CN101482614A - 声音传播速度建模方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于精确估计声音传播速度的方法、装置和系统。一种方法包括：在海洋环境中布置拖曳地震排列，包括：多个声音定位发射器；和多个定位点接收器；和使用至少一些发射器与点接收器之间的信号的传播时间，以导出数学模型，描述作为至少一个排列空间维度、发射器与接收器之间的距离和这些的任何组合的函数的海洋环境的声音传播速度。

Description

声音传播速度建模方法、装置和系统

技术领域

[0001]本发明通常涉及在海洋地震探测中使用的海洋地震(勘探)方法和设备的领域，并且更具体地说涉及采用成本高效方式用于更精确地估计海洋环境中声音传播速度的方法和系统。

背景技术

[0002]海洋地震探测调查和绘制水体下的地下地质层的结构和特性的图。在所谓的海床地震中，包括地震接收器的绳缆从水面船体被布置在海床上。在拖曳海洋地震调查中，一条或多条拖曳海洋地震拖缆和拖曳声源被布置在船队中的一个或多个船体后。地震操作人员需要接收器的准确位置确定，并且定位用的典型使用方法基于水下声学测距。典型地，在3维、4维和超过/低于的拖曳海洋地震调查中，海洋地震拖缆排列使用声音距离测量以确定海洋地震拖缆中的地震接收器的位置。水中地震检波器接收器定位可通过全声学网络(有时称为IRMA-固有距离调制声学(intrinsic range modulated acoustics)实现，独立于海洋地震拖缆长度。该水中地震检波器也用作定位信号的接收器。不同于其中水中地震检波器位置的精度在声学定位节点之间降级的传统系统，Q-Marine技术在海洋地震拖缆的整个长度提供一致的精度。这种提高的接收器位置精度在地震数据表中转换为提高的高频率保持。并且更高频率转换成改进的垂直和侧向分辨率。称作Q-Technology^TM船的调查船可拖曳着具有25-50米间隙的多条1000-10,0000米绳缆执行地震调查，使用WesternGeco专利校准的Q-Marine^TM源。“Q”是先进地震技术的WesternGeco专利组件，用于提高的容器定位、描述和管理。

[0003]容器坐标估计总经常使用海洋声音信号传播时间，用于估计算法的某些部分。为了将海洋声信号传播时间转换为距离，需要海洋声传播速度。用于这种转换的值通常是海洋变量盐度、温度和压力的测量结果。这些变量用于最广泛接受的声速公式的任何一个中。

[0004]测量盐度、温度和压力至少有两种方法。一种使用可回收或可丢弃的声速探针。在它们经水柱下降期间，这些通常以固定间隔测量导电率(盐度)、温度和压力。这些或者已被存储或通信返回船只的测量值，然后被用于声速公式。

[0005]可选地，声音速度表可以沿海洋地震拖缆布置。这些设备采用至少两种原理工作。它们可以测量将用于声速公式的导电率(盐度)、温度和压力，或它们可以局部发射声脉冲并将其存储在固定已知长度的设备的另一端。经已知长度的传播时间给出声速。

[0006]除了上述测量机制外，比例因子的估计能够给出最匹配值，将例如根据最优准则、最小平方，导致测量值以某种最优方式拟合在一起。假设声音发射器/接收器对的成员之一的精确已知位置和该对成员之间的波场传播时间的精确测量值，如果沿波场轨迹(传播路径)的材料的传播速度特性已知或能够确定，则能够计算两者之间的距离。从几种这种距离，该对有缺陷定位的成员的位置能够由多侧边确定(有时不正确地称作三角测量)。如果该对的两个成员的位置不确定，可以使用诸如Kalman滤波的一些熟知的统计滤波方法。

[0007]取得传播模型估计的所有上述方法均存在缺点。在测量方法的情况中，如果声速探针经水柱垂直传播，它仅给出每个水平面的点测量。因此，如果存在水平声速梯度，对于排列展开的范围，测量是有误差的。人们可以简单地考虑测量多个点，但由于考虑设备、航行时间，测量操作的成本很高，这在操作上不可行，并且还存在健康、安全或环境危险。

[0008]通过给出声测量开始并被再次记录的平面或体积中的声速，沿海洋地震拖缆的测量似乎解决了这一问题。不幸地，由于声信号经常不是在一个平面传播，这在实际上是不充分的。而且，垂直声速分布图通常这样：声能量射线从平面折射离开，有时在诸如空气水平面或海洋底部表面的强密度界面反射，并且有时在源和接收器之间沿非直弯曲形状弯曲。此外，在海洋地震拖缆排列的水平范围，折射会不同，这样：对声能量传播通路(光线跟踪)建模需要许多水平和垂直测量点。

[0009]因此由于折射，任意点处的声速能够用于将传播时间转换为空间的基本假定是有缺点的，但在整个地震航海团体流行。与使用声速的多次局部测量相比，尺寸估计的方法是更好的选择。该尺寸估计方法试图根据类似最小平方的最佳准则结合所有测距。然而，单一尺寸估计的模型是：一个尺寸值应用于排列的整个范围，这不是最优的，因为虽然单一尺寸估计以一种最优方式消除了不同传播速度的距离误差，但在由于单一尺寸模型中的误差不是正态分布的一些情况中，仍存在残余误差。

[0010]从上面，很明显：在本领域中，存在对估计海洋声传播速度进行改进的需要。

发明内容

[0011]根据本发明，通过对可能作为部分拖曳海洋地震获取排列的声音传播时间测量值，导出包括一个或多个数学函数的数学模型，诸如2-或3-维多项式，方法、装置和系统被描述以估计拖曳海洋地震获取排列中的声音信号的声音传播速度。本发明的方法、装置和系统可用于收集海洋地震数据，例如3-D和4-D海洋地震数据。包括自由度极大超定的空间频率声音发射器和接收器的声音网络可被用于估计均匀高阶多项式的幅度系数。声音源与接收器点之间的测量的传播时间是调节观察值，与GPS控制点和额外信息一起，包括但不局限于海洋地震拖缆和非海洋地震拖缆长度，海洋地震拖缆上的声音定位接收器之间的标称距离和相类似物。由于声音传播速度随着源与接收器之间的水平间隔变化，这是可包括在估计模型中以给出更精确估计的另一分量。

