CN101336377A - 用于获取六分量地震数据的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获取地震数据的系统，特征在于所述用于获取地震数据的系统包括：被配置成使得能够对介质沿三个独立的空间分量的平移运动以及围绕这三个独立的空间分量中的每一个的旋转运动进行测量、从而形成六分量系统的装置(20，30，21，31，22，32)。

Description

用于获取六分量地震数据的系统

技术领域

本发明涉及一种用于对平移及旋转运动进行测量的地震数据获取系统。

更准确地说，本发明涉及一种用于对沿三个独立的空间分量的平移运动以及围绕这三个分量的旋转运动进行测量的地震数据获取系统。

因此，更准确地说，本发明涉及一种能够沿六个空间分量(即三个平移分量和三个旋转分量)进行测量的地震数据获取系统。

因此，这种系统被称作六分量系统或者全波系统。

本发明还涉及一种进行这种类型的测量的方法。

背景技术

目前的地震数据获取系统使用埋在地下的地震传感器，如使用地震检波器或者加速度计，所述加速度计是质量块-弹簧类型的惯性传感器。这些系统被用于：通过利用合适的手段，来测量在表面处发生大地扰动之后、被不同地层反射的波的垂直分量。

因此，在地震业中惯常使用的系统通常允许对沿单个垂直分量的运动进行测量。而且，目前的系统测量与平移运动相关、或者与旋转运动相关或者甚至与这两者都相关的运动的效应，而不能进行任何区分。

为了改进现有的设备，本领域的技术人员建议在这些数据获取系统中使用三正交分量的运动传感器，该运动传感器被用来沿三个分量(即沿彼此正交的一个垂直分量和两个水平分量)测量人们试图认知的介质的运动。

就以下方面来说，这样的设备是有利的：通过适合的数字处理，其允许去除由所述系统获取的表面波，因此仅需考虑由大地扰动实际发出的波以及由地层反射的波。

然而，已经注意到，尽管进行了数字处理，但是，对不期望的表面波的去除并非总是理想的。实际上，在某些情况中，这些系统不再满足当前对于精度和效率的要求。

具体地，这些系统在以下方面仍不完善：它们不是在任何情况下都能区分与旋转和平移运动相关的介质的运动。

由于表面波(不期望的波)是瑞利波(Rayleigh wave)的类型，因此，具体地，所述表面波的特征之一是：传播所述表面波的介质的摇摆(旋转运动)。

因此，必须改进目前的解决方案。

为了改进对不期望的波的去除，一种可能的途径是：全面了解传感器模块所处的介质的运动。

因此，本发明的一个目的是提出一种能够同时测量沿三个优选的正交空间分量的平移运动以及围绕空间中的这三个空间分量的旋转运动的系统。

为了确定旋转运动，我们还知道各种测量系统，如陀螺仪。所述陀螺仪仅仅是作为示例而提及的。这些陀螺仪是使用高速旋转的轮的惯性陀螺仪，或者是光学陀螺仪，如在Sagnac干涉仪的情况下。然而，这些部件相对昂贵且/或体积庞大。

发明内容

为了实现这些目的中的至少一个，本发明包括一种用于获取地震数据的系统和方法，所述系统的特点在于：其包括被设置用来对介质沿三个独立的空间分量的平移运动及围绕这三个独立的空间分量中的每一个的旋转运动进行测量、从而形成六分量系统的装置。

根据本发明的地震数据获取系统还具有下述特征中的至少一个：

-形成六分量系统的装置包括至少六个运动传感器；

-所述运动传感器是平移运动传感器；

-所述系统包括容纳所述运动传感器的模块，所述运动传感器在位置和方向上以准随机的方式设置，使得将表示由传感器测量的运动的向量m以及表示介质的实际运动的向量v联系起来的矩阵(A)是可逆的；

