CN102207553A - 用于分离向上和向下传播的压力和垂直速度场的方法 - Google Patents

用于分离向上和向下传播的压力和垂直速度场的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于分离向上和向下传播的压力和垂直速度场的方法。包括：获得所测量的压力场、所测量的垂直速度场、以及两个所测量的正交水平速度场。使用可编程计算机执行下述各项。根据水声阻抗、所测量的压力场和水平速度场来确定缩放因子。将所测量的压力场和所测量的垂直速度场的其中之一与经过缩放因子缩放的所测量的垂直速度场和经过缩放因子缩放的所测量的压力场的其中之一进行组合，从而生成向上行进的和向下行进的压力波场和速度波场的其中之一。

Description

用于分离向上和向下传播的压力和垂直速度场的方法
技术领域
本发明大体涉及地球物理勘探的领域。更具体地说，本发明涉及对双传感器海洋地震拖缆数据进行成像的领域。
背景技术
在石油和天然气工业中，地球物理勘探一般用于协助搜索并且评估地表下（subsurface）地球地层。地球物理勘探技术带来地球地表下结构的知识，这对于找寻并且提取有价值的矿物资源（尤其是例如石油和天然气之类的碳氢化合物沉积物来说）是有用的。地球物理勘探的一种公知技术是地震勘测。在基于陆地的地震勘测中，地震信号产生在地球表面上或其附近，并且然后下行进进入地球地表下。在海洋地震勘测中，地震信号也可以下行通过覆盖地球地表下的水体。地震能量源用于生成地震信号，地震信号在传播进入地球之后至少部分地被地表下地震反射器所反射。这些地震反射器典型地是具有不同弹性特性（具体说来是声波速度和岩石密度，它们在界面处导致声阻抗的差异）的各种地下地层之间的界面。反射的地震能量在地球表面处或其附近、在覆盖水体中、或者在矿孔中的已知深度处由地震传感器（也称为地震接收机）检测。地震传感器根据检测到的地震能量产生信号，典型地是电信号或光信号，其被记录以用于进一步处理。
在执行地震勘测中所获得的表示地球地表下的结果所得地震数据被处理，以产生与所勘测的区域中的地表下地球地层的特性以及地质构造相关的信息。处理后的地震数据被处理，以用于显示并且分析这些地表下地层的潜在碳氢化合物含量。地震数据处理的目的是从地震数据提取关于地下地层的尽可能多的信息，以便足以对地表下地质进行成像。为了标识存在找到石油聚集的可能性的地球地表下中的位置，大量金钱耗费在收集、处理并且解释地震数据上。从所记录的地震数据构建对感兴趣的地下地球层进行限定的反射器表面的过程提供了深度或时间上的地球图像。
地球地表下的结构的图像得以产生，以便使得解释器能够选择石油聚集的可能性最大的位置。为了验证石油的存在性，必须钻井。钻井来确定石油沉积物是否存在是极度昂贵且耗时的任务。为此，存在改进地震数据的处理和显示的持续需要，从而产生无论是由计算机还是由人来进行解释都将改进解释器之能力的地球地表下的结构的图像，以评估石油聚集存在于地球地表下中特定位置处的可能性。
用于在陆地地震勘测中生成地震信号的适当地震源可以包括爆炸物或振动器（vibrator）。海洋地震勘测典型地采用舰船所拖拽并且被周期性激励以生成声学波场的潜水地震源。生成波场的地震源可以是若干类型的，包括小型爆炸物装料、电火花或电弧、海洋振动器、并且典型地是枪。地震源枪可以是水枪、蒸汽枪、并且最典型地是气枪。典型地，海洋地震源不是由单一源元件组成，而是由空间上分布的源元件阵列组成。这种布置对于气枪（当前最常见的海洋地震源形式）尤其如此。
适当类型的地震传感器典型地包括微粒速度传感器（尤其是在陆地勘测中）以及水压力传感器（尤其是在海洋勘测中）。有时，微粒位移传感器、微粒加速传感器或压力梯度传感器用来代替微粒速度传感器，或者除了微粒速度传感器之外还使用微粒位移传感器、微粒加速传感器或压力梯度传感器。微粒速度传感器和水压力传感器在本领域中通常分别称为地震检波器（geophone）和水中地震检波器（hydrophone）。地震传感器可以由自身来部署，但更通常的是按传感器阵列来部署。此外，压力传感器和微粒运动传感器可以在海洋勘测中部署在一起，按配对或阵列配对而并置排列（collocate）。
在典型的海洋地震勘测中，地震勘测船典型地以大约5哩/小时在水表面上行进，并且包含地震采集设备，例如导航控制器，地震源控制器、地震传感器控制器、以及记录设备。地震源控制设备使得地震船在水体中拖拽的地震源在所选择的时间处激励。地震拖缆（也称为地震缆线）是由拖拽地震源的地震勘测船或另一地震勘测舰船在水体中拖拽的伸长的缆线状结构。典型地，多个地震拖缆被拖拽于地震船后面。地震拖缆包含传感器，以用于检测地震源所发起并且从反射界面反射的反射波场。传统上，地震拖缆包含诸如水中地震检波器的压力传感器，但除了水中地震检波器之外，还已经提出了包含水微粒速度传感器（例如地震检波器）或微粒加速传感器（例如加速计）的地震拖缆。压力传感器和微粒运动传感器部署得紧密靠近，沿着地震缆线按配对或阵列配对而并置排列。使地震检波器和水中地震检波器共同定位的替换是具有足够空间密度的传感器，以便由地震检波器和水中地震检波器记录的各个波场可以被内插或外推以在相同位置处产生两个波场信号。
在反射波到达拖缆缆线之后，波继续传播到水表面处的水/空气界面，波从此处向下反射，并且再次由拖缆缆线中的水中地震检波器检测。水表面是一种良好的反射器，并且水表面处的反射系数在量级上近乎为1（unity）且对于压力信号符号为负。在表面处反射的波因而将相对于向上传播的波相移180度。接收机所记录的向下传播波一般被称为表面反射或“幻影”信号。因为表面反射的缘故，水表面犹如过滤器，其在所记录的信号中产生谱凹陷，使得难以记录所选带宽之外的数据。因为表面反射的影响，所记录的信号中的某些频率得以放大，而某些频率被衰减。
诸如地震检波器之类的微粒运动传感器具有方向敏感性，而诸如水中地震检波器之类的压力传感器不具有。因此，由紧密定位在一起的地震检波器和水中地震检波器检测的向上行进的波场信号将是同相的，而向下行进的波场信号将被记录为异相180度。已提出了使用该相差来降低由表面反射所引起的谱凹陷的各种技术。用于消幻影的传统技术通常包括组合压力和垂直微粒速度波场以将压力或垂直微粒速度波场之一分离成向上行进的和向下行进的波场分量。