[0012]本发明的第一方面是取得拖曳海洋地震排列的一条或多条海洋地震拖缆中的接收器的绝对或真实位置的实质准确估计的方法，一种方法包括：

a)在海洋环境中布置拖曳地震排列，包括：多个声音定位发射器；和多个定位点接收器；以及

b)使用至少一些发射器与点接收器之间的信号的传播时间，以导出数学模型，描述海洋环境的声音传播速度作为至少一个排列空间维度、发射器与接收器之间的距离和这些的任何组合的函数。

[0013]可以使用几个距离值的分离多项式，或连续函数。例如，描述声音速度的连续线性函数可以如下：

sv＝mx+ny+pz+const

其中

“sv”是声音速度；

“mx+ny”描述x和y的空间相关性；

“pz”描述了范围长度相关性；

“m”，“n”和“p”是幅度系数；和

“const”是三个线性项的组合截取值。

[0014]可以在一个步骤中出现与数学函数的未知幅度系数一起的声音传播速度(声音速度)和发射器和/或接收器坐标的估计。例如，一组线性方程式可以同时反转，考虑坐标和幅度系数的估计，直到实现任意收敛极限。

[0015]可选择地，可以使用迭代方法。本发明的这个方面内的方法包括那些方法，包括使用声音传播模型以迭代确定点接收器的位置。本发明内的其它方法包括那些方法，其中：声音定位发射器每个产生不同的正交编码扩展频谱信号，并且声音传播速度模型的导出包括从多个发射器发射那些信号。该扩展频谱信号可以在其自相关函数中每个具有显著峰值。该方法还可以包括使用定位在标称或临时位置处的多个声音点接收器，探测扩展频谱信号，点接收器正与计算单元通信。标称或临时距离可定义在每个多个声音定位发射器与每个定位接收器之间。特定方法包括：对于每组标称或临时距离，测量在定位接收器处用于接收第一组扩展频谱信号的一或多组时间，并且借助于计算单元，作为标称或临时距离、接收信号的时间和点接收器的至少一个坐标的一个函数，可以计算标称声音传播速度，并且这个过程迭代直到取得适合的闭合。如这里使用的，“标称”被用于描述在排列元件上没有力的排列距离关系。“临时”是在估计理论中经常使用的词，意味着对第一调节循环的最佳估计。第一调节循环的输出是下一调节循环的输入或临时值。临时值可以是任意类型的值、距离、方向、温度、估计的任何东西。范围是一种测量距离，但标称距离是理想距离。例如，标称长度为由100个100米段组成的10km。沿海洋地震拖缆的长度的范围测量可提供10,010米，由于拖曳张力，由于海洋地震拖缆上的伸展，长出10米。

[0016]本发明的装置包括：

(a)拖曳海洋地震拖缆地震排列，包括多个声音定位发射器和多个声音定位接收器，发射器和接收器适合与计算单元通信；

(b)计算单元，适合导出声音传播速度模型，其中：声音传播速度是排列的至少一个空间维度、发射器与接收器之间的距离和这些的任何组合的函数。

[0017]本发明的装置包括那些，其中：所有声音定位发射器是非编码声音定位发射器；装置，其中：所有发射器是正交编码信号序列声音定位发射器；和装置，其中：一些发射器被编码并且其它没有。该声音定位发射器可以是“收发信机”，能够同时发射和接收声音信号的单元，如本领域是已知的。在一个步骤中，与数学函数的未知幅度系数一起，该计算单元可估计发射器和/或接收器坐标。例如，一组线性方程式可以同时反转，给出坐标和幅度系数的估计，直到实现任意收敛极限。可选地，计算单元可将一组或多组标称或临时距离的时间测量值组迭代计算成标称或临时声音传播速度，并使用标称或临时声音传播速度和从发射器到点接收器的连续声音脉冲的后来测量接收时间以估计范围，时间测量值用于正交编码声音信号从发射器到接收器，传播经过未知温度、压力和盐度的水。

[0018]本发明的系统包括：

(a)拖船；以及

(b)本发明的装置。

[0019]本发明的方法、装置和系统包括那些，其中：可以使用由安装在任何排列元件(船只、自主式水下潜器[auv]、组合源、供应船、工作船、海洋地震拖缆前或尾部浮筒)或海洋地震拖缆上的任何对设备(发射器、接收器或收发信机)测量的声音能量传播时间的任何测量值。通过在单一步骤中对包括范围、接收时间和或者在选定部分的排列或整个排列中的坐标迭代拟合或拟合一个或多个数学函数，可以导出声音传播速度函数。在数据组中的接收时间包括发射与在每个接收器接收自每个声音发射器的声音信号之间的测量时间。可选地，Z坐标(深度)也可以是本发明使用的声音速度函数中的变量。数学函数可以是一组线性方程，并且可以从诸如多项式的简单和光滑函数选择。在数学中，多项式函数或多项式是重要的一类简单和光滑函数。如在这里使用，“简单”意味着：它们仅使用乘法和加法(包括除法和减法)构造。“光滑”意味着：它们无限可微的，即它们具有所有有限次数的导数(derivatives)。本发明的方法、装置和系统包括：那些，其中：数学函数是2-或3-维函数；和那些，其中：在估计中说明了对于发射器与接收器之间的水平分离距离的声音传播速度的变化。因为它们简单的结构，多项式相对容易估计，并广泛用于多项式插值的数学分析或对更复杂的函数数学积分。随着计算机的出现，在数值分析中，多项式在一些情况中已由样条替换。如这里使用的，“样条”是分段定义的多项式，并当确定简单和光滑函数时，可提供比普通多项式更大的灵活性。

[0020]本发明的方法、装置和系统包括：那些，其中：数学函数是多项式，并且多项式从1到10或更高的阶数的多项式函数选择。次数0的多项式函数被称作常数函数(不包括具有不确定次数的零多项式)；次数1被称作线性函数；次数2被称作二次函数；次数3被称作三次函数；次数4被称作四次函数；和次数5被称作五次函数。

