CN102356333A - 使用旋转传感器测量减弱由拖缆布置的传感器采集的噪声 - Google Patents

Abstract

一种技术包括接收由地震拖缆上的旋转传感器所采集的指示第一测量结果的数据，以及基于第一测量结果，估计存在于由拖缆上的第二传感器所采集的测量结果中的转矩噪声。该技术包括基于该估计来减弱转矩噪声。

Description

使用旋转传感器测量减弱由拖缆布置的传感器采集的噪声

技术领域

本发明一般地涉及使用旋转传感器测量结果来减弱由拖缆布置的传感器采集的噪声。

背景技术

地震勘探涉及为寻找碳氢化合物储藏而勘测地下的地质地层。勘测典型地涉及在预定的位置布置(多个)地震源和地震传感器。所述源产生地震波，地震波传播到地质地层中，沿其路线产生压力变化和振动。地质地层的弹性属性的变化散射地震波，改变了它们的传播和其它属性。由所述源发射出的部分能量到达地震传感器。一些地震传感器对压力变化敏感(水听器)，其它地震传感器对粒子运动敏感(例如，地震检波器)，并且工业勘测可以只布置一种类型的传感器或者两种都布置。响应检测到的地震事件，传感器产生电信号而产生地震数据。然后，对地震数据的分析可以指示存在或者不存在碳氢化合物储藏的可能位置。

一些勘测称为“海洋”勘测，因为它们是在海洋环境中进行的。但是，“海洋”勘测不仅可以在咸水环境中进行，而且还可以在淡水和微咸水环境中进行。在称为“拖曳阵列”勘测的一种海洋勘测类型中，包含地震传感器的拖缆和源的阵列被拖曳在勘测船后面。

发明内容

在本发明的一种实施例中，一种技术包括接收由地震拖缆上的旋转传感器所采集的指示第一测量结果的数据，以及基于第一测量结果，估计存在于由拖缆上的第二传感器所采集的粒子运动测量结果中的转矩噪声(torque noise)。该技术包括基于该估计来减弱转矩噪声。

在本发明的另一种实施例中，一种技术包括接收由地震拖缆上的旋转传感器所采集的指示第一测量结果的数据，以及基于第一测量结果，估计存在于由拖缆上的第二传感器所采集的对准测量结果中的振动噪声。该技术包括基于该估计来减弱振动噪声。

在本发明的另一种实施例中，一种系统包括含有旋转传感器和第二传感器的地震拖缆。第二传感器适合于采集第一测量结果，以及旋转传感器适合于采集指示存在于第一测量结果中的噪声的第二测量结果。

在本发明的又一种实施例中，处理系统包括接口和处理器。接口接收指示由地震拖缆上的旋转传感器所采集的第一测量结果的数据。处理器基于第一测量结果来处理该数据，以确定存在于由拖缆上的第二传感器所采集的第二测量结果中的噪声的估计，并且基于该估计来减弱存在于第二测量结果中的噪声。

通过下面的附图、描述和权利要求，本发明的优点和其它特征将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施例的海洋地震采集系统的示意图。

图2是根据本发明的一种实施例的沿着图1的线2-2所截取的截面图。

图3是在拖缆中没有发生电缆扭转的情况下，由拖缆布置的粒子运动传感器采集的综合生成的噪声记录的频率-波数图。

图4是在拖缆中发生了电缆扭转的情况下，由拖缆布置的粒子运动传感器采集的综合生成的噪声记录的频率-波数图。

图5和图7是示出了根据本发明的实施例的使用旋转传感器测量结果来减弱由另外的传感器所采集的噪声的技术的流程图

图6是示出根据本发明的一种实施例的自适应噪声消除系统的示意图。

图8是根据本发明的一种实施例的处理系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一些实施例的基于海洋的地震数据采集系统的实施例10。在系统10中，勘测船20在船20的后面拖曳一条或多条地震拖缆30(图1中示出了一条示例拖缆30)。应当指出，拖缆30可以展开布置，其中多条拖缆30在相同的深度在大致相同的平面中拖曳。作为另一个非限制性的实例，拖缆可以在多个深度(例如，以上/下分布的形式)拖曳。