典型地通过组合压力波场和垂直微粒速度波场的测量来获得向上行进的和向下行进的压力波场。例如，通过从经过缩放的垂直速度场减去压力波场来给出向上行进的压力波场。该缩放包括传感器处的密度和局部水速除以所测量的事件的入射角的余弦。除以入射角的余弦将向上行进的垂直速度波场转换成全方向波场，其在乘以局部水阻抗之后在绝对值上等于所测量的压力波场。符号是-1，因为垂直速度波场的向上传播与垂直速度传感器的传统取向反向。
最常规地，在频率-波数域中应用所需要的与入射角相关的缩放，其中表示一个平面波的波场的每个频率-波数分量被对应的因子缩放。该方法取决于在成直线和成交叉线两个方向上密集采样的数据。尽管成直线的采样在拖拽的拖缆地震数据采集中通常是足够密集的，但是成交叉线的采样常常不密集。可以通过根据扫描空间-时间域中的局部相干事件的低频内容确定所需的角度来将该密集的采样假定放宽到某一程度。然而，仍期望处理完全角度范围的全地震带宽的解决方案。
因此，需要一种在不需要尤其成交叉线的方向上的密度空间采样的情况下，并且在不需要知道入射角的情况下，将压力或垂直速度场分离成向上行进的波场分量和向下行进的波场分量的方法。
发明内容
本发明是一种用于将在所拖拽的拖缆中测量的压力和垂直速度场分离成向上行进的波场和向下行进的波场的方法。可编程计算机被用来执行下述内容。获得所测量的压力场、所测量的垂直速度场、以及两个所测量的正交水平速度场。根据水声阻抗、所测量的压力场和水平速度场来确定缩放因子。将所测量的压力场和所测量的垂直速度场的其中之一与由缩放因子缩放的所测量的垂直速度场和由缩放因子缩放的所测量的压力场的其中之一组合，以便生成向上行进的和向下行进的压力和速度波场的其中之一。
附图说明
通过参照以下详细描述和附图，可以更容易地理解本发明及其优点，其中：
图1是示出速度矢量及其笛卡尔分量的几何图；
图2是示出用于确定向上行进的和向下行进的压力和速度波场的本发明的一个实施例的流程图；
图3是示出用于确定向上行进的压力波场的本发明的一个实施例的流程图；
图4是示出用于确定向上行进的速度波场的本发明的一个实施例的流程图；
图5是示出用于确定向上行进的压力波场的本发明的另一个实施例的流程图；以及
图6是示出用于确定向上行进的速度波场的本发明的另一个实施例的流程图。
虽然将结合本发明优选实施例来描述本发明，但应理解，本发明不限于此。反之，本发明意欲覆盖可以包括于所附权利要求所限定的本发明的范围内的所有替换、修改以及等同。
具体实施方式
本发明是一种用于在海洋环境中将压力和垂直速度场分离成向上行进的和向下行进的波场的方法。在多分量拖拽的拖缆中测量压力场、垂直速度场、以及两个正交的水平速度场。根据水声阻抗、两个所测量的水平速度场、以及所测量的压力场来计算用于将在每个多分量位置处的压力场和垂直速度场分离所需的缩放因子。通过包括两个所测量的水平速度场，躲避了在波场分离中知道入射角。这导致独立地在每个多分量传感器站处在空间时间域中的本地分解并且因此放宽了密集空间采样假设。可选地可以在保存水平速度场和压力场之间的比的处理步骤之后应用本发明的波场分离。
微粒运动传感器典型地是微粒速度传感器，但是其它微粒运动传感器（包括微粒加速传感器）可以被用来代替双传感器拖缆中的微粒速度传感器。微粒速度传感器通常在本领域中称为地震检波器，并且微粒加速传感器通常在本领域中称为加速计。将利用采用地震检波器的实施例来描述本发明，但是该传感器选择仅是为了简化说明并且不意图成为本发明的约束。
诸如地震检波器之类的微粒运动传感器具有方向敏感性（按照常规，在垂直+z方向上具有正偏转），而诸如水中地震检波器之类的压力传感器不具有。压力传感器是全方向的。在平静的水表面处的水/空气界面是地震波的极好反射器，并且因此水表面处的反射系数在幅度上近似为1，并且对于压力信号符号为负。因此，从水表面反射的向下传播的波场将相对于向上传播的波场相移180度。相应地，由紧密定位在一起的地震检波器和水中地震检波器检测的向上行进的波场信号分量将被记录为异相180度，而向下行进的波场信号分量将被记录为同相的，与海洋表面状况无关。在本发明的该说明中不使用的交替符号常规中，向上行进的波场信号分量将被记录为同相的，而向下行进的波场信号分量将被记录为异相180度。
尽管水中地震检波器全方向地记录总波场，但垂直地震检波器（如通常在地震处理中所利用的）仅单方向地记录波场的垂直分量。对于发生向下垂直传播的信号来说，波场的垂直分量将仅等于总波场。如果θ是信号波阵面与传感器取向之间的入射角，则按照常规垂直向上传播由入射角θ=0来定义。
因此，在传统技术中，所记录的垂直地震检波器的信号Vz、地震事件的入射角θ需要被调整以与所记录的水中地震检波器的压力波场P匹配。该调整典型地通过在空间-时间域中由适当的振幅缩放因子（例如如下因子）来缩放垂直地震检波器信号Vz来完成：
Figure 548382DEST_PATH_IMAGE001
                    （1）
在这里，因子ρc是水的声阻抗，其中ρ是水的密度，且c是水的声速。
现在，经过缩放的垂直速度场可以适当地与压力场组合，以给出向上行进的和向下行进的压力场P u 和P d 。按照常规这如下来完成：
Figure 465522DEST_PATH_IMAGE002
                  （2）
和
Figure 182943DEST_PATH_IMAGE003
                  （3）
在等式（2）和（3）二者中存在入射角相关性（dependence）。
相似地，适当缩放地压力场可以适当地与垂直速度场组合，以给出向上行进的和向下行进的垂直速度波场Vz u和Vz d，按照常规这如下来完成：
Figure 578152DEST_PATH_IMAGE004
                 （4）
和
Figure 392524DEST_PATH_IMAGE005
                 （5）
再次，如在上述等式（2）和（3）中那样，在等式（4）和（5）二者中存在入射角相关性。
在频率-波数域中，振幅缩放因子可以被表示为：
Figure 401937DEST_PATH_IMAGE006
                     （6）
其中          
Figure 668971DEST_PATH_IMAGE007