[0021]如果使用多项式函数，多项式的系数可以利用多个算法的任何一个确定；用于给定多项式的算法取决于多项式的形式和选定的变量。为了求单项形式的多项式，人们可以使用赫诺方案(Hornerscheme)。对于Chebyshev形式的多项式，可以使用Clenshaw算法。如果几个等距x_n必须被计算，可以使用牛顿差分法(Newton′sdifference method)。多项式的商(Quotients)被称作有理函数(rational functions)，并且这些可用于本发明的方法、装置和系统，可作为所谓的分段有理数。如果需要，可以通过合适的软件使用其它函数，包括三角函数(trigonometric functions)，对数(logarithms)和指数函数(exponential functions)。

[0022]由于没有通用闭公式以计算次数5和更高的多项式的根，求根算法(root-finding algorithms)被用于在数值分析中以近似根。给定多项式的实根的近似值能够使用牛顿方法(Newton′smethod)找出，或更有效地使用采用复数算术并能够定位所有复数根的拉格朗日方法(Laguerre′s method)。这些方法对于数学家已知。

[0023]该数学函数可以是多变量函数，诸如多变量多项式(具有几个变量的多项式)。在多元计算中，采用几个变量的多项式起到重要的作用。这些是最简单的多变量函数，并能够仅使用加法和乘法确定。

[0024]发射器可以适于以任何频率生成扩展频谱信号。在特定应用中，该频率范围可以从约500到约4000Hz。该信号可以或可以不根据给定命令发射，其无需在任何给定时刻计划；实际上，它们可以随机发射。该发射器可以受控以相对于给定地震事件的同步方式传送其扩展频谱信号，并且不同的正交代码可用于单独的扩展频谱信号。该发射器可以是传统的水下音频-声音发射器。本发明的主要要求在于：它们应能够发射充分强的信号以能够从离开发射器几公里处接收，并且在于：发送的信号或代码还包含接收器(水中地震检波器)能够探测的频带内的频率分量。发射器放置得越远，取得的分辨率越好。

[0025]本发明的另一方法是使用发射器与接收器之间的估计距离以取得更准确的海洋地震数据或校正先前取得的数据的方法。

[0026]通过查看附图的简要描述、本发明的详细描述和后面的权利要求，本发明的装置、系统和方法以及本发明的其它方面将变得更加明显。

附图说明

[0027]在下述描述和附图中说明了其中本发明的目的和其它期望特征能够取得的方式，其中：

[0028]图1是使用本发明的装置、系统和方法的拖曳海洋地震排列(spread)的示意图；

[0029]图2是该排列的计算机化表示，说明了发射器和接收器之间的多种范围；

[0030]图3是显示声信号由改变温度、压力和/或盐度的水反射的方式的示意图；和

[0031]图4是采用本发明的设备、系统和方法可得出声速函数的方式的示意图。

[0032]然而，应该指出：附图不是成比例的，且仅显示了本发明的典型实施例，并且因此，不应被认为限制其范围，对于本发明，可采用其它同样效果的实施例。

具体实施方式

[0033]在下面的描述中，许多细节被列出以实现对本发明的理解。然而，本领域的技术人员将理解到：本发明可没有这些细节地实现，并且从描述实施例可以进行多种变化或修改。

[0034]在这里使用的所有段落、引用、词的搭配和多字说明，尤其在随后的权利要求中，明显不局限于名词和动词。很明显：意思不仅由名词和动词或单个词确切说明。语言使用多种方法表达内容。发明概念的存在和其中这些表达的方式在不同语言文化中不同。例如，德语中的许多词汇的复合词经常表示为拉丁语中的形容词-名词组合、名词-介词-名词组合或派生词。权利要求中包括短语、派生词和搭配的可能性对于高质量专利是必要的，使得可以减小对其概念内容的表达，并且与这种内容一致的词的所有可能的概念组合(或者在一种语言或对多种语言)期望包括在使用的短语中。

[0035]通过使用比先前方法更精确和成本高效的声传播模型，本发明的方法、设备和系统估计了拖曳地震部件的位置。取得声传播模型的传统方法或者给出不精确的范围，或者成本太高，或两者均是。在测量方法的情况中，就成本、航行时间、健康、安全和/或环境危险而言，简单地测量多个点可能操作上是不可行的。通过假设声测量开始并被再次记录的平面或体积中的声速，沿海洋地震拖缆的测量似乎解决了这一问题。不幸地，由于折射，这在实践上是不充分的。尺寸估计的方法比使用声速的许多局部测量是更好的选择，然而单一尺寸估计的模型是一个尺寸值应用于整个排列的范围，这不是最优的，因为虽然单一尺寸估计以一种最优方式消除了不同传播速度的范围误差，但在由于单一尺寸模式中的误差不是正态分布的一些情况中，存在残余误差。本发明的方法、装置和系统解决了这些问题。

[0036]本发明的方法、装置和系统利用了由调制声音系统的固有声音测距的大超定、高冗余特性，并使用时间对来自这种系统的范围数据的倍数，以精确地使高阶数学函数拟合到数据。虽然数据的数学函数拟合在地震工业中已知，迄今为止，这种高冗余数据的使用在估计海洋声传播速度中还不可能或被预期。

[0037]虽然下述数学背景讨论的焦点关于多项式(参见Wikipedia，the free encyclopedia，at http: //en.wikipedia.org/wiki/Polynomial)，本发明并不局限于使用数学曲线拟合的多项式。因为它们简单的结构，多项式可相对容易地求值，并可用在用于多项式内插法的数值分析或数值积分更复杂的函数。随着计算机的出现，在数值分析的许多领域中，多项式在一些情况中已由仿样函数替代。仿样函数是分段定义的多项式，并当确定简单和光滑函数时，可提供比普通多项式更大的灵活性。

[0038]给定一些数域中(可能但不限于实数或复数域)中的常量(即数字)a₀，...，a_n，同时对于n>0，a_n非零，则次数n的多项式(函数)是如下形式的函数：

f(x)＝a₀+a₁x+...+a_n-1x^n-1+a_nxⁿ.

