ， 高效震源采集) 专利技术。m o e r i g l l 7 1 提出了一种通过对相关炮记录进行谐波压制的方法， 利用负时间域的信号来作为对前一炮谐波干扰的估计，然后消除谐波干扰。m o r o 等人 1 8 - 1 9 1 通过对高次谐波正演模拟的手段，提出了基于遗传算法压制谐波干扰的方法。 每一种谐波干扰压制方法都有一定的假设条件和适用范围，因此如何找到一种运行 高效稳定，处理灵活方便的方法是处理谐波问题的关键。基于预测滤波的谐波干扰压制 方法，它通过一定的方式估算出地震资料的谐波成分，从而减去谐波分量。从理论上来 说，它不会对有效信号造成损害，可以在保证有效信号的同时，最大限度的消除谐波分 量。因此对基于预测滤波的谐波干扰压制方法进行研究，无论是对于理论土的探索还是 对于解决实际应用问题都具有重大的意义，对可控震源采集技术的发展也具有积极的推 动作用。 1 1 2 研究内容 2 中国石油大学( 华东) 大学硕上学位论文 本课题主要以基于预测滤波的谐波干扰压制方法为研究重点，同时在如何提高谐波 压制的效率方面展开研究，研究的主要内容有以下方面：( 1 ) 可控震源谐波干扰产生机 理研究；( 2 ) 压制谐波的有效实用方法研究；( 3 ) 提高压制谐波效率的方法研究。全文 共分为六章： 第一章绪论，根据前人的研究成果，介绍了可控震源谐波干扰的产生的原因，从 谐波干扰的角度，对可控震源地震勘探的现状以及谐波干扰压制方法等方面的研究现状 做了综述。 第二章谐波压制的理论基础，详细分析了可控震源谐波干扰产生的机理及其数学 表征。同时对滑到扫描采集谐波干扰进行了分析，证明了可控震源滑动扫描采集的谐波 干扰主要来自相邻炮的邻接干扰，而非炮记录本身含有的谐波干扰。对目前谐波压制的 一些方法进行了分析，像分数傅里叶方法，纯相移滤波器方法等。 第三章相关法和相移法预测滤波压制谐波干扰，介绍了相关反相关算法和相移反 相移算法，提出了基于相关法和相移法预测滤波压制谐波干扰的方法。同时，对相关法 和相移法在理论上进行了比较，证明了这两种方法的相似性。 第四章，震源力信号预测滤波压制谐波干扰方法，在假设介质是线性弹性的，震源 平板是刚性的前提下，提出了震源力信号预测滤波压制谐波干扰方法。该方法能够在保 证不损害有效信号的前提下，最大限度的消除谐波干扰，而且计算效率非常高。 第五章时频域二维互相关压制谐波干扰方法研究，这一部分主要对时频域压制谐 波干扰方法进行了尝试，证明了时频域的二维互相关算法在本质上并不能消除谐波干 扰。基于小波变换的方法，虽然在一定程度上消除了谐波成分，也是以损害资料高频成 分为代价。 第六章结论和展望，对全文进行了归纳总结，对可控震源谐波干扰处理的未来进 行了展望。 1 2 可控震源地震勘探的现状 1 2 1 为什么采用可控震源地震勘探? 在传统地震勘探领域，炸药震源一直是地震勘探最主要的震源，尤其是在国内，直 到现在，仍是以炸药震源激发为主。但是随着采集技术的发展，炸药震源越来越暴露出 一些问题。像炸药震源施工危险性比较大，成本费用较高等。更主要的问题是在无法钻 井、严重缺水地区( 如沙漠) ，困难严重，有的地区甚至不允许炸药波爆炸。另外，有 3 第一章前言 时不同爆炸点所产生的脉冲波不一致，影响记录面貌。因此在地震勘探领域，逐渐发展 了非炸药震源，特别是近十多年来，国内外这方面发展很迅速并得到广泛应用。常用的 非炸药震源有气动震源，重锤，电火花震源，可控震源等，其中可控震源的使用最为广 泛，在国际勘探领域已占到相当的比重1 2 。 为了说明可控震源的工作原理及优点，这里我们先简单讨论一下关于如何增强地震 波传播能量的问题。我们知道，根据脉冲信号总能量的计算公式，一个延续时间为 a t = t ，一f 的地震脉冲s ( t ) 的总能量为， ，2 e ，= ，s 2 ( t ) d t ( 1 1 ) ，i 通过式( 1 - 1 ) 我们可以看出，该能量的大小与信号振幅的强度和信号的延续时间 有关。