專利名稱：源分離的高保真度震動源地震探礦法的制作方法
根據(jù)美國法典第35編第120條，本申請要求1995年9月29日提交的題目為“地震震動信號源分離的方法和裝置”的第08／556302號未審定申請的優(yōu)先權。本申請還與1995年5月5日提交的第08／435940號未審定申請，現(xiàn)在為第5550786號美國專利有關。
本發(fā)明涉及地質勘探領域，尤其涉及地震勘測中記錄的震動信號的分析。
眾所周知，在石油和天然氣勘探領域中，常常對大地進行地震勘測，以確定勘測區(qū)下面是否可能有石油儲油層。在通常意義上，傳統(tǒng)的地震勘測是在大地一處或多處產(chǎn)生已知的聲能或震動能，在離開能量產(chǎn)生位置的地方檢測這一能量。所產(chǎn)生的能量從源位置傳播到在大地中，并被地下的地層所折射以及被地層之間的界面所反射。測量能量從源傳播到接收器所需的時間可以指示能量傳播路徑的長度，由此可導出各地質形成的深度。
人們還熟知，通常可以采用不同類型的震動源能量和震動源設備。一種重要的陸上地震勘測法采用地震震動器源。在這種勘測中，將多個震動器放在勘測區(qū)中所需的位置上，同時對大地施加強震動。通常，震動器為一輛其底板與大地接觸的大型卡車或其它車輛。每個震動器中液壓起重器與重型(例如，兩噸量級)的反作用質量塊一起工作，產(chǎn)生的震動通過底板進入到大地中，由與震動器陣列相隔一定距離的地震檢波器陣列進行檢測。1991年3月19日頒發(fā)的第5000285號美國專利描述了傳統(tǒng)的安裝在卡車上的地震震動器的一個例子，該專利已轉讓給大西洋里奇菲爾德公司，這里引作參考。這種測量在大地中產(chǎn)生的震動能量通常是變頻的，以便能夠確定從源到檢測器的傳播時間，這也是眾所周知的。通常，在下限(如5Hz)與上限(如150Hz)之間，或是采用固定幅度或是采用與頻率有關的幅度“包絡”，震動隨時間線性變化。根據(jù)這種變頻的產(chǎn)生能量的每一序列通常被稱為“掃描”或是“線性調頻脈沖”。
地震勘測是費時的任務，所花費的時間主要與產(chǎn)生和記錄震動能量所需的時間直接有關，這也是眾所周知的。照此，許多的現(xiàn)代震動地震勘測是這樣進行的，從多個源位置同時向大地施加能量，以致每一個地震檢波器將檢測來自多個源的被折射和反射的能量復合。然后在位于勘測區(qū)中的記錄站，在時間窗口上記錄下檢測到的復合能量，提供每個地震檢波器位置的掃描的地震記錄。在這種同時激勵多個源的勘測中，對地震檢波器的地震記錄的處理必須把檢測到的能量從多個源中的每個源分離出來，以便提供有關能量經(jīng)地下路徑從每個源到地震檢波器的信息。
根據(jù)復合記錄能夠輕易地確定多個源中每個源的貢獻，用這種方法，通過對源能量進行編碼通常有助于根據(jù)源的復合記錄的分離。這種編碼的一個例子被稱作0°-180°編碼，在第4159463號美國專利中對此作了描述。在這個例子中，兩次同時激勵兩個震動源，在大地中產(chǎn)生兩次震動掃描。在第二次掃描中，兩個源中每個源的能量與第一次掃描中相等，不同的是第一個源的能量的相位相對第一次掃描相差180°。將兩次掃描的兩個記錄相加將隔離第二個源的貢獻(180°的相位差消除第一個源的貢獻)；兩個記錄相加前讓記錄中的一個記錄相移180°，那么將隔離第一個源的貢獻。第4715020號美國專利描述了一種更通用的對兩個以上的多個震動源進行相位編碼的方法，根據(jù)這種方法，再次掃描的次數(shù)等于同時激勵的震動器的數(shù)目。
根據(jù)另一種已知的相位編碼方案，選擇給定掃描中每個源的相移，以致通過對多次掃描記錄的相移和求和可以隔離每個源的貢獻。根據(jù)這個例子，下表列出在1至4次掃描中四個震動A、B、C、D的相移(這種相移以度表示，相對第一次掃描中震動器A的相位而言)震動器A 　 B 　 C 　 D掃描10 　90 90 180掃描2 90 0180 90掃描3 90 180 0 90掃描4 18090 90 0根據(jù)這種方法，通過使掃描2的記錄相移-90°、掃描3的記錄相移-90°、掃描4的記錄相移180°，以及將四條記錄加在一起，可隔離震動器A的貢獻；在這種情況下，經(jīng)求和的記錄是震動器A記錄的四倍，所有其它貢獻相互抵消。同樣，為了分辨震動器B，在求和前，使掃描1和4的記錄相移-90°，掃描3的記錄相移180°。通過相移與相加的組合，從而隔離四個震動源中每個源的貢獻，同樣可確定其它源的貢獻。
作為進一步的背景，第4545039號美國專利描述了一種利用震動脈沖的偽隨機選擇的震動地震勘測技術。根據(jù)這種方法，由每個震動器產(chǎn)生不同的非相關的掃描，對每條記錄進行多次相關(對應每個震動器／編碼采用一次)，在這之后，將對應于每個震動器的分離的記錄疊加起來，以分離每個源對記錄的貢獻。
根據(jù)這些技術中的每種技術，通過確定地震記錄中出現(xiàn)源震動的時間，可確認從源到地震檢波器的傳播時間。這種確定可通過檢查地震記錄，識別其中頻率-變量的源震動的貢獻來進行。這種識別可以通過時域中源震動波形與地震檢波器檢測到震動(分離之后)的互相關以自動方式來進行。相關圖的幅度最大值(源和接收器震動的最大相關度的指示)出現(xiàn)在對應于震動傳播時間的相關時間滯后處。在對源震動和檢測震動進行傅里葉變換運算后，在頻域中也能夠進行這種相關。在頻域中，將源頻譜的復共軛乘以檢測震動的頻域表示，這個乘積的逆變換產(chǎn)生時域的相關輸出。
作為進一步的背景，第3332511號美國專利描述了一種獲得震動地震勘測的方法和系統(tǒng)，這里，通過測量震動器附近的大地位置上產(chǎn)生的源震動獲得相關運算中使用的源信號。然而，將源能量與檢測到地震記錄進行相關的傳統(tǒng)技術通常采用源能量波形(即“導頻”信號)的理想表示作為相關算子，而不是利用相關中震動器實際產(chǎn)生的震動的測量結果。這是因為實際震動通常富含諧波，在相關結果主瓣的兩側產(chǎn)生旁瓣假信號；這些旁瓣的假信號使相關結果大大模糊，因而對勘測準確度產(chǎn)生不利影響。于是，阻礙了在現(xiàn)有技術中采用實際震動器測量作為震動地震勘測中的相關算子。
除了上述的諧波以外還觀測到，實際的源能量波形被產(chǎn)生震動的液壓機械系統(tǒng)中的非線性度、被震動系統(tǒng)通過震動系統(tǒng)底板彎曲與大地耦合的非線性度、以及被其它非線性因素而畸變，偏離理想的輸入波形。源能量相對導頻信號的這些畸變在實際傳遞到大地中時極大地增加了用傳統(tǒng)相關技術精確確定能量從源到接收器的過渡時間的難度。有些非線性度的頻率依變性使檢測到的地震記錄與導頻波形之間的相關性在一些頻率上更差，進一步增加了這一難度?？紤]到檢測到的每條地震記錄還包含來自所關心的源以外的其它源的能量，在同時激勵多個源的震動地震勘測中，這種相關結果的不精確度尤其會帶來麻煩。
作為進一步的背景，現(xiàn)已觀察到，在地震勘測中，震動源的激勵常常是不重復的。例如，多個震動源中的一個在給定的掃描期間可以不激勵，或者激勵中伴有大量噪聲。如果在掃描時間在現(xiàn)場中檢測到，這種失敗會需要重新進行一次掃描；然而，如果在勘測期間在現(xiàn)場中未檢測到，那么這種情況會損害該掃描的地震記錄，相應地降低勘測中所獲得的數(shù)據(jù)量。
即使在根據(jù)這些傳統(tǒng)技術進行相對多個源的相關，勘測的分辨率通常被限于把多個震動源當作單個源來對待。照此，空間分辨率通常是相當粗的，不能提供地下地質的高分辨率描述。
作為進一步的背景，1987年2月24日頒發(fā)的第4646274號美國專利，現(xiàn)已轉讓給大西洋里奇菲爾德公司，描述了在研制相位畸變校正用的逆濾波器中采用震動地震動源產(chǎn)生的地面力的實際測量結果。
本發(fā)明的目的是提供一種計及非線性和與頻率有關效應的分析震動地震記錄的改進方法。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種能夠計及其中一個震動源已經(jīng)失敗或是噪聲的掃描的方法。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種能夠對包含多個同時激發(fā)震動源引起的諧波效應的震動地震記錄進行處理的方法。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種能夠提高勘測分辨率以致對震動源分別進行處理，而不是將分辨率限于震動源陣列的方法。