更简明地，多项式能够被写入sigma符号作为：

$f\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{x}^i$

[0039]该常量a₀，...，a_n被称作多项式的系数。a₀被称作常系数和a_n被称作首项系数。当首项系数是1时，多项式被称作首项系数为一的函数或赋范的。多项式的每个被加数a_ixⁱ被称作项。具有1、2或3项的多项式被分别称作单项式，二项式或三项式。次数为0的多项式函数被称作常数函数(不包括具有不确定次数的零多项式)；次数1被称作一次函数；次数2被称作二次函数；次数3被称作三次函数；次数4被称作四次函数；和次数5被称作五次函数。

[0040]微积分的一个重要方面是通过使复杂函数逼近多项式来分析它们(复杂函数)的方案。这些努力的顶点是泰勒定理(Taylor′stheorem)，其粗略地表述为：每个可微函数局部看似一个多项式；和Stone-Weierstrass定理(theorem)，其表述为：定义在实轴的紧凑区间(compact interval)上的每个连续函数可以由多项式在整个区间上尽可能地逼近。多项式也经常用于对函数进行插值。多项式的商被称作有理函数(rational functions)。分段有理数仅指能够直接在计算机上求值的函数，因为典型地仅加法、乘法、除法和比较在硬件中实现。那么，计算机需要求值的所有其它函数，诸如三角函数(trigonometricfunctions)，对数(logarithms)和指数函数(exponential functions)，必须通过合适的分段有理函数在软件中近似。对于给定x的多项式的快速和数字稳定的求值是数值分析中极重要的主题。几个不同的算法已开发用于此问题。用于给定多项式的算法取决于多项式的形式和选定的x。为了求单项形式的多项式的值，可以使用Horner模式(scheme)。对于Chebyshev形式的多项式，可以使用Clenshaw算法。如果必须计算几个等距x_n，人们可以使用牛顿差分法(Newton′sdifference method)。

[0041]由于没有通用闭公式计算次数为5和更高的多项式的根，求根算法在数值分析中被用于近似根。给定多项式的实根的近似值能够使用牛顿方法(Newton′s method)找出，或更有效地使用拉格朗日方法(Laguerre′s method)，其使用复数算术并能够找出所有复数根。

[0042]在多重积分中，采用几个变量的多项式起到重要的作用。这些是最简单的多变量函数，并能够仅使用加法和乘法定义。采用变量x，y，和z的多项式的实例是

f(x，y，z)＝4x²y²-10.45z²+67x³z.

这种多变量的多项式的总次数通过加每一项的变量的指数并取最大值而确定。上述多项式f(x，y，z)具有总次数4。

[0043]现在参照图，图1是不成比例的示意透视图，显示了本发明的特定方法、设备和系统的某些主体特性。图中显示了通常按照期望通路6的海洋或其它水体4中的船2。在所述实施例中，船2拖曳着包括浮舟5(显示了4个)的海洋地震源3，每个从那里向下悬挂着一个或多个气枪7或其它声音信号设备。源3、浮舟5和气枪7的细节对于本发明的方法、装置和系统并不重要，并且由于它们在本领域已知，所以不进行进一步的描述。船2也拖曳着四个海洋地震拖缆8a，8b，8c，和8d，每个淹没在水面下方特定深度。每个海洋地震拖缆可包括多个地震传感器，以及附于其上或在其中成行定位的操纵(转向)装置。操纵装置可以是主动或被动的。例如，图1中显示了分别在最外面的海洋地震拖缆8a和8d上的水下海洋地震拖缆转向器(deflector)10a和10b。转向器10a和10b可分别具有漂在水面的飘浮单元12a和12b。在一些设计中，这些浮舟可能不是必需的。类似地，每个源浮舟可具有源转向器9。使用所谓的分离绳或绳缆13a和13b，最外面的海洋地震拖缆8a和8d可拉动其相邻的海洋地震拖缆8b和8c，分别离开中线。每个海洋地震拖缆可具有在14a，14b，14c，和14d处显示的端子浮标。海洋地震拖缆控制设备16c1和16c2可以是可控探测器(bird)，诸如商标设计Q-FIN^TM下已知的那些，虽然其它设计也可工作。

[0044]多个压敏地震点接收器(通常称作水中地震检波器)18被设置在内部或沿海洋地震拖缆。在图1中，仅显示了尺寸被放大的一个。该源海洋地震拖缆拖船和海洋地震拖缆可以是来自WesternGecoLLC，Houston，Texas的商标设计Q-Marine^TM下已知的系统部分。在这些系统中，如其整体通过参考并入这里的美国专利第5,668,775号教授的，海洋地震拖缆可以配置有用于精确位置确定的声发射器和点接收器，使用固有的测距调制声学。如在775专利中教授的，海洋地震拖缆发射器和点接收器可形成一个完全海洋地震拖缆长度声学网络，其中：放置在海洋地震拖缆内的多个声学发射器的每个发射音频的唯一扩展频谱码，所有频率均在发射和记录期间的相同接收器探测的地震频率内，并且海洋地震拖缆内的点接收器能够区分每个发射器的唯一码。因此，地震接收器的精确定位是可能的。传统的海洋地震拖缆使用水中地震检波器排列，诸如每组12或18个，其以类似方式总计一起并且然后记录。称作Q-Marine^TM的系统使用单一传感器或点接收器：这些被间隔地放置在海洋地震拖缆中，例如每3到4米一个，并被记录。所有点接收器将数据发送到计算机或其它数据处理单元，其中：对于线性巨浪噪声(line swell noise)和/或海洋地震拖缆噪声的极强的干涉噪声衰减，利用接收器的极精细取样，应用数字滤波。水中地震检波器在其中操作的压应力的典型区域也称作地震频带或地震宽度，从3Hz到采样频率的一半，或从0到500Hz。截收的信号经海洋地震拖缆内的传输线的海洋地震拖缆系统传输到船体2上或一些其它位置的接收器站。该点接收器记录地震信号，但它们也能够记录位于接收器的频率范围内的任何信号。在海洋地震拖曳中，发射器19以约200米的间隔布置。发射器19可以是传统的水下音频发射器。发射器的主要要求在于：它们应能够发射充分强的信号以能够从离开发射器几百米处接收，并且在于：发送的信号或代码也包含水中地震检波器能够探测的频带内的频率分量。发射器放置在一起越接近，取得的分辨率越好。在图1中，发射器显示被构建在海洋地震拖缆中，即它们位于海洋地震拖缆8的内部上。该发射器还能够自海洋地震拖缆悬挂。内置发射器可受到好得多的保护。还可以在浮标、船体或作为海底运载体的ROV(遥控操作运载体)上设置发射器。