所以增大有效波能量的主要途径有两个途径：一是增大信号的振幅，如恰当增加 药量；二是增大信号的延续时间t ，但延续时间的增长又降低了地震勘探的分辨能力。 而基于相关分析原理的脉冲压缩记录方法，即连续振动法( v i b r o s e is ) 表明：向地下 输入一延续时间很长的脉冲信号，记录的地震响应在资料处理阶段将其压缩成短脉冲， 从而达到既增强信号能量，又不降低分辨能力的目的。 可控震源往地下发射的正是非脉冲信号，而是一个持续时间较长、频率是时间变化 的“简谐信号 1 2 2 - 2 3 。可控震源使用液压驱动的震动器装置，将不同的压力作用在底盘 钢板上，钢板是利用车辆自身的重量与地面紧密耦合，其压力p 的变化过程满足下式： p ( f ) = a ( f ) s i n2 万嗽1 ，o + ( d r 衍) f 】 ( 卜2 ) 其中当d r d r 为正值时，为采用升频扫描信号，当d v d t 为负值时，为采用降频扫描信 号。对于线性扫描方式，则d r d r 为一个常数。对于振幅彳( f ) 来说，除了开始和结束的 一小段时间，振幅从零增大到一定值，又逐渐衰减到零之外，其他时间一般都为常数。 扫描信号的扫描长度一般为几秒到几十秒，频率的变化范围一般为几赫兹到几十赫兹， 现在随着技术的发展，对采集数据要求的提高，扫描信号的频宽进一步拓宽，有的高频 部分甚至可以达到几百赫兹。可控震源地震勘探的记录过程如图卜1 所示。左图为可控 震源野外勘探的示意图，向地下发射一个扫描信号。右图为来自地下的每个反射层反射 上来的反射波，若干个反射波叠加到一起，形成地震道记录，如图1 - 1 e 所示，通过传 统的相关过程，将具有一定延续时间的扫描信号压缩成脉冲子波的形式，如图f 所示， 4 中国石油大学( 华东) 大学硕上学位论文 这就行程了与炸药震源相匹配的地震记录。 图卜1 可控震源地震勘探记录 综合来说，与炸药震源相比，可控震源的突出优点有以下几个方面：( 1 ) 输出信号 可控。不产生地层不传播的振动频率，从而节约能量。炸药震源记录封的地震波是带限 频率，而可控震源则可以根据地层特性选择损耗最少、最适合于地层传播的频带作为扫 描频带。( 2 ) 可控震源能流密度非常小，对环境的破坏较小，是一种环保震源。炸药震 源激发的大部分能量主要用于对围岩的破坏上，传入地下的只是一小部分能量。可控震 源冲击地面的力量一般是5 1 5 吨，对岩石的破坏较小。( 3 ) 抗干扰能力强。可控震源 在采集中输出的是一个非脉冲信号，在处理过程中，通过相关将其压缩成脉冲子波的形 式，而相关过程本身就是一个滤波的过程，可以在一定程度上压制背景噪音，因此可控 震源资料的品质相对来说更优越一些。( 4 ) 节约成本，特别是在一些干旱缺水或者难打 井的区域。在这样的区域，浅水面非常深，有的甚至可以达到一二百米，如果采用炸药 震源的话，激发井就是一个很大的问题，而采用可控震源就可以降低钻探激发井的成本。 ( 5 ) 可控震源引起地面损害小，而且施工灵活便捷，作业效率较高，特别适宜于居民 稠密的工区工作【2 4 1 。 1 2 2 可控震源地震勘探的工作原理 可控震源地震工作原理如图卜2 所示，图1 - 2 ( a ) 是震动器( v i b r a t o r s ) 示意图，底 盘通过活塞和一个质量很大的可运动的空腔中心连在一起；空腔分成两部分，受高压作 用的可以将油抽进去或放出来，使之上下运动产生振动，使钢块产生的力等于底盘作用 与地面的力，且方向相反。利用车的重量将振动器紧紧压在地面上，在振动系统和车之 间有气袋和弹簧以减少过度振动。固定整个设备的重量必须大于最大上升瞬时冲力，以 防止底盘离开地面。图卜2 ( b ) 所显示的车载可控震源，可控震源以车为载体，施工灵 活方便，从一个激发点振动结束后搬迁到另外一个激发点。 