對本領域專業(yè)人員而言，參看以下說明并結合附圖，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點是顯而易見的。
本發(fā)明可以被引入到同時激勵多個震動源進行震動地震勘測的方法和系統(tǒng)中。根據(jù)源和掃描當中所選的編碼方案，利用多個源進行多次掃描。在震動器以及與其隔開一段距離的位置上同時測量源震動被地質結構和界面反射和折射后的震動。對應每一次掃描，每個地震檢波器產(chǎn)生一個記錄，該記錄是源震動被每個源與地震檢波器之間路徑反射和折射的復合。本發(fā)明根據(jù)震動器上實際測得的源震動，在每一個感興趣的頻率下，通過產(chǎn)生一個逆矩陣算符，在頻域中對地震記錄進行分析。在該頻率下將逆矩陣算符用于每一個記錄，產(chǎn)生該頻率下每條源-地震檢波器路徑的傳遞函數(shù)；然后，對于記錄中的每一個感興趣頻率重復這一過程。本方法產(chǎn)生每個震動源的每個地震檢波器位置的傳遞函數(shù)，將每個源的能量路徑與陣列中的其它源相分離。該傳遞函數(shù)代表在源-地震檢波器路徑上大地對源震動的響應。本方法便于計及理想源波形與實際源震動之間的非線性和諧波畸變，并能夠計及掃描中一個震動器是噪聲或缺少一個震動器的掃描。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在每次掃描中切斷一個源，以方便分離。根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，可以采用對掃描動作的測量來降低或消除勘測中動作差掃描的貢獻。根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例，進行多于震動器數(shù)目的多次掃描，在確定大地對源震動的響應中以提供更健全的解決辦法。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過將被分離記錄震動的矩陣表示除以在特定震動器上測得的信號的矩陣表示，進行分離檢測記錄的相關。然后應用最小相位濾波器產(chǎn)生沿指定震動器-檢測器路徑上大地反射率的表示。


圖1是依照本發(fā)明較佳實施例在大地上進行震動地震勘測的大地截面的示意圖。
圖2是依照本發(fā)明較佳實施例用于執(zhí)行本方法的計算機系統(tǒng)的示意圖。
圖3是表明依照本發(fā)明較佳實施例進行震動地震勘測的方法的流程圖。
圖4是說明依照本發(fā)明第一替代實施例，在圖1所示的勘測中分離多個震動器中每一個與地震檢波器中每一個之間的每條路徑的大地響應的方法的流程圖。
圖5是說明依照本發(fā)明第二替代實施例在圖1所示的勘測中分離多個震動器中每一個與地震檢波器中每一個之間的每條路徑的大地響應的方法的流程圖。
圖6a和6b是說明根據(jù)本發(fā)明較佳實施例從分離過程結果產(chǎn)生地震勘測的另外兩種方法的流程圖。
圖7a和7b分別是根據(jù)傳統(tǒng)相位分離技術和根據(jù)本發(fā)明較佳實施例產(chǎn)生的一示范勘測的地震軌跡。
圖8是說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例從分離過程結果中產(chǎn)生地震勘測的方法的流程圖。
圖9是根據(jù)圖8中所示的本發(fā)明實施例說明本方法所使用的逆過程的詳細流程圖。
圖10是說明根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，在分離過程前進行的將記錄數(shù)據(jù)變換到頻域的另一替代方法的詳細流程圖。
首先參考圖1，圖中示出依照本發(fā)明的較佳實例正在進行兩維(2-D)震動地震勘測的大地截面。以下的描述將針對大地的陸上勘測，當然應當明白，本發(fā)明也可用于海中地震勘測。
在圖1所示的示范勘測中，將四個震動器VA至VD放在大地表明S。震動器V是一般的震動源，如安裝在卡車上的這種震動器。傳統(tǒng)震動器V的例子有1991年3月19日頒發(fā)的第5000285號美國專利中所描述的，該專利已轉讓給大西洋里奇菲爾德公司，這里引作參考；另一方面可以采用其它的震動地震勘測性能傳統(tǒng)震動器。此外，也可以采用以編碼方式產(chǎn)生地震能量的其它類型的致動器代替震動器V。在這個示范勘測中，震動器VA至VD相互靠近，但是隔開一段短距離。相鄰震動器V之間的距離根據(jù)勘測設計而定，但是通常在40英尺的量級上。此外，在圖1所示的兩維示范勘測中，示出的震動器VA至VD是相互共線的。為了三維測量，震動器V可以按照非共線方式放在勘測區(qū)中。此外，無論是兩維勘測還是三維勘測，對于圖1所示位置中的震動器V進行所需次數(shù)的掃描后，將震動器V移動到勘測區(qū)的不同位置，以同樣的方式激勵。
在本發(fā)明的這個實施例中，敏感器5與每個震動器V以及震動分離系統(tǒng)10相連接；敏感器5檢測震動器V的運動或力，給震動分離系統(tǒng)10產(chǎn)生一個對應于其有關的震動器V傳給大地的實際源能量的信號。每個敏感器5可以是一個安裝在震動器V反作用質量塊或底板上或是直接與大地表面鄰接的加速度計、測量震動器V激發(fā)腔體中壓差的傳感器、附著在震動器V底板上的負載單元、或是測量震動器V實際輸出的其它傳統(tǒng)傳感器。由敏感器5進行的測量通常是實際震動的最小相位相對值，因此代表了由有關震動器V傳給大地的實際源震動。
還是如圖1的勘測所示，在與震動器V間隔一定距離的勘測區(qū)中，在大地表面S上設置地震檢波器G1至G5。地震檢波器G具有傳統(tǒng)的結構，與傳統(tǒng)震動地震勘測中通常采用的一樣；另一方面，當然根據(jù)具體的勘測位置(陸上或海上)和能量類型，可以采用其它的傳統(tǒng)檢測器代替地震檢波器G。此外，在震動地震勘測中，通常采用5個以上的多個地震檢波器G；為簡便起見，圖1中僅僅示出5個地震檢波器G。另外，圖中示出的這5個地震檢波器G相互共線，地震檢波器G也可以按照非共線的排列結構而排列，或者根據(jù)勘測設計和所需結果，地震檢波器G按照行列陣列的形式排列。地震檢波器G直接的間隔可以很小，如在15至40英尺的量級。震動器V與地震檢波器G組之間的距離根據(jù)具體勘測情況以及震動器V通過勘測區(qū)的滾降而改變。確實，在某些地震檢波器G以陣列排列的勘測中，在勘測中震動器V實際上可以幾次位于地震檢波器陣列的區(qū)域中。
正如圖1所示，震動能量從每個震動器V傳播到在勘測區(qū)中的地震檢波器G。每個地震檢波器G實際接收到的震動由于受到與震動器V與地震檢波器G之間震動路徑地質特性相對應的傳遞函數(shù)h的影響，將依賴于每個震動器V給出的輸入震動信號。通過震動能量被地質結構的折射和反射將可確定這一傳遞函數(shù)h。以地震檢波器G1為例，如圖1所示，各個傳遞函數(shù)hA至hD是由大地給出的，對應于一端為震動器VA至VD、另一端為地震檢波器G1的四條不同路徑。因此，傳遞函數(shù)hA對應于震動器V1與地震檢波器G1之間路徑上的大地響應，它包括大地上層(如層2)中的折射效應和地下各層之間界面(如2、4層之間的界面I)的反射效應。大地的這兩種物理效應引起地震檢波器G1接收到的震動能量延遲以及與震動器VA傳給大地的震動能量有所改變。因此，傳遞函數(shù)hA對應于當與源震動波形卷積時(在時域中)或者當與源震動頻譜相乘時(在頻域中)產(chǎn)生地震檢波器G1記錄信號的函數(shù)，正如本領域眾所周知的。
除了大地根據(jù)源震動產(chǎn)生的這些反射和折射效應以外，傳遞函數(shù)h還包括檢測點(即敏感器5置于特定震動器V上的位置)與大地表面之間存在的相應震動V的動力學效應。例如，如果敏感器5作為測量震動器VA激發(fā)腔體中差壓的傳感器，傳遞函數(shù)hA還將包括通過監(jiān)測差壓測量源震動中不準確度的效應。由于這些動力學通常是最小相位效應，然而，如下所述，在接下來的濾波和處理中能夠輕易地去除這些不準確性。
正如將要詳細描述的，在震動勘測中利用同時進行多次掃描提供勘測所需時間的縮短，但是，對于進行的每一次掃描，導致每個地震檢波器G記錄一條根據(jù)每個震動器V提供震動能量的復合地震記錄。地震檢波器G記錄的地震記錄被存入震動分離系統(tǒng)10，由其進行分析。
