CN102460217A - 通过直接探测基板运动控制的地震振动器 - Google Patents

Abstract

一种地震振动器，具有基板，该基板具有至少四个隔离器，这些隔离器将框架与基板隔离。这些隔离器的每一个偏离在架子上的板的足迹，以释放在板的顶部表面上的面积。直接布置在基板上的加速度仪探测传递到板的加速度。为了减小挠曲和弯曲，板具有增大的刚度、和与用于可比较额定振动器的板近似相同的质量。加速度仪布置在板的特定位置处，该特定位置经历在沿板的长度的纵向挠曲之间的过渡。这个过渡位置更好地代表板在振动期间的实际加速度，并且避免过分增大和减小的加速度读数，这样的加速度读数将从在板上的其它位置获得。

Description

通过直接探测基板运动控制的地震振动器

对于相关申请的交叉参考

这是在2009年5月1日提交的美国临时申请No.61/174,786的非临时申请，该临时申请通过参考全部包括在这里，并且对于该临时申请要求优先权。

背景技术

在地球物理勘测中，地震源可由卡车携带，并且可定位在勘探区域的预定位置处。地震源能是单轴振动源，并且一旦联接到地球上并操作，就可将压缩P-波传递到地球中。

根据现有技术的振动器10表明在图1A-1C中，并且图示地表明在图2中。振动器10使用基板20和反作用质量块50将力传送到地面。如典型的那样，振动器10安装在运载车辆(未表示)上，该运载车辆使用机构和杆12/14将振动器10降低到地面。在降低振动器10的情况下，车辆的重量保持与地面相接合的基板20，所以可将地震源信号传送到地球中。

反作用质量块50直接定位在基板20上方，并且支柱52(图2)从基板20并穿过质量块50延伸，以使质量块50稳定。在内部，反作用质量块50具有形成在其中的缸56。竖直延伸活塞60穿过这个缸56延伸，并且在活塞60上的头部62将缸56划分成上部和下部腔室。活塞60在其下部端部处连接到在下部横梁(cross piece)54L中的毂盘(hub)上，并且穿过缸56向上延伸。活塞60的上部端部连接到在上部横梁54U上的毂盘上，并且横梁54U-L连接到支柱52上。

为了将基板20与杆14隔离，杆14具有底脚16，该底脚16具有隔离器40，该隔离器40布置在底脚16与基板20之间。如表示的那样，三个隔离器40布置在每个底脚16下方。另外，底脚16具有张紧(tension member)部件42，该张紧部件42互连在底脚16和基板20的边缘之间。当将振动器10升高和降低到地面时，张紧部件42用来保持基板20。最后，减震器44也安装在底脚16的底部与基板20之间，以在它们之间隔离振动。

图3A-3C用平面图、侧视图、及端部剖视图表示用于现有技术振动器10的基板20。板20的顶部具有用于支柱(52；图2)的支柱固定件24，并且加强垫21包围这些固定件24。为隔离器(40)提供保持凸缘26。靠近角部的长边缘具有叉形梁托28，张紧部件(42)的端部连接到这些叉形梁托28上；并且加强垫27绕板20的外边缘提供，用来将减震器(44)连接到基板20上。

总的来说，基板20可具有约6.9英寸的高度H₁、约42英寸的宽度W₁、及约96英寸的长度L₁，并且板20可重达近似4020磅。如在图3C的端部截面中所示，板20具有四根内部管或梁30，这些内部管或梁30沿板的长度纵向延伸。梁30是具有矩形横截面的空心管，并且具有约6英寸的高度、约4英寸的宽度、及约3/8英寸的壁厚。互连垫片32定位在梁30之间和在基板20的长帽盖壁之间。

在操作期间，如图2所示的控制器80从联接到上部横梁54U上的第一传感器85接收信号，并且从联接到反作用质量块50上的第二传感器87接收信号。基于来自这些传感器85/87的反馈和用来操作振动器10的希望扫描信号，控制器80产生驱动信号，以控制伺服阀组件82。在由驱动信号驱动时，伺服阀组件82经在质量块50中的端口，在液压流体供应源84与上部和下部缸活塞腔室之间交替地路由高压液压流体。随着液压流体在活塞头部62紧上方和下面布置的活塞腔室中交替地积累，反作用质量块50在活塞60上在竖直方向上往复地振动。由振动质量块50产生的力又经支柱52和活塞60转移到基板20，从而基板20按希望的振幅和频率或扫描振动，以产生进入地面的地震源信号。

随着运动反作用质量块50作用在基板20上以将地震源信号传递到地球中，信号穿过地球传播，在间断点和结构层处反射，及然后向地球表面传播。在表面处，联接到地球上的地震检波接收器阵列(未表示)探测反射的信号，并且记录装置记录来自地震检波接收器的信号。地震记录器可使用相关处理器，使由地震源供给的计算地面力与由地震检波接收器接收的地震信号相关。地震源具有液压泵子系统，该液压泵子系统具有液压管线，这些液压管线将液压流体携带到伺服阀组件80；并且冷却器可以存在，以冷却液压子系统。