地震拖缆30可以有几千米长而且可以包含各种支持电缆(没有示出)，以及可以用于支持沿拖缆30的通信的布线和/或电路(没有示出)。一般而言，每条拖缆30包括记录地震信号的地震传感器被安装于其中的主电缆。拖缆30包含地震传感器单元58，地震传感器单元58可以包括用于采集压力数据的水听器(作为一个非限制性的实例)或者多分量传感器，这取决于发明的具体实施例。对于其中传感器58是多分量传感器(作为另一个非限制性的实例)的发明的实施例，每个传感器都能够检测压力波场以及与接近传感器的声学信号关联的粒子运动的至少一个分量。粒子运动的实例包括粒子位移的一个或多个分量、粒子速度的一个或多个分量(纵测线(inline)(x)、横测线(crossline)(y)和垂直(z)分量(例如，见轴59))以及粒子加速度的一个或多个分量。

取决于发明的具体实施例，多分量地震传感器可以包括一个或多个水听器、地震检波器、粒子位移传感器、粒子速度传感器、加速度计、压力梯度传感器或者它们的组合。

例如，根据本发明的一些实施例，特定的地震传感器单元58为了测量粒子运动沿着特定的量测轴59(例如，x、y或z轴)的分量而可以包括至少一个粒子运动传感器70。例如，地震传感器单元58可以包括被取向用于采集沿着深度轴或z轴的粒子速度的测量结果(measurement)的粒子速度传感器。作为选择，地震传感器单元58可以包括用于感测沿着横测线轴或y轴的粒子速度的粒子速度传感器；用于感测沿着纵测线轴或x轴的速度的粒子速度传感器；用于感测沿着所有三个(x、y和z)轴的粒子速度的多个粒子速度传感器；等等。作为选择，在本发明的其它实施例中，每个地震传感器单元58的粒子运动传感器(或多个粒子运动传感器)可以感测不同于速度的粒子运动(例如，加速度)。

如同以下将进一步描述的，由粒子运动传感器70所采集的测量结果易受到噪声影响。为了基本上消除或减弱该噪声，地震传感器单元58包括旋转传感器72。更具体而言，如同以下将进一步描述的，旋转传感器72测量转矩噪声，该转矩噪声用作用于估计存在于由粒子运动传感器70所采集的测量结果中的噪声(例如，转矩噪声)的基础。给出了估计，就可以显著地去除或减弱噪声。

除了地震传感器单元58之外，海洋地震数据采集系统10还包括一个或多个地震源40(图1中示出了两个示例地震源40)，例如，气枪等。在本发明的一些实施例中，地震源(或多个地震源)40可以耦合到勘测船20，或者被其拖曳。作为选择，在本发明的其它实施例中，地震源(或多个地震源)40可以独立于勘测船20操作，因为地震源(或多个地震源)40可以耦合到其它船或浮标，这只是举了一些实例。

当地震拖缆30被拖曳在勘测船20后面时，通常被称为“射击(shots)”的声学信号42(图1中示出了示例声学信号42)由地震源(或多个地震源)40产生，并向下通过水柱44引导到水底面24之下的地层62和68中。声学信号42由各种地下的地质地层(例如图1中所示的示例地质地层65)反射。

由源(或多个源)40产生的入射声学信号42产生对应的反射声学信号或压力波60，该声学信号或压力波60由地震传感器单元58的地震传感器感测。应当指出，由地震传感器接收和感测的压力波包括无反射地传播到传感器的“上行”压力波，以及由压力波60从空气-水边界或自由表面31反射所产生的“下行”压力波。