5 第一章前言 b j ( a ) 可控震源的基本原理；( b ) 可控震源的照片 通过计算表明，纵波可控震源如果在半无限的工区进行施工，那么其产生的能量大 约有7 是纵波能量( 能量集中在下行方向，即向下传播) ，大约有2 6 是横波能量( 集 中在与垂直方向夹角为3 0 0 的方向) ，而大部分能量是面波能量，大约有6 7 。在近地 表，大部分横波能量会转换成面波。在野外地震勘探中，因为面波能量很强，所以常通 过震源组合和检波器组合来压制面波。同时因为受面波干扰，一般不使用可控震源附近 的检波器记录地震信号，所以炮点和第一个检波点之间有较大的距离。因为炮检距的存 在，所以记录到的振幅的动态范围变小，这可以使得对深层信号的检测变得简单，否则 来自深层的反射波与浅层的反射波列会相互叠加在一起，掩盖了深层的反射信息。在勘 探时，同时采用多个震源( 通常三台或四台震源车) ，以及采用垂直叠加技术，都可以 增强地震波的能量。在理想的条件下，震源对地面的作用力和对平板的作用力完全一样， 但是在实际过程中，由于存在加热、损坏、地表物质的压实等作用，使震源传播到地下 的信号存在谐波畸变。在地震记录上产生假的相关虚反射( c o r r e l a t i o ng h o s t ) ，这是 可控震源中的一种干扰。针对这一问题，一般才野外施工时采用升频扫描信号，这样通 过传统的相关算法，就可以把这种相关需反射移到时间轴的负轴，通过在零时刻进行切 割就可以消除这种干扰；当然也可以采用非常长的降频扫描信号，目的是使虚反射在有 效记录时间之后到达，在实际采集中一般不采用这种方式1 2 鄹。 在野外施工过程中，可控震源完成一次扫描之后，都要移动一定的距离到下一个激 发点再进行下次扫描。但是因为车载可控震源非常重，这样就限制了它在某些地区的广 6 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 泛使用。比如在潮坪地区或者其它对地表压力有一定限制的地区等等。此时可以通过使 用气垫船，将气垫船作为可控震源进行施工。 相比于垂直叠加，在施工时同时使用几台可控震源来提高资料的信噪比，效果会更 好。如果同时使用四台可控震源，可控震源地震数据的信噪比可以提高到原来的四倍， 而如果用四次连续扫描进行垂直叠加，考虑到四次扫描中所含噪音的特征各不相同，资 料的信噪比只能提高4 = 2 倍，当然信噪比还跟扫描信号的扫描长度有关。虽然同时使 用四台震源车进行施工有利于提高资料的信噪比，但是需要注意的是这四台可控震源的 相位必须保持一致。 在可控震源底盘的振动过程中，土壤也像一个弹簧一样随着底盘的振动开始振动。 这种由可控震源和地层组成的共振系统的特性与底盘的大小和地表的特征有关。通过相 位补偿可以使传到地下的信号和参考信号相互锁定。在可控震源的设计上，每个可控震 源都有一个数控扫描发生器，它是由记录车来控制的，通过数控发生器可以防止无线电 信号对扫描频率的干扰。 1 2 3 可控震源地震勘探主要采集技术 随着技术的发展和仪器设备性能的提高，可控震源地震勘探采集方式有了长足的发 展。尤其是目前普遍采用的高效采集方式，极大的提高了生产效率，降低了采集成本。 这里简要对几种主要的采集技术进行介绍【2 睨7 1 。 ( 1 ) 变相位扫描和组合扫描 这两种采集方式都是针对谐波干扰提出来的，都可以在采集过程中很好的压制谐波 干扰。变相位扫描是指在采集过程中每次扫描信号的极性和相位都会发生变化，这样由 于每次扫描信号初始相位周期性的差异以及极性的变化，隐含在地震记录中的谐波能量 会通过相互叠加而抵消。这种方法可以在采集过程中就很好的压制谐波干扰，但是使用 这种方法前，首先需要对谐波干扰中起主要作用的谐波分量进行分析，确定谐波分量后， 设计相应的扫描信号及旋转角度对该次谐波进行压制，而且此种方法只能对信号中的某 一次谐波分量进行压制。组合扫描跟变相位扫描有异曲同工之妙，但是两者之间又有各 自的特点。组合扫描在地震勘探采集过程中通过合理地设计各个子扫描频宽，最终达到 压制谐波分量的目的2 8 1 。组合扫描可以根据具体的需求情况对扫描频率和扫描时间进行 设计，设计出- - l l ：较合理的扫描组合，从而达到提高频率、消除谐波干扰、提高采集数 据质量的目的。