[0045]图2是图1的海洋地震排列的计算机化表示。发射器19可发射作为点接收器(水中地震检波器)能够探测的频带内唯一声信号的扩展频谱信号。该信号被已位于海洋地震拖缆8中或上或枪排列绳缆中的地震点接收器18截收。发射器19可按照命令发射信号。接收器18(为简明起见，图2中仅指出的几个)将截收信号并将它们发射到船体2，用于处理和存储。没有控制自发射器的信号应被记录的时间的规则，并且这能够在激发或也在每个激发点之间的正常记录时间期间进行。在激发后的4到12秒的周期期间，可记录和存储地震信号。由于地震信号与扩展频谱代码之间不相关，即不可能将地震信号与自发射器发射的扩展频谱信号混淆，来自发射器19的信号可在希望时记录。如果已使用了发射特定频率的信号的发射器，它会导致它们与同一频率的地震信号混淆。由于信噪比，一个程序可每次激发记录一次信号，并且然后记录测量值直到记录时间的结束，这时地震信号最弱，或在激发点之间。

[0046]根据本发明，从发射器19发射的信号可以是所谓的正交扩展频谱信号。扩展频谱技术在文献中进行了描述，并且本领域的专业人员熟知。通常的调制技术基于发射信号使用通信信道中特定部分频带的事实，例如，利用调频(FM)或调幅(AM)。与此不同，在扩展频谱调制中，通信信道中的整个带宽将被使用并分割出发射信号频率，单独的部分在几个不同频率上被转移。只有接收器将知道引入信息将具有的频率和相位组合。该接收器知道发射器的独特码(individual code)。通过使引入信号(y(n))与发射器的独特码(x(n))互相关，接收器将能够从其它信号的范围提取出明确的扩展频谱信号。一种n＝t_∞互相关函数将采用形式：

$r_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{n=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}$       y(n-τ)·x(n).

[0047]当序列与其本身互相关，该过程被称作自相关。

[0048]对于τ＝0，级数x(n)的自相关函数将总具有特定的顶值。对于用于地震设备的定位的扩展频谱序列，期望具有表示除τ＝0之外的“白噪声”的自相关函数。为了避免例如由同一接收器使用相同通信线记录的信号的误探测，代码之间的互相关函数必须具有尽可能低的顶值，其是正交的定义。

[0049]该传输脉冲可包括在其各自的自相关函数中具有明确顶点的一组正交脉冲。可提出生成这种函数的几种传统方法。可能地，最通常的方法使用称作黄金码的随机序列代码。这种方法提供了在互相关函数中给出低值的代码的选择。这些通过使用具有特殊反馈图案的变量长度的移位寄存生成。

[0050]存在多个用于生成伪随机序列的方法，例如跳频、移频编码或相位编码。不管选择哪种伪随机序列，如果使用编码信号，很重要的是：其自相关函数具有独特的顶值，并且对于互相关尽可能地低。即使对于向下到海洋噪声的信号幅度的信号幅度，也可以提取出相关的顶值。

[0051]根据系统已知的参数和系统配置的方式，地震设备或点接收器的位置的均匀计算能够以无数不同和传统的方式执行。然而，当使用编码信号时的所有方法的共有特性在于：接收的信号必须与正估计的绝对或相对距离的特定发射器的传送信号特征(signature)互相关。如在这里描述，执行数据的进一步处理。此外，本发明的其它方法一点也不取决于编码信号的使用。

[0052]使用编码信号的最简单的情况包括发射器和接收器，其中：该系统采用如下方式设计：可以得到有关发射器与接收器采样点相关地发射时的准确信息。在上述互相关后，最大值将在指示发射器与接收器之间的绝对时间差的互相关函数中找出。然后，可以发展这种用于具有几个接收器的海洋地震拖缆上的技术，以取得距离和相对位置的明确的几何网络。

[0053]在操作中，本发明的方法、装置和系统可处理时间数据以将时间转换成估计范围。声波场(或者经编码或者经解码)从各自发射器19的每个发出，并在每次发出后，由点接收器18接收。直接通路波场分量的可能射线通路在图2中由诸如17的虚线显示。诸如图3中所示的那些的折射射线通路在图2中不明显，然而，由于水的温度、压力、盐度的变化，以及由于空气-水界面，它们是存在的。与本发明没有密切关系的与反射到达关联的射线通路未显示。

[0054]图4显示了如何得到拟合时间对估计范围曲线或对于四条海洋地震拖缆排列的曲线的数学函数。显示了声音发射器19a，19b，19c，19d和19e，然而为了清晰，大部分未显示。许多声音点接收器18显示在图4中。重要地，范围20，21，22，和23显示为在海洋地震拖缆8a和8c中的发射器19a和点接收器18的不同接收器之间的虚线。类似地，范围20’，21’，22’，和23’在海洋地震拖缆8a和8c中的发射器19b和点接收器18的不同其它接收器之间显示了虚线；并且范围20”，21”，和22”显示为在发射器19c和点接收器18的不同其它接收器之间的虚线。由海洋地震拖缆8b和8d中的发射器19b和接收器18的不同的接收器之间的虚线指示的范围也指示为20，21，和22，因为它们大致在相同Y坐标位置，虽然在排列中在不同的X坐标位置。如果期望，它们能够单独地指示为范围20a，21a，22a，以指示不同的X-和Y-坐标位置。

[0055]如已知，声音传播速度在不同X坐标、不同Y坐标和不同X-Y坐标以及不同的Z坐标处不同。然而，直到本发明才认识到：声音传播速度随着发射器与接收器之间的范围改变。对于排列的整个长度，或可选地对于排列的区域，图4中指示的范围可以分组成：100m范围，诸如在20，20’，20”和相类似物处指示的范围；200m范围，诸如在21，21’，21”，和相类似物处指示的范围；300m范围，诸如在22，22’，22”，和相类似物处指示的范围；400m范围，诸如在23，23’，21”和相类似物处指示的，等等。描述声音速度传播的数学函数可拟合整个排列或排列的区域的时间对范围的曲线。例如，如果选择用于拟合程序的数学函数的类型是多项式，多项式可以表示为如下之一，其中：R表示变化范围，并且X和Y表示排列中交叉和长度坐标：

V(X，R)＝a₀+a₁XR+.....+a_n-1X^n-1R^n-1+a_nXⁿRⁿ；

V(X，Y，R)＝a₀+a₁XYR+.....+a_n-1X^n-1Y^n-1R^n-1+a_nXⁿYⁿRⁿ；

V(X，Y，Z，R)＝a₀+a₁XR+.....+a_n-1X^n-1Y^n-1Z^n-1R^n-1+a_nXⁿYⁿZⁿRⁿ.