-所述运动传感器成对设置，使得一对传感器中的各运动传感器关于该模块的几何中心相互对称地布置；

-所述运动传感器被设置成：使得穿过一对传感器中的各运动传感器的几何轴与穿过另一对传感器中的各运动传感器的几何轴正交；

-每个运动传感器包括灵敏轴，一对传感器中的各运动传感器被配置成：使得它们的灵敏轴平行；

-所述运动传感器被设置成：使得一对传感器的平行的灵敏轴与另一对传感器的平行灵敏轴正交；

-所述模块是立方体形状的；

-形成六分量系统的装置包括至少三个平移传感器以及至少三个旋转传感器。

附图说明

通过阅读下文中参考附图、以非限制性示例的方式给出的详细描述，将看到本发明的其它特点、目标和优点，在附图中：

图1以截面图的形式示意性地示出根据现有技术的一种数据获取系统；

图2a以截面图的形式示意性地示出以非限制性示例的方式给出的、一种根据本发明的数据获取系统的优选实施例，其中所述系统正经受平移运动；

图2b根据同样的横截面图示出了图2a的数据获取系统，其中所述系统经受围绕与图2a的平移运动方向正交的轴的旋转运动；

图3以透视图的形式示意性地示出了以非限制性示例的方式给出的、一种根据本发明的数据获取系统的优选实施例；

图4以透视图的形式示意性地示出了根据本发明的一个推广的替代实施例的数据获取系统。

具体实施方式

图1示出一种根据现有技术的数据获取系统的截面图，该系统由模块1构成，该模块1在其中心位置处包括运动传感器2，该运动传感器2具有灵敏轴3，用于对沿单个空间分量的运动进行测量。更准确地说，该运动传感器2用于测量在地表处激发的大地扰动之后、在各地层中反射的波沿垂直分量(z轴)的运动。所述运动传感器2通常是测量速度的地震检波器，或者是加速度计。

这种具有质量块-弹簧类型的设备的地震数据获取系统，对线性加速度(平移或局部与平移相似的任何运动)敏感，其不能识别由旋转运动而引起的加速度，因此不能将和旋转运动相关的加速度与和平移运动相关的加速度区分开。

图2a和2b以截面图的形式示出了根据本发明的有关优选实施例的一种六分量地震数据获取系统中存在的一对运动传感器。由于所述截面图仅部分地示出了该系统，因此，参考这些图而给出的说明仅仅用来表示根据本发明的六分量系统的一部分。

实际上，这对运动传感器可用来测量沿第一空间分量的平移运动以及围绕与第一空间分量正交的另一空间分量的旋转运动。完整的系统将在下文中参考图3来描述。

在图2a和2b中，地震数据获取系统示出有模块10及两个运动传感器20和30，所述运动传感器20和30是平移运动传感器。所述运动传感器20和30基于根据现有技术而使用的运动传感器，每个运动传感器包括至少一个灵敏轴，并且优选地，仅包括一个灵敏轴，分别用41和42来表示。

所述运动传感器20、30关于模块10的几何中心o相互对称地布置。

所述传感器20、30附着于所述数据获取系统的模块10，使得它们各自的灵敏轴41、42平行，并且优选地，具有共同的方向。

所述模块是平行六面体的形状，并且优选地是立方体的形状。

更准确地说，传感器20、30分别附着于数据获取系统的模块10的两个平行而相对的面11、12，灵敏轴41、42分别在由面11、12限定的平面内。

再准确地说，传感器20和30附着于模块10的面11和12的中心。

运动传感器20、30可以是速度传感器或者是加速度传感器。然而，在本说明书的剩余部分中，为了简略，仅仅描述运动传感器20、30是速度传感器的情形。

在图2a中，以一对运动传感器20、30部分示出的根据本发明的系统经受在介质50的平面xz中的平移运动。

在平移运动(由图2a的箭头51表示)的情况中，使用两个传感器20和30来获取对与平移运动相关的速度的测量，即获取对传感器(更准确地说，数据获取模块10)所处的介质的运动的速度的测量。

使用第一传感器20来获取速度v₁，而使用第二传感器30来获取速度v₂。随后，通过求传感器20和30中的每个所获得的值的和的一半，来估计介质50的平移速度v_t，即速度v_t＝(v₁+v₂)/2。另外，在这种情况下，使用两个传感器而不是使用单个传感器会导致器件的信噪比增加3dB。

在图2b中，同样用所述的一对运动传感器20、30部分表示的该同一系统经受同一介质50的围绕分量Y_t的旋转运动，该分量Y_t与平面xz正交，并穿过模块10的中心o。

在旋转运动(由箭头52、53、54和55表示)的情况下，两个传感器20、30各用于获取对与介质50的旋转运动相关的旋转速度的测量。

实际上，在旋转运动的影响下，传感器20和30经历了相反方向的运动。因此为了获得介质50的旋转速度ω，传感器20和30使得能够分别获得速度v₁和v₂，其中v₁＝Rω并且v₂＝-Rω，R是以中心o为圆心并穿过运动传感器20和30的相应中心C₁和C₂的圆的半径，其中圆的中心o与模块10的中心重合，并且中心C₁和C₂分别与模块10的面11和12的中心重合。因此运动传感器20和30的中心C₁和C₂的间隔距离为2R。