在组合扫描设计过程中，分段频率的设计非常灵活，它们可以也可以重 7 第一章前言 合在一起，也可以相互不重合；同时时间分段可以带有零段，也可以不带有零段；一个 子扫描信号可以只包括一个频段，也可以包括若干个频段。 ( 2 ) 滑动扫描 滑动扫描是可控震源高效采集的一种，其基本思想是在一组震源在上一组震源扫描 尚未结束时，就可以开始下一次扫描，实现多组可控震源无等待扫描激发。采用滑动扫 描后，极大的缩短了单位时间内平均每次数据采集的时间，提高了可控震源的作业效 率。滑动扫描采集方式由阿曼p d o 公司提出，s e r c e l 公司首先以完善的记录系统予以实 现( 1 9 9 8 年) 。该方法与交替扫描相比，对于使用同一扫描信号的相邻两次振动，突破 了第二次扫描必须等第一次扫描记录结束才能开始的限制，压缩了相邻两次信号扫描的 间隔时间。可同时利用多组可控震源进行作业，成倍地提高生产效率。 ( 3 ) 非线性扫描技术 相对于炸药震源，可控震源的输出信号可以认为约束，对环境的破坏比较小，特别 适合对炸药震源不合适的地区进行地震数据采集。一般而言，可控震源采集多采用线性 扫描信号，然而地下介质对地震波的吸收衰减却是非线性的，这样线性扫描信号就不 能有效的对高频衰减进行补偿，降低资料的分辨率和信噪比。鉴于此人们发展了非线性 扫描技术。非线性扫描是指扫描信号的频率不再随时间呈线性变化，即信号的扫描速率 不是常数，这样就可以通过在高频段合理增加扫描时间来对提升高频分量的能量，达 到提高地震分辨率的目的。在实际的地震资料采集过程中，采用非线性扫描，通过对扫 描参数进行优选，对高频能量进行有效补偿，已取得了较好效果。 ( 4 ) h p v a ( 高效震源采集) 和v l 技术 在滑动扫描的基础上，为了降低震源谐波畸变噪音的影响，2 0 0 5 年c g g v e r i t a s 公 司推出了h p v a ( h i g hp r o d u c t i v i t yv i b r o s e i sa c q u i s i t i o n ，高效震源采集) 专利技术， 进而为了进一步提高生产效率和降低震源组合效应的影响，2 0 0 7 年又将这一技术扩展到 单台震源上实现，开发了v l ( s i n g l ev i b r a t o r ，单台震源施工) 专利技术。由于常规滑动 扫描仅支持4 组震源，使得采集效率的提高受到了限制。随着装备技术的发展， 一c g g v e r i t a s 利用g p s 时钟同步技术，加上电台的t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 分时多址连接) 技术，成功推出了v l 技术。该技术采用大吨位可控震源，仪器采用不 间断记录方式，每一台震源独立为一组，配备单独的导航及质量控制系统，最大可达3 2 组震源同时施工，采用高密度炮点、加长扫描时间、单台震源来替代传统的低密度炮点、 短扫描时间和震源组合施工，同时利用h p v a 滤波方式来衰减震源谐波畸变噪音，从而 8 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 可以采用多组震源、短的滑动时间来提高整体的施工效率。 ( 5 ) h f v s 技术 由于h f v s 使用记录到的实际震源特征信号来估算、设计脉冲反褶积算子，而放弃 了传统的互相关方法，使谐波畸变、平板与大地的耦合差异、平板扰曲变形等在互相关 处理中容易产生较多噪音的影响因素变得无足轻重。换言之，h f v s 采集系统对可控震源 内部的非线性、反馈系统误差、相位与振幅控制误差、地表耦合误差等具有较强的包容 性。甚至可以直接将未相关信号直接用于地震参数反演，这样就不会因为互相关处理而 引入谐波干扰噪音，从而使极大的提高了数据的保真度1 2 引。 