現(xiàn)在參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，用于分析震動器V和地震檢波器G所記錄地震震動的震動分離系統(tǒng)10，從每個地震檢波器G中分離出每個震動器V對記錄的地震信號的貢獻。如圖2所示，本發(fā)明較佳實施例的系統(tǒng)包括震動分離系統(tǒng)計算機24。系統(tǒng)計算機24可以用任何普通個人計算機或工作站來實現(xiàn)，較佳地采用基于UNIX的工作站，如Sun Microsystems公司提供的SPARC工作站，或是以獨立方式或是作為網(wǎng)絡配置的一部分來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，系統(tǒng)計算機24主要在圖形顯示器27上或是另外通過打印機28給出輸出；進一步在另外實施例中，系統(tǒng)計算機24可以將以下所述的分析結果存在磁盤存儲器29中，供以后使用和進一步分析。給系統(tǒng)計算機24設置鍵盤26和點操作裝置(例如，鼠標器、跟蹤球等)25，以便能夠進行交互操作。系統(tǒng)計算機24能夠與磁盤存儲裝置，包括網(wǎng)絡上的外部硬盤存儲器和軟磁盤驅動器進行通訊。正如圖2所示，震動分離系統(tǒng)10既可以位于遠離勘測區(qū)的數(shù)據(jù)中心，另一方面(較佳地)也可以位于勘測現(xiàn)場，提供對勘測結果的實時分析。
如圖2所示，設置記錄單元21、23，記錄勘測的震動信號。在這個例子中，記錄單元21接收震動器V上加速度計的時域電信號，而記錄單元23接收地震檢波器G的時域電信號。記錄單元21、23與磁盤存儲器30(如果需要，或者通過系統(tǒng)計算機)通訊，將震動器V和地震檢波器G的電信號轉變?yōu)閿?shù)字數(shù)據(jù)，存儲在磁盤存儲器30上。照此，記錄單元21、23具有本領域人員熟知的普通結構。在本發(fā)明的這個實施例中，系統(tǒng)計算機24能夠從一個或多個磁盤存儲裝置30中對代表檢測到震動的存儲數(shù)據(jù)進行檢索。雖然圖2示出磁盤存儲器30直接與系統(tǒng)計算機24連接，也可以設想，磁盤存儲裝置30可以通過局域網(wǎng)或是通過遙控進行存取。此外，雖然磁盤存儲裝置29、30是作為分別的裝置示出的，當然在適當?shù)臅r候也可采用單個的磁盤存儲裝置來存儲任何的和所有的測量數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在參考圖3并結合圖1和2，將詳細描述根據(jù)本發(fā)明較佳實施例進行震動地震勘測和分析其結果的方法。圖3的方法將針對圖1所示的震動器V和地震檢波器G單一布局而描述，當然將會明白，對于整個勘測區(qū)上的震動器V和地震檢波器G的多種布局通?？梢灾貜蛻煤蛨?zhí)行圖3所述的方法。照此，圖3所示方法中數(shù)據(jù)處理部分既可以實時(即在進行下一位置的勘測前對每個布局的信息進行處理)進行也可以在完成整個勘測區(qū)的數(shù)據(jù)獲取后接下來進行批處理操作。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，過程32通過同時激勵震動器V進行第一次掃描而開始勘測，在這一步中，每個震動器V使大地在一段頻率范圍下震動。根據(jù)所需勘測類型，可以由任何已知技術確定震動器V掃描的特定頻率。典型地，頻率上掃描或下掃描將產(chǎn)生震動波形V(t)，在線性情況下為V(t)=A(t)sin(2π(SRt22+f0t)+φ)]]>式中SR是從起始頻率開始頻率隨時間的掃描率(正的SR為上掃描，負的SR為下掃描)；A(t)是震動的幅度包絡函數(shù)(通常為常量)。相位角φ對應于上述的分離特定幾個震動器V震動貢獻的震動相位編碼。當然，在進行勘測中也可以采用非線性掃描(即源震動的頻率隨時間變化不是線性的)。另一方面，可以采用偽隨機頻率掃描(即每個震動器V震動的瞬時頻率以偽隨機方式變化)，對于共振會引起附近結構破壞的都市和郊區(qū)區(qū)域的勘測尤其如此。
因此，過程32以傳統(tǒng)方式按照所需方法激勵震動器V掃描。在過程34中，由勘測中震動器V的敏感器5還有每個地震檢波器G二者在時域中記錄震動。記錄單元21、23在適當?shù)臅r候(或是在下一次掃描前或是在完成所有掃描后)將記錄的震動信號傳送到震動分離系統(tǒng)10中的磁盤存儲器30，完成過程34。正如本領域眾所周知，存儲的震動信號將是時域中敏感器5和地震檢波器G接收的模擬震動的一系列數(shù)字取樣值。
然后進行決斷35，確定勘測中在震動器V對地震檢波器G的特定位置上是否要進行附加掃描，在這種情況下，在過程36中以傳統(tǒng)方式調節(jié)下一次掃描的掃描編碼。然后，對于其余掃描重復過程32、34。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，進行掃描的次數(shù)(即經(jīng)過過程32、34的次數(shù))等于勘測中震動器V的數(shù)目。對于圖1的例子而言，這里采用四個震動器VA至VD，進行四次掃描。
完成所需次數(shù)的掃描，震動分離系統(tǒng)10，具體是指系統(tǒng)計算機24在過程38中根據(jù)震動器V記錄的信號以及地震檢波器G記錄的信號，對記錄的震動信號進行傅里葉變換，將存儲的時域表示變換為頻域的數(shù)字表示。過程38中采用的傅里葉變換技術是傳統(tǒng)技術，通常稱為離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT)。然后把過程38的結果存入震動分離系統(tǒng)10的存儲器，或是在系統(tǒng)計算機24的隨機存取存儲器中或是在磁盤存儲器30中。
在一定的情況下，根據(jù)掃描編碼，也可以對信號數(shù)據(jù)進行壓縮，以便于進一步處理。現(xiàn)在參考圖10，過程38’不僅將記錄的信號變換到頻域而且還對信號數(shù)據(jù)進行壓縮，現(xiàn)在將說明這種壓縮。過程38’是過程38的另一個實施例，在對多次掃描進行相互相位編碼的情況中，它是特別有用的。
過程38’從過程138由系統(tǒng)計算機24從存儲器中檢索震動器V的導頻信號開始；由于在這種情況中對掃描進行相位編碼，對于一次次掃描，除了相移外，加到震動器V上的導頻信號是互相相同的。然后，對于單個記錄信號Ri進行過程140，該信號或是一個地震檢波器G記錄的信號或是一個震動器V上敏感器5監(jiān)測的信號，將記錄信號Ri與過程138中檢索到的導頻信號進行相關。根據(jù)傳統(tǒng)技術進行過程140相關。然后在過程142中用系統(tǒng)計算機24框出所需“監(jiān)聽”時間內的這些相關結果，以便可以放棄關心范圍以外時間的數(shù)據(jù)。然后，在過程144中，系統(tǒng)計算機24對框出的記錄信號Ri的相關結果進行DFT或FFT，將這些相關結果變換到頻域中。決斷145確定是否繼續(xù)對附加記錄信號Ri進行處理(包括地震檢波器G記錄的信號以及震動器V上敏感器5記錄的這些信號二者)；如果是，增加指數(shù)i并控制返回到相關過程140。完成過程144對每條記錄信號Ri的相關和框出結果的FFT后，完成過程38’。
于是，根據(jù)以下所述的方法，任選過程38’能夠大大地降低系統(tǒng)計算機24處理的數(shù)據(jù)量。過程38’的結果是導頻信號和測量記錄之間相關性的FFT，僅限于關心的時間窗口。此外，在過程之前進行這個壓縮，因此，大大地提高了這里所述分離方法的效率。
本領域的專業(yè)人員將會看到，任選過程38’可以根據(jù)系統(tǒng)計算機24的配置以及掃描編碼的類型以不同的方法對信號數(shù)據(jù)進行變換和壓縮。例如，可以在頻域中而不是在時域中進行過程140、142的相關和框出，在這種情況下，可以在完成過程144后進行過程140、142。對于本領域的專業(yè)人員而言從這一描述中顯然易見，也可以進行其它類型的傳統(tǒng)處理。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，在過程40中，根據(jù)過程38中產(chǎn)生的記錄震動的頻域表示，進行震動器V到地震檢波器G每條路徑的大地響應的分離。這個分離既利用地震檢波器G的記錄震動又利用震動器V檢測的震動；這與包括相位編碼分離的傳統(tǒng)分離技術不同，它們是根據(jù)導頻信號(即輸入震動的理想表示)分離的。這使得本發(fā)明能夠更準確地確定大地對震動的響應，在分離過程中計及了寄生噪聲、非線性、耦合不完善、底板彎曲以及有關各個震動器的工作問題。此外，根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的分離方法逐個頻率地而不是象傳統(tǒng)分離技術那樣以與頻率無關的方式確定每條路徑上的大地響應。結果，本發(fā)明在分離過程中能夠處理與頻率有關的效應，包括諧波耦合以及其它動作。
