CN102257404A - 用于优化声源阵列的性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种促进在海洋环境中获得地震数据的技术。声源阵列被部署于海洋环境中。该阵列能够用来产生促进关于海底结构的数据的收集的声脉冲。该方法使声源阵列的性能得以优化以改进在地震勘测期间的有用数据的收集。

Description

用于优化声源阵列的性能的方法

背景技术

在各种海洋环境中，进行地震勘测以获得对水体之下的地质构造更多的了解。海洋地震源阵列被用来在水中产生声脉冲，并且水听器检测所反射的信号。点火控制器被使用以触发声源元件的点火因而使每个元件的主压力脉冲沿所期望的方向在远场中同步。例如，可以进行触发使得每个元件的主脉冲沿垂直的方向在远场中一致。在某些应用中，点火控制器实施时间延迟以补偿声源元件的机械触发机制的个体差异。触发延迟还能够用来补偿源阵列的几何差异。

一种量化机械触发延迟的方法是使用时断传感器。时断传感器被定位于声源元件(例如气枪)之内或附近，并且具体的属性可以在由时断传感器测得的信号中检测到。例如，属性可以包括信号最大振幅、阈值时间、过零点或者其它合适的属性。在发送点火信号与检得属性在时断信号中的时间之间的时间延迟经点火控制算法来处理以调整下一点火信号的时间。

但是，使用安装了时断传感器的气枪声源元件的同步只提供了使所发射的声信号的峰值压力同步的间接方式。该方法假定了恒定的、源元件独立的、在时断信号的检得属性与峰值声压的时间之间的时间偏移。在许多应用中，该假定并不是有效的并且时断同步导致了声信号的峰值声压的次优对准。有时，该问题可以通过使用支持来自近场水听器的调谐及测量的点火控制器来缓解。但是，以现代的紧凑阵列结构不可能将来自未处理的近场水听器的测量中的邻近气枪的声信号区分开。

常规的气枪的另一个问题是在适用于地震勘探的频率范围之外的显著声幅的发射。带外信号代表能够干扰测量和/或具有对海洋生物不利的影响的噪声。

发明内容

一般而言，本发明提供了一种用于在海洋环境中获得地震数据的方法。声源阵列被部署于海洋环境中。阵列能够被用来产生可用于获得有关海底结构的数据的声脉冲。该方法使声源阵列的性能能够得以优化以在地震勘测期间促进有用数据的收集。

附图说明

以下将参考附图来描述本发明的某些实施例，在附图中相同参考数字指示相同的元件，以及：

图1是根据本发明的一种实施例的在海洋勘测区内的声源阵列的示意图；

图2是根据本发明的一种实施例的声源阵列的另一个实例的示意图；

图3是示出根据本发明的一种实施例的声源阵列的一个实例中的声源/水听器对的位置的图表；

图4是示出根据本发明的一种实施例的基于在诸如图3所示的阵列那样的阵列中的声源元件的贡献的、来自在一个水听器处检测到的信号的数据的图表；

图5是示出根据本发明的一种实施例的分散函数(scatteringfunction)的功率谱的图表；

图6是示出根据本发明的另一实施例的分散函数的另一种功率谱的图表；

图7是示出根据本发明的另一实施例的分散函数的另一种功率谱的图表；

图8是示出根据本发明的一种实施例的由在给定的时间窗口之内的点火时间的特意(deliberate)分散引起的功率谱的图表；

图9是示出根据本发明的一种实施例的用于优化源阵列性能的操作过程的一个实例的流程图；以及

图10是示出根据本发明的一种实施例的用于优化源阵列性能的操作过程的另一个实例的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐明了众多细节以供对本发明的理解。但是，本领域技术人员应当理解，本发明可以在没有这些细节的情况下实现并且对所述实施例的众多改变或修改可以是可能的。

本发明一般地涉及在海洋环境中获得地震数据所使用的技术。该技术有助于针对在进行地震勘测中所使用的声源阵列来优化声源阵列性能。例如，在一种应用中，该技术通过使源触发去同步来促进声源的高频率输出的衰减。在技术的另一方面，声源可以使用限带的概念源特征(notional source signature)来同步。

一般地参考图1，图中根据本发明的一种实施例示出了地震勘测系统20的实例。如图所示，系统20包括被拖曳通过海洋地震勘测区24以进行海洋地震勘测的声源子阵列22。声源子阵列22可以由经由拖曳线与声源子阵列22连接的适合的水上船只来拖曳。