该系数可以在一步或迭代地确定，并且可使用任何已知算法。

[0056]几个实例现在表示用于声音速度传播速度的数学模型。

[0057]基于声音范围(范围)测量值的声音传播速度估计。

[0058]在这种模型中，

ζ(X)＝u·v是数学模型，或可变矢量(X)的函数，描述了测量距离，一个由尺寸因子乘的一个二维距离公式

其中

u＝(ΔE²+ΔN²)^1/2是无尺寸误差的二维计算距离的数学模型

v＝scale由二维距离的数学模型乘，并且当信号传播时间已知时是1

υ＝Nu沿纬线的曲率半径，用于将弧度转换为米

ρ＝rho沿经线的曲率半径，用于将弧度转换为米

λ_i＝在点i处的纬度

在点i处的经度

E＝东距，N＝北距

和

[0059]闭合差矢量，b

[0060]所谓的闭合差矢量b也是取自Taylor级数的计算观察量，用于线性化描述D的非线性函数，距离模型。为形成b，距离模型被如下线性化：

观察或测量距离的(X)的函数的Taylor级数线性化：

ζ(X)～ζ(X₀)+ζ(X_o)dx+...其中：更高级的项不明显并被省略；

其中

D＝发射器与接收器之间的测量传播时间，由假定声速转换为米；

ζ(X₀)＝具有假定值(X_o)的如上所示的D的函数用于计算的两维距离的模型u_o＝(ΔE_o ²+ΔN_o ²)^1/2；

v＝scale(尺寸)给出正确距离的乘数；

λ_i＝在点i处的纬度

在点i处的经度

ζ’(X_o)是关于(X)中的未知变量的函数的一阶导数，使用上述假定值计算；和

dx是用于解线性方程组导致的对假定值的校正的矢量。

重新设置：

D-ζ(X_o)＝ζ’(X)dx

这种形式给出了类似的Ax＝b，其中：

ζ’(X)＝A

dx＝x

D-ζ(X_o)＝b其被校正直到dx的量满足任意收敛极限。

[0061]其中Ax＝b的齐次声速模型

[0062]这种模型最简单，并且推荐用于多种场合。假设：在由排列占用的区域，声速很小或无变化。当尺寸恒定时，scale＝c，给参数加了一个未知数。

[0063]利用这个模型，当填充“A”或“设计”矩阵时，对于尺寸是否被估计的位置坐标未知数，声音范围测量的行将具有相同的入口。开始，假定尺寸值将为1。

未知数X^Transpose＝[ΔE₁ ΔN₁ ΔE₂ ΔN₂c]。则计算X矢量中的每个未知数的偏导。迭代方法与该第一步骤相同，除了关于描述尺寸的函数的部分为零，这表明：这些尺寸幅度系数不作为未知数处理，并且dx矢量不包括对尺寸函数的校正。

[0064]声音速度中的线性变化

[0065]为实现在排列区域上的声音速度的线性变化，如下公式描述了尺寸：

scale＝aE_m+bN_m+c

其将两个未知数加到参数，给出总共3个尺寸未知数。E和

N是任意两个点。

[0066]当发现a，b和c的估计值，它们应被应用于范围的端部之间的中点。

E_m＝(E₁+E₂)/2

N_m＝(N₁+N₂)/2

并且东距(E)和北距(N)是有关范围测量的任一端部的坐标。

[0067]填充设计矩阵的偏导数则基于导数：

$\∂D/\∂X=u(\∂\mathrm{\υ}/\∂x)+\mathrm{\υ}(\∂u/\∂X)$

其中：未知数是

[0068]二次多项式

[0069]在这种模型中，尺寸可被定义为：

scale＝dE²+fN²+aE+bN+c

其给出了5个另外的未知数，如X中所示，

X^Transpose＝[ΔE₁ ΔN₁ ΔE₂ ΔN₂ a b c d f]

再次利用微分模型 $\∂D/\∂X=u(\∂\mathrm{\υ}/\∂x)+\mathrm{\υ}(\∂u/\∂X).$ 然后，计算关于9个未知数的9个偏导数。

[0070]计算单元中的所有声音距离方程可采用这种方式书写。对于声音传播速度的任何函数，尺寸项仅有点不同，并且偏导数不同。因此，在Ax＝b中，坐标和另外的幅度系数未知数均可解，而不是单独地。

[0071]在迭代接近中，传播模型参数可以保持常数，同时距离测量值给出对坐标的修正。这接着是保持坐标固定并使用计算距离以调节传播模型的幅度系数的迭代循环。这两个步骤可以重复直到满足收敛性判断标准。

[0072]在在海床绳缆的范围中诸如由Norton Jr.，(US Pat.No.5,497,356)进行的原有工业尝试中，使用类似声纳脉冲的直接到达的多侧面(multi-lateration)用于再定位接收器下降位置。那种方法的一个缺点是计算复杂，需要处理双曲线轨迹。另一问题是单向视距范围或约250米的限制。因为大区域调查延伸达许多公里，那种方法具有严重的限制。

[0073]已确定：现在可以采用从WesternGeco LLC可得到的Q-Technology^TM中可用的点接收器的当今的海洋地震拖缆获得的高冗余范围，和固有的范围调制声音技术，以拟合有关声音信号的发射器-接收器设备之间的标称范围的甚至更高阶的多项式回归曲线，不管是直接或反射声音信号。采用这种方式，每个发射器与其近邻的点接收器(在相同的海洋地震拖缆或相邻的海洋地震拖缆)之间的传播时间可对照标称距离绘制，以创建每个发射器和其近邻点接收器的粗回归曲线，因为存在比发射器多得多的点接收器。在图2中所示的排列中，存在1690个范围。