                （7）
是垂直波数，ω=2πf是频率f 的角频率，并且kx和ky是两个正交水平方向上的水平波数。典型地，可以在海洋地震勘测的成直线和成交叉线方向中选择两个水平方向。
可替换地，在平面波域中，振幅缩放因子可以被表示为：
Figure 805554DEST_PATH_IMAGE008
                     （8），
其中          
Figure 474433DEST_PATH_IMAGE009
            （9）
是垂直缓慢度（vertical slowness），并且px和py是两个正交水平方向上的水平缓慢度（horizontal slowness）。
在其它可替换实施例中，可以通过将逆傅里叶变换应用于等式（6）中的振幅缩放因子的频率-波数域表示或者通过将逆Radon变换应用于等式（8）中的振幅缩放因子的平面波表示来获得振幅缩放因子以作为空间-时间域中的空间滤波器。
诸如压力波场P和垂直速度波场Vz之类的波场包括向上行进的波场分量和向下行进的波场分量。例如，如下所示，压力波场P包括向上行进的波场分量Pu和向下行进的波场分量Pd：
P=Pu+Pd                （10）。
相似地，如下所示，垂直速度波场Vz包括上行进的波场分量Vz u和向下行进的波场分量Vz d：
Vz=Vz u+Vz d               （11）。
假设，除了压力波场之外，从测量还可以知道垂直和两个正交水平微粒速度分量。可以通过来自最初不同的坐标系的旋转来计算微粒速度分量。然后，通过本发明的方法，可以在不知道入射角的情况下确定压力和垂直速度场的向上行进的和向下行进的分量。
图1示出速度矢量及其笛卡尔分量的几何图。示出了笛卡尔坐标系的轴，被指示为x、y和z方向，分别由参考数字10、11和12来指示。在这里，按照常规，对应于深度的z轴12被取向成在向下方向上具有正值。垂直矢量V 13被取向成使得与垂直z轴12形成了一个角度，入射角θ14。速度矢量V 13的笛卡尔分量Vx，Vy和Vz分别用参考数字15、16和17来指示。因此，垂直速度分量Vz 17的绝对值由下式给出：
Figure 467796DEST_PATH_IMAGE010
               （12）
其中速度矢量V 13的幅度|V|由下式给出：
Figure 910541DEST_PATH_IMAGE011
             （13）
速度矢量V 13的水平分量18可以被分解成水平速度场Vx 15和Vy 16。
因此，如果速度分量Vx，Vy和Vz被测量，则使用等式（12），等式（1）中的与角度相关的缩放的垂直速度场可以被带符号的速度矢量的缩放幅度来代替，从而产生：
Figure 585236DEST_PATH_IMAGE012
          （14），
其中ρ是水密度，且c是局部水速，并且Vz的符号由下式给出：
Figure 108622DEST_PATH_IMAGE013
     （15）
需要sign（Vz）来保持在等式（14）的左手侧的Vz与在等式（14）的右手侧的全方向波场|V|的方向性。等式（14）的右手侧不具有入射角相关性。因此，作为代替通过使用所测量的速度分量躲避了知道入射角。
相似地，对于压力：
               （16）。
将等式（14）带入到等式（2）中产生一种计算向上行进的和向下行进的压力场Pu的新方法：
Figure 967042DEST_PATH_IMAGE015
           （17），
通过等式（15），等式（17）等于：
Figure 242166DEST_PATH_IMAGE016
                （18）
相似地，将等式（14）带入到等式（3）中产生一种计算向下行进的压力波场Pd的新方法：
Figure 823320DEST_PATH_IMAGE017
          （19）
通过等式（15），等式（19）等于：
Figure 158486DEST_PATH_IMAGE018
               （20）
在等式（17）至（20）的任何一个中不存在入射角相关性。
将等式（16）带入到等式（4）中产生一种计算向上行进的和向下行进的速度波场Vu的新方法：
Figure 572893DEST_PATH_IMAGE019
               （21）
相似地，将等式（16）带入到等式（5）中产生一种计算向下行进的速度波场Vd的新方法：
Figure 651708DEST_PATH_IMAGE020
                （22）
再次，如在上面的等式（17）至（20）中那样，在等式（21）和（22）任一个中不存在入射角相关性。
在下面所说明的实施例中，本发明应用于从所采集的地震数据获得的所测量的场。一般来说，词语“所获得的”应该被广义地解释为包括从存储装置（例如从计算机存储器）或其它计算机可读存储介质（例如磁带、磁盘和硬盘驱动器）检索所测量的场。
图2是示出用于确定向上行进的和向下行进的压力和速度波场的本发明的一个实施例的流程图。该一般性实施例覆盖在上面等式（17）到（22）中示出的情况。
在块20处，获得所测量的压力场P、所测量的垂直速度场Vz、以及两个所测量的正交水平速度场Vx和Vy。
在块21处，根据水声阻抗ρc、来自块20的所测量的压力场P、以及来自块20的所测量的水平速度场Vx和Vy来确定缩放因子。
在块22处，用来自块21的缩放因子来缩放所测量的压力场P和垂直速度场Vz的其中之一。
在块23处，将来自块20的所测量的压力场P和来自块20的所测量的垂直速度场Vz的其中之一与来自块22的经过缩放的垂直速度场和来自块22的经过缩放的压力场的其中之一组合。这生成测量位置处的向上行进的和向下行进的压力和速度波场Pu、Pd、Vu和Vd的其中之一。本发明的该方法不需要入射角的任何知识。
图3是示出用于确定向上行进的压力波场的本发明的一个实施例的流程图。
在块30处，获得所测量的压力场P、所测量的垂直速度场Vz、以及两个所测量的正交水平速度场Vx和Vy。
在块31处，根据来自块30的所测量的速度分量Vx，Vy和Vz来计算速度场V=（Vx，Vy，Vz）的幅度|V|。幅度是被平方的笛卡尔分量的和的平方根，如在等式（13）中那样。这将速度场的方向分量转换成全方向的速度波场。