当操作这样一种现有技术振动器10时，操作人员经历准确地确定地面力和使振动器的操作与产生的源信号准确地相关的问题，振动器10正在将该地面力施加到地球上。理想地，操作人员很想知道当传递地震能量时由基板20施加到地面上的实际地面力。不幸地，基板20经历大量振动和挠曲，该振动和挠曲使从基板20可得到的读数失真。况且，为将基板20与支架14和底脚16隔离要求的隔离器40、减震器44、及其它元件，限制为得到加速度读数在基板20上可得到的空闲和无妨碍空间。

因为这些原因，本地传感器(例如，加速度仪或地震检波器)典型地定位在振动器50的上部横梁54U上，该上部横梁54U定位在反作用质量块50上方，如最清楚地图1C所示。附加在上部横梁54U上的位置55处时，加速度仪(85；图2)经支柱52联接到基板20上。在上部横梁54U上的这个位置中，加速度仪(85)可避免在基板20处出现的挠曲、不希望噪声、失真等，而仍然测量用于基板20的加速度。因为这个原因，在现有技术中改进这样一种振动器10的性能的典型工作一直着重于优化本地传感器(85)在上部横梁54U上的位置，以避免关于噪声、挠曲的问题、和其它问题。

在操作中，在图2中表示的控制器80使用位于上部横梁54U上的本地传感器85、和位于反作用质量块50上的传感器87，测量传送到地球中的信号。测量的信号传送到相关处理器，该相关处理器也从地震检波器或其它传感器接收组成地震传播的信号。相关处理器使用各种算法，将波信号数据与失真和其它乱真信号区分开。关于这种方法的问题是，原始源信号失真可能变化，使相关困难。因而，传递到地球中的源信号越清洁，在地震获取过程的记录端部处的相关越容易。而且，源信号越准确，源振动器10可传递到地球的能量越多。

因为振动器10在地球表面上工作，该表面由于沙子、岩石、植物、等等的存在可随位置急剧地变化，所以基板20当相对于在给定位置处的地面部署时，常常被不平地支撑。另外，基板20将挠曲，并且在操作期间直接影响控制系统。作为结果，产生的辐射能量依据在何处部署振动器10而随位置变化。因此，振动器的源特征随位置不是相同的(或几乎相同的)，并且在特性方面不是可重复的，这当进行地震分析时是希望的。

当在振动器10处计算的地面力信号与在现场测量的远场信号交叉相关时，在技术中已经认识到，将加速度仪布置在基板上可引起地震波的到达时间的误差。在现有技术中为了减小由相对于来自活塞60的执行器力在基板20的振荡中的相位滞后引起的时移提出的一种理论手段建议，将加速度仪布置在基板上在板的总半径的近似68％的半径处。见A.Lebedev和I.Beresnev的“Radiation from flexuralvibrations of the baseplate and their effect on the accuracy oftraveltime measurements”，Geophysical Prospecting，2005，53，543-555。可是，也已经认识到，实际上可能难以找到为了改进时移而用于加速仪的基板的准确位置，从而较实用的解决方案会是修改基板20的谐振，从而这种谐振的有问题模式位于在地震勘测期间使用的扫描信号的上部频率上方。尽管这种手段可能是有效的，但本公开的主题指向，克服或至少减少以上叙述的一个或多个问题的影响。

发明内容

一种地震振动器具有基板，该基板具有顶部表面和底部表面。框架支撑基板，从而底部表面可联接到地面上，以传递用于地震勘测的振动能量。执行器使可运动地布置在基板上方的质量块运动，以将振动能量传递到基板。这个执行器可包括液压执行器，该液压执行器具有伺服阀组件，该伺服阀组件控制到活塞的液压流体，质量块定位在该活塞上。作为替代，执行器可包括电动机，如线性电机。使用例如液压执行器，附加到基板上的支柱穿过质量块延伸，并且将质量块支撑在基板上。第一横梁将活塞的一个端部支撑到支柱上，并且第二横梁将活塞的另一个端部支撑到支柱上。

基板的顶部表面具有由元件不妨碍的区域，这些元件将框架和支柱联接到基板上。具体地说，基板具有至少四个隔离器，这些隔离器将框架与基板隔离。这些隔离器的每一个布置在基板的角部位置处的架子上。这些架子布置成偏离基板的足迹，从而隔离器不妨碍基板的顶部表面。

诸如加速度仪之类的第一传感器直接布置在基板上，并且探测第一信号，这些第一信号指示传递到基板的加速度。类似地，第二传感器布置在质量块上，并且探测第二信号，这些第二信号指示质量块的加速度。来自第二传感器的第二信号往往是可靠的，并且由于质量块的大小、质量值、及尺寸，准确地反映质量块的加速度，第二传感器布置在该质量块上。

然而，当基板联接到地面上并且将振动传递到它时，它往往经历大量弯曲和挠曲。因为这个原因，基板优选地具有增大的刚度。例如，基板的刚度能是现有技术的可比较额定振动器的基板的刚度的近似2.5倍。可是，基板的质量块能近似地与在现有技术的可比较额定振动器上使用的基板的质量块相同。刚度和可比较质量块的增加，通过增加在基板中的纵向梁的高度并且给予它们减小的壁厚以减小重量而实现。