单点激发避免了多台可控震源空间组合的滤波效应及组内静校正误差对高频地震 信号的衰减，更加适合高密度、高分辨地震勘探的要求。多台震源同时h f v s 采集后的 记录分离技术，使h f v s 地震采集的成本相对传统方法保持在可接受的水平。 ( 6 ) 多震源同时作业技术( i s s ) 多震源同时作业技术是指，仪器连续记录；每个震源独立工作( 不受时间和位置制 约，震源相隔2 公里左右，确保空间分离) ；每天可完成2 束线( 5 0 0 x 9 x 2 ) = 9 0 0 0 炮， 每天每个震源7 5 0 炮，每天数据量3 0 0 一5 0 0 g b 。 9 第二章谐波压制的理论基础 第二章谐波压制的理论基础 2 1谐波产生的原因及特点 在可控震源地震勘探过程中，可控震源在向地下传输扫描信号的同时，由于种种因 素，谐波干扰不可避免。谐波干扰产生的原因主要有两个，一是由于可控震源的机械装 置和震动装置的非线性，以及液压伺服系统的非线性，这样导致从可控震源输出的信号 就存在谐波干扰。二是由于震板与大地的耦合问题 3 0 - 3 1 1 。基于上述原因在可控震源进行 地震勘探时，必然存在谐波干扰。谐波干扰的频率范围为参考信号的整数倍，即谐波干 扰以参考信号频率整数倍的形式出现，根据其频率的倍数，将谐波分量依次分为二次谐 波、三次谐波以及n 次谐波。而且谐波干扰除了频率这一特性外，还具有相应的相关特 性、时间特性和振幅特性等1 3 2 1 。 ( 1 ) 机械原因t 机械原因主要是指在利用可控震源进行地震勘探时，由于可控震源 机械系统以及液压伺服系统的非线性，从可控震源震动器产生的振动信号就含有谐波畸 变，在物理层面上这是不可避免的。 ( 2 ) 地表结构方面的原因：这里我们为了便于说明问题，来看可控震源与大地的耦 合系统以及大地受力图。 图2 1 可控震源与地表组成的耦合系统及大地受力图 谐波干扰的产生与特殊的地表条件有关，可控震源震动时向大地施加的外方为； r = r o s i n2 万( z + a t 2 ) t ( 2 - 1 ) 可控震源震动与大地的耦合响应关系式为： 1 0 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 b ：二! ! ：一( 2 - 2 )4 4 b 2 订+ ( k2 + 诉) 2 其中：弘丽r o 小气 e 为杨氏模量，y 为速度。 小岳州砌( 加加) o 式为溅 从上面的分析可以得到，当风 p j v ，时，b 有极大值，即此时大地与可控震源的 振动频率一致，组成共振耦合响应系统，从而产生谐振。 可控震源谐波干扰的特征主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 频率范围：谐波分量的频率为有效波频率的整数倍，如二次谐波的频率范围为 有效波频率范围两倍，三次谐波分量的频率范围为有效波频率分量的三倍，n 次谐波分 量的频率范围为有效波频率分量的n 倍，且它们的频率随有效波频率的变化而变化； ( 2 ) 出现地区：对某一集中的工区而言，谐波是成片出现的； ( 3 ) 出现位置：谐波分布在整个剖面上，近道尤为明显。 2 2 谐波干扰的数学表征 2 2 1 扫描信号 在野外可控震源进行地震勘探时，如何设计扫描信号是可控震源地震勘探过程的关 键步骤。扫描信号设计的得当与否，直接关系到地震勘探采集资料的品质。以前在扫描 信号的设计，重点主要在如何设计扫描信号的初始频率和终止频率，而忽略了其他一些 重要的影响因素。本节将重点介绍一下在扫描信号设计过程中应注意的其他一些重要问 题，如扫描信号的频带宽度至少要大于两个倍频程，设计扫描信号的初始频率时应尽量 避开面波的固有频率等。这些问题，因为在常规的地震勘探过程中影响不大，因此在实 际的设计过程中，往往容易被忽略。但是，从另外一个方面来说，对提高资料的品质具 有重大的意义。 在可控震源扫描信号的设计过程应该考虑一下几个因素： ( 1 ) 对扫描类型的选择； (