在块32处，用水声阻抗ρc来缩放来自块31的速度场的幅度|V|。这使得全方向的速度波场|V|等于全方向的压力波场P。
在块33处，来自块32的经过缩放的速度场的幅度ρc|V|乘以sign（Vz），对应于如在等式（15）中给出的所测量的垂直速度场的符号，所述sign（Vz）为+1或-1。该项将向上行进的波场（-1）和向下行进的波场（+1）带回到全方向的波场中。
块31至33等同于利用如在等式（18）中示出的下述缩放因子缩放来自块30的所测量的垂直速度场Vz：
                   （23）。
在块34处，从来自块30的所测量的压力场P减去来自块33的带符号的速度场的缩放的幅度ρc sign（Vz）|V|。
在块35处，来自块34的减法结果乘以归一化因子1/2。这生成测量位置处的向上行进的波场Pu，如在等式（17）中给出的那样。
通过遵循与图3中的流程图相同的逻辑并且用加法来代替块34中的减法来获得向下行进的压力波场Pd，如在等式（19）中给出的那样。该结果也等同于等式（20）。
可以遵循相似的过程以获得如分别在等式（21）和（22）中给出的向下行进的和向上行进的速度波场Vd和Vu。图4是示出用于确定向上行进的速度波场的本发明的一个实施例的流程图。
在块40处，获得所测量的压力场P、所测量的垂直速度场Vz、以及两个所测量的正交水平速度场Vx和Vy。
在块41处，根据来自块30的所测量的速度分量Vx，Vy和Vz来计算速度场的幅度|V|。绝对值是被平方的笛卡尔分量的和的平方根，如在等式（13）中那样。
在块42处，用水声阻抗ρc来缩放来自块31的速度场的幅度|V|。
在块43处，来自块40的垂直速度场的绝对值|Vz|除以由来自块42的水声阻抗ρc缩放的速度场的幅度|V|。这生成下面的缩放因子：
Figure 859015DEST_PATH_IMAGE022
                      （24）。
在块44处，来自块43的缩放因子乘以来自块40的所测量的压力场P。
在块45处，从来自块40的所测量的垂直速度场Vz减去来自块44的经过缩放的压力场。
在块46处，来自块45的减法结果乘以归一化因子1/2。这生成测量位置处的向上行进的速度波场Vu，如在等式（21）中给出的那样。
通过遵循与图4中的流程图相同的逻辑并且用加法来代替块45中的减法来获得向下行进的速度波场Vd，如在等式（22）中给出的那样。
为了增加入射角或降低拖缆拖拽深度，可以通过在本文所讨论的本发明的随后实施例来改进等式（18）、（20）、（21）和（22）中的波场分离的精确性。
首先，讨论参考等式（17）至（22）所得到的方法中的限制。零阶动态射线方程通过下式将向上行进的和向下行进的压力波场Pu和Pd的振幅与速度分量Vx，Vy和Vz的振幅以及单位缓慢度矢量
Figure 996605DEST_PATH_IMAGE023
相关：
Figure 879110DEST_PATH_IMAGE024
                              （25）
Figure 169277DEST_PATH_IMAGE025
                                            （26）
Figure 111825DEST_PATH_IMAGE026
                                           （27）
Figure 238175DEST_PATH_IMAGE027
                （28）
在这里，        
Figure 658792DEST_PATH_IMAGE028
                  （29）
是声阻抗，其中ρ是水的密度，且c是局部水速，并且
Figure 131362DEST_PATH_IMAGE029
                （30）
是单位缓慢度矢量及其笛卡尔分量。
根据等式（25）、（26）和（27），在等式（17）和（19）中使用的（以及如在等式（18）、（20）、（21）和（22）中重写的）微粒速度矢量的经过缩放的且带符号的幅度变成：
  （31）。
如果在向上行进的波场和向下行进的波场之间不存在重叠，则：
                   （32）
并且所以等式（31）缩减成：
Figure 518984DEST_PATH_IMAGE032
          （33）
则根据等式（33），等式（17）中的向上行进的压力场Pu变成：
Figure 580481DEST_PATH_IMAGE033
   （34）
等式（34）示出仅在向上行进的波场Pu和向下行进的波场Pd分别不重叠的情况下在等式（18）中引入的波场分离方法给出合适的向上行进的压力场Pu。对于在等式（19）至（22）中的波场也保持相似的情况。
接着，讨论另一组实施例。在这些实施例中，仅由所测量的压力场和两个正交水平速度场（垂直速度场被取代）来表示缩放因子。借助于该新方法，在高出射角以及小拖拽深度时规避了不精确性，也就是说其中向上行进的波场和向下行进的波场重叠，所以：
Figure 802515DEST_PATH_IMAGE034
                    （35）
可以相应地根据等式（27）和（28）来构造向上行进的压力场Pu如下：
Figure 215041DEST_PATH_IMAGE035
          （36）。
使用等式（25）、（26）和（28），可以看出如在等式（2）中那样分离等式（36）的右手侧中的第二项包含与角度相关的缩放因子：
Figure 243040DEST_PATH_IMAGE036
       （37）
在等式（36）中表示的波场分离又不具有明确的角度相关性，并且现在对于除了水平传播的平面波（角度θ=90o）之外的所有入射角都是有效的。在除以等式（36）中的缩放因子计算中的小数字时需要仔细。
相似地，类似于等式（3）向下行进的压力场可以被构造为：
Figure 110109DEST_PATH_IMAGE037
           （38）。
图5是示出用于确定向上行进的压力波场Pu的本发明的另一个实施例的流程图。该过程更详细地描述了在等式（36）中说明的方法。