地震传感器单元58的地震传感器产生称为“轨迹(trace)”的信号(例如，数字信号)，该信号指示所采集的压力波场和粒子运动的测量结果。根据本发明的一些实施例，轨迹被记录并可以至少部分地被布置在勘测船20上的信号处理单元23处理。例如，特定的地震传感器单元58可以提供轨迹，该轨迹对应于通过其水听器测量的压力波场的测量结果；并且地震传感器单元58可以提供与粒子运动的一个或多个分量对应的一个或多个轨迹(取决于发明的具体实施例)。

地震采集的目的是建立勘测区域的图像，以便识别地下的地质地层，例如，示例性的地质地层65。对该表示法的后续分析可以揭示地下地质地层中碳氢化合物储藏的可能位置。对表示法的部分分析可以在地震勘测船20上执行，例如通过信号处理单元23执行，这取决于发明的具体实施例。根据本发明的其它实施例，所述表示法可以由可以位于例如陆地上或船20上的数据处理系统来处理。以下将结合图8来描述示例性的数据处理系统320。

在所拖曳的固体拖缆中，粒子运动传感器典型地采集噪声(除了所采集的粒子运动信号外)。该噪声可归因于几种噪声源：振动噪声、流动噪声、声学噪声、不相干噪声等。如图2中的拖缆的截面图所示，特定的粒子运动传感器70可以偏离拖缆电缆的中心轴80而定位。换言之，粒子运动传感器70可以距离电缆的中心轴80某一距离(在图2中称为“e”)而定位。由于这种偏心定位，粒子运动传感器70易受旋转影响，并且因而由粒子运动传感器70所采集的粒子运动测量结果含有归因于该旋转的噪声。由于该噪声与拖缆电缆关于纵测线轴(x轴)的旋转有关，因而转矩噪声出现于所测得的粒子运动的局部的横测线分量或y分量中，而没有出现于所测得的粒子运动的局部的深度分量或z分量中。

一般而言，转矩噪声的传播慢于地震信号，而快于横向振动噪声。更具体而言，图3示出了在拖缆电缆中没有发生扭转时，由粒子运动传感器所采集的综合生成的频率-波数(f-k)图100。如图100所示，噪声记录包括横向振动噪声106和转矩噪声108。还在图3中示出的是限定了所预期的地震信号的边界的锥形104。如同在该特定的实例中所能够看出的，转矩噪声108最多地污染了有用地震频带的最低频率。

图4示出了在电缆扭转发生时的综合生成的噪声记录的f-k图120。如果在操纵设备之间的拖缆电缆中存在平滑的扭转(例如，由鸟所引起的扭转)，那么所采集的数据从局部电缆轴到全局坐标的转换分布了转矩噪声的能量。更具体而言，如图4所示，对于该实例，当电缆平滑地扭转而在每100米(m)处形成一个全旋转时，扭转分布了更多的转矩噪声122，使得转矩噪声122与不发生电缆扭转的情况(例如，参见图3)相比污染了更多的信号锥104。因而，在发生电缆扭转时，转矩噪声影响了所关心的频带的较大部分。

为了从粒子运动测量结果中基本上消除或减弱转矩噪声，根据本发明的实施例，可以使用在图5中所示出的技术200。依据技术200，按照块202，接收指示由地震拖缆上的旋转传感器所采集的测量结果的数据。按照块204，基于该测量结果，确定存在于由拖缆上的粒子运动传感器所采集的粒子运动测量结果中的转矩噪声的估计。按照块206，基于该估计，减弱转矩噪声。

更具体而言，根据本发明的实施例，由旋转传感器72(参见图1)所采集的测量结果一般对地震信号不敏感，并且因而用作用于估计在由粒子运动传感器70所采集的粒子运动测量结果中的转矩噪声的参考测量结果。旋转传感器对地震信号的不敏感性确保了在自适应减法过程期间不发生信号消除。