現(xiàn)在參考圖4并結合圖1，對于多個震動器V與一個地震檢波器G之間的多個大地響應路徑，進一步詳細描述分離過程40；當然應當明白，對于勘測區(qū)中的每個地震檢波器G，也可以進行這一過程。如圖1所示，每一個震動器VA至VD產(chǎn)生震動，通過各條物理路徑傳給地震檢波器G1。每條路徑對應于一個響應，或傳遞函數(shù)hA至hD分別對應于地震檢波器G1與震動器VA至VD之間的路徑。不管采用的震動掃描類型，傳遞函數(shù)h當然表示大地對震動能量響應的貢獻，包括反射和折射，因此在產(chǎn)生區(qū)域地震勘測以及確定地下界面位置和各種地質形成中是有用信息。
對于四個源VA至VD的四次一組震動掃描，可以考慮把地震檢波器G1記錄的頻域表示作為DFT中每個頻率的一個方程式系，表示為式中Rn是第n次掃描地震檢波器G在規(guī)定頻率下記錄的復合頻域表示系數(shù)，An是第n次掃描震動器VA測量的在規(guī)定頻率下的源震動系數(shù)，Bn是第n次掃描震動器VB測量的在規(guī)定頻率下的源震動系數(shù)，以此類推。當然，在這個系中每個系數(shù)是復數(shù)。由于對于每一次掃描，在過程34中已經(jīng)記錄了震動器V上震動，對于每一次掃描已經(jīng)獲得地震檢波器G1上地震記錄，因此它們是已知的，上述系具有四個未知數(shù)的四個方程式，由此可以確定規(guī)定頻率的傳遞函數(shù)hA至hD的解。
可以用矩陣形式將上述的系表示為
通過確定含有源震動表示An、Bn、Cn、Dn的矩陣[S]的逆矩陣，可以求出規(guī)定頻率下的傳遞函數(shù)h的解
以下的描述將源震動表示的逆矩陣稱為[S-1]。
如上所述，在掃描中通常利用相位編碼。在這種情況下，每個源震動表示An、Bn、Cn、Dn為復數(shù)。以上述的傳統(tǒng)相位編碼為例，理想的輸入波形(即掃描的波形是嚴格地由震動器V產(chǎn)生的)將具有下表所給出的相位關系(以度表示)震動器A B CD掃描10 9090 180掃描2 90 0 180 90掃描3 90180 0 90掃描4 180 90900在這種理想情況下，矩陣[S]由下式表示，式中i是虛數(shù)指示(即-1的平方根，對應于90°相移)
它的逆矩陣[S-1]由下式表示
然而，已經(jīng)觀察到，由一般的震動器傳給大地的實際震動能量略微偏離理想的輸入波形。這是由于震動器V工作中的非線性使所需波形從控制信號到實際震動的不良轉換、震動器V與大地的不良耦合、底板彎曲以及震動器V中的聲耦合造成的。此外，已經(jīng)觀察到，傳統(tǒng)的震動器V在一次次掃描中其輸出不是完全重復的。當采用理想波形的相位矩陣時，這些效應中每一種都會把誤差引入到分離和分析過程中。
于是，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，過程40中采用的矩陣[S]及其逆矩陣[S-1]是基于震動器V的實際震動測量結果，例如用圖1中敏感器(加速度計)5以及可用于測量震動器V實際工作的這類其它傳統(tǒng)傳感器獲得的。此外，由于許多畸變效應(尤其是諧波效應)與震動的頻率有關，依照本發(fā)明較佳實施例的方法，利用在震動器V和地震檢波器G二者上測得的復數(shù)頻域系數(shù)，分別根據(jù)范圍內的離散頻率進行工作。
參考圖4，照此分離過程40從過程42開始，在過程42中，確定第一頻率fK下的逆復數(shù)矩陣[S-1]。系統(tǒng)計算機24通過從存儲器檢索震動器V在頻率fK下的頻域震動測量結果的幅度和相位，確定這個頻率fK下的逆矩陣，接著利用傳統(tǒng)的數(shù)值分析技術確定原始矩陣[S]的行列式和余因子，產(chǎn)生逆矩陣[S-1]的系數(shù)。從以下，逆矩陣[S-1]是基于過程32中震動器V在產(chǎn)生震動能量中的實際動作。
例如，如果在第一次掃描中震動器VA完全未能工作，如果震動器VD在第四次掃描中具有相位和幅度誤差，對于給定的頻率fK，對于上述相位編碼的四次一組掃描，矩陣[S]將以下式出現(xiàn)
對于這個例子，在過程42中確定的頻率fK的逆矩陣[S-1]將產(chǎn)生下式
如上所注明的以及如下將要說明的，可以利用逆矩陣[S-1]方便地確定頻率fK下震動器VA至VD到地震檢波器G1的每條路徑的大地響應。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，接著進行過程45，從過程42建立逆矩陣[S-1]的質量值。對于這里所述的分離過程30而言，過程45是任選的，相信對分辨這樣的頻率是有用的，即在這些頻率下，解是如此不穩(wěn)定以致對這里所述的頻域處理打折扣。例如，在掃描范圍以外的頻率上，頻率響應是乎是不可靠的，因為在這些頻率上諧波效應是很嚴重的。在這里所述的過程45的例子中，確定質量值，作為頻率fK下傳遞或響應函數(shù)的結果能夠與之相乘的加權因子(動作好的操作接收最大加權因子1)。另一方面，可以用質量因子導出施加到分離最終結果的濾波器，或作為現(xiàn)場質量控制測量，以致如果質量值太低，可以重新進行一次或多次掃描。
如圖4所示，通過計算頻率fK下的矩陣[S]的本征值λ，也稱為特征值，過程44起動過程45。正如本領域人員所熟知的，根據(jù)本發(fā)明的這一實施例，復數(shù)矩陣，如矩陣[S]的本征值本身就是復數(shù)。已經(jīng)觀察到，對于矩陣[S]特性差的這些情況，即當矩陣[S]的本征值λ中的一個或多個很小時的情況，大地響應函數(shù)h的確定是不可靠的。因此，根據(jù)本發(fā)明這個實施例，決斷43是確定質量值QV，該值與矩陣[S]本征值的大小有關，尤其與最小本征值的大小有關。例如，質量值QV可以定義為下式QV=λmaxλmin]]>式中λmax和λmin是矩陣[S]的本征值集的最大和最小絕對值；在這個例子中，質量值QV相當于矩陣[S]的條件數(shù)。于是，當矩陣[S]特性差時，QV高。當然，另一方面，可以采用質量值QV的另一種定義來測量解的穩(wěn)定性和準確度；例如，質量值QV可以對應于矩陣[S]條件數(shù)的函數(shù)或本征值的另一個函數(shù)。因此，根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，決斷43通過將質量值QV與極限進行比較確定對于頻率fK而言矩陣[S]是否特性很差。如果QV超過極限，那么在過程46a中產(chǎn)生矩陣[S]在頻率fK下的縮小加權因子；例如，加權因子可以是質量值QV的倒數(shù)。另一方面，如果矩陣[S]特性很好(即它的質量值QV小于規(guī)定極限)，那么它的加權因子可以保持為1(過程46b)。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，過程45(如果進行的話)之后，接下來進行過程47，確定勘測區(qū)中震動器VA至VD到地震檢波器G的所有路徑的傳遞函數(shù)hA至hD(在這個例子中)?？梢砸勒詹煌娲夹g進行過程47，現(xiàn)在將對此進行描述。
如上所討論的，以地震檢波器G1為例，下面的矩陣方程式對應于給勘測區(qū)施加源能量[R]=[S]·[h]式中[R]是四次掃描時地震檢波器G1的地震記錄集合，[S]是在四次掃描中由震動器VA至VD施加的源能量矩陣，[h]是傳遞函數(shù)矩陣。照此，由于通過過程34的測量，[R]和[S]是已知的，在過程42中找出逆矩陣[S-1]，通過下列矩陣相乘，可以由過程47求解頻率fK下的傳遞函數(shù)[h][h]=[S-1]·[R]通過上述的系統(tǒng)計算機24能夠方便地進行這個矩陣相乘，對于本專業(yè)人員而言將是顯而易見的。