基板的增大的刚度减小它在操作期间经历的挠曲和弯曲量，由此使其加速度通过第一传感器的读数更可靠，该第一传感器直接布置在基板上。然而，为了进一步改进读数，第一传感器布置在基板的特定位置上，该位置在振动期间经历在纵向挠曲之间的过渡。这个过渡位置往往较好地代表基板在振动期间的实际加速度，并且避免过分增大和减小的加速度读数，这些过分增大和减小的加速度读数从在基板上的其它位置得到，这些位置在振动期间经历挠曲或弯曲。

控制器通信地联接到执行器和第一和第二传感器上。控制器至少部分地基于由第一传感器探测的第一信号，控制执行器的操作，该第一传感器直接布置在基板上。例如，控制器使用第一和第二信号的加速度值并且使用质量块和基板的质量值，计算加权求和地面力。因为来自基板传感器的加速度值更准确，所以控制器可避免过估计或欠估计在操作期间计算的地面力。这允许控制器更好地控制振动器，并且允许振动器按更好反映优选基准或导频信号的方式，将更多能量传递到地面中，该优选基准或导频信号构造成，操作用于地震勘测的振动器。

以上概述不打算概括本公开的每个潜在实施例或每个方面。

附图说明

图1A-1C用透视图、前视图、及俯视图表示根据现有技术的振动器。

图2示意地表明图1A-1C的现有技术振动器。

图3A-3C用平面图、侧视图、及端部剖视图表明用于现有技术振动器的基板。

图4A-4C用立体图、前视图、及俯视图表示根据本公开的一定讲授的振动器。

图5示意地表明图4A-4C的振动器。

图6A-6C用平面图、侧视图、及端部剖视图表明用于公开振动器的基板。

图7A-7C用展示视图表明用于公开振动器的基板。

图8图示地表明在操作期间由基板经历的弯曲。

图9是公开基板的平面图，表示用于附加到顶部表面上的加速度仪的优选位置。

图10是流程图，表明公开振动器的操作。

图11A是曲线图，表示用于对现有技术振动器计算的加权求和地面力的功率谱。

图11B是曲线图，表示从1000英尺井下深度测量的现有技术振动器的实际功率谱。

图12A是曲线图，表示用于对根据本公开的振动器计算的加权求和地面力的功率谱。

图12B是曲线图，表示从1000英尺井下深度测量的公开振动器的实际功率谱。

图13A表示幅度比(dB)相对于频率(Hz)的曲线图，用于与公开振动器相比较的现有技术振动器。

图13B表示相位(度)相对于频率(Hz)的曲线图，用于与公开振动器相比较的现有技术振动器。

图14是曲线图，表示与公开振动器相比较的现有技术振动器的第一频率响应。

具体实施方式

A.组装/一般操作

图4A-4C表示根据本公开的一定讲授的地震振动器100的透视图、前视图、及俯视图。公开的振动器100也示意地表示在图5中。振动器100具有基板110、框架130、及可运动反作用质量块170。质量块170和基板110可主要由金属建造，如由钢或铁建造。

振动器100使用基板110和反作用质量块170将力传送到地面。如典型的那样，振动器100安装在运载工具或车辆(未表示)上，该运载工具或车辆使用框架130将振动器100降低到地面。车辆可使用液压、机械、或机电机构将振动器100降低到地面。在降低振动器100的情况下，车辆的重量保持与地面相接合的基板110，所以在操作期间，可将地震源信号传送到地球中。振动器100借助于车辆或其它运载工具如何联接到地球上的其它细节在技术中是熟知的，并且这里不再详细地说明。

运动反作用质量块170作用在基板110上，以将地震源信号传递到地球中。地震信号穿过地球传播，在间断点和结构层处反射，及向地球表面传播。联接到地球上的传感器按与振动器100间隔开的阵列布置。这些传感器探测反射的源信号，并且典型地容纳在卡车中的记录站记录来自传感器的信号。记录站包括地震记录器，并且也可包括相关处理器。这样一种相关处理器从振动器100接收信号-该信号指示传递到地球中的实际源信号，并且使接收的信号与记录的信号相关。

如图4A-4C所示，反作用质量块170直接定位在基板110上方。支架140从基板110穿过质量块170延伸，并且使反作用质量块170稳定。支架140典型地使用支柱142建造，这些支柱142能是管状管或杆，这些管或杆由钢等制成。这些支柱142具有附加到基板110上的端部，并且从基板110和穿过反作用质量块170向上延伸。上部横梁145U联接到支柱142的顶部端部上，上部横梁145U可以由钢或铁I形梁建造，并且当质量块170振动时将稳定性提供给支架140。类似地，下部横梁145L也联接到在质量块170下面的支柱142上。隔离器144提供在反作用质量块170下面的基板110上。