通过将传感器20和30获取的值v₁和v₂相减，可以知道介质50的旋转速度值ω，该值通过关系式ω＝(v₁-v₂)/2R来确定。

可以用选定的精度来确定由数据获取系统的运动传感器20、30获取的旋转运动。实际上，运动传感器20和30的中心C₁和C₂间隔的距离越大，则对介质50的旋转运动的灵敏度越大。因此可以设想：根据确定介质的旋转速度的过程中所需要的精度，来调整数据获取系统的尺度。

为了获得对沿三个独立的空间分量的平移运动的测量以及围绕这三个独立的空间分量的旋转运动的测量，也就是说，为了形成根据本发明的六分量数据获取系统，结果需要采用如上所述成对设置的、至少六个平移运动传感器。

图3以示意图及透视图的形式示出了根据一个优选实施例的这种系统。

所述六分量数据获取系统包括由建立在模块10中的三对运动传感器构成的装置，所述三对运动传感器分别标记为20、30，21、31以及22、32。这些运动传感器是平移运动传感器。

一对传感器中的各传感器关于模块10的几何中心o相互对称地布置。

所采用的模块10是平行六面体的形状，并且优选地是立方体的形状。

考虑到模块10的形状，运动传感器20、30、21、31、22、32中的每一个更优选地分别放置在面11、12、13、14、15、16的中心处。

穿过传感器对20、30中的各运动传感器的几何轴Y1与穿过另一对传感器21、31或22、32中的各运动传感器的几何轴X1或Z1正交。

对于每对运动传感器来说，形成该对的各运动传感器的相应的灵敏轴是平行的，并且优选地定位在相同的方向。

传感器对20、30的平行的灵敏轴41、42与另一对传感器的平行的灵敏轴43、44正交，并且与平行的灵敏轴45、46正交。

更准确地说，在本优选实施例中，根据参考图2a和2b而给出的说明，对于这些运动传感器对中的每一对，运动传感器20和30分别附着于属于平面XZ的、模块10的两个平行且相对的面11和12，运动传感器21和31分别附着于属于平面YZ的、模块10的平行且相对的面13和14，并且运动传感器22和32分别附着于属于平面XY的、模块10的两个平行且相对的面15和16。

优选地，每个运动传感器20、30、21、31、22、32是具有单个灵敏轴(分别示出为41、42、43、44、45、46)的运动传感器。

利用这样的设置，对于要获得沿不同的空间分量的动力学特性的介质，通过对每一对传感器如参考图2a和2b所述计算沿所述每个空间分量所测量的速度之和的一半以及所测量的速度之差的一半，可以同时获知介质的平移速度和旋转速度。

然而，为了获得对该介质的平移速度和旋转速度的准确测量，需要执行校准，在不进行校准的情况下直接测量的值是不准确的。实际上，可能存在模块的制造缺陷(例如，壁的正交性)、传感器定位的不准确或者与传感器的灵敏度相关的不准确性。

由传感器测量的运动以及模块与它的传感器所处的介质的实际运动可分别通过称作矩阵m和v的六行的列矩阵来表示。这两个列矩阵通过可逆方阵A根据关系式v＝A^-1m(E1)相联系，其中该矩阵A的系数主要取决于运动传感器的灵敏度以及它们在模块中的位置，也就是说，取决于传感器中心与模块中心的距离以及取决于它们的灵敏轴相对于该模块的轴的角度。

因此，通常在制造了模块10(包括其运动传感器)之后执行该校准。

所述校准包括：获得矩阵A的系数。

为了获得这些系数，例如，可以设想向制造后获得的模块仅沿X轴施加平移，而获得测量数据，单独地沿Y轴和Z轴重复同样的操作，并针对仅围绕这三个轴X、Y、Z的旋转，继续同样的操作，其中轴X、Y、Z相互正交。

一旦获得了所述系数，也就是说，一旦通过解方程式(E1)获知矩阵A，只需对矩阵A求逆，并存储该矩阵A^-1的系数，优选地存储在模块中。

完成该校准后，由于任何灵敏度误差可以得到校正，因此运动传感器不需要具有很精确的灵敏度。通过该校准，由于通过本方法可以对任何错误进行补偿，因此，支撑物的几何特性以及传感器在该支撑物上的定位不需要特别严格。通过减少对制造的限制，与所述校准步骤相关的额外成本会明显减少。