在块50处，获得所测量的压力场P、所测量的垂直速度场Vz、以及两个所测量的正交水平速度场Vx和Vy。
在块51处，根据水声阻抗Z＝ρc、来自块50的所测量的压力场P，以及来自块50的所测量的水平速度场Vx和Vy来确定缩放因子。该缩放因子由下式给出：
                   （39）。
在块52处，用来自块51的缩放因子来缩放来自块50的所测量的垂直速度场Vz。
在块53处，从来自块50的所测量的压力场P减去来自块52的经过缩放的垂直速度场。
在块54处，来自块53的减法结果乘以归一化因子1/2。这生成测量位置处的向上行进的压力波场Pu，如在等式（36）中给出的那样。
通过遵循与图5中的流程图相同的逻辑并且用加法来代替块53中的减法来获得向下行进的压力波场Pd，如在等式（38）中给出的那样。
使用所测量的压力场P和速度场Vx，Vy和Vz，可以根据等式（27）和（28）将向上行进的垂直速度Vu构造为如下：
Figure 137288DEST_PATH_IMAGE039
           （40）。
使用等式（25）、（26）和（28），如在等式（4）中那样分离等式（40）的右手侧中的第二项包含与角度相关的缩放因子：
Figure 703398DEST_PATH_IMAGE040
        （41）。
相似地，类似于等式（5）向下行进的速度场Vd可以被构造为：
Figure 5067DEST_PATH_IMAGE041
              （42）。
图6是示出用于确定向上行进的速度波场Vu的本发明的另一个实施例的流程图。该过程更详细地描述了在等式（40）中说明的方法。
在块60处，获得所测量的压力场P、所测量的垂直速度场Vz、以及两个所测量的正交水平速度场Vx和Vy。
在块61处，根据水声阻抗Z＝ρc、来自块60的所测量的压力场P，以及来自块60的所测量的水平速度场Vx和Vy来确定缩放因子。该缩放因子由下式给出：
Figure 552591DEST_PATH_IMAGE042
                   （43）。
在块62处，用来自块61的缩放因子来缩放来自块60的所测量的压力场P。
在块63处，从来自块60的所测量的垂直速度场Vz减去来自块62的经过缩放的压力场。
在块64处，来自块63的减法结果乘以归一化因子1/2。这生成测量位置处的向上行进的速度波场Vu，如在等式（40）中给出的那样。
通过遵循与图6中的流程图相同的逻辑并且用加法来代替块63中的减法来获得向下行进的速度波场Vd，如在等式（42）中给出的那样。
本发明的方法提供了基于多分量（三轴）微粒速度测量的波场分离。根据压力场和微粒速度场的水平分量来自动获得波场分离所需的与角度相关的缩放。根据压力和微粒速度矢量的三个所测量的笛卡尔分量，在时间－空间域中局部地计算波场分离并且不需要知道普通源波场中的事件角。这放宽了密集空间采样假设以及对入射角信息的需求。本发明的波场分离方法不需要任何用户干预并且因此可以在数据处理中心中或地震船上作为处理步骤之一而应用。
当本发明的方法通过几何射线近似没有被焦散线（即多事件的交叉）中的振幅处理阻碍时，本发明的方法最精确。
在另一实施例中，在波场分离之前可以将某些处理操作应用于所采集的多分量数据。为了例示不影响本发明的波场分离的质量的某些可能操作，假设所测量的数据Vx、Vy、Vz、P包括任意倾斜的弯曲事件。于是，首先应用空间和时间变量可逆的缩放函数λ(x,y,t) 。来自等式（36）的波场分离的过程变成：
Figure 939710DEST_PATH_IMAGE043
      （44），
这与乘以缩放函数λ(x,y,t)的向上行进的波场Pu相一致。在移除缩放函数之后，恢复原始的向上行进的波场Pu。
在又另一实施例中，在被插入到等式（36）中之前利用任意可逆的滤波器F（t）来过滤所测量的波场Vx、Vy、Vz和P。根据等式（25）、（26）和（28），通过便利地因子分解获得下式：
Figure 247195DEST_PATH_IMAGE044
（45），
其中*指示卷积。等式（45）现在与经过滤波的向上行进的压力场相一致。可以通过将适当的逆滤波器应用于滤波器F来恢复原始未滤波的向上行进的压力场。对于二维和三维滤波器F（x，t）（其中x＝x或者x＝x（x，y）），该滤波器应用是等同有效的。
某些一维滤波器描述了普通的数据处理步骤，例如时差（moveout）。时差包括线性时差（LMO）、正常时差（NMO）和数据拉伸。对于二维和三维滤波器F（x，t），该滤波器应用也是等同有效的。这些处理步骤可以在等式（36）、（38）、（40）和（42）的波场分离之前运行。
某些二维或三维滤波器描述了在二维或三维空间中移动和改变地震事件的倾斜的过程。组合有缩放因子的一种这样的滤波器描述了NMO叠加的过程。该叠加可以在等式（36）、（38）、（40）和（42）的波场分离之前运行。
组合有缩放因子的一种其它类型的滤波器描述了偏移（migration）的过程。该偏移可以在等式（36）、（38）、（40）和（42）的波场分离之前运行。
在另一实施例中，可以通过在波场分离之前应用多通道多分量滤波的可用工具来分离交叉事件。
在超出射线理论限制的又另一实施例中，可以通过在将所测量的波场Vx、Vy、Vz、P插入到等式（36）之前应用傅立叶变换将它们变换到时间和空间频域来实现交叉事件的分离。根据等式（25）、（26）和（28），并且利用均质的声学介质中的压力和微粒速度之间的精确关系：
                 （46）
通过便利地因子分解获得下式：
   （47），
其中～指示经傅立叶变换（FT）的量并且| | 指示复数量的绝对值（模数）。等式（47）的结果与经傅立叶变换的向上行进的波场FT（Pu）相一致，不受限于射线近似。通过本领域中已知的技术来移除傅立叶域中的任何零除以零的除法。由等式（47）给出的过程类似在用于频率－波数（ω-kx-ky）域中的传统波场分离的等式（6）和（7）中给出的缩放。尽管有差别地计算了缩放，但是通过在等式（47）中使分母（nominator）和分母（denominator）二者预先乘以 ω/c 来示出等价。通过对FT（Pu）应用适当的逆傅立叶变换来恢复原始的向上行进的压力场Pu。