[0074]该“标称范围”表示海洋地震拖缆安装的宽频谱发射器与每个点接收器的标称位置之间的距离。利用标准的调查方法，该标称范围可以通过反转发射器坐标与标称接收器坐标计算。利用可以是编程计算机的地震数据处理系统，例如高阶多项式回归曲线的数学函数被拟合为作为x，y，R并且可选地z数据的函数的速度。任何已知的统计处理程序可用于该目的。如果使用多项式，在最小平方的基础上，多项式的阶被选择作为使有关回归曲线的冗余最小的阶。作为明显远离主数据序列的随机数据的离群值在曲线拟合过程中被拒绝。由于过多的激发产生的噪声，发射器附近的点接收器接收的时间会被诸如激发噪声的多余的瞬变现象扭曲。在其中信噪比极低的极端范围处，时间可能太嘈杂而没有用，和/或到达可能已沿更深而不能用于测量目的的折射通路传播。这可以在图3中看出。因此，多项式可接受的范围在数据可选地在预先选择的范围限制之间截取，同时范围最大值被设计以将波场到达限制为沿选择通路传播的那些。

[0075]从回归曲线，计算的范围集可从时间集和计算的声音传播速度计算，产生用于每个发射器及其接收器的范围集：标称范围集和一样多的收敛范围所需的计算范围集。该速度趋势可相对平滑，因为可以利用极大量的接收器/发射器范围观察。

[0076]上述计算可对于发射器/接收器区域反复解决。不同于先前已知的方法、装置和系统，本发明的方法、装置和系统减小或消除了：计算趋势的不规则，由于在传统系统中与每个单独发射器关联的相对较少的接收器，部分由于先前试图中的样本的稀疏；以及不规则的反射本地环境对点接收器的影响。通过根据计算范围的多边形(multi-lateration)，接收器坐标被修订，据此新的多边形回归被拟合为作为x，y，R和可选地z的函数的新计算的声音传播速度，并且过程重复直到先前确定的坐标与后来确定的坐标的差收敛到诸如0.1米的预先选择的限制。利用任何已知方式，为每个修订的接收器位置得出半径误差dRMS。已知Kalman滤波可以根据期望使用。

[0077]本发明的方法、装置和系统也可添加附加传感器，用于增加系统的可靠性。这种设备例如但不局限于集成在或放置在海洋地震拖缆8上的测斜仪、压力计、罗盘和惯性传感器，和由位于浮标或其它船体上的发射器进一步提供的声音测量。两种可能的拖曳海洋应用是所谓的上/下(Over/Under)调查和使用定位海洋地震拖缆的调查。在这些拖曳海洋应用中，声音测距可以不同深度(Z维度)出现在海洋地震拖缆之间，并除用声学以外确定深度是有用的。在本发明的特定实施例中，使用以规则间隔集成入或附于海洋地震拖缆的深度测量单元会有用，其中不使用从已知点的声音测距，而代替地通过测量压力确定深度。了解三维坐标的这种分量将限制可用于测量的点，以拟合成水平X-Y平面并且从而利用比仅利用声音更少的努力，允许更好地估计发射器和接收器位置。

[0078]有用的发射器19是能够发射接收器(水中地震检波器)能够探测的频带内的声音信号的那些。该信号可被已位于海洋地震拖缆中或在枪阵列绳缆中的地震点接收器截收。通过使用海洋地震拖缆中的现有接收器，将取得沿绳缆的很好的空间分辨率。

[0079]点接收器18拾取水下声音信号，并可以是能够同时记录低频地震信号和用于定位目的的高频信号的组合类型的，或它们能够专门仅用作定位信号。接收器18可以在已知位置构造在海洋地震拖缆8中，或它们可以已知间隔被附于绳缆，以便接收器之间的确切距离已知。接收器18可以是用于水声测距的系统部分，如利用授予WesternGeco LLC(Houston，Texas)的美国专利第5,668,775号描述的调制声音的固有测距，也包括产生声音信号的发射器。发射器和接收器可被同步，以便能够测量发射器和接收器之间的传输延迟。

[0080]本发明使用的海洋地震拖缆具有熟知的结构，并且可包括大量的端到端连接的类似100米或不同长度的段，每段包括实质圆柱外部外壳，包含一对纵向延伸强度部件以承载拖曳力。声音发射器和接收器可以大致沿海洋地震拖缆段的长度均匀分布。

[0081]另一海洋地震拖缆结构包括：伸长实质实心的芯部；至少一个纵向延伸的强度部件和嵌入芯部中的多个声音发射器和接收器；包围芯部并围绕环形空间确定那里的聚合体外壳；和适合实质浸泡液体并实质填充环形空间的聚合体泡沫材料。

[0082]通过“引入”线，一种加强电—光缆，地震海洋地震拖缆可通常以水面以下约3到20米的范围的深度拖曳，通过所述电光缆电力(功率)和控制信号被供应到海洋地震拖缆，并且地震数据信号被从海洋地震拖缆传送回船体，海洋地震拖缆的垂直和/或水平位置由方向部件或沿海洋地震拖缆的长度分布的可控“探测器”控制。典型地，海洋地震拖缆的前端由至少一个震动隔离段(或“伸展段”)被机械联接到引入线，同时后端被联接到加入GPS位置测量系统的尾浮标，典型地通过另一“伸展段”。根据本发明的一个实施例，海洋地震拖缆或海洋地震拖缆的排列可以交替地拖曳在各种深度，以取得那些深度的一些知识。可选地，可以使用失效的海洋地震拖缆(在其操纵失灵并由于一些原因不能用于地震数据的获取的意义上失效)。