参考图2a、图2b及图3而给出的说明涉及本发明的一个优选实施例。然而，可以设想有许多变形。

例如，如图4所示的一个替选的实施例，由模块以及运动传感器组成，其中所述运动传感器以大体上随机的方式放置于模块体10中，也就是说，所述运动传感器放置在与模块10的中心o相关的不同距离处，并且具有任何取向。

就根据上面所述的校准方法来校准该模块来说，如果应用关系式(E1)，则可以与利用前述的平行六面体模块同样准确的方式找到该模块所经受的介质的运动的六个分量。

为此，校准矩阵A是可逆的就足够了。这排除了运动传感器的少量奇异位置，例如，两个传感器重合放置或者所有的传感器均处于一个或两个平面中。

特别是，这使得可以设想非平行六面体的形状、以及总体上不具有正交壁、或者不将同一对传感器中的各传感器放置在平行六面体形状的模块的各面的中心处的模块。因此，这种推广放宽了对约束模块的形状因子的限制。

参考图2a、图2b、图3和图4而给出的说明涉及作为平移运动传感器的装置20、30、21、31、22、32，但是，作为运动传感器，可以设想应用至少三个平移运动传感器以及至少三个旋转运动传感器。

最后，根据本发明的系统还可以提供用来形成六分量系统的装置，其它装置例如有从压力传感器和/或温度传感器(作为非限制性的示例)中选择一个或多个传感器。

涉及六分量地震数据获取系统的本发明并不局制于上述的实施例，而是可以扩展到保持在其精神的范围内的任何实施例。

所述保持在其精神的范围内的任何实施例是指用来获得沿空间中的三个方向的三个平移分量以及围绕空间中的三个其它分量(即围绕空间中的三个方向)的旋转运动相对应的六个独立的测量值的地震数据获取系统的任何实施例。

Claims (11)

1.一种地震数据获取系统，特征在于，其包括：被设置成用于对介质沿三个独立的空间分量的平移运动以及围绕这三个独立的空间分量中的每一个的旋转运动进行测量、从而形成六分量系统的装置(20，30，21，31，22，32)。

2.根据权利要求1所述的系统，特征在于，所述形成六分量系统的装置(20，30，21，31，22，32)包括至少六个运动传感器。

3.根据权利要求2所述的系统，特征在于，所述运动传感器是平移运动传感器。

4.根据权利要求2或3所述的系统，特征在于，所述地震数据获取系统包括容纳所述运动传感器(20，30，21，31，22，32)的模块(10)，所述运动传感器在位置和方向上以准随机的方式来设置，使得将向量m与向量v联系起来的矩阵(A)是可逆的，其中所述向量m表示由所述传感器测量的运动，而所述向量v表示所述介质的实际运动。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的系统，特征在于，所述运动传感器(20，30，21，31，22，32)成对设置，使得任一传感器对(20，30)中的各运动传感器关于所述模块(10)的几何中心相互对称地布置。

6.根据权利要求5所述的系统，特征在于，所述运动传感器(20，30，21，31，22，32)被设置成：使得穿过任一传感器对(20，30)中的各运动传感器的几何轴与穿过另一对传感器((21，31)，(22，32))中的各运动传感器的几何轴正交。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的系统，特征在于，每个运动传感器包括灵敏轴(41，42，43，44，45，46)，任一传感器对(20，30)中的各运动传感器被设置成：使得它们的灵敏轴(41，42)是平行的。

8.根据权利要求7所述的系统，特征在于，所述运动传感器被设置成：使得任一传感器对(20，30)的平行的灵敏轴(41，42)与另一对传感器((21，31)，(22，32))的平行的灵敏轴((43，44)，(45，46))正交。

9.根据权利要求4至8中的任一项所述的系统，特征在于，所述模块(10)是立方体形状的。

10.根据权利要求2所述的系统，特征在于，所述形成六分量系统的装置(20，30，21，31，22，32)包括至少三个平移传感器以及至少三个旋转传感器。

11.一种用于获取地震数据的方法，特征在于，对介质沿三个独立的空间分量的平移运动以及围绕这三个独立的空间分量中的每一个的旋转运动进行测量。

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