特别感兴趣的是一种包括传统的成直线缩放（例如在（ω-kx）域中）以及如在本发明的方法中的来自交叉线运动传感器的交叉线角度确定的组合方法。在这种情况下，除了在成直线方向上适当采样的压力场和垂直速度场之外，还仅需要一个水平分量。
在另一实施例中，根据本发明的如在等式（36）、（38）、（40）和（42）中描述的波场分离的方法还可用被扩展成及时处理复地震道（trace）。通过使用Hilbert变换来根据真实（real）测量的道计算复地震道。
以上作为一种方法已经讨论了本发明，目的仅是说明性的，但本发明也可以实现为系统。本发明的系统优选地是凭借计算机（具体是数字计算机）连同另外的传统数据处理设备一起而得以实现的。本领域公知的此类数据处理设备将包括计算机处理设备的任何适当组合或网络，包括硬件（处理器、临时存储设备和持久存储设备、以及任何另外适当的计算机处理设备）、软件（操作系统、应用程序、数学程序库、以及任何另外适当的软件）、连接（电、光、无线、或其它）、以及外设（诸如键盘、定点设备和扫描仪之类的输入和输出设备；显示设备，例如监视器和打印机；计算机可读存储介质（例如磁带、盘、以及硬驱动器）、以及任何其它适当的设备），但不限于此。
在另一实施例中，本发明可以实现为上述方法，具体地使用可编程计算机而得以执行，以执行所述方法。在另一实施例中，本发明可以实现为计算机可读介质中存储的计算机程序，其中，程序具有能够操作用以使得可编程计算机执行上述方法的逻辑。在另一实施例中，本发明可以实现为具有介质上所存储的计算机程序的计算机可读介质，从而程序具有能够操作用以使得可编程计算机执行上述方法的逻辑。
应理解，前述内容仅仅是本发明具体实施例的详细描述，并且在不脱离本发明范围的情况下，可以根据在此的公开而对所公开的实施例进行大量改变、修改以及替换。因此，前面的描述并不意味着限制本发明的范围。而是，本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物来确定。

Claims (44)

1.一种用于将在拖拽的拖缆中测量的压力和垂直速度场分离成向上行进的波场和向下行进的波场的方法，包括；
获得所测量的压力场、所测量的垂直速度场、以及两个所测量的正交水平速度场；以及
使用可编程计算机执行下述各项：
根据水声阻抗、所测量的压力场和所测量的水平速度场来确定缩放因子；以及
用缩放因子来缩放所测量的压力场和所测量的垂直速度场的其中之一；以及
将所测量的压力场和所测量的垂直速度场的其中之一与经过缩放的垂直速度场和经过缩放的压力场的其中之一进行组合，从而生成向上行进的和向下行进的压力波场和速度波场的其中之一。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定缩放因子以及进行缩放包括：
根据所测量的速度分量Vx，Vy和Vz来计算速度场的幅度|V|；
用水声阻抗ρc来缩放速度场的幅度|V|；以及
用经过缩放的速度场的幅度ρc|V|乘以sign（Vz）。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述组合包括：
从所测量的压力场P减去带符号的速度场的经过缩放的幅度ρc sign（Vz）|V|，从而生成减法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的压力波场。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定缩放因子以及进行缩放包括：
利用下述缩放因子来缩放所测量的垂直速度场Vz：
Figure 896196DEST_PATH_IMAGE001
 ，
其中ρ是水密度且c是局部水速，|V|是速度场V＝（Vx，Vy，Vz）的幅度，并且|Vz|是所测量的垂直速度场Vz的绝对值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述组合包括：
从所测量的压力场P减去经过缩放的垂直速度场，从而生成减法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的压力波场。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述组合包括：
使经过缩放的垂直速度场与所测量的压力场P相加，从而生成加法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的压力波场。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定缩放因子以及进行缩放包括：
利用下述缩放因子来缩放所测量的压力场P：
Figure 231362DEST_PATH_IMAGE002
 ，
其中|Vz|是所测量的垂直速度场Vz的绝对值，ρ是水密度且c是局部水速，并且|V|是速度场V＝（Vx，Vy，Vz）的幅度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述组合包括：
从所测量的垂直速度场Vz减去经过缩放的压力场，从而生成减法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的速度波场。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述组合包括：
使经过缩放的压力场与所测量的垂直速度场Vz相加，从而生成加法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的速度波场。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定缩放因子以及进行缩放包括：
利用下述缩放因子来缩放所测量的垂直速度场Vz：
，
其中Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且P是所测量的压力场。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述组合包括：