然后進行決斷48，決定是否通過分離過程40繼續(xù)對增大的頻率進行分析。如果是，控制進到過程49，在這個過程中，將頻率指數(shù)k增大到測量震動頻域表示的下一個離散頻率。當然，如果沒有另外的頻率要分析，控制進到圖3的過程50。
上面的方法采用傳統(tǒng)相位編碼方案，在該方案中，在每次掃描期間，在過程32中對每個震動器V進行激勵。由于本發(fā)明的這個實施例考慮了在一定的掃描中失去震動器或震動器不工作，根據(jù)本發(fā)明的另一替代實施例，在過程32中每一次掃描期間有意地關閉一個震動器V或者不激勵它。根據(jù)本發(fā)明的這個替代實施例，不必進行相位編碼(即所有的震動是相互同相的)。于是，在本發(fā)明的這個替代實施例中，理想源震動矩陣[S](對于所有頻率)則為
當然，再次進行震動器V的震動測量，以計及非重復能力的問題、非線性、諧波耦合等等。在理想情況下，對于這個例子，在過程42中確定的頻率fK的逆矩陣[S-1]則為
再說，矩陣[S-1]的實際值將依賴于震動器V上測得的震動。除了采用不同的編碼方案外，根據(jù)本發(fā)明這個實施例的方法，其余的部分按照如上所述的過程進行。
現(xiàn)在參考圖5，將描述依照本發(fā)明另一替代實施例的分離過程40’。過程40’與上述的過程40類似，是確定震動器VA至VD到地震檢波器G的所有路徑的傳遞函數(shù)h。然而，根據(jù)過程40’，通過對基于該過程的方程式系的過指定并結合利用震動源上測得的實際震動，可增大確定大地響應的可靠性。
在消除記錄地震震動中噪聲影響中，由本發(fā)明這個替代實施例獲得的這個可靠性增加是特別有用的。眾所周知，勘測中地震檢波器G經(jīng)常檢測到與震動器V產(chǎn)生的震動能量無關的震動，或者會產(chǎn)生與任何震動無關的信號；這種無關震動或寄生信號通常被稱為噪聲，顯然，它們降低了準確區(qū)分和分析所產(chǎn)生震動能量的勘測能力。
因此，在通常意義上，可以考慮下式表示的多次掃描中第n次掃描的單個地震檢波器G記錄的復合地震記錄Rn如前所述，Rn是第n次掃描的地震檢波器G記錄的復合頻域表示，An是第n次掃描的震動器VA的源震動數(shù)據(jù)，Bn是第n次掃描的震動器VB的源震動數(shù)據(jù)，以此類推。此外，在這個方程式中有一個Nn項，表示噪聲對掃描的貢獻。由此可見，對于大地響應或傳遞函數(shù)h，由于存在該噪聲項Nn，上式所表示的方程式系的解將變得復雜化。因此，降低記錄的地震記錄中噪聲影響，提高震動地震勘測的準確度和分辨率是有用的。
根據(jù)過程40’，該過程是上式分離過程的另一替代實施例，降低記錄的地震記錄中噪聲影響?，F(xiàn)已觀察到，震動地震勘測中記錄的噪聲最主要的是所謂的隨機噪聲；換句話說，一次掃描中記錄的噪聲通常與以后各次掃描中記錄的噪聲不相關。正如現(xiàn)在說明的，過程40’利用記錄的噪聲的隨機性消除它在多次掃描中的影響。
首先，根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，在過程32(圖3)中必須進行多于勘測中震動器V個數(shù)的多次掃描。換句話說，必須對地震記錄Rn的方程式系進行過指定。較佳地以某種方式，如上述的相位編碼，對每個震動器VA至VD的能量進行編碼；多出的這次掃描(即四個震動器的第五次掃描)可以簡單地重復以前進行的一次掃描，或者代之以相位編碼方案預計進行的第五次掃描。在圖1所示的勘測中，激勵四個震動器VA至VD，由下式表示五次掃描的過指定式中Nn項對應于方程式系中的記錄噪聲。假設噪聲項Nn是隨機的，在關心的頻率上∑Nn=0，記錄Rn表示為以下的系組
或者，這里矩陣[S]對應于震動器VA至VD的源震動矩陣[R]=[S]·[h]然而，由于掃描次數(shù)大于震動器-地震檢波器路徑的數(shù)目(即矩陣[S]代表一個過指定的系)，矩陣[S]不是正方矩陣。于是，必須經(jīng)過幾個步驟才能進行傳遞函數(shù)[h]的上述矩陣方程式的解。例如，可以在以上方程式的兩邊乘以轉置矩陣[ST]，得到下列方程式[ST][R]=[STS]·[h]
因此，利用矩陣[S]的“廣義逆”可以求每條震動器路徑的傳遞函數(shù)[h]的解，表示為[h]=[STS]-1·[ST][R]這些關系用在圖5所示的分離過程40’中，現(xiàn)在將對此進行描述。分離過程40’從過程52開始，在這個過程中，系統(tǒng)計算機24對震動器V在頻率fK下測得的震動的幅度和相位信息(即矩陣[S])進行檢索；過程52進一步包括從矩陣[S]確定轉置矩陣[ST]。眾所周知，通過每個矩陣元的位置指數(shù)倒轉(即行變成列)可以簡單地進行過程52中轉置矩陣[ST]的確定，由系統(tǒng)計算機24能夠方便地進行轉置矩陣的確定。較佳地，只要系統(tǒng)計算機24編制的程序在接下來的步驟中能以轉置方式檢索矩陣[S]的復數(shù)系數(shù)，在過程52中不必增加對轉置矩陣[ST]的矩陣元的存儲。
接著進行過程54，在這個過程中，系統(tǒng)計算機24產(chǎn)生頻率fK下的逆矩陣[STS]-1。較佳地，過程54首先進行矩陣相乘[ST]·[S]，然后在系統(tǒng)計算機24的能力范圍內通過一般的數(shù)值步驟，確定逆矩陣[STS]-1，如上所述，它涉及乘積矩陣[STS]的行列式和余因子的計算。如果需要那么可以進行任選過程56，它與上述的分離過程40中過程45相類似，是確定頻率fK下勘測中進行的掃描正則性的加權因子指數(shù)(即“動作是如何好”)。正如針對過程45所述的，可以用這個加權因子調節(jié)這些頻率下的勘測結果，這里，噪聲、非線性、諧波或其它現(xiàn)象對該頻率fK下的結果帶來一定疑問。
過程54或過程56之后，根據(jù)具體情況，分離過程40’確定各個震動器V與地震檢波器G1之間每條路徑的大地響應，按照傳遞函數(shù)矩陣[h]給出的。這是在過程57中進行的，在該過程中，通過系統(tǒng)計算機24進行一般數(shù)值矩陣乘法運算，將復數(shù)逆矩陣[STS]-1加在每次掃描的地震檢波器G1的記錄上(即加到乘積矩陣上[ST][R])。于是，過程57的結果是，通過分離過程40’確定地震檢波器G1對應于每條震動器-地震檢波器路徑的傳遞函數(shù)[h]集合。
當然，雖然以上所述的分離過程40’僅針對一個地震檢波器G1，但是應當明白，對于勘測區(qū)中的每個地震檢波器G在頻率fK下都可進行過程40’。
過程57之后，進行決斷58，確定是否繼續(xù)根據(jù)分離過程40’對增大的頻率進行分離。如果是，頻率指數(shù)k增大到頻域數(shù)據(jù)中對應震動器V和地震檢波器G檢測到震動數(shù)據(jù)的下一個離散頻率。然后對于該頻率重復過程40’。一旦完成對所有的所需頻率的分離(即決斷58返回到“否”)，控制進入到過程50，進行勘測數(shù)據(jù)的進一步處理。
回過來參考圖3，完成分離過程40或是40’，現(xiàn)在可以利用地震勘測中產(chǎn)生的每條震動器-地震檢波器路徑的分離的大地響應函數(shù)進行過程50。根據(jù)每條路徑找出的傳遞函數(shù)和大地響應產(chǎn)生地震勘測結果的具體方法是本領域常用方法，根據(jù)地質專家的需要選擇特定過程。
現(xiàn)在參考圖6a和6b，詳細描述根據(jù)上述的分離過程40、40’結果進行地震勘測的過程50的另外兩個實施例。圖6a和6b所示的過程50a和50b相互分別等同，圖6a所示過程50a是在頻域中進行的，圖6b所示的過程50b是在時域中進行的。從以下的描述中顯而易見，過程50a、50b在系統(tǒng)計算機24的能力之內。
首先參考圖6a，先進行過程62，在這一步中選擇分析用的特定地震檢波器Gn；然后，過程64選擇第一震動器Vi，因此選擇了過程50a第一步中分析用的震動器Vi與地震檢波器Gn之間的路徑。然后進行過程66，在這個過程中，由系統(tǒng)計算機24從存儲器中檢索與震動器Vi與地震檢波器Gn之間路徑相對應的傳遞函數(shù)hin的系數(shù)，作為頻域表示中的每個頻率點。照此，檢索過程66對傳遞函數(shù)hin復數(shù)系數(shù)的頻域譜進行檢索。如上所述，傳遞函數(shù)hin中的這些系數(shù)也可以包括上述過程45產(chǎn)生的加權因子或者被這些加權因子修改，以致如果監(jiān)測到的源震動系數(shù)矩陣特征不好可以對特定頻率下的系數(shù)進行某個程度的折算。