在所示出的实例中，地震勘测系统20还包括声源28和水听器30的多个配对26。但是，地震勘测系统20可以按照多种结构来构造，所述多种结构可以包括水听器30和声源28的配对26或其它布局。通常，水听器30和声源28被选择使得存在至少与未知的概念源(notional source)一样多的水听器测量。这使概念源特征的计算得以进行。在所示出的具体实例中，声源28可以每个都包括为在受控的时间点发射出压力脉冲而设计的气枪(或气枪群)。水听器30可以是各自定位于相应的声源的上方或者在其它适合的位置的近场水听器。可以将声源28和水听器30布置成配对26或者其它结构，例如经由适当的悬线34自浮体32悬下。浮体32被设计成沿海洋勘测区24内的水表面36漂浮。

控制系统40(例如基于计算机的控制系统)可以用来处理来自水听器30的数据和/或将控制信号传达给声源28。控制信号能够用来控制声源28的触发以提供在进行地震勘测时使用的声脉冲。在控制系统40和配对26之间的数据流动能够在适合的通信线42上进行。举例来说，能够将控制系统40定位于适合的拖曳船只上或者在其它位置，例如直接在声源子阵列22上。

可以将声源28和水听器30布置成多种阵列结构。例如，在图2所示的实施例中，地震勘测系统20包括具有多个声源子阵列22的地震阵列44。每个声源子阵列22包括声源28和近场水听器30的多个配对26。以具体实例来说，地震阵列44可以包括三个子阵列22，其中每个子阵列包括六个配对26。但是，能够使用其它的结构来进行地震勘测。

由水听器30检测到的反射声信号以及由控制系统40处理的数据通过优化声源阵列的性能(例如同步)来提高。根据一种实施例，对声信号被直接地时间对准。举例来说，声源同步能够使用限带的概念源特征来实现。在各种公开物(例如美国专利No.4,476,553(Ziolkowski等))中描述了一般的概念源理论。

在图3中，以示出18个独特配对26的平面图示意性地示出了地震源阵列44的一个实例。给定配对26的每个个体水听器30测量总体声信号，该总体声信号具有来自相应的声源28以及在阵列44中的其它声源28的贡献。例如，在图4所示的图表中，由个体近场水听器30所记录的压力信号由实线46示出。在该样本中，压力信号46由位于图3的位置17的水听器30来检测。所记录的压力信号46由声源的贡献产生并且包括来自最接近的声源28的信号48，例如在对象配对26中的相应的声源28。所记录的压力信号46还包括来自声源阵列44中的其它声源28的贡献信号50。

即使个体声源的主压力脉冲无法由个体水听器区分，概念源方法的实现也使来自个体声源28的声信号的计算能够得以进行。个体贡献是概念源特征。由此，控制系统40可以包括用来根据概念源方法计算来自个体声源的声信号的处理系统，例如基于计算机的系统。控制系统40还被用来处理数据并且通过对概念源特征进行时间对准来关于声源28确定触发延迟。应当指出，在许多应用中，能够将概念源特征的范围或频带限制于关心的频率范围。结果，声源能够被直接同步而不是唯独依靠从安装有时断传感器的声源的间接同步。

但是，方法的另一实施例利用结合使用概念源特征的属性以及与时断传感器信号关联的属性的同步方法。在该实施例中，对26能够合并安装于例如声源28的时断传感器。如上所述，时断传感器被用来检测与时断传感器信号关联的属性。属性被用来针对触发个体声源估计时间延迟以优化在地震勘测期间的数据收集。在该实施例中，控制系统40被用来将基于通过时断传感器的属性检测而处理的时间延迟与直接的同步时间延迟相比较。直接的同步时间延迟通过计算概念源特征以及通过对概念源特征进行时间对准来确定触发延迟而获得。该比较能够提供关于所实现的实际触发延迟的验证或检验。

在一个实例中，气枪阵列的同步通过计算将时断传感器与所发出的概念源特征相关的附加同步延迟来优化，其中概念源特征的频带被限制于关心的频率范围。举例来说，能够将数据的频带限制于大约0-128Hz，不过也能够使用其它所期望的地震频带或范围。概念源特征的同步还能够在其它的应用中采用。例如，该方法能够使用于利用频率在地震频带之外的所发射的声信号的应用中。该方法还能够使用于并不一定旨在使由声阵列的声源元件发射的主压力脉冲同步的应用中。