[0083]除了数学曲线拟合技术外，在特定实施例中，计算单元可对所有测量的传输延迟应用垂直校正，以便：它们对应于沿海洋地震拖缆的纵向方向确切进行的测量。为了最精确，这种校正考虑了声波射线的形状，例如使用诸如美国专利第6,388,948号中描述的系统，其使用诸如计算机或微处理器的设备，用于确定水下点之间的有效声速。使用下述信息：(i)从位于初始深度的声能源到预定最后目标深度的声音速度剖面的估计；(ii)预定组的入射余角；(iii)初始深度与最终目标深度之间的预定数目的目标深度；和(iv)预定统一组倾斜角。对应的倾斜角和有效声音速度值计算用于每个入射余角和目标深度。该计算倾斜角被扫描以定位对应于一对对应于一对连续入射余角的计算倾斜角和特殊目标深度，其中：统一组的特殊倾斜角在该对计算倾斜角之间。对应于该对计算倾斜角的每个倾斜角的计算的有效声音速度值被内插以生成插值的有效声速。

[0084]确定声速分布图的传统方法很耗时，实际上无法极经常地重复。由于测量能够自动进行，本发明的装置、系统和方法无需操作的任何停止或生产过程的更改。用于确定声速的算法能够被编程入能够自动计算的计算机。该过程实质能够在布置拖曳地震排列时总是在运行。

[0085]虽然上面仅描述了本发明的一些典型实施例，本领域的专业人员将容易认识到：在不背离新颖的教导和本发明优点的情况下，典型实施例可以进行许多修改。因此，所有这种修改期望包括在下述权利要求中确定的本发明的范围内。在权利要求中，没有条款期望采用段落6中的35 U.S.C.§112允许的意义加功能格式，除非“用于......装置”与相关功能明确陈述在一起。“用于.....的装置”期望覆盖当执行陈述的功能时这里描述的结构，并且不仅结构等价物而且等价结构。

Claims (20)

1.一种方法，包括步骤：

a)在海洋环境中布置拖曳地震排列，所述地震排列包括：多个声音定位发射器；和多个定位点接收器；以及

b)使用至少一些发射器与点接收器之间的信号的传播时间，以导出数学模型，该数学模型描述作为至少一个排列空间维度、发射器与接收器之间的距离和这些的任何组合的函数的海洋环境的声音传播速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：数学模型的未知数的估计在一个步骤中发生。

3.根据权利要求2所述的方法，其中：一组线性方程同时反转，直到达到任意收敛极限。

4.根据权利要求3所述的方法，其中：所述一组线性方程包括该类型的一个或多个连续线性函数：

sv＝mx+ny+pz+const

其中

“sv”是声速；

“mx+ny”描述x和y的空间相关性；

“pz”描述了范围长度相关性；

“m”，“n”和“p”是系数；和

“const”是三个线性项的组合截距值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：数学模型包括从多项式和样条选择的数学函数。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：随发射器与接收器之间的水平分离距离的声音传播速度的变化在估计中被说明。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：发射器中的一个或多个发射编码传输信息；并且数学模型的求导包括将数学函数拟合到作为选定维度中的距离数据的函数的一组时间，以估计作为选定维度的接收器的位置的函数的声音传播速度，数据组包括发射与在从一个或多个编码发射器的编码声音信号的每个接收器处接收之间的测量的时间差。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：发射器中的一个或多个发射编码传输信息；和步骤b)包括从多个声音定位发射器生成和发射不同的正交编码扩展频谱信号，扩展频谱信号在其自相关函数中具有显著的峰值。

9.根据权利要求8所述的方法，包括步骤：使用定位在标称位置处的多个声音点接收器来探测扩展频谱信号，其中所述接收器与计算单元通信。

10.根据权利要求9所述的方法，包括步骤：定义在多个声音定位发射器中每一个与每个定位接收器之间的至少一组标称或临时距离。

11.根据权利要求10所述的方法，包括步骤：对于每组标称或临时距离，测量在接收器处的第一组扩展频谱信号的接收的一组或多组时间，并且借助于计算单元，计算作为标称或临时距离、接收信号的时间和点接收器的至少一个坐标的函数的标称声音传播速度。

12.根据权利要求11所述的方法，包括步骤：测量在点接收器处用于第二组扩展频谱信号的接收的一组或多组时间；并将计算的标称声音传播速度乘以用于接收第二组扩展频谱信号的时间，以计算估计的范围。

13.根据权利要求12所述的方法，包括步骤：测量在点接收器处用于第三组扩展频谱信号的接收的一组或多组时间；并重新计算作为估计范围、用于第三组信号的接收的时间和点接收器的至少一个坐标点的函数的声音传播速度。

14.根据权利要求13所述的方法，包括步骤：迭代计算差，直到新的重新定位的接收器位置与先前确定的接收器位置之间的差收敛到预定极限内。

15.根据权利要求1所述的方法，其中：接收器经适于生成频率从约500到约4000Hz的扩展频谱信号。

16.一种设备，包括：

(a)拖曳的海洋地震拖缆海洋地震排列，所述地震排列包括：多个声音定位发射器和多个声音定位接收器，发射器和接收器适合与计算单元通信；

(b)计算单元，其适合使用至少一些发射器与点接收器之间的信号的传播时间，以导出数学模型，该数学模型描述作为至少一个排列空间维度、发射器与接收器之间的距离和这些的任何组合的函数的海洋环境的声音传播速度。

17.根据权利要求16所述的装置，其中：所述数学模型包括一个或多个该类型的连续线性函数：

sv＝mx+ny+pz+const

其中

“sv”是声速；

“mx+ny”描述x和y的空间相关性；

“pz”描述了距离长度相关性；

“m”，“n”和“p”是系数；和

“const”是三个线性项的组合截距值。

18.根据权利要求16所述的装置，其中：数学模型包括具有1次或更高次数的一个或多个多项式。

19.根据权利要求16所述的装置，其中：数学函数是2-或3-维函数。

20.一种系统，包括：

(a)拖船；

(b)由拖船拖曳的拖曳海洋地震拖缆海洋地震排列，所述排列包括：多个声音定位发射器和多个声音定位接收器，发射器和接收器适合与计算单元通信；

(c)计算单元，其适合使用至少一些发射器与点接收器之间的信号的传播时间，以导出数学模型，该数学模型描述作为至少一个排列空间维度、发射器与接收器之间的距离和这些的任何组合的函数的海洋环境的声音传播速度。

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