在過程68中，頻域系數(shù)hin與第一次掃描j中震動器Vi監(jiān)測到的源震動的頻域系數(shù)Ij相乘。過程68中這個相乘僅僅是傳遞函數(shù)hin中每個系數(shù)與掃描j監(jiān)測到系數(shù)Ij集合中相同頻率系數(shù)的點-點相乘。然后，過程70進行hin·Ij這個乘積的逆離散傅里葉變換，將這個結果變換到時域中。因此，過程70的結果是利用它們之間路徑的傳遞函數(shù)hin，與地震檢波器Gn上實際檢測到的唯一基于震動器Vi源震動的震動相對應的震動的時域表示；因此，這個結果是實際檢測到震動的理想表示，這里，將震動器Vi的貢獻從其它震動器V的貢獻中分離出來。
然后進行過程72，通過這個過程，掃描j中用于驅動震動器Vi的導頻信號與乘積hin·Ij的時域表示互相關。因此，過程72的結果是震動能量到達地震檢波器Gn的時基指示，由此可導出反射界面的深度。當然，眾所周知，通過將多條記錄疊加(在這當中信號將得到加強，而隨機噪聲趨于抵消)可以消除隨機噪聲對這種時基記錄的影響。于是，決斷71確定是否繼續(xù)對地震檢波器Gn進行震動器Vi的附加掃描數(shù)據(jù)的分析；如果是，那么增大掃描指數(shù)(過程73)控制進行到過程68，在這個過程中，再次進行下一次掃描的傳遞函數(shù)hin與源震動Ij的乘積，重復以上的過程。
對于勘測中震動器Vi的所有次掃描，完成頻域相乘(過程68)、逆DFT(過程70)和互相關(過程72)后，在過程74中系統(tǒng)計算機24將震動器Vi與地震檢波器Gn之間能量的互相關記錄疊加。因此，產(chǎn)生的疊加記錄適合在傳統(tǒng)地震勘測方法中使用，指示震動器Vi與地震檢波器Gn之間產(chǎn)生的源震動的延時。
如圖6a所示，對于從每個震動器Vi到地震檢波器Gn的能量可以重復這一過程，通過決斷75確定是否對地震檢波器Gn進行增加的震動器Vi的分析；如果是，增大震動器指數(shù)i(過程76)，控制進行到過程66，重復對下一個震動器Vi的分析。如果對于地震檢波器Gn已經(jīng)進行了所有震動器V的分析，那么決斷77類似地確定是否以上述方式對增加的地震檢波器G進行分析；如果是，那么增大地震檢波器指數(shù)n(過程78)，控制返回到過程64，在這個過程中，對于下一個地震檢波器Gn敏感到其產(chǎn)生能量的所有震動器V，重復上述過程。
對勘測中所有震動器V和所有地震檢波器G，在完成過程50a后，然后進行過程80，通過這個過程，按照所需方式安排地震勘測，就象通常對震動地震勘測那樣。例如，過程80可以包括共深度點(CDP)收攏、正常時差(NMO)操作等，它們給出更便于地質專家使用形成的勘測數(shù)據(jù)。然后完成圖3所示的勘測方法。
在上述的過程50a中，該方法中絕大部分是針對頻域系數(shù)進行的。這種類型的運算尤其適合于對于裝入數(shù)字信號處理器(DSP)的現(xiàn)代系統(tǒng)計算機24，因此，這種計算機特別地適于進行頻域運算和逆DFT運算。然而，許多常規(guī)的系統(tǒng)計算機較為適合于時域運算，如卷積運算。圖6b所示的過程50b較為適合于這種類型的計算機。在圖6a和6b中，用相同標號表示過程50a中與過程50b中相同的步驟。
在圖6b所示的過程50b中，與先前一樣進行過程62、64、66，從而由系統(tǒng)計算機24從存儲器中檢索所有頻率下分析用的對應震動器Vi與地質檢波器Gn路徑的hin傳遞函數(shù)系數(shù)。在過程66中檢索到的系數(shù)已經(jīng)被上述過程45產(chǎn)生的加權因子修改，對系統(tǒng)中特性差的這些頻率上的系數(shù)進行折算。然后在過程82中，系統(tǒng)計算機24進行傳遞函數(shù)系數(shù)hin的逆DFT，產(chǎn)生一系列時域系數(shù)δin，代表大地對震動地震能量的時域脈沖響應。
對于第一次掃描j，進行過程84，在這一步中，將脈沖響應序列δin與掃描j中震動器Vi監(jiān)測到的源震動的時域記錄Ij(t)進行卷積。正如以上針對圖3所討論的，在過程34中記錄敏感器5監(jiān)測到源震動，作為時域信號，然后通過過程38的DFT，將其轉換到頻域中。因此，如果把過程50b當作分析過程，保留過程34的源震動的時域記錄，供過程84之用是較佳的。當然，如果未保留時域表示(但是已經(jīng)存儲了頻域轉換表示)，在進行過程84的卷積前，通過逆DFT運算可獲得時域信號Ij(t)。眾所周知，脈沖響應序列δin(t)與掃描j中震動器Vi的源震動Ij(t)的時域卷積將產(chǎn)生一個對應于震動器Vi對第j次掃描中地震檢波器Gn記錄震動的分離貢獻的時域表示。
根據(jù)圖6b所示的過程50b，然后將過程84的卷積乘積與第j次掃描中用于驅動震動器Vi的導頻信號進行互相關。以在過程50a中所述的方式進行這個互相關，產(chǎn)生震動能量到達地震檢波器Gn的時基指示，在推導反射界面深度中它是有用的。
與圖6a所示過程50a的情況一樣，對于一對震動器-地震檢波器Vi，Gn進行的每一次掃描，重復過程68、70、72，接著將互相關記錄疊加，去除隨機噪聲的影響，結束過程50b。然后，對于勘測中所關心的每一個震動器V和每一個地震檢波器G進行上述過程，接著根據(jù)所需格式、收攏和時差校正安排過程80中的勘測。
根據(jù)過程50a、50b中任一過程，從每個地震檢波器G記錄的復合震動中分離各震動器V的貢獻，從而對地震勘測作出準確判定。具體說，根據(jù)本發(fā)明這個實施例的分離震動信號的能力大大改善了勘測的分辨率，因為，能夠對各個震動器與地震檢波器之間的路徑進行分析，而不再象現(xiàn)有技術的通常情況那樣，限于對整個源陣列與每個地震檢波器之間路徑的廣義分析。當然，分辨率的提高將會改善地震勘測的準確度及其對比較小但是很重要的地質特征的靈敏度。
現(xiàn)在參考圖7a和7b，介紹震動地震勘測的一個例子。圖7a示出從排成一行距震動器位置VA不同距離的地震檢波器上記錄的一系列軌跡。在圖7a中，每一條垂直軌跡對應于一個地震檢波器的記錄，圖中以常規(guī)方式顯示，圖中時軸從圖的上部到下部，自震動器位置VA的距離從右到左增大。圖7a所示的例子表明在同時使四個震動器V工作并根據(jù)本發(fā)明背景中所給出的表進行相位編碼的勘測中對震動器VA的能量貢獻。然后采用相對該相位編碼技術的相位分離的傳統(tǒng)方法產(chǎn)生圖7a的曲線。
現(xiàn)在參考圖7b，該圖示出圖7a的勘測中震動器VA的貢獻，這里，根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例進行震動器VA貢獻的分離。然后，在每個頻率下對每個地震檢波器，通過將(震動器VA)傳遞函數(shù)hA與震動器VA測得的源震動相乘，接著對其結果進行逆DFT產(chǎn)生時域軌跡，產(chǎn)生圖7b所示的軌跡。
將圖7a與圖7b進行比較，表明通過上述的本發(fā)明較佳實施例得到的改善。首先，圖7b區(qū)域88b所示的首次到達時間比圖7a區(qū)域88a所示的首次到達時間規(guī)則和一致得多，因此，當利用近表面層中折射波的速度進行靜態(tài)校正時，改善了計及近表面層厚度偏差的能量。圖7a、7b中區(qū)域90a、90b分別對應正在發(fā)生反射情況(即檢測到地下界面的時間和距離)的勘測部分；比較圖7a、7b，表明在這個情況上區(qū)域90b的保真度大大高于區(qū)域90a的保真度，方便了反射情況的分析和識別。此外，對圖7a與7b之間區(qū)域91a與91b、92a與92b分別進行比較，表明本發(fā)明的較佳實施例通過降低更深勘測部分的高頻噪聲而改善勘測結果。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，可以執(zhí)行過程50，通過1995年5月5日提交的S．N．08／435940申請中所述的逆過程，應用頻域傳遞函數(shù)[h]，該申請已轉讓給美孚石油公司，美孚石油公司允許這里引作參考。
根據(jù)這個方法，頻域中的每個傳遞函數(shù)hv-g(f)(這里V和g表示指定震動器-地震檢波器路徑的震動器和地震檢波器指數(shù))對應于反射率函數(shù)E乘以最小相位函數(shù)M。最小相位函數(shù)M加入了大地的一些影響(例如，風化的近表面層)以及在產(chǎn)生輸入震動能量中的震動器V的阻抗。