根据方法的另一种实施例，阵列同步可以通过使声源28的触发去同步来优化。这使得地震阵列44的功率谱能够在频带频率之外(即在所期望的地震频率范围/频带之外的频率)下衰减。另外，在所期望的地震频带之内的输出基本上不受影响。

带外信号的衰减通过使由控制系统40控制的声源触发特意地去同步来完成。当使用声源28来提供主压力脉冲时，所叠加的波场的期望发射方向能够由下式来描述：

$W\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\left(\mathrm{\ω}\right)\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{geo}})\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{sync}})$

其中S_n(ω)是N个源元件的概念源特征，ω是角频率，τ_n，geo是补偿源元件相对于所期望的远场发射方向的位置的同步延迟，并且τ_n，sync是由不完全的同步所产生的时间延迟，其中所述不完全的同步由机械触发的随机性质与同步控制算法的次优性能共同引起。应当指出，对于完全同步的理想情况τ_n，sync＝0。此外τ_n，sync在地震阵列44使用时断传感器来同步时通常具有非零均值，而使用概念源特征来同步的地震阵列具有均值为零的τ_n，sync值。

在当前所描述的实施例中，引入了附加的时间延迟τ_n，scatter以特意使主压力脉冲的对准去同步，使得：

$W\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\left(\mathrm{\ω}\right)\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{geo}})\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{sync}})\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{scatter}})$

选择附加的时间延迟τ_n，scatter从而使(地震)频带外的振幅衰减，而在所期望的地震频带/范围之内的振幅基本上不受影响。选择τ_n，scatter值的准则能够通过分析规范化的分散函数的功率谱来找到：

$W_{\mathrm{scatter}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{scatter}})$

一般地参考图5，图中示出了针对N＝18个元件的时间延迟被从在[-L/2，+L/2]之内的均匀分布中随机地取出的实例的这个函数的功率谱，这里的L是其中分散延迟被界定的窗口的长度。在许多应用中，L大于1毫秒。在图5的实例中，N＝18，L＝4毫秒，并且对于在大约236Hz以上的频率，平均带外衰减是-12.4dB。当分散延迟被从随机的均匀分布中选出时，带外频率的平均衰减已经被示出为：10·log₁₀(1/N)。在该实例中，对于L＝4毫秒的情况，衰减在100Hz下仅为-1.1dB。而且，阻带的下端近似为：

其中f是线性频率。

在图6和7中分别以图表示出了N＝18并且L＝8毫秒及16毫秒的情形的功率谱的其它实例。在图6和7的实例中，平均带外衰减对于分别在大约118Hz和59Hz以上的频率是-12.6dB。

因此，信号的带外振幅能够通过特意地分散声源同步来衰减使得在以下公式中的时间延迟τ_n，scatter具有非零值：

$W\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\left(\mathrm{\ω}\right)\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{geo}})\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{sync}})\·\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{n,\mathrm{scatter}})$

在许多应用中，这些分散延迟被限制于大于1毫秒的窗口长度L并且选择分散延迟τ_n，scatter使得同步误差τ_n，scatter和分散延迟的组合延迟符合所选择的统计分布。在图5-图8的实例中，组合延迟被从均匀分布中随机地取出。

在某些实施例中，特意的去同步通过分散声源28的触发时间来实现，但是特意的去同步还能够通过分散声源元件的位置来实现。在后者的实例中，声源被分散使得沿所期望的发射方向对传播时间的最终扰动等于规定的分散时间延迟。在图8中示出了由通过声源的点火/触发时间的分散而进行的特意的去同步导致的功率谱的一个实例。在该实例中，特意的分散再次处于4毫秒的窗口内并且对于在大约236Hz以上的频率平均带外衰减是-12.6dB。但是，在其它的应用中可以使用其它的功率谱，诸如上面描述的通用功率谱。

用于优化声源的性能/同步的系统和方法能够针对不同的地震勘测应用而改变。但是，一个操作实例由图9的流程图示出。在该实例中，声源和水听器的阵列初始地被部署于海洋地震勘测区内以允许执行地震勘测，这由块52表示。声源被用来产生声脉冲，如块54所示。举例来说，声源可以包括单独布置的或成群布置于具体的阵列位置的气枪。

概念源特征经由例如控制系统40基于来自近场水听器的测量的数据来确定，这由块56表示。概念源特征被用来通过对概念源特征进行时间对准来建立触发延迟，这由块58指示。通过建立适当的触发延迟，在勘测期间的地震数据的收集得以有效地优化。在某些应用中，选择性的时断传感器还被用来检测与时断传感器的信号关联的属性，这由块60表示。由时断传感器来检测属性使得能够确定相关的时间延迟，该相关的时间延迟能够与由处理概念源特征所产生的时间延迟进行比较，这由块62表示。数据的处理和时间延迟的比较能够在基于计算机的控制系统40上进行。