从所测量的压力场P减去经过缩放的垂直速度场，从而生成减法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的压力波场。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述组合包括：
使经过缩放的垂直速度场与所测量的压力场P相加，从而生成加法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的压力波场。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定缩放因子以及进行缩放包括：
利用下述缩放因子来缩放所测量的压力场P：
Figure 101415DEST_PATH_IMAGE004
，
其中Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且P是所测量的压力场。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述组合包括：
从所测量的垂直速度场Vz减去经过缩放的压力场，从而生成减法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的速度波场。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述组合包括：
使经过缩放的压力场与所测量的垂直速度场Vz相加，从而生成加法结果；以及
用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的速度波场。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合包括：
应用下述等式：
，
其中λ是空间和时间变量的可逆缩放函数，Pu是向上行进的压力波场，P是所测量的压力场，Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且Vz是所测量的垂直速度场；以及
从乘积λPu移除缩放函数λ。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合包括：
应用下述等式：
Figure 682624DEST_PATH_IMAGE006
其中F是可逆的滤波器，Pu是向上行进的压力波场，P是所测量的压力场，Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且Vz是所测量的垂直速度场；以及
对卷积
Figure 633262DEST_PATH_IMAGE007
应用对应于所述滤波器F的逆滤波器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述滤波器包括正常时差叠加。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述滤波器包括偏移。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合包括：
应用下述等式：
Figure 515768DEST_PATH_IMAGE008
其中FT是傅立叶变换，Pu是向上行进的压力波场，P是所测量的压力场，Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且Vz是所测量的垂直速度场；以及
将逆傅立叶变换应用于经过变换的向上行进的压力波场FT（Pu）。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所测量的压力和速度场包括使用Hibert变换来根据所测量的真实地震道计算复地震道。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述获得和确定包括：
获得所测量的压力场、所测量的垂直速度场、以及所测量的交叉线水平速度场；以及
根据水声阻抗、所测量的压力场以及所测量的交叉线水平速度场来确定缩放因子。
23.一种用于将在拖拽的拖缆中测量的压力和垂直速度场分离成向上行进的波场和向下行进的波场的设备,包括：
用于从计算机可读存储装置检索所测量的压力场、所测量的垂直速度场、以及两个所测量的正交水平速度场的装置；
用于根据水声阻抗、所测量的压力场、以及所测量的水平速度场来确定缩放因子的装置；以及
用于用所述缩放因子来缩放所测量的压力场和所测量的垂直速度场的其中之一的装置；以及
用于将所测量的压力场和所测量的垂直速度场的其中之一与经过缩放的垂直速度场和经过缩放的压力场的其中之一进行组合，从而生成向上行进的和向下行进的压力波场和速度波场的其中之一的装置。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于确定缩放因子以及进行缩放的装置包括：
用于根据所测量的速度分量Vx，Vy和Vz来计算速度场的幅度|V|的装置；
用于用水声阻抗ρc来缩放速度场的幅度|V|的装置；以及
用于用经过缩放的速度场的幅度ρc|V|乘以sign（Vz）的装置。
25.根据权利要求24所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于从所测量的压力场P减去带符号的速度场的经过缩放的幅度ρc sign（Vz）|V|；从而生成减法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的压力波场的装置。
26.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于确定缩放因子以及进行缩放的装置包括：
用于利用下述缩放因子来缩放所测量的垂直速度场Vz的装置：
 ，
其中ρ是水密度且c是局部水速，|V|是速度场V＝（Vx，Vy，Vz）的幅度，并且|Vz|是所测量的垂直速度场Vz的绝对值。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于从所测量的压力场P减去经过缩放的垂直速度场，从而生成减法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的压力波场的装置。
