CN101833107B - 可控震源的处理方法及其装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种可控震源的处理方法以及实现该方法的发射、接收装置；其方法包括以下步骤：将探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2，在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N；每次在M个窄带中挑选一个窄带进行发射、同时采集多个通道的接收信号，直至将M个窄带信号发射完；将发射的M个窄带信号对齐相加得到的合成发射信号，各通道将相应的M个接收信号对齐相加得到各通道的合成接收信号；利用合成发射信号和合成接收信号获得地层参数。每个窄带足够窄时可有效克服地层介质色散效应的影响，降低震源响应偏差带来的影响；信号频带数足够多、信号长度足够长时，总的发射信号的能量可足够大，提高了震源的功率。

Description

可控震源的处理方法及其装置

【技术领域】

本发明涉及信号处理方式，具体涉及到可控震源的处理方法及其装置。

【背景技术】

地震勘探使用的震源主要有非可控震源(爆炸、捶击等)和可控震源两大类。在城市浅层地震勘探应用中，爆炸震源由于安全原因被禁止使用，捶击震源也因为分辨率不够、抗干扰能力弱等原因在实际中受到限制；因此，轻便的可控震源成为城市浅层地震勘探震源的主流。

可控震源的带宽一般较宽，其最大特点是发射波形可控，具有可重复性，利用这一优点可以通过波形设计提高抗干扰能力。但由于地层介质存在色散效应，接收的信号不同频率成分的衰减、声速都可能不同，所以，发射信号与接收信号的相关度下降，造成相关峰不稳、不准，有时还会出现伪相关峰的情况。

此外，由于可控震源存在响应时间，因此，发射电信号和震源产生的振动信号是有差异的；尤其是调频信号的频率变化较快，或者伪随机信号码元长度较短时，可控震源的响应偏差更大，对于相关性也有很大影响；又因地层衰减特性与频率有关，低频衰减小而高频衰减大，因此多次重复发射也无法解决低频与高频衰减差异的问题。

另，一般轻型可控震源的发射功率都很小，需要通过长时间的能量累积来提高信噪比；目前的可控震源的主要发射波形有线性调频(即Chirp)信号、伪随机信号等宽带信号，通过增加信号长度，发射与接收信号波形相关的方法来提高信噪比；相对于非可控震源的脉冲信号而言，可控震源的信号长度尽管有所加长但仍然有限，因此能量增加也有限，不能根据需要大幅度提高信噪比。

【发明内容】

提供一种能降低地层介质色散效应影响以及震源响应偏差影响的可控震源的处理方法。

一种可控震源的处理方法，包括以下步骤：S1.将探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2，在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N；S2.每次在所述M个窄带中挑选一个窄带进行发射、同时采集多个通道的接收信号，直至将所述M个窄带信号发射完；S3.将发射的M个窄带信号对齐相加得到的合成发射信号，各通道将相应的M个接收信号对齐相加得到各通道的合成接收信号；S4.利用所述合成发射信号和所述合成接收信号获得地层参数。

又提供一种可控震源的处理装置，包括：分割单元，将所述探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2；发射频带单元，按照预定规则在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N；发射单元，每次在所述M个窄带中挑选一个窄带进行发射；发射信息合成单元，将发射的M个窄带信号对齐相加得到的合成发射信号；接收单元，利用多个通道同时接收所述M个窄带中的一个窄带；平均单元，对所述多个通道接收的一个窄带进行平均；组合单元，将平均后的M个窄带对齐相加合成接收信号。

上述可控震源的处理方法，首先将所述探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，每个窄带足够窄时，可以有效地克服地层介质色散效应的影响，降低震源响应偏差带来的影响；由于信号频带数可以足够多，信号长度可以足够长，因此总的发射信号的能量也可以足够大，从而弥补可控震源功率较小的不足。