如图5最清楚表示的那样，反作用质量块170具有在其内部形成的缸160，该缸160配合到竖直延伸活塞150上。活塞150在其下部端部处连接到在下部横梁145L中的毂盘上，并且穿过缸160向上延伸。活塞的上部端部连接到在上部横梁145U中的毂盘上。在活塞150上的头部156将缸160划分成上部和下部腔室162/164。

在操作期间，控制器200从联接到基板110上的第一传感器210和联接到反作用质量块170上的第二传感器220接收信号。另外的传感器(未表示)可以联接到运载车辆(未表示)上，并且联接到地面上。本地传感器210/220可包括但不限于，单轴或多轴加速度仪、地震检波器、微型机电系统(MEMS)传感器、具有适当A/D转换的模拟加速度仪、或其它适当传感器。基于来自这些传感器210/220的反馈和用来操作振动器100的希望扫描信号，控制器200产生驱动信号，以控制伺服阀组件180。驱动信号具有希望扫描信号的特性，并且从控制器200传送到阀的伺服马达。阀的马达又操作在伺服阀组件180中的导阀，该导阀联接到在组件180中的主级阀上，该主级阀加压和泄压液压通路182/184。

在由控制器200驱动时，阀180经在质量块170中的端口182/184，在液压流体供应源230到活塞150之间交替地路由高压液压流体。随着液压流体在活塞头部156紧上方和下面布置的腔室162/164中交替地积累，反作用质量块170在活塞150上在竖直方向上往复地振动。由振动质量块170产生的力又经活塞150和支架140转移到基板110。因此，基板110按希望的振幅和频率振动，以产生进入地面的地震源信号。

为了减少一旦反作用质量块170和基板110设置在运动中时的声学噪声，控制器200可使用来自在基板110上的传感器210和在反作用质量块170上的传感器220的反馈，控制振动的力和相位。基于传感器信号，控制器200然后可使用力和相位控制算法，估计基板110和质量块170的相应运动。基于振动器100的运动和希望输出，控制器200然后可修改传送到伺服阀组件180的控制信号，以调节抵抗反作用质量块170的液压流体的流量，并由此控制产生的地震信号的相位和频率。

从基板110获得最佳的运动信号可改进振动器100的控制、和进入地面的地震能量的输出。因为这个原因和如下面讨论的那样，基板110优选地是刚性的，并且具有增大的质量。另外，传感器210优选地直接在理想位置中附加到基板100上，以实现这样一种信号。

B.隔离/基板结构

如以上提到的那样，运载车辆将其静重经框架130施加到基板110上，以抵靠地面保持基板110。可是，框架130和车辆对施加到地面上的生成地震力的影响，优选地通过使用隔离器120将基板110的运动与框架130隔离而保持到最小。

如图4A-4C和5所示，框架130具有竖直支撑杆134和水平杆132，该水平杆132连接到这些竖直杆134的顶部上。在它们的远侧端部处，竖直杆134连接到底脚136上。这些底脚136使用隔离器120、可枢转活塞137、及张紧部件139的布置而连接到基板110上。这些元件(120、137、及139)的布置基本上将框架130与基板110和支撑在其上的可运动质量块170相隔离。另外，布置允许质量块170的振动力经基板110施加到地面上，同时使允许通过框架130传送到支撑车辆上的力的量最小。

每根竖直杆134联接到底脚136之一上。四个活塞137的一个端部可枢转地连接在这些底脚136的每个内部角部处，而活塞137的另一个端部可枢转地连接到基板110上。张紧部件139将底脚136的外边缘连接到基板110的外边缘上，并且当将振动器100升离地面时，将板110支撑到底脚136上。

至于它们，隔离器120能是空气气囊或在技术中已知和使用的其它隔离元件。隔离器120位于基板110的主足迹外侧。具体地说，底脚136的外侧角部超越基板的足迹延伸。类似地，在基板110上的架子118从其边缘延伸以支撑隔离器120，这些隔离器120布置在这些架子118与底脚136的延伸的角部之间。在框架130与基板110之间的架子118和其它特征的使用，在板的表面上创建特别有用量的空闲空间。

图6A-6C表示基板110的平面图、侧视图、及端部视图。如图6B-6C所示，基板110具有顶部表面112a和底部表面112b。如图6A所示，支柱固定件113暴露在顶部表面112a中，并且由加强垫111包围。在这些垫111中的隔离器固定件115保持隔离器(144)，这些隔离器(144)配合在反作用质量块(170)下面。顶部表面112a的角部从板110的侧面延伸出，并且具有用于隔离器(120)的保持凸缘。顶部表面的延伸角部由架子118支撑，这些架子118从基板110的侧壁延伸。基板110的较短边缘具有叉形梁托119，张紧部件(139)的端部连接到这些叉形梁托119上；并且绕板110的外边缘提供用于活塞(137)的连接的加强垫117。