在另一个操作实例中，声源28初始地被部署，这由图10所示的流程图的块64指示。一旦阵列被部署了，声源就被用来产生声脉冲，这由块66指示。所期望的用于地震勘探的关心的频率范围或频带也被确定，这由块68表示。通过特意地使声源触发去同步所期望的频带被用来使带外信号能够衰减，这由块70指示。基于计算机的控制系统40能够用来建立用于使声源触发去同步的参数并且用来启动源触发的特意分散。

以上所讨论的实例只是能够用来以在地震勘测期间优化数据收集的方式控制声源同步的结构和过程中的几个。例如，声源的数量和布局以及水听器的数量和布局能够针对不同的应用而改变。类似地，控制系统的类型以及控制系统的位置能够适应于具体的设备和/或应用。而且，概念源特征的确定和使用能够根据取决于例如系统因素、环境因素、传感器类型及其它因素的各种范例来建立。另外，所期望的频率范围/频带能够在各种地震勘探应用之间改变。用于产生声输入的技术也可以根据环境及可利用的设备而改变。

虽然在上面只详细描述了本发明的几个实施例，但是本领域技术人员应当容易意识到许多修改在没有实质上脱离本发明的教导的情况下都是可能的。因此，此类修改意欲包含于权利要求书所限定的本发明的范围之内。

Claims (22)

1.一种方法，包括以下步骤：

将声源阵列部署于海洋环境中；

以所述声源产生声脉冲以获得关于海底结构的数据；以及

以在带外频率下衰减振幅的方式特意地分散声源同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其中特意地分散的步骤包括：分散所述声源的触发时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中特意地分散的步骤包括：分散所述声源的位置。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括使用多个水听器来检测所述声脉冲。

5.根据权利要求1所述的方法，其中特意地分散的步骤包括：选择时间延迟使得在预定的地震频带之外的信号振幅被衰减而在所述预定的频带之内的信号振幅基本上不受影响。

6.根据权利要求5所述的方法，其中选择时间延迟的步骤包括：将所述时间延迟限制于大于1毫秒的窗口长度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中选择的步骤包括：从所选的分布中选择随机取出的时间延迟。

8.一种方法，包括以下步骤：

将声源和水听器阵列部署于海洋环境中；

以所述声源产生声脉冲；

通过处理来自近场水听器测量的概念源特征来使所述声源同步；以及

通过对所述概念源特征进行时间对准来为所述声源确定触发延迟。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括利用时断传感器来检测与时断传感器信号关联的属性。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括比较基于所述属性的检测与基于处理所述概念源特征的时间延迟。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述概念源特征限制于关心的频率范围。

12.一种方法，包括以下步骤：

操作在海洋环境中的声源阵列以获得地震数据；

使用所述声源阵列将主压力脉冲传送到所述海洋环境中；以及

特意地使所述主压力脉冲的对准去同步。

13.根据权利要求12所述的方法，其中特意地去同步的步骤包括：关于所述主压力脉冲引入时间延迟。

14.根据权利要求13所述的方法，其中引入时间延迟的步骤包括：选择时间延迟使得在给定的频带之外的地震信号振幅被衰减而在所述给定频带之内的地震信号振幅基本上不受影响。

15.根据权利要求12所述的方法，其中特意地去同步的步骤包括：分散所述声源的触发时间。

16.根据权利要求12所述的方法，其中特意地去同步的步骤包括：分散所述声源的位置。

17.根据权利要求13所述的方法，其中引入的步骤包括：引入基本上均匀分布的时间延迟。

18.一种用于在海洋环境中获得地震数据的方法，包括以下步骤：

确定来自海洋环境中的近场水听器测量的概念源特征；

通过对所述概念源特征进行时间对准来建立声源元件的触发延迟；以及

根据所述触发延迟来触发所述声源元件。

19.根据权利要求18所述的方法，其中触发的步骤包括：触发布置于所期望的阵列中的气枪。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括将概念源特征限制于关心的频率范围。

21.根据权利要求18所述的方法，还包括利用时断传感器来检测与时断传感器信号关联的属性。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括比较基于所述属性的检测与基于处理所述概念源特征的时间延迟。

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