【附图说明】

图1是可控震源的处理方法的一种实施方式的流程框图；

图2是发射频带划分图；

图3是合成发射信号与合成接收信号的相关函数图；

图4是相关函数局部放大图。

【具体实施方式】

以下结合具体实施方式和附图进行详细说明。

本实施方式的可控震源的处理方法，包括以下步骤：

100.将探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2，在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N；本步骤包括以下步骤：

110.将所述探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2，N个窄带可以不等间隔的，频带之间可以有间隙，每个频带足够窄，使得频带内地层介质的色散效应可以忽略；作为优选，N个窄带是正交的频带。

120.在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N。

200.每次在所述M个窄带中挑选一个窄带进行发射、同时采集多个通道的接收信号，直至将所述M个窄带信号发射完毕，完成一次探测。一次探测期间，M个窄带信号发射的次序可以是任意的；每个窄带信号长度T足够长，使得在频带内震源的响应达到稳态；每个窄带内发射信号可以表示为s_i(t)，(i＝1，2，...M，表示窄带序号，t＝[0，T])，多个通道的接收信号可以表示为r_ij(t)，(j＝1，2...，K，为接收通道序号，K为通道数，t＝[0，T1]，T1＞T，接收信号长度大于发射信号长度)。

由于发射时，每个窄带信号可以独立地根据信噪比情况重复发射，通过对接收信号进行多次平均，获得该频带满足要求的信噪比。满足要求的信噪比可以是用户自己根据经验确定。该特征能根据需要提高信噪比。

300.将发射的M个窄带信号对齐相加得到的合成发射信号，各通道将相应的M个接收信号对齐相加得到各通道的合成接收信号。

在信号处理时，将全部发射的M个窄带信号对齐相加得到合成发射信号S(t)，如(1)式，同时各通道将相应的M个接收信号对齐相加，得到各通道合成接收信号R_j(t)，如(2)式，

$S\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(t\right)---\left(1\right)$

$R_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)---\left(2\right)$

400.利用所述合成发射信号和所述合成接收信号获得地层参数。作为优选，本步骤通过以下分步骤实现：

410.在发射信号频带是正交的前提下，将合成的发射信号与合成的接收信号进行互相关，得到地层界面回波信息。每个窄带信号彼此正交，相关的结果等于每个窄带独立相关之后再求和，如(3)式，该设计能够简化运算；

$X_j\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^{\∞}S\left(t\right)R_j(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{\∞}{s}_i\left(t\right)r_{\mathrm{ij}}(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(3\right)$

在数字信号处理时，丢弃相关函数中周期性重复的部分。

420.利用合成的发射信号与合成的接收信号进行波形反演、褶积(卷积)反演等处理，得到地层的参数。

上述可控震源的处理方法，首先将所述探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，每个窄带足够窄时，可以有效地克服地层介质色散效应的影响，降低震源响应偏差带来的影响。由于信号频带数可以足够多，信号长度可以足够长，因此总的发射信号的能量也可以足够大，从而弥补可控震源功率较小的不足。由于每个窄带信号独立发射，因此可以根据该频带信噪比情况重复发射，多次平均，获得该频带内符合要求的信噪比。由于每个窄带信号彼此正交，因此可以利用合成信号的相关、反演等处理代替独立窄带信号的相关、反演等处理，简化了计算。

在上述实施方式的基础上增加以下特征作为第二实施方式：对所述N个窄带的幅度进行以下加权处理：两侧窄带的信号幅度给以向外逐渐减小的权重；该加权处理类似于时域加窗，如余弦窗、汉明窗。该特征能够消除相关函数的时域起伏，降低反演的不确定性。

以下列举一具体的实施例进一步说明。

用一定长度的单频正弦信号构造附图2中的窄带信号，其中，1-可控震源带宽，2-一个窄带的带宽，3-频带间隔，信号的带宽由信号长度决定，具体方法如下：在100-1600Hz之间，取800个频带，每个2Hz，取单频正弦信号，长度1s，带宽1Hz，频带间隔1Hz，构成的信号中心频率分别为100Hz，102Hz，104Hz，...，1698Hz；