在隔离器(120)定位在离开基板110的主足迹的架子118上的情况下，板110的顶部表面112a在加强垫111、支柱固定件113、及隔离器固定件115的任一侧面上具有空闲面积的巨大扩展。这些扩展保持暴露，并且不由用于振动器100的互连或隔离元件妨碍。事实上，板的顶部表面112a的免于支撑元件的联接并且免于质量块的足迹的区域，可限定板在其底部表面112b上的足迹的面积的约1/2至2/3的面积。

如下面详细说明的那样，在振动质量块(170)的两侧上的这样一种自由扩展，容许本地传感器，如加速度仪，具体地位于基板110上在便利位置处，以在操作期间获得板的运动，这种运动在计算加权求和地面力时使用。

总的来说，基板110可具有约10.87英寸的高度H₂、约42英寸的宽度W₂、及约96英寸的长度L₂。另外，基板110在一种实施中可重达近似4345磅。因而，基板110可具有是常规现有技术基板的重量近似1.08倍的重量，从而基板110的重量，相对于用于在现有技术中使用的可比较额定振动器的基板的重量相差不大。然而，基板110可具有比常规现有技术基板的高度大近似4英寸(或为其1-2/3倍)的高度，从而它具有大得多的刚度。

如实施的那样，基板110呈现比在本公开的背景技术段中提到的现有技术基板显著大的刚度。如在图7A-7B的展示视图所示，板110具有四根内部管或梁114，并且具有互连垫片116，这些内部管或梁114沿板的长度纵向延伸，这些互连垫片116定位在管114之间和在基板110的长帽盖壁之间。角板118′或隔离器架子118从板的长侧壁延伸，并且支柱固定件113定位在梁对114之间。如在图7C的端部截面中最清楚表示的那样，梁114是具有矩形横截面的空心管。为了提供优于现有技术基板的增大刚度，在公开基板114中的梁114具有较大高度，使梁114的高度是约10英寸。换句话说，每根梁114的高度(约10英寸)，比梁114在振动期间沿其可能弯曲的长度(约92英寸)的10％大(并且更具体地为其近似11％)。

梁114也具有约4英寸的宽度。为了保持重量，这些梁114的壁厚优选地是约5/16英寸，从而基板110将具有与在现有技术中的可比较额定振动器上使用的基板重量近似相同的重量。

C.在基板上本地传感器的位置

为了当处理地震源信号时的最好结果，操作人员优选地知道振动器100已经将什么力施加到地面上以产生地震源信号，从而相关过程可使产生的地面力与由地震检波接收器在现场接收的数据相关。在实际中，振动器100在操作期间施加到地面上的真实地面力，不可能精确地知道，并且代之以必须至少部分地基于基板110和反作用质量块170的质量和加速度计算地面力。使计算的地面力与接收的地震信号相关，使用这里未描述的已知卷积技术。

本公开的振动器100具有几个特征，这些特征帮助更准确地计算它在操作期间将什么力施加到地面上。如以前提到的那样，基板110优选地具有增大的厚度，该增大的厚度增大板的刚度。在一种实施中，基板110具有近似10英寸的厚度。这个厚度产生近似是用于现有技术的可比较振动器的常规刚度2.5倍的刚度，这些可比较振动器典地具有约6英寸的基板厚度。板增大的刚度减小基板110的潜在挠曲，该潜在挠曲在操作期间可能产生通过基板加速度仪210的不希望读数。如已知的那样，基板110可能在所有种类的地面上操作，并且基板110可能经历所有种类的未知挠曲。刚度减小潜在挠曲，使刚性基板110的挠曲更加可特征化。

板增大的厚度同样将板的质量增大到某种程度。按照同样方式，用于反作用质量块170的质量值也增大，从而其质量是基板110的质量的约3倍，由此将振动器质量块170与基板110的质量比从在现有技术振动器上当前使用的常规2倍增大。更准确地说，反作用质量块与基板的常规质量比是约2.02。在本振动器100的一种实施中，在基板110和反作用质量块170之间的优选质量比增大到2.8(即，约3倍)。

最后，如以上提到的那样，为将基板110与框架130隔离使用的隔离器120离开基板110的足迹布置，使在基板110上的另外表面面积空闲，以便布置加速度仪210并且减小来自隔离元件的干扰。

将加速度仪210直接布置在基板110上，是为了获得用来计算地面力的更准确或“真实”读数，并且是为了更好地控制振动器100的操作。在具有基板运动的更精确加速度仪读数时，例如，控制器200可将较高频率能量投入到地面中，为了地震成像而给予地震信号进入地面的较大带宽。换句话说，因为控制器200使用标准加权求和算法控制质量块170的振动，所以知道基板110的更精确运动允许控制器200实现更高能量效率。

加速度仪210在基板110上的优选或理想位置使用有限元分析而确定。在这种分析中，确定在加强基板110上的“甜点(sweet point)”或优选位置，在该处，基板110在振动器100的操作期间会经历较小不希望挠曲和噪声。用于加速度仪210的最佳位置将典型地位于隔离器按常规布置在现有技术振动器上的地方。因此，将隔离器120从常规位置运动到离开板的足迹的角部位置，如在公开的振动器100中那样，使基板表面的更大面积便于最佳地布置加速度仪210进入。