现在转向更具体的实例，该实例示出了用于减弱在粒子速度测量结果中的转矩噪声的一种方式，在下面的讨论中，“V_y，k(nT)”指的是粒子速度测量结果(即，含有待减弱的转矩噪声的测量结果)的横测线分量或y分量。基于在此记为“R_k(nT)”的旋转传感器测量结果来减弱转矩噪声。在这种表示法中，“T”表示采样间隔，并且“n”表示样本数。

一般而言，粒子速度测量结果V_y，k(nT)可以分解为三个分量：地震信号分量(在此记为“S_y，k(nT)”)、转矩噪声分量(在此记为“τ_k(nT)”)和非转矩噪声分量(在此记为“N_y，k(nT)”)，该非转矩噪声分量可归因于振动噪声、声学噪声等。在数学上，粒子运动测量结果V_y，k(nT)可以这些分量来描述如下：

V_y，k(nT)＝S_y，k(nT)+N_y，k(nT)+τ_k(nT)公式1

目的是要通过使用旋转传感器测量结果R_k(t)从测量结果V_y，k(t)中估计出和去除转矩噪声τ_k(t)。

根据本发明的一些实施例，用来估计在粒子运动测量结果中的转矩噪声分量的传递函数可以根据粒子运动传感器的偏心距和灵敏度来确定。在本发明的这些实施例中，转矩噪声可以使用所确定的传递函数从粒子运动测量结果中估计出并减去。

在其中存在着转矩噪声与旋转传感器测量结果之间的未知的传递函数的本发明的实施例中，直接的减法可能会放大转矩噪声，而不是从粒子运动测量结果中消除它。对于本发明的这些实施例，将旋转传感器测量结果与转矩噪声关联的传递函数通过使用所采集的数据来估计。作为一个非限制性的实例，以下描述了使用所采集的数据来估计传递函数的一种方式。但是，应当理解，根据本发明的实施例，可以使用其它方式来估计传递函数。

在用于估计传递函数的示例技术中，传递函数可以被建模为线性滤波器，如下所述：

${\hat{t}}_k\left(\mathrm{nT}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_m{R}_k(\mathrm{nT}-\mathrm{mT})$ 公式2

其中“h_m”表示线性滤波器的系数。滤波器系数h_m可以通过考虑将粒子运动测量结果进行如下校正而确定：

${\hat{V}}_{y,k}\left(\mathrm{nT}\right)=V_{y,k}\left(\mathrm{nT}\right)-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_k\left(\mathrm{nT}\right)$ 公式3

使用这种识别，用于估计滤波器系数h_m的一种方式是通过最下化下面的成本函数来使所校正的粒子运动测量结果的均方能量最小化：

$J=E{\left[{\hat{V}}_{y,k}\left(\mathrm{nT}\right)\right]}^2$

公式4

$=E{[{\hat{V}}_{y,k}\left(\mathrm{nT}\right)-{\hat{t}}_k\left(\mathrm{nT}\right)]}^2,$

其中E[]表示统计期望算子。

公式4的成本函数在滤波器函数满足正规方程时被最小化，所述正规方程如下所述：

C_Rh＝C_VR                         公式5

其中“h”表示滤波器系数的向量，如下所述：

h(m)＝h_m                         公式6

在公式5中，“C_R”表示旋转传感器测量结果的自相关矩阵，如下所述：

C_R(m，n)＝E[R_k(nT)R_k(mT)]        公式7

另外，在公式5中，“C_VR”表示旋转传感器测量结果与粒子速度测量结果的互相关矩阵，如下所述：

C_VR(m，n)＝E[V_y，k(nT)R_k(mT)]    公式8

假定信号S_y，k(t)和非转矩噪声N_y，k(nT)与转矩噪声τ_k(t)和旋转传感器测量结果R_k(t)是不相关的，则公式8所述的互相关等于转矩噪声与旋转传感器测量结果的互相关，如下所述：

C_VR(m，n)＝E[τ_k(nT)R_k(mT)]

公式9

＝C_τR(m，n).