28.根据权利要求26所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于使经过缩放的垂直速度场与所测量的压力场P相加，从而生成加法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的压力波场的装置。
29.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于确定缩放因子以及进行缩放的装置包括：
用于利用下述缩放因子来缩放所测量的压力场P的装置：
Figure 873117DEST_PATH_IMAGE002
 ，
其中|Vz|是所测量的垂直速度场Vz的绝对值，ρ是水密度且c是局部水速，并且|V|是速度场V＝（Vx，Vy，Vz）的幅度。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于从所测量的垂直速度场Vz减去经过缩放的压力场，从而生成减法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的速度波场的装置。
31.根据权利要求29所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于使经过缩放的压力场与所测量的垂直速度场Vz相加，从而生成加法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的速度波场的装置。
32.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于确定缩放因子以及进行缩放的装置包括：
用于利用下述缩放因子来缩放所测量的垂直速度场Vz的装置：
Figure 124101DEST_PATH_IMAGE003
，
其中Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且P是所测量的压力场。
33.根据权利要求32所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于从所测量的压力场P减去经过缩放的垂直速度场，从而生成减法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的压力波场的装置。
34.根据权利要求32所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于使经过缩放的垂直速度场与所测量的压力场P相加，从而生成加法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的压力波场的装置。
35.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于确定缩放因子以及进行缩放的装置包括：
用于利用下述缩放因子来缩放所测量的压力场P的装置：
Figure 544718DEST_PATH_IMAGE004
，
其中Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且P是所测量的压力场。
36.根据权利要求35所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于从所测量的垂直速度场Vz减去经过缩放的压力场，从而生成减法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述减法结果，从而生成向上行进的速度波场的装置。
37.根据权利要求35所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于使经过缩放的压力场与所测量的垂直速度场Vz相加，从而生成加法结果的装置；以及
用于用归一化因子1/2乘以所述加法结果，从而生成向下行进的速度波场的装置。
38.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于应用下述等式的装置：
Figure 79604DEST_PATH_IMAGE005
，
其中λ是空间和时间变量的可逆缩放函数，Pu是向上行进的压力波场，P是所测量的压力场，Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且Vz是所测量的垂直速度场；以及
用于从乘积λPu移除缩放函数λ的装置。
39.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于应用下述等式的装置：
Figure 193054DEST_PATH_IMAGE006
其中F是可逆的滤波器，Pu是向上行进的压力波场，P是所测量的压力场，Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且Vz是所测量的垂直速度场；以及
用于对卷积
Figure 429869DEST_PATH_IMAGE007
应用对应于所述滤波器F的逆滤波器的装置。
40.根据权利要求39所述的设备，其中所述滤波器包括正常时差叠加。
41.根据权利要求39所述的设备，其中所述滤波器包括偏移。
42.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于组合的装置包括：
用于应用下述等式的装置：
其中FT是傅立叶变换，Pu是向上行进的压力波场，P是所测量的压力场，Z＝ρc是水声阻抗，ρ是水密度，c是局部水速，Vx和Vy是所测量的水平速度场，并且Vz是所测量的垂直速度场；以及
用于将逆傅立叶变换应用于经过变换的向上行进的压力波场FT（Pu）的装置。
43.根据权利要求23所述的设备，其中所测量的压力和速度场包括使用Hibert变换来根据所测量的实际地震道计算复地震道。
44.根据权利要求23所述的设备，其中所述用于获得和确定的装置包括：
用于获得所测量的压力场、所测量的垂直速度场、以及所测量的交叉线水平速度场的装置；以及
用于根据水声阻抗、所测量的压力场以及所测量的交叉线水平速度场来确定缩放因子的装置。
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