图8图示地表明在操作期间由加强基板110经历的弯曲运动。基板110沿板的纵向轴两维地表示。因为板110是三维的，并且抵靠诸如地面之类的表面振动，所以实际弯曲运动比表明的复杂，如本领域的技术人员将认识到的那样。有限元分析可用来模型化基板110的弯曲运动。然而，在加强时，由于更加可预测的运动，对于有限元分析可更好地模型化基板110。为了全部实际目的，这里仅涉及纵向弯曲，并且可忽略横向弯曲和扭曲。

在向上振动期间，当整个板110向上平移时，基板110的中心区域A向上弯曲或挠曲，而边缘区域B也在振动中向上平移的同时向下弯曲或挠曲。作为结果，中心区域A将经历超过由基板的平移产生的加速度的增大的加速度，而边缘区域B将经历较小加速度。在向下振动中，当整个板110向下平移时，中心区域A′向下弯曲或挠曲，并且经历增大的加速度。边缘区域B′也在振动中向下平移的同时向上弯曲或挠曲，并且经历较小加速度。

然而，在板110上的区域C-C′，将经受增大和减小的加速度的较小者，因为这些区域C-C′将代表在板110上在振动期间弯曲或挠曲过渡之处。因此，区域C-C′将最好地反映基板当向下和向下平移时的加速度，因为这些区域C-C′避免由弯曲引起的加速度变化的至少一些。

为了定位在基板110上的优选位置，对于刚性基板110的模型进行有限元分析，以形成用于加速度仪210的选择位置。然后，通过将加速度仪210定位在基板的顶部表面112a上的选中位置处，进行实际测试。然后使板110振动，并且借助于用来直接测量实际力的测力传感器(1oad cell)或其它传感器，测量地面力。来自定位的加速度仪210的读数用来计算加权求和地面力，然后使该加权求和地面力与由测力传感器测量的实际力相关。这对于在基板110上用于加速度仪的其它位置重复。最后，测试检验在基板110上用来布置加速度仪210的理想或优选点，该理想或优选点实现基板的加速度的最准确或“真实”测量，该加速度与在实验期间测量的实际地面力最佳地相关。

在图9的平面图中，表明本公开的在基板110上用于加速度仪210的理想或优选位置212。同样，这个基板110具有10.87″(H)×42″(W)×96″(L)的尺寸和4345磅的重量。从基板110的中心测量，优选加速度仪位置212是沿基板110的长度或纵向轴离中心C近似20英寸(±0.5英寸)的纵向距离X。另外，优选加速度仪位置212是沿基板110的宽度或横向轴离中心近似0英寸(±0.5英寸)的横向距离Y。因而，尽管距离Y实际上可能是沿基板110的宽度的任何值，只要沿板的横向轴的弯曲或扭曲是可忽略的，优选加速度仪位置212就沿板的纵向轴布置。在任何情况下，沿板的纵向轴的纵向距离X，是板从其中心到横向边缘的纵向距离(即，48″，它是板的总长度96″的一半)的近似41至43％。换句话说，位置212的纵向距离X是基板110的整个长度的约20至21％。

当然，在基板110的中心的另一侧的镜对称位置也是优选的。因而，一个或多个加速度仪可以定位在基板110上在这些识别位置212的一个或两个中。用来在这个位置处附加到基板110上的优选加速度仪是来自Pelton Land Energy System的M5TC型加速度仪。这种加速度仪具有4.00″(w)×4.25″(l)×2.25″(h)的尺寸，并且联接到在板的顶部表面112a中的预钻削孔中。

D.使用本地传感器的操作

给定振动器100、基板110、及其它元件的以上描述，讨论现在转到公开振动器100的操作。图10是流程图，表明图4A-4C和图5的公开振动器100的操作300。在操作300期间，通过使用在卡车上的升降机构借助于框架130将源100降低，而将地震源100联接到地球上，从而基板110接合地面(块302)。

在基板110适当定位的情况下，操作人员然后启动地震操作(块304)。这里，控制器200将构造用于伺服阀组件180的具有希望带宽和扫描持续时间的控制信号，并且控制液压流体到活塞160的供给，以产生质量块170施加到基板110和地面上的希望振动。地震振动器源信号典型地是具有正弦振动的扫描信号，该正弦振动的范围从2Hz至100Hz或200Hz，并且依据地形、地下岩性等等，具有在2至20秒的量级上的持续时间。

在操作期间，振动源100产生地震源能量，该地震源能量传送到地面，由地下界面反射，及由在地面处的地震检波接收器探测。同时，控制器200从本地基板传感器210和质量块传感器220获得读数(块306)。另外，控制器200可从另外的传感器，如压力传感器等等，获得读数。