给定这种关系，则可以导出滤波器系数(即，传递函数)，如下所述：

$h=C_R^{-1}{C}_{\mathrm{\τR}}$ 公式10

如公式10所述，滤波器系数仅取决于旋转传感器测量结果和转矩噪声的统计。实际上，传递函数对于非平稳噪声将是随时间变化的。在这种情况下，可以使用自适应干扰消除滤波器，例如，最小均方(LMS)、递归最小二乘(RLS)或基于QR分解的递归最小二乘(QR-RLS)。更具体而言，根据本发明的一些实施例，可以使用图6所示的自适应噪声消除系统250。

参照图6，系统250的加法器254接收包括地震信号和噪声255的粒子运动测量结果。加法器254减去所估计的存在于粒子运动测量结果中的转矩噪声260，以产生基本上没有转矩噪声分量的信号264。系统250的自适应滤波器256基于信号264进行调整，并且被应用于由旋转传感器所测得的噪声257以导出转矩噪声测量结果260。

本发明的其它实施例可构想出并且在所附权利要求的范围之内。例如，根据本发明的一些实施例，粒子运动传感器70可以是基于微机电系统(MEMS)的电容传感器，该电容传感器提供指示粒子运动传感器的对准的直流(DC)电压。例如，该对准可以用来确定粒子运动传感器的局部轴的取向，并且从而可以用于坐标变换。由传感器70所提供的DC信号可能受到相对较强的低频振动噪声(即，平移噪声(translation noise))，这将振动噪声引入了对准测量结果中。由于旋转传感器测量结果将与对准测量结果高度相关，但对平移噪声不敏感，因而在此所描述的技术可以应用于去除振动噪声分量，并从而提高对准测量结果的总信噪比(SNR)。

更具体而言，参照图7，根据本发明的一些实施例，技术280包括：按照块282，接收指示由地震拖缆上的旋转传感器所采集的旋转测量结果的数据。按照块284，基于旋转测量结果，确定存在于由拖缆上的粒子运动传感器所采集的对准测量结果中的振动噪声的估计。按照块286，技术280包括基于该估计来衰减振动噪声。

参照图8，根据本发明的一些实施例，数据处理系统320包含处理所采集的地震数据的处理器350，以便为了诸如下列目的(作为非限制性的实例)而执行在此所公开的一种或多种技术中的至少某些部分：接收来自拖缆布置的旋转传感器测量结果；基于由旋转传感器所采集的测量结果来估计存在于拖缆布置的粒子运动测量结果中的转矩噪声分量；接收来自拖缆布置的传感器的对准测量结果；基于接收自拖缆所布置的旋转传感器测量结果来估计在对准测量结果中的振动噪声分量；自适应地确定存在于粒子运动和/或对准测量结果中的噪声分量；确定传递函数的滤波器系数以基于由旋转传感器所采集的测量结果来估计在粒子运动和/或对准测量结果中的噪声分量；等等。

根据本发明的一些实施例，处理器350可以由一个或多个微处理器和/或微控制器形成。作为非限制性的实例，处理器360可以位于拖缆30(参见图1)上，位于船20(参见图1)上，分布于多条拖缆30中，位于基于陆地的处理设备，分布于分离的基于陆地的设备中等。

如图8所示，处理器350可以耦接至通信接口360，以便接收诸如所采集的粒子运动测量结果、旋转传感器测量结果、对准测量结果、压力测量结果等的数据。作为非限制性的实例，通信接口360可以是通用串行总线(USB)接口、网络接口、可移动介质(例如闪存卡、CD-ROM等)接口或磁存储接口(例如，IDE或SCSI接口)。因此，通信接口360可以采取多种形式，这取决于发明的具体实施例。

