地震勘探可控震源原理

1、1可控震源1.1可控震源使用的信號(hào)地震勘探中的激發(fā)源能量既可以用振幅高度集中的信號(hào)（如：脈沖信號(hào)，在此通常指炸藥），也可以 用低振幅、長(zhǎng)信號(hào)（如：可控震源）產(chǎn)生。其實(shí)，可控震源重要是依賴長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)激發(fā)，得到相對(duì)弱的地震信號(hào)?？煽卣鹪戳硗庖粋€(gè)重要特征就是激發(fā)源是有限帶寬的信號(hào)。另外，可控震源激發(fā)技術(shù)只產(chǎn)生需要頻帶內(nèi)的信號(hào)，而脈沖震源，如：炸藥，生產(chǎn)的一部分頻率在數(shù) 據(jù)采集過(guò)程中是不予記錄的。圖1時(shí)間域與頻率域內(nèi)的脈沖信號(hào)與有限帶寬信號(hào)炸藥爆炸的過(guò)程可以用脈沖來(lái)表示，即：一個(gè)振幅高度集中的信號(hào)在非常短的瞬間生成（圖1-a）， 它的頻譜中包含了所有的頻率成分（圖1-b）。對(duì)于有限帶寬信號(hào)而言，它只

2、表示在有限帶寬內(nèi)（圖1-c）。 在所展示的一個(gè)平坦的振幅譜（在圖1-d）中只有1060Hz的頻率成分。在可控震源中使用的信號(hào)大多形如圖1-d。 lUpTTl 2t0ffL conclacoiA如的VS7ET對(duì)就腴MXItatmiLttgd1.2如何生成一個(gè)有限帶寬的震源信號(hào)如前所示，大多數(shù)信號(hào)具有有限帶寬的特征，通過(guò)傅立葉變換可以得到如圖1-c所示的時(shí)域上的信號(hào)。 但是一般如圖1-c所示的振幅，在時(shí)域上的信號(hào)不能應(yīng)用于可控震源，可控震源在激發(fā)時(shí)要求采用均衡振 幅、長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)。信號(hào)。采用頻率延遲算子，就可以將短脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)掃描信號(hào)。實(shí)際上，在應(yīng)用過(guò)程中，采用將短延遲 用于低頻、將中等水平的

3、延遲用于中間頻率、將長(zhǎng)延遲用于高頻的處理方法，就會(huì)得到一個(gè)均勻振幅、視 頻率從低頻逐漸掃到高頻結(jié)束。這個(gè)信號(hào)看起來(lái)有些類似于正弦波，在可控震源中就稱之為掃描信號(hào)。為了能夠使如圖1-c所示的信號(hào)用于震源的激發(fā)，必須將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為均衡振幅、長(zhǎng)時(shí)間的有限帶寬 口.圖2由短脈沖生成長(zhǎng)掃描信號(hào)在圖3中顯示了掃描信號(hào)的合成過(guò)程。各種不同頻率成分、具有相同相位的正弦信號(hào)迭加后成為圖3-a 中的信號(hào)，經(jīng)過(guò)不同的延遲算子迭加后，成為圖3-b中的掃描信號(hào)。將高振幅的短脈沖信號(hào)展開(kāi)成低均勻振幅的長(zhǎng)掃描信號(hào)后總能量保持不變，因此可控震源只是一個(gè)低 振幅的激發(fā)源，而不是低能量的激發(fā)源。為了使激發(fā)信號(hào)能夠迭加，可控震源必

4、須具備三點(diǎn)功能：一個(gè)掃描信號(hào)發(fā)生器；一個(gè)向地下發(fā)射掃描信號(hào)的震源；一個(gè)相關(guān)器，將長(zhǎng)掃描信號(hào)壓縮成短反射脈沖此處：T表示直達(dá)脈沖與反射脈沖間的反射信號(hào)旅行時(shí)間。直達(dá)脈沖=零時(shí)間脈沖=炸藥中的時(shí)斷信號(hào)。反射脈沖等同于炸藥激發(fā)中的反射信號(hào)。自然，在現(xiàn)實(shí)世界里，還有多次反射，因此，如果反射時(shí)間小于掃描長(zhǎng)度，則檢波器拾取的信號(hào)將迭 加在記錄中。圖5信號(hào)的迭加此處：（a）道表示從第一個(gè)反射界面反射的掃描信號(hào)；（b）道表示從第二個(gè)反射界面反射的同一掃描信號(hào)；（c）道表示檢波器拾取的信號(hào)，第一個(gè)反射信號(hào)與第二個(gè)反射信號(hào)的迭加結(jié)果；（e）道通過(guò)相關(guān)器后形成的（d）道，實(shí)際上是記錄在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上。1.4震源記錄