质量块170的读数一般是准确的，因为它由于其大小、质量、及尺寸，不经历挠曲等。如以前提到的那样，用于基板110的本地传感器210能是加速度仪等，该加速度仪等已经具体地布置在基板110上，以当质量块170振动并且将振动转移到基板110上时，获得板110的有利加速度读数。如以前讨论的那样，来自在优选位置212中的本地传感器210的这些读数，比从其它位置获得的读数更准确，因为优选位置不由用于基板110的其它元件(即，隔离器、张紧部件等等)妨碍。此外，来自在优选位置中的本地传感器210的这些读数更准确，因为优选位置在振动期间经历在沿基板的长度的纵向挠曲之间的过渡，并因此更好地反映基板110的实际运动，而没有来自基板110的挠曲和弯曲的添加运动。

控制器200处理从传感器210和220获得的读数(块308)，并且基于这些读数配置用于振动器100的操作参数(块310)。在控制振动器100时，控制器200可以使用特定类型的锁相(phase lock)，该锁相将控制器的控制信号的相位锁定到基板110、反作用质量块170、地面力等的相位上。

例如，控制器200使用基准或导频信号按优选方式操作振动器100，该优选方式具有特定持续时间、扫描频率、地面力等。基于该导频信号，控制器200将驱动信号配置成，通过控制液压执行器操作振动器100。将振动器100锁相到地面力上使用来自传感器220的指示反作用质量块170的加速度的信号、和来自传感器210的指示基板110的加速度的信号。使用这些信号，控制器200计算由振动器100施加到地面上的加权求和地面力。这个加权求和地面力使用在现有技术中的标准公式而计算，该标准公式将基板110的冲力(基板110的质量值乘以其加速度)与反作用质量块170的冲力(反作用质量块170的质量值乘以其加速度)求和。

一旦配置，控制器200然后就用新配置的参数控制振动器100(块312)。然后，使用地面力锁相，控制器200使计算的地面力的相位与导频信号的相位相关，以调整供给到振动器100的驱动信号。这种相关除去或减小在地面力与先导信号之间的不一致，从而它们彼此同相或同步。这按这里讨论的各种方式改进振动器100的操作、传递的地面力、及生成地震数据。

E.曲线

如以前讨论的那样，确定振动器的加权求和地面力是否真正代表振动器的实际地面力在可控震源(vibroseis)技术中仍然是顽固的问题。释放在基板110上的可用空间并且特别是将加速度仪210布置在这种空闲空间中的优选位置212处，改进公开振动器100的操作、和它实现的结果，如以前提到的那样。下面是这些结果的讨论。

为了比较，在图11A中的曲线图400表示用于对现有技术振动器计算的加权求和地面力的功率谱，而在图12A中的曲线图420表示用于对根据本公开的振动器100计算的加权求和地面力的功率谱。这个曲线图420基于公开的振动器100，该振动器100具有基板110、优选加速度仪位置、及这里公开的其它特征。

当比较在曲线图400/420中用于加权求和地面力的功率谱时，似乎现有技术振动器(图11A)在高频下比公开振动器(图12A)运行得好。然而，当检查在1000英尺深处的井下信号时，清楚的是，用于公开振动器100的信号更密切地相像实际上正在输入到地面中的信号。具体地说，用于现有技术振动器的实际功率谱410表示在图11B中，该实际功率谱410从1000英尺井下深度所测量。相反，图12B表示用于公开振动器的实际功率谱430的曲线图，该实际功率谱430从1000英尺井下深度所测量。如在这两个曲线图中看到的那样，公开振动器的谱430，如井下测量的那样，具有比现有技术振动器的谱410高的功率级。

在操作期间，现有技术振动器显然在如下观念下操作：它正在进行输入平功率谱的足够工作，一路到高达201Hz，如图11A所示。相反，公开振动器100显然认识到，为了将在约150Hz以上的频率高效地输入到地面中已经达到振动器实际能力的极限，如由在图12A的曲线图420中的功率谱有些下降所证实的那样。然而，当比较功率谱410/430时，这强烈地指示，公开振动器的加权求和与实际输入到地面中的信号，当比较谱时，比由现有技术振动器实现的更一致。

在公开振动器的加权求和地面力与实际地面力的更好一致最清楚地表明在图13A-13B中。如在图13A的曲线图500中所示，第一曲线510表示对于现有技术振动器相对于频率(Hz)的幅度比(dB)，并且第二曲线520表示对于公开振动器100相对于频率(Hz)的幅度比(dB)。这些幅度比将对于振动器计算的加权求和地面力与在试验操作期间由测力传感器测量的实际力相比较。这两条曲线510/520的比较指示，公开振动器在频率范围上产生更稳定的数值比，表示贯穿频率范围，在操作期间计算的公开振动器的加权求和地面力与由测力传感器测量的实际地面力密切地相匹配。然而，现有技术振动器显然在较高频率下经历其计算的加权求和地面力和实际地面力的增大不一致性。

对于公开振动器的相位比同样如此。如在图13B的曲线图550中所示，第一曲线560表示对于现有技术振动器相对于频率(Hz)的相位比(度)，并且第二曲线520表示对于公开振动器相对于频率(Hz)的相位比(度)。这两条曲线560/570的比较指示，在操作期间公开振动器的相位，比由现有技术振动器经历的相位，在频率范围上与实际测量的相位更密切地相匹配。同样，这确认，使用公开振动器100可供给在加权求和地面力与实际地面力之间的较好一致。