分别发射上述中心频率的信号，同时采集各通道接收信号，预设采样率为10kHz；

预设在采样点的起始位置0点处，存在直达信号，在500点和550点处分别有幅度为发射信号幅度1/20000和1/50000的回波信号，相当于地下有两个弱反射地层；

合成发射信号与合成接收信号的相关函数如附图3所示，其中4-回波信号1位置，5-回波信号2位置，可见相关函数呈周期性重复结构，重复周期与频率间隔成反比；由于发射信号自身幅度很大，自相关的峰值过高，直观看不到回波信号的存在。截取相关函数中心点开始的一个周期进行局部放大，如图4所示，4-回波信号1相关峰，5-回波信号2相关峰，可以看出在500点和550点处有两个相关峰，分别对应该两处回波信号的位置，信噪比很高。然后据此进行波形反演、褶积反演处理，可得到地层的参数。

本实施方式的可控震源的处理装置，其发送端包括：分割单元，发射频带单元、发射单元、重复发射单元、幅度处理单元以及发射信息合成单元。

分割单元，将所述探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2；发射频带单元，按照预定规则在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N；发射单元，每次在所述M个窄带中挑选一个窄带进行发射。

重复发射单元，在接收的信噪比不符合预设信噪比时向所述发射单元发出重新发送的指令。该重复发射单元能根据需要，大幅度增加信号的能量，提高信噪比。

幅度处理单元，对所述N个窄带的幅度进行以下加权处理：两侧窄带的信号幅度给以向外逐渐减小的权重。该幅度处理单元能够消除相关函数的时域起伏，降低反演的不确定性。

发射信息合成单元，将发射的M个窄带信号对齐相加得到的合成发射信号。

可控震源的处理装置接收端包括：接收单元，平均单元以及组合单元。接收单元，利用多个通道同时接收所述M个窄带中的一个窄带；平均单元，对所述多个通道接收的一个窄带进行平均；组合单元，将平均后的M个窄带对齐相加合成接收信号。

上述可控震源的发送装置和接收装置，首先将所述探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，每个窄带足够窄时，可以有效地克服地层介质色散效应的影响，降低震源响应偏差带来的影响。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种可控震源的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2，在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N；

S2.每次在所述M个窄带中挑选一个窄带进行发射、同时采集多个通道的接收信号，直至将所述M个窄带信号发射完；

S3.将发射的M个窄带信号对齐相加得到的合成发射信号，各通道将相应的M个接收信号对齐相加得到各通道的合成接收信号；

S4.利用所述合成发射信号和所述合成接收信号获得地层参数；

所述步骤S2包括：若所述接收信号的信噪比不符合预设信噪比，则重复所述窄带信号，直到获得该频带满足要求的信噪比；

所述满足要求的信噪比通过对接收信号进行多次平均获得；

所述N个窄带的幅度进行以下加权处理：两侧窄带的信号幅度给以向外逐渐减小的权重；

所述N个窄带的是正交的频带，所述步骤S4包括：将合成的发射信号与合成的接收信号进行互相关，得到地层界面回波信息。

2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述N个窄带是不等间隔的。

3.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述N个窄带是有间隙的。

4.一种可控震源的处理装置，包括：

分割单元，将所述探测信号的带宽划分为N个彼此独立的窄带，N≥2；

发射频带单元，按照预定规则在该N个窄带中选取M个窄带构成发射频带，M≤N；

发射单元，每次在所述M个窄带中挑选一个窄带进行发射；

发射信息合成单元，将发射的M个窄带信号对齐相加得到的合成发射信号；

接收单元，利用多个通道同时接收所述M个窄带中的一个窄带；

平均单元，对所述多个通道接收的一个窄带进行平均；

组合单元，将平均后的M各窄带对齐相加合成接收信号；

重复发射单元，在接收的信噪比不符合预设信噪比时向所述发射单元发出重新发送的指令；

幅度处理单元，对所述N个窄带的幅度进行以下加权处理：两侧窄带的信号幅度给以向外逐渐减小的权重。