5、上的脈沖干擾：為什么要相關(guān)？從前面知道，在將掃描信號(hào)壓縮成類似脈沖信號(hào)的過(guò)程中，信號(hào)的峰值振幅增強(qiáng)了。事實(shí)上，相關(guān)器只是由不同延遲算子構(gòu)成的系統(tǒng)，并不改變輸入輸出信號(hào)的信噪比水平。但是，相關(guān)器在 改變信號(hào)的峰值振幅與平均噪音水平的比值方面非常有效。相關(guān)器只是增強(qiáng)了有效信號(hào)部分，而噪音水平保持不變。必須指出：在可控震源應(yīng)用中，對(duì)于給定的掃描信號(hào)，增強(qiáng)掃描信號(hào)能量要采用增加掃描長(zhǎng)度或震源 數(shù)量的方法。事實(shí)上，只有足夠長(zhǎng)的掃描信號(hào)，才能得到足夠的下傳能量。因此，相關(guān)器輸出信號(hào)峰值振 幅的改善與掃描長(zhǎng)度有關(guān)。1.5相關(guān)技術(shù)在前面已經(jīng)談到可控震源必須具備的基本功能：一個(gè)掃描信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)相關(guān)器，本節(jié)中

6、將更仔細(xì) 地討論它們的構(gòu)成和工作原理。掃描信號(hào)發(fā)生器掃描信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字掃描信號(hào)發(fā)生器。生成的信號(hào)稱之為控制掃描，參考掃描或先導(dǎo)掃描。操作員 要選擇掃描信號(hào)的起始頻率、終了頻率和掃描長(zhǎng)度。典型的起始頻率范圍：420Hz典型的終了頻率范圍：40100Hz典型的掃描長(zhǎng)度范圍：820 s掃描信號(hào)的振幅通常是恒定值，頻率以線性函數(shù)遞增。但是，對(duì)于今天配備了新一代控制系統(tǒng)的可控震源而言，允許使用更大的掃描信號(hào)庫(kù)，操作員可以設(shè) 計(jì)任意形式的掃描信號(hào)。相關(guān)器相關(guān)器的主要是在地震數(shù)據(jù)采集單元中實(shí)現(xiàn)接受數(shù)據(jù)與參考信號(hào)互相關(guān)的功能。什么是相關(guān)相關(guān)的基本思想是比較給定的二個(gè)波形的相似程度。對(duì)于給定的二個(gè)序列a（t）

7、與b（t），互相關(guān)函數(shù)可以用下式表示：ab（ ） = a （t） b （t+dt） dt是二個(gè)序列的時(shí)移（滑動(dòng)時(shí)間）參數(shù)。值為步長(zhǎng)在時(shí)間軸上依次滑過(guò)，最終得到互相關(guān)函數(shù)。當(dāng)一個(gè)波形滑動(dòng)時(shí)，每個(gè)波形都試圖在對(duì)方尋 找與自身相同的地方。M直的采樣點(diǎn)的相乘（a0b0、albl、，如圖7所示）并將每次所得到的結(jié)果相加， 得到一個(gè)新的序列（c0、cl、c2.，）。如果固定二個(gè)波形中的一個(gè)，另外一個(gè)以這個(gè)函數(shù)表達(dá)式通過(guò)對(duì)應(yīng) 值進(jìn)行計(jì)算，直到移到記錄長(zhǎng)度為止。每次在可控震源應(yīng)用過(guò)程中，顯然：-a （k）=檢波器接受的信號(hào)=采集長(zhǎng)度-b （k）=參考信號(hào)=掃描長(zhǎng)度 c （k） =a （k）與b （k）的互相關(guān)

8、結(jié)果=記錄長(zhǎng)度=a （k） - b （k） +1個(gè)樣點(diǎn)i參見(jiàn)下圖，在相關(guān)處理的過(guò)程中，參考信號(hào)與檢波器信號(hào)的相關(guān)結(jié)果以每個(gè)采樣率為這也是為什么記錄長(zhǎng)度與掃描聽(tīng)時(shí)間一樣的道理，因?yàn)橄嚓P(guān)結(jié)果是在這個(gè)記錄長(zhǎng)度內(nèi)計(jì)算的。當(dāng)二個(gè) 波形有完全相同的形態(tài)時(shí)，互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)一個(gè)大值，反之則表現(xiàn)為一個(gè)小值。如果二個(gè)波形完全相同， 互相關(guān)函數(shù)則成為自相關(guān)函數(shù)。自相關(guān)函數(shù)左右對(duì)稱并在零點(diǎn)處出現(xiàn)最大值?；ハ嚓P(guān)接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的互相關(guān)處理過(guò)程如下圖所示：（a）是從檢波器接收到的信號(hào)，它是各種反射信 號(hào)的迭加結(jié)果。然后用（b）參考信號(hào)通過(guò)移動(dòng)與地震道數(shù)據(jù)（a）進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。當(dāng)移到第一個(gè)反射界面 （c）時(shí)，相關(guān)結(jié)果（e）

