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（如：脈沖信號，在此通常指炸藥），也可以 用低振幅、長信號（如：可控震源）產(chǎn)生。其實，可控震源重要是依賴長時間的振動激發(fā)，得到相對弱的地震信號?？煽卣鹪戳硗庖粋€重要特征就是激發(fā)源是有限帶寬的信號。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，而脈沖震源，如：炸藥，生產(chǎn)的一部分頻率在數(shù) 據(jù)采集過程中是不予記錄的。圖1時間域與頻率域內(nèi)的脈沖信號與有限帶寬信號炸藥爆炸的過程可以用脈沖來表示，即：一個振幅高度集中的信號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）。對于有限帶寬信號而言，它只

2、表示在有限帶寬內(nèi)（圖1-c）。 在所展示的一個平坦的振幅譜（在圖1-d）中只有1060Hz的頻率成分。在可控震源中使用的信號大多形如圖1-d。 lUpTTl 2t0ffL conclacoiA如的VS7ET對就腴MXItatmiLttgd1.2如何生成一個有限帶寬的震源信號如前所示，大多數(shù)信號具有有限帶寬的特征，通過傅立葉變換可以得到如圖1-c所示的時域上的信號。 但是一般如圖1-c所示的振幅，在時域上的信號不能應(yīng)用于可控震源，可控震源在激發(fā)時要求采用均衡振 幅、長時間的信號。信號。采用頻率延遲算子，就可以將短脈沖信號轉(zhuǎn)化為長掃描信號。實際上，在應(yīng)用過程中，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、將長延遲用于高頻的處理方法，就會得到一個均勻振幅、視 頻率從低頻逐漸掃到高頻結(jié)束。這個信號看起來有些類似于正弦波，在可控震源中就稱之為掃描信號。為了能夠使如圖1-c所示的信號用于震源的激發(fā)，必須將該信號轉(zhuǎn)化為均衡振幅、長時間的有限帶寬 口.圖2由短脈沖生成長掃描信號在圖3中顯示了掃描信號的合成過程。各種不同頻率成分、具有相同相位的正弦信號迭加后成為圖3-a 中的信號，經(jīng)過不同的延遲算子迭加后，成為圖3-b中的掃描信號。將高振幅的短脈沖信號展開成低均勻振幅的長掃描信號后總能量保持不變，因此可控震源只是一個低 振幅的激發(fā)源，而不是低能量的激發(fā)源。為了使激發(fā)信號能夠迭加，可控震源必

4、須具備三點功能：一個掃描信號發(fā)生器；一個向地下發(fā)射掃描信號的震源；一個相關(guān)器，將長掃描信號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旅行時間。直達(dá)脈沖=零時間脈沖=炸藥中的時斷信號。反射脈沖等同于炸藥激發(fā)中的反射信號。自然，在現(xiàn)實世界里，還有多次反射，因此，如果反射時間小于掃描長度，則檢波器拾取的信號將迭 加在記錄中。圖5信號的迭加此處：（a）道表示從第一個反射界面反射的掃描信號；（b）道表示從第二個反射界面反射的同一掃描信號；（c）道表示檢波器拾取的信號，第一個反射信號與第二個反射信號的迭加結(jié)果；（e）道通過相關(guān)器后形成的（d）道，實際上是記錄在數(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，在將掃描信號壓縮成類似脈沖信號的過程中，信號的峰值振幅增強(qiáng)了。事實上，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的信噪比水平。但是，相關(guān)器在 改變信號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，對于給定的掃描信號，增強(qiáng)掃描信號能量要采用增加掃描長度或震源 數(shù)量的方法。事實上，只有足夠長的掃描信號，才能得到足夠的下傳能量。因此，相關(guān)器輸出信號峰值振 幅的改善與掃描長度有關(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：一個掃描信號發(fā)生器和一個相關(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。掃描信號發(fā)生器掃描信號發(fā)生器是數(shù)字掃描信號發(fā)生器。生成的信號稱之為控制掃描，參考掃描或先導(dǎo)掃描。操作員 要選擇掃描信號的起始頻率、終了頻率和掃描長度。典型的起始頻率范圍：420Hz典型的終了頻率范圍：40100Hz典型的掃描長度范圍：820 s掃描信號的振幅通常是恒定值，頻率以線性函數(shù)遞增。但是，對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庫，操作員可以設(shè) 計任意形式的掃描信號。相關(guān)器相關(guān)器的主要是在地震數(shù)據(jù)采集單元中實現(xiàn)接受數(shù)據(jù)與參考信號互相關(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波形的相似程度。對于給定的二個序列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是二個序列的時移（滑動時間）參數(shù)。值為步長在時間軸上依次滑過，最終得到互相關(guān)函數(shù)。當(dāng)一個波形滑動時，每個波形都試圖在對方尋 找與自身相同的地方。M直的采樣點的相乘（a0b0、albl、，如圖7所示）并將每次所得到的結(jié)果相加， 得到一個新的序列（c0、cl、c2.，）。如果固定二個波形中的一個，另外一個以這個函數(shù)表達(dá)式通過對應(yīng) 值進(jìn)行計算，直到移到記錄長度為止。每次在可控震源應(yīng)用過程中，顯然：-a （k）=檢波器接受的信號=采集長度-b （k）=參考信號=掃描長度 c （k） =a （k）與b （k）的互相關(guān)