根据本发明的一些实施例，通信接口360可以耦接到系统320的存储器340并且可以存储例如在此所描述的技术和系统(例如，技术200和/或280和/或系统250)所涉及的各种输入和/或输出数据集。根据本发明的一些实施例，存储器340可以存储程序指令344，当程序指令344由处理器350执行时，程序指令344可以促使处理器350执行在此所公开的一种或多种技术和系统的各种任务，并且系统320可以在系统320的显示设备(在图8中没有示出)(例如，计算机监视器)上显示通过所述技术(或多种技术)/系统(或多种系统)所获得的初步的、中间的和/或最终的结果。

虽然本发明已经针对有限数量的实施例进行了描述，但是受益于本公开内容的本领域技术人员应当意识到这些实施例的众多修改和变化。希望所附权利要求书覆盖属于本发明真正精神和范围之内的所有此类修改和变化。

Claims (23)

1.一种方法，包括：

接收指示由地震拖缆上的旋转传感器所采集的第一测量结果的数据；

基于所述第一测量结果，估计存在于所述拖缆上的第二传感器所采集的粒子运动测量结果中的转矩噪声；以及

基于所述估计来减弱所述转矩噪声。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二传感器包括粒子运动传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收行为包括接收由布置于所述拖缆上的角速率传感器或陀螺仪表所采集的数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述估计行为包括将传递函数应用于所测得的第一转矩噪声。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述传递函数随时间变化，并且所述估计行为包括应用自适应干扰消除滤波器。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括确定所述传递函数，包括：

将所述传递函数建模为线性滤波器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述确定所述传递函数的行为还包括：

基于所述粒子运动测量结果与过滤的转矩噪声测量结果之间的差异来确定校正的粒子运动测量结果；以及

确定所述线性滤波器的系数，包括最小化所述校正的粒子运动测量结果的均方能量。

8.一种方法，包括：

接收指示由地震拖缆上的旋转传感器所采集的第一噪声测量结果的数据；

基于所述第一测量结果，估计存在于所述拖缆上的第二传感器所采集的对准测量结果中的振动噪声；以及

基于所述估计来减弱所述振动噪声。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二传感器包括粒子运动传感器。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述接收行为包括接收由布置于所述拖缆上的旋转传感器或陀螺仪表所采集的数据。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述估计行为包括将传递函数应用于所测得的第一转矩噪声。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述传递函数随时间变化，并且所述估计行为包括应用自适应干扰消除滤波器。

13.根据权利要求8所述的方法，其中所述对准测量结果包括由基于MEMS的电容传感器所提供的DC测量结果。

14.一种系统，包括：

地震拖缆，所述地震拖缆包括旋转传感器和第二传感器，其中所述第二传感器适合于采集第一测量结果，并且所述旋转传感器适合于采集指示存在于所述第一测量结果中的噪声的第二测量结果。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一测量结果包括粒子运动测量结果或对准测量结果。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述粒子运动传感器包括基于MEMS的传感器。

17.根据权利要求14所述的系统，还包括：

用于拖曳所述拖缆的船。

18.根据权利要求14所述的系统，还包括：

用于基于所述第二测量结果来估计存在于所述第一测量结果中的所述噪声并且基于所述估计来减弱所述噪声的处理器。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述处理器位于所述拖缆上。

20.一种处理系统，包括：

接口，用于接收指示由地震拖缆上的旋转传感器所采集的第一测量结果的数据；以及

处理器，用于处理所述数据，以便：

基于所述第一测量结果，估计存在于由所述拖缆上的第二传感器所采集的第二测量结果中的噪声；以及

基于所述估计来减弱存在于所述第二测量结果中的所述噪声。

21.根据权利要求20所述的处理系统，其中所述第二测量结果包括粒子运动测量结果或对准测量结果。

22.根据权利要求20所述的处理系统，其中所述处理器适合于将传递函数应用于所述估计中的所述数据。

23.根据权利要求22所述的处理系统，其中所述处理器使所述传递函数适应于所述数据。

Images