9、輸出一個(gè)脈沖值表示：檢測(cè)到了一個(gè)掃描信號(hào)。從G）中可以看出，與相關(guān)前的 信號(hào)相比，相關(guān)顯著地改善了檢波器信號(hào)的信噪比，同時(shí)也可以看出，在沒(méi)有頻率相似的地方，相關(guān)結(jié)果 沒(méi)有任何顯示。因此說(shuō)相關(guān)運(yùn)算將掃描信號(hào)中沒(méi)有用的頻率成分全部濾掉了。自相關(guān)在圖10中給出的是自相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算。這個(gè)結(jié)果是從互相關(guān)中采用完全相同的二個(gè)信號(hào)導(dǎo)出來(lái)的。按照相關(guān)的運(yùn)算規(guī)則，A點(diǎn)的振幅就是（a）與（b）對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相乘累積相加結(jié)果。然后滑移參考信號(hào)， 順序計(jì)算得到B、C、D各點(diǎn)，最終得到自相關(guān)函數(shù)（6）。針對(duì)（6）的形態(tài)，有如下結(jié)論：在頻率不相同的地方幾乎沒(méi)有相關(guān)大值出現(xiàn)；一個(gè)掃描信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)在遠(yuǎn)端（A與D點(diǎn)）的值非常??；

10、如果用（1）與（3）相關(guān)，每一個(gè)對(duì)應(yīng)的采用點(diǎn)都具有相同的符號(hào)，因此每個(gè)樣點(diǎn)的積都是正值，所 以在B點(diǎn)得到了一個(gè)非常強(qiáng)的正振幅值。自相關(guān)函數(shù)在零點(diǎn)的振幅值也代表了掃描信號(hào)的能量。作為結(jié)論 需要指出：相關(guān)是檢測(cè)反射信號(hào)的最好的方法。在可控震源應(yīng)用中，或?qū)τ谄渌膽?yīng)用，噪音越小越好。 要點(diǎn)可控震源系統(tǒng)描述可控震源系統(tǒng)包括：一個(gè)掃描信號(hào)發(fā)生器；一個(gè)向地下發(fā)射掃描信號(hào)的震源；一個(gè)相關(guān)器，將長(zhǎng)掃描信號(hào)壓縮成短反射脈沖；此處，如果是SERCEL公司生產(chǎn)的可控震源，則：掃描信號(hào)發(fā)生器就是DPG；震源可能是Mertz型號(hào)，配備了 DSD；相關(guān)器是一個(gè)用于檢測(cè)反射信號(hào)（通常是中央控制單元的FTP板）；DPG是掃描

11、信號(hào)發(fā)生器，將高振幅的短脈沖信號(hào)展開(kāi)成低均勻振幅的長(zhǎng)掃描信號(hào)后總能量保持不變， 因此，可控震源只是一個(gè)低振幅的激發(fā)源，而不是低能量的激發(fā)源。相關(guān)器只增強(qiáng)了有效信號(hào)而不改變?cè)胍?。?shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)處理后峰值振幅的改善與掃描信號(hào)的長(zhǎng)度有關(guān)。在相關(guān)處理過(guò)程中，相關(guān)的計(jì)算是以采樣率為時(shí)移值，整個(gè)時(shí)移長(zhǎng)度等于記錄長(zhǎng)度?？煽卣鹪磼呙栊盘?hào)子波的一般特點(diǎn)圖11所示的互相關(guān)結(jié)果與用炸藥震源得到的反射脈沖形態(tài)完全一樣。對(duì)于震源而言，最好的下傳信號(hào)就是自相關(guān)信號(hào)。反射脈沖等于掃描信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與大地響應(yīng)的褶（卷）積。可控震源的反射基本上是對(duì)稱的自相關(guān)函數(shù)，但是受到了大地的小相位濾波特征和震源非線性因素的 影響。掃描信號(hào)頻

12、率的選擇要中和成本與在大地濾波特征下所追求的最大頻帶寬度等因素。自相關(guān)函數(shù)在零點(diǎn)的振幅值也代表了掃描信號(hào)的能量。掃描信號(hào)的譜越寬，自相關(guān)子波越窄。頻帶越窄，邊葉水平越高。掃描的自相關(guān)函數(shù)的邊葉可以通過(guò)在掃描信號(hào)兩邊加斜坡（鑲邊函數(shù)）的方法得到改善?？煽卣鹪吹妮敵隽υ谏鲜龅牡刭|(zhì)模型框圖中，力主要看成一個(gè)在瞬間施加在大地表面的脈沖力。假定條件是：近地表下 的地層是連續(xù)的，并且應(yīng)力與張力的變化是線性的。應(yīng)力是物體某一部分在單位面積上受到的壓力。張力對(duì)應(yīng)于在應(yīng)力作用下的形變。彈性波在大地的傳播過(guò)程中是由應(yīng)力與張力關(guān)系來(lái)控制的。如果G（t）代表質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)垂直分量的脈沖 （沖擊）力的響應(yīng)，F(xiàn)（t）代表作用于