8、結(jié)果=記錄長度=a （k） - b （k） +1個樣點i參見下圖，在相關(guān)處理的過程中，參考信號與檢波器信號的相關(guān)結(jié)果以每個采樣率為這也是為什么記錄長度與掃描聽時間一樣的道理，因為相關(guān)結(jié)果是在這個記錄長度內(nèi)計算的。當(dāng)二個 波形有完全相同的形態(tài)時，互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)一個大值，反之則表現(xiàn)為一個小值。如果二個波形完全相同， 互相關(guān)函數(shù)則成為自相關(guān)函數(shù)。自相關(guān)函數(shù)左右對稱并在零點處出現(xiàn)最大值?；ハ嚓P(guān)接收信號與發(fā)射信號的互相關(guān)處理過程如下圖所示：（a）是從檢波器接收到的信號，它是各種反射信 號的迭加結(jié)果。然后用（b）參考信號通過移動與地震道數(shù)據(jù)（a）進(jìn)行相關(guān)運算。當(dāng)移到第一個反射界面 （c）時，相關(guān)結(jié)果（e）

9、輸出一個脈沖值表示：檢測到了一個掃描信號。從G）中可以看出，與相關(guān)前的 信號相比，相關(guān)顯著地改善了檢波器信號的信噪比，同時也可以看出，在沒有頻率相似的地方，相關(guān)結(jié)果 沒有任何顯示。因此說相關(guān)運算將掃描信號中沒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)的運算。這個結(jié)果是從互相關(guān)中采用完全相同的二個信號導(dǎo)出來的。按照相關(guān)的運算規(guī)則，A點的振幅就是（a）與（b）對應(yīng)點的相乘累積相加結(jié)果。然后滑移參考信號， 順序計算得到B、C、D各點，最終得到自相關(guān)函數(shù)（6）。針對（6）的形態(tài)，有如下結(jié)論：在頻率不相同的地方幾乎沒有相關(guān)大值出現(xiàn)；一個掃描信號的自相關(guān)函數(shù)在遠(yuǎn)端（A與D點）的值非常??；

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

11、信號發(fā)生器，將高振幅的短脈沖信號展開成低均勻振幅的長掃描信號后總能量保持不變， 因此，可控震源只是一個低振幅的激發(fā)源，而不是低能量的激發(fā)源。相關(guān)器只增強(qiáng)了有效信號而不改變噪音。數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)處理后峰值振幅的改善與掃描信號的長度有關(guān)。在相關(guān)處理過程中，相關(guān)的計算是以采樣率為時移值，整個時移長度等于記錄長度。可控震源掃描信號子波的一般特點圖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。對于震源而言，最好的下傳信號就是自相關(guān)信號。反射脈沖等于掃描信號的自相關(guān)函數(shù)與大地響應(yīng)的褶（卷）積?？煽卣鹪吹姆瓷浠旧鲜菍ΨQ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)在零點的振幅值也代表了掃描信號的能量。掃描信號的譜越寬，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)的邊葉可以通過在掃描信號兩邊加斜坡（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。張力對應(yīng)于在應(yīng)力作用下的形變。彈性波在大地的傳播過程中是由應(yīng)力與張力關(guān)系來控制的。如果G（t）代表質(zhì)點運動垂直分量的脈沖 （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間的變化而變化，而不是脈沖， 則檢波器檢測到的信號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，因為時間域的褶積在頻率域內(nèi)就成為 純數(shù)學(xué)乘法運算。U （ 2 f ） = F （2 f ） G （ 2 f ）在時間域內(nèi)的互相關(guān)運算等效于頻率域內(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)可以通過互相 關(guān)運算得到?？煽卣鹪磳嶋H上就是產(chǎn)生頻率隨時間變化的輸出力信號。它的輸出振幅可以按照設(shè)計要求進(jìn)行調(diào)整。 輸出力信號可以是連續(xù)變化的信號，如掃描信號，也可以按照一定步長/間隔變化的信號，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，重錘運動與活塞的相對運動呈線性關(guān)系，那么震源的輸出力F(t)，有時也稱地面力GF，可以 通過對二個各自安裝在平板和重錘上的加速度傳感器測量的信號，經(jīng)加權(quán)計算得到：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)在實際工作中，震源振動輸出力F(t)往往取決于震源本身的特性和對震源的控制。為了使互相關(guān)處 理過程中盡可能獨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P (t)進(jìn)行的運 算。在頻率域，對地震數(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，對于質(zhì)量控制而言，采用輸出力與設(shè)定的參考信號進(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：實際上是清晰度的概念)取決于所采用的掃描信號的 函數(shù)關(guān)系、頻帶寬度、掃描長度?；ハ嚓P(guān)子波對稱于零時間線，峰值振幅的大小取決于輸出力信號與參考信號的相似性。評價相關(guān)子波的對稱性有三個基本原則：子波峰值振幅在零時間線的位置，取決于參考信號與輸出力信號啟動的同步精度；正、負(fù)邊峰值振幅的相對水平，通常應(yīng)該對稱，否則就意味著參考信號與輸出力信號間有相位誤差 的存在；(沿時間軸)正、負(fù)方向的相關(guān)噪音相對水平，負(fù)方向的振幅高，則意味著輸出力信號中含有諧波 成分；上述評價原則當(dāng)然是以參考信號與輸出力信號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