如上討論的，根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，由敏感器5測得直接來自震動器V的與大地表面中產(chǎn)生的有效力有關的最小相位信號。照這樣，在這個分析過程中采用實際信號代替現(xiàn)有技術通常采用的理論導頻信號。正如這里引用的1996年8月27日頒發(fā)的第5550786號美國專利中所述，以不必知道實際施加的力的方法進行震動運動的記錄和對記錄地震數(shù)據(jù)的處理。唯一重要的因素是測量量直接與施加的實際力成正比。用這種方式，能夠通過除法消除實際力。
根據(jù)本發(fā)明的這個實施例發(fā)現(xiàn)，震動器V上敏感器5測得的運動與通過頻域中最小相位傳遞函數(shù)傳到大地中的實際輸出力或信號有關。因此，在頻域中，測得的輸出力信號S對應于震動器真實輸出U與最小相位傳遞函數(shù)T的乘積
S=U·T式中·代表頻域中的相乘。傳遞函數(shù)T是真實的震動器輸出U與測得的震動器運動U關聯(lián)的最小相位、因果、線性的系。在這個方程式中最小相位傳遞函數(shù)T和實際輸出源的力U都是未知的。
在頻域中用實際源的力U的時間導數(shù)與大地反射率E的卷積表示地震檢波器G檢測到的地震記錄R，如下式所示R=jω·U·E式中R代表測得的地震數(shù)據(jù)，jω代表時間導數(shù)，E代表大地反射率函數(shù)。
通過利用最小相位帶通濾波器的反向濾波，能夠方便地計算R／S比。這個比值從下式的方程式中消除未知的U、源輸出力RS=jω·U·EU·T=jωT·E]]>由此可見，從該方程式中消除了未知的實際震動力U。通過反向濾波過程保存總能量，也需要比例因子。
現(xiàn)在用R／S表示地震圖，與最小相位函數(shù)jω／T進行卷積(在時域中)，該圖構成大地反射率E的所需答復。最小相位函數(shù)的特點是它們的導數(shù)和它們的倒數(shù)也是最小相位。用最小相位的反卷積能夠對地震圖進一步進行處理，以獲得E，頻域中大地的反射率脈沖響應。本質上，R／S地震圖是頻帶限制的脈沖地震圖。它是與大地響應有關的因果和最小相位。這種方法的準確度高，因為已經(jīng)不依賴于實際的、還是未知的源震動運動。
參考以上所討論的方法，主要是針對過程47，系統(tǒng)計算機24進行矩陣運算，提供[R]／[S]；換句話說，這個比是[S-1]·[R]，或者傳遞函數(shù)[h]。如上所述，傳遞函數(shù)[h]是在每個頻率fK下從震動器V敏感器5測量結果的源震動逆矩陣[S-1]與基于地震檢波器G記錄的震動的矩陣[R]的乘積[h]=[S-1]·[R]在這個例子中，對于頻率fK下震動器VA至VD與地震檢波器G1之間所有四條路徑，這個乘積產(chǎn)生頻率上的傳遞函數(shù)h的矩陣[h]。實際上，對記錄R進行分離，提供每個地震檢波器對于各個震動器V的軌跡。當然，如上所述，對于勘測中所關心的每一個地震檢波器G可進行類似的操作。
現(xiàn)在參考圖8和9，詳細描述根據(jù)本發(fā)明的這個替代實施例由系統(tǒng)計算機24進行過程50”，這里，對每個地震檢波器G的分離傳遞函數(shù)h集合，通過上述矩陣反演確定反射率E。如圖8所示，過程50”從過程100開始，通過從存儲器進行檢索，系統(tǒng)計算機24(在過程40中)產(chǎn)生記錄數(shù)據(jù)。如上所述，這個數(shù)據(jù)包括在所有感興趣的頻率上震動器VA至VD與地震檢波器G1之間所有四條路徑的傳遞函數(shù)矩陣[h]?？梢詫⒏鶕?jù)每條路徑和每個頻率的質量值QV產(chǎn)生的加權因子加到這個檢索數(shù)據(jù)中，從而對掃描頻率特性差的貢獻進行折算。
過程52對應于對地震檢波器G測得的信號進行除法和逆運算過程。過程52代表本發(fā)明和傳統(tǒng)處理之間存在明顯區(qū)別。在傳統(tǒng)處理中，檢索數(shù)據(jù)與導頻信號相關，該導頻是對實際傳給大地表面的震動的響應所假設的理想波形。然而，如上所述，諸如耦合不良、非線性、底板彎曲等畸變效應會導致偏離這種理想情況的畸變。在本發(fā)明中，正如將要對圖9所述的，逆過程102取消了以前關于注入到大地中震動器力所作的這些假設。
現(xiàn)在參看圖9，詳細描述根據(jù)本發(fā)明這個實施例的逆過程102的操作。過程102從過程120開始，在這一步中，辨認首次通過該過程的感興趣的地震檢波器Gn；在過程122中，系統(tǒng)計算機24從存儲器中檢索頻率上地震檢波器Gn的特定傳遞函數(shù)[h]。如上所述，利用以前確定的分離傳遞函數(shù)h對應地震檢波器G記錄的信號R除以震動器V測得的震動S，但是，這里是在分離特定震動器V對復合記錄R的貢獻后進行這種除法。過程124指明將要進行這個逆通過的特定震動器Vi，因而限定這個逆通過中所關心的震動器Vi到地震檢波器Gn的特定路徑。
一旦確定路徑，對于感興趣的所有頻率，過程126選擇震動器Vi對整個記錄矩陣[D]貢獻的傳遞函數(shù)hi。一旦確定頻率上的傳遞函數(shù)hi，在過程127中，應用球形發(fā)散濾波器校正每條軌跡中在以后時間上信號幅度的衰減(即使得信號對應于統(tǒng)計靜止過程)。然后，過程128將最小相位濾波器應用到頻率上的傳遞函數(shù)hi(例如，用最小相位濾波器的時域反卷積)，因此消除其中的最小相位函數(shù)jω／T的影響并隔離震動器Vi與地震檢波器Gn之間路徑的大地反射率E。這個濾波可以通過頻域的除法或是通過時域的反卷積來完成，與具體的系統(tǒng)計算機24有關。
然后，以嵌套順序以及指數(shù)增大步驟130、132進行決斷129、131，對于勘測中震動器Vi與地震檢波器Gn的每一種組合，進行反演和最小相位濾波。結果，對于勘測中所關心的每條路徑，提供一反射率記錄E。
在過程104中，產(chǎn)生勘測中每條路徑的模型軌跡。這個模型軌跡基本是一條用尖峰信號記錄原始數(shù)據(jù)相位和幅度的軌跡。后來利用產(chǎn)生的這種模型軌跡可去除任何在本發(fā)明預處理中引入的相位誤差。
在過程106中，根據(jù)過程104的除法過程結果進行接收器反卷積。在較佳實施例中，這個接收器反卷積具有公共接收器收攏格式。在本發(fā)明中采用了Wiener-Levinson尖峰信號群反卷積，然而，可以采用任何采用公共接收器收攏格式去除各個接收器之間偏差帶來的影響的反卷積。
過程108對過程106的數(shù)據(jù)進行接收器靜力學校正。在較佳實施例中，不變的源位置收攏去除接收器靜力學(即內群靜力學)。然后，在過程110中利用不變源位置，用可變接收器收攏去除地面滾動，進行F-K濾波。在較佳實施例中，對于靜力學校正和F-K濾波的采用相同收攏。在過程112中，對已經(jīng)過校正的數(shù)據(jù)進行散粒反卷積。這個反卷積也具有Wiener-Levinson尖峰信號群反卷積類型。然而，象以前進行接收器反卷積一樣，任何具有去除散粒噪聲的公共散粒收攏類型的反卷積都是可以接受的。然后，過程114對已經(jīng)承受接收器和散粒反卷積和靜力學校正的數(shù)據(jù)進行零相位尖峰信號反卷積。這個反卷積是降低單色噪聲的光譜白噪聲化反卷積。這群尖峰信號反卷積對濾除最小相位大地的高頻和短時間周期以及阻抗效應是適用的；這些最小相位效應包括震動器V上監(jiān)測點之間存在的相應震動器V的動力學、大地表面的風化層效應、以及特定反射效應。然后把經(jīng)過濾波的傳遞函數(shù)應用到尖峰信號反卷積過程，如Robinson和Treitel在地球物理學第29卷第3冊(1964年6月)“數(shù)字濾波原理”以及Peacock和Treitel在地球物理學第34卷第2冊(1969年4月)“預計反卷積理論與實踐”中所述，這兩冊都由Robinson＆Treitel Reader(SSC，1969)重印，對應于震動能量沿特定路徑雙程時間的時域表示(即反射序列)。
然后在過程116中進行模型相移，利用過程104中為每條路徑產(chǎn)生的模型軌跡，記錄原始相位和幅度，去除任何通過以前的處理步驟可能引入的相位誤差。