13、大地的力，并且作用力的頻率隨時(shí)間的變化而變化，而不是脈沖， 則檢波器檢測(cè)到的信號(hào)U（t）可以表示為：U（t）=F（t）*G（t）此處，*表示褶積算子。如果在頻率域考慮可控震源系統(tǒng)的工作方法就比較容易理解了，因?yàn)闀r(shí)間域的褶積在頻率域內(nèi)就成為 純數(shù)學(xué)乘法運(yùn)算。U （ 2 f ） = F （2 f ） G （ 2 f ）在時(shí)間域內(nèi)的互相關(guān)運(yùn)算等效于頻率域內(nèi)共軛復(fù)數(shù)的乘法。F* （ 2 f ） U （ 2 f ） =F* （ 2 f ） F （2 f ） G （ 2 f ） = F （ 2 f ） 2 G （ 2 f ）此處，F(xiàn)*是F的共軛值。F (2 f ) 2是輸出力的能譜。因此，如果F (2 f

14、 ) 2在給定的飄帶內(nèi)保持恒定，那么大地在給定頻帶內(nèi)的脈沖響應(yīng)可以通過(guò)互相 關(guān)運(yùn)算得到?？煽卣鹪磳?shí)際上就是產(chǎn)生頻率隨時(shí)間變化的輸出力信號(hào)。它的輸出振幅可以按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整。 輸出力信號(hào)可以是連續(xù)變化的信號(hào)，如掃描信號(hào)，也可以按照一定步長(zhǎng)/間隔變化的信號(hào)，如偽隨機(jī)碼序列。如果可控震源的平板與大地的耦合滿足這樣的假定：耦合狀況良好，并且平板各處的垂直方向的加速 度均相等，重錘運(yùn)動(dòng)與活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)呈線性關(guān)系，那么震源的輸出力F(t)，有時(shí)也稱地面力GF，可以 通過(guò)對(duì)二個(gè)各自安裝在平板和重錘上的加速度傳感器測(cè)量的信號(hào)，經(jīng)加權(quán)計(jì)算得到：GF = Mm Macc + MBp Bpacc此處：Mm：重錘

15、質(zhì)量(kg)Macc：重錘加速度，矢量值(m/s2)MBp：平板質(zhì)量(kg)Bpacc :平板加速度，矢量值(m/s2)在實(shí)際工作中，震源振動(dòng)輸出力F(t)往往取決于震源本身的特性和對(duì)震源的控制。為了使互相關(guān)處 理過(guò)程中盡可能獨(dú)立于震源本身或控制系統(tǒng)，地震采集數(shù)據(jù)的互相關(guān)是與設(shè)定的參考信號(hào)P (t)進(jìn)行的運(yùn) 算。在頻率域，對(duì)地震數(shù)據(jù)的互相關(guān)處理可以表示為：P* ( 2 f ) U ( 2 f ) =P* ( 2 f ) F (2 f ) G ( 2 f )同樣的道理，對(duì)于質(zhì)量控制而言，采用輸出力與設(shè)定的參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)：P* ( 2 f ) F (2 f )此處P* (2f )是P (2f

16、)的共軛復(fù)數(shù)。一、4注意：互相關(guān)噪音和主峰值與第一旁瓣的比值(譯注：實(shí)際上是清晰度的概念)取決于所采用的掃描信號(hào)的 函數(shù)關(guān)系、頻帶寬度、掃描長(zhǎng)度?；ハ嚓P(guān)子波對(duì)稱于零時(shí)間線，峰值振幅的大小取決于輸出力信號(hào)與參考信號(hào)的相似性。評(píng)價(jià)相關(guān)子波的對(duì)稱性有三個(gè)基本原則：子波峰值振幅在零時(shí)間線的位置，取決于參考信號(hào)與輸出力信號(hào)啟動(dòng)的同步精度；正、負(fù)邊峰值振幅的相對(duì)水平，通常應(yīng)該對(duì)稱，否則就意味著參考信號(hào)與輸出力信號(hào)間有相位誤差 的存在；(沿時(shí)間軸)正、負(fù)方向的相關(guān)噪音相對(duì)水平，負(fù)方向的振幅高，則意味著輸出力信號(hào)中含有諧波 成分；上述評(píng)價(jià)原則當(dāng)然是以參考信號(hào)與輸出力信號(hào)完全一致為先決條件的。(全文結(jié)束)sample ksample ksample kamplitudeamplitude一:& r t pnk=!Kcilc cijL-ca