因此，現(xiàn)已描述了本發(fā)明對高分辨率震動源數(shù)據(jù)進行記錄和預處理的方法，它包括對測得信號的逆變換、接收器和散粒群反卷積、靜力學校正、噪聲的F-K濾波、零相位尖峰信號反卷積和模型相移等步驟。如前所述，利用與測得震動器運動提供信號有關的有效震動器信號對數(shù)據(jù)進行處理。該數(shù)據(jù)除以頻域中實際傳輸?shù)男盘?。然后通過正常收集和疊加過程(即圖8中過程118)，象通常進行震動器地震勘測一樣，進行這一過程，產(chǎn)生地下地質和巖層位置和深度的截面估計結果。
根據(jù)上述替代實施例中的任何一個，本發(fā)明勘測區(qū)中每個地震檢波器提供了允許分離震動勘測中同時激勵的各個震動器的大地響應的重要能力。這種經(jīng)過改善的分離是以允許同時激勵多個震動器的方法進行的，因此提高了勘測工作的總體效率。這種經(jīng)過改善的分離考慮了震動器工作中的非線性、震動器與大地的不良耦合、震動器的非重復能力以及其它的不理想特性，因此提高了勘測結的準確度和勘測的分辨率。通過采用本發(fā)明，一個或多個震動器工作的間歇故障或噪聲不會迫使重復一次掃描。參考本說明書，對于本領域普通專業(yè)人員而言，本發(fā)明的其它好處和優(yōu)點是顯而易見的。
雖然這里針對本發(fā)明的較佳實施例對其進行了描述，當然可以預料到，參考本說明書及其附圖能夠對這些實施例進行改進和替代，對于本領域普通專業(yè)人員而言是顯而易見的，這些改進和替代能夠獲得本發(fā)明的優(yōu)點和好處。預期這些改進和替代將落在權利要求中所述的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1．一種進行震動地震勘測的方法，其特征在于包括如下步驟激勵大地表面上的多個震動器，使大地在多個頻率掃描上震動，多個頻率掃描的次數(shù)至少等于多個震動器的個數(shù)；在激勵步驟中，測量多個震動器原位或附近的源震動；將測得的源震動的表示存入計算機存儲器；檢測大地表面多個檢測位置上的場震動，檢測位置與多個震動器位置間隔一段距離，限定多條震動器-檢波器路徑，每條路徑與多個震動器中的一個和多個檢測位置中的一個有關；將測得的場震動的表示存入計算機存儲器；對于多條震動器-檢測器路徑中的每條路徑，根據(jù)該震動器-檢測器路徑的檢測位置測得的由該震動器-檢測器路徑的震動器產(chǎn)生的場震動的表示和從相關震動器測得的源震動的表示，確定多個頻率上的大地響應傳遞函數(shù)；通過計算機執(zhí)行多步運算操作，確定多條震動器-檢測器路徑中每條路徑的大地反射率函數(shù)，計算機運算操作步驟包括在多個頻率上對有關該震動器-檢測器路徑的大地響應傳遞函數(shù)進行檢索；以及用最小相位濾波器對檢索的大地響應傳遞函數(shù)進行濾波，得到該震動器-檢測器路徑的大地反射率函數(shù)。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于進一步包括對多個震動器中的每一個和檢測位置中的每一個，重復進行分隔和濾波的步驟。
3．如權利要求1所述的方法，其特征在于確定大地響應傳遞函數(shù)的步驟包括從計算機存儲器中檢索所存儲的測得源震動和測得場震動的表示；計算機將所存儲的測得源震動和測得場震動的表示變換為頻域表示；以及對于多條震動器-檢測器路徑中的每條路徑，計算機進行多步運算操作，包括定義一個頻率上測得源震動的頻域表示的第一矩陣和該頻率上檢測震動的頻域表示的第二矩陣；確定第一矩陣的逆矩陣；將第二矩陣乘以第一矩陣的逆矩陣，得出該頻率的大地響應傳遞函數(shù)；以及對多個頻率重復定義、確定和相乘的步驟。
4．如權利要求3所述的方法，其特征在于進一步包括在多個頻率的每個頻率上，確定第一矩陣逆矩陣的本征值；以及確定與確定步驟中本征值相對應的加權因子。
5．如權利要求4所述的方法，其特征在于加權因子對應于確定步驟中本征值的最大值與最小值之比。
6．如權利要求3所述的方法，其特征在于激勵步驟包括在數(shù)目與多個震動器數(shù)目相等的多個頻率掃描上激勵多個震動器；確定第一矩陣逆矩陣的步驟確定第一矩陣的乘法逆元素。
7．如權利要求3所述的方法，其特征在于激勵步驟包括在數(shù)目大于多個震動器數(shù)目的多個頻率掃描上激勵多個震動器；確定第一矩陣逆矩陣的步驟確定第一矩陣的廣義逆矩陣。
8．如權利要求1所述的方法，其特征在于激勵步驟包括以第一相位關系在第一頻率掃描下同時激勵多個震動器中的每一個；以及以不同于第一相位關系的第二相位關系在第二頻率掃描下同時激勵多個震動器中的每一個。
9．如權利要求1所述的方法，其特征在于在多個掃描中每一個期間，選擇多個震動器中的一個不激勵。
10．一種根據(jù)以前獲得的震動地震測量結果，包括同時在多個掃描下激勵的大地表面震動器原位或附近的源震動測量結果和離開震動器的檢測器位置上檢測到的震動的測量結果，進行地震勘測的方法，以前獲得的震動地震測量結果以數(shù)字形式存在計算機存儲器中，其特征在于所述的方法包括通過計算機運行下列步驟，確定多個震動器中一個與多個檢測位置中一個之間的每個地震路徑的大地響應傳遞函數(shù)，通過計算機實現(xiàn)下列步驟從計算機存儲器中檢索所存儲的測得源震動和得到場震動的表示；將所存儲的測得源震動和得到場震動的表示變換為頻域表示；定義一個頻率上測得場震動的頻域表示的第一矩陣和該頻率上檢測到震動的頻域表示的第二矩陣；確定第一矩陣的逆矩陣；將第二矩陣乘以第一矩陣的逆矩陣，得出該頻率上的大地響應傳遞函數(shù)；以及對多個頻率重復定義、確定和相乘的步驟；以及對多個頻率，用最小相位濾波器對大地響應傳遞函數(shù)進行濾波。
11．如權利要求10所述的方法，其特征在于進一步包括對于多個震動器中一個與多個檢測位置中一個的每一對，在多個頻率中的每一頻率下，確定第一矩陣逆矩陣的本征值；以及確定與所述確定步驟中本征值相對應的加權因子。
12．如權利要求11所述的方法，其特征在于加權因子對應于所述確定步驟中本征值的最大值與本征值的最小值之比。
13．如權利要求10所述的方法，其特征在于多個頻率掃描的次數(shù)等于多個震動器的個數(shù)；所述的確定第一矩陣逆矩陣的步驟確定第一矩陣的乘法逆元素。
14．如權利要求10所述的方法，其特征在于多個頻率掃描的次數(shù)大于多個震動器的個數(shù)；所述的確定第一矩陣逆矩陣的步驟確定第一矩陣的廣義逆矩陣。
15．如權利要求14所述的方法，其特征在于利用大地響應傳遞函數(shù)和測得的源震動的頻域表示進行組合步驟。
16．如權利要求15所述的方法，其特征在于利用大地響應傳遞函數(shù)和測得的源震動的時域表示進行組合步驟。
17．一種使一個檢測位置同時接收的由多個震動器產(chǎn)生的震動信號多次掃描的大地響應相互分離的裝置，其特征在于包括存儲多個震動器中每一個原位或附近記錄的源震動的表示的存儲器；存儲檢測位置上檢測到震動的表示的存儲器；一臺與所述存儲器耦合的計算機，以運行下列步驟的方式編制程序，所述運行步驟包括檢索所存儲的得到源震動和測得場震動的表示；將所存儲的得到源震動和測得場震動的表示變換為頻域表示；定義一個頻率上測得場震動的頻域表示的第一矩陣和該頻率上檢測到震動的頻域表示的第二矩陣；確定第一矩陣的逆矩陣；將第二矩陣乘以第一矩陣的逆矩陣，得出該頻率上的大地響應傳遞函數(shù)；對多個頻率，重復定義、確定和相乘的步驟；以及將最小相位濾波器應用于重復步驟的結果；以及與所述計算機耦合的輸出裝置，用于顯示基于大地響應傳遞函數(shù)的地震勘測信息。
18．如權利要求17所述的裝置，其特征在于在多個頻率中的每個頻率下還對所述計算機編程，執(zhí)行下列步驟確定第一矩陣逆矩陣的本征值；以及確定與所述確定步驟中本征值相對應的加權因子。
19．如權利要求18所述的裝置，其特征在于加權因子對應于所述確定步驟中本征值的最大值與本征值的最小值之比。
20．如權利要求18所述的裝置，其特征在于多個頻率掃描的次數(shù)等于多個震動器的個數(shù)；所述的確定第一矩陣逆矩陣的步驟確定第一矩陣的乘法逆元素。
21．如權利要求18所述的裝置，其特征在于在激勵步驟中多個頻率掃描的次數(shù)大于多個震動器的個數(shù)；所述的確定第一矩陣逆矩陣的步驟確定第一矩陣的廣義逆矩陣。
全文摘要
本發(fā)明公開一種在產(chǎn)生地震勘測結果中分離大地響應對多個震動器(V
文檔編號G01V1/37GK1205084SQ97191277
公開日1999年1月13日 申請日期1997年9月19日 優(yōu)先權日1996年9月20日
發(fā)明者K·P·艾倫, D·科里根, J·J·薩拉斯 申請人:美孚石油公司, 大西洋里奇菲爾德公司