如以上讨论的那样，具有增大刚度的基板110、在基板110上的加速度仪210的优选位置212、及这里公开的其它特征，帮助公开振动器100产生优于现有技术振动器的用于地震成像的更大地面力和更大带宽。加强的基板110和其它特征帮助实现这种改进的操作。可是，即使独立地，加速度仪210在基板110上的适当放置也可改进操作。

在图14中，例如，曲线图600表示用于公开振动器100的第一功率谱610，该公开振动器100具有基板110和这里公开的其它特征，但如在现有技术中进行的那样，具有布置在上部横梁(145U；图1A-1C)上的加速度仪。这个第一功率谱610表示成，与用于公开振动器100的第二功率谱650相比较，该公开振动器100根据本公开具有在基板110上布置在优选位置212中的加速度仪210。用于两种谱610/650的两个振动器使用扫描信号从1至201Hz在20秒上操作。

第一功率谱610表示功率(dB)随增大的频率的持续下降。相反，第二功率谱650表示在中等和较高频率下的较持续响应。例如，第二功率谱650在652处显示在50Hz下的3dB，并且与第一功率谱610相比，随增大的频率较慢地下降。另外，第二功率谱650在654处显示在150Hz下的14dB，这显著地比在这个频率下的第一功率谱610大。这指示，将加速度仪210布置在基板110上的优选位置212处改进公开振动器的功率谱，优于如常规进行的那样将加速度仪定位在上部横梁上。

尽管相对于液压起动反作用质量块已经描述了公开振动器100，但本领域的技术人员将认识到，本公开的讲授可应用于用来使反作用质量块往复运动的其它类型执行器。因此，一般地，公开振动器100可使用线性感应电机、线性同步电机、受控液压执行器、或在技术中使用的任何其它执行器，使反作用质量块往复运动。除竖直地振动之外，公开振动器100也可产生地震剪力波(“S-波”)。本公开为了简便起见而不限制本公开的范围，一直集中在单轴地震源上。本领域的技术人员将认识到，能够将P和S波都传递到地球中的多轴振动源可根据本公开配置。例如，与将公开振动器10联接到地球上相关的细节、和与用于公开振动器100的其它执行器相关的细节，可在美国专利公开No.2007/0250269、No.2007/0240930、及No.2009/0073807中找到，这些专利公报通过参考包括在这里。

优选和其它实施例的以上描述，不打算限制或局限由本申请人想到的发明概念的范围或适用性。作为公开这里包含的发明概念的交换，本申请人要求由附属权利要求书给予的全部专利权。因此，打算的是，附属权利要求书包括全部修改和变更，到这样的充分程度：它们来到如下权利要求书或其等效物的范围内。

Claims (23)

1.一种地震振动器，包括：

基板，具有纵向轴；

质量块，相对于基板可运动地布置，用来将振动能量传递到基板；

执行器，联接到质量块，用来使质量块相对于基板运动；

第一传感器，布置在基板上，并且探测指示传递到基板的加速度的第一信号，第一传感器布置在基板上在基板的振动期间经历在沿纵向轴的挠曲之间的过渡的位置处；及

控制器，通信地联接到执行器和第一传感器，控制器至少部分地基于来自第一传感器的第一信号控制振动器。

2.根据权利要求1所述的振动器，其中，第一传感器从包括如下的组中选择：单轴加速度仪、多轴加速度仪、地震检波器、微型机电系统(MEMS)传感器、数字加速度仪及具有模数转换器的模拟加速度仪。

3.根据权利要求1所述的振动器，还包括第二传感器，所述第二传感器布置在质量块上，并且探测指示质量块的加速度的第二信号。

4.根据权利要求3所述的振动器，其中，控制器通信地联接到第二传感器，并且基于来自第一和第二信号的加速度值和基于用于质量块和基板的质量值，计算加权求和地面力。

5.根据权利要求1所述的振动器，其中，执行器包括：

伺服阀，由控制器控制，和

活塞，布置在质量块内，并且液压地联接到伺服阀。

6.根据权利要求5所述的振动器，其中，活塞联接到布置在基板上的支架，支架支撑活塞和在基板上方的质量块。

7.根据权利要求6所述的振动器，其中，支架包括：

多个支柱，附加到基板，并且穿过质量块延伸；

第一横梁，将活塞的一个端部支撑到支柱；及

第二横梁，将活塞的另一个端部支撑到支柱。

8.根据权利要求1所述的振动器，其中，基板包括多个梁，所述多个梁沿纵向轴彼此平行地布置，梁的每一个具有至少等于或大于纵向长度的10％的高度，在基板的振动期间梁沿所述纵向长度弯曲。

9.根据权利要求1所述的振动器，还包括框架，并且具有至少四个隔离器，所述框架相对于地面支撑基板，所述隔离器将框架与基板隔离。

10.根据权利要求9所述的振动器，其中，至少四个隔离器的每一个布置在基板的角部位置处，并且布置成偏离基板的足迹。

11.根据权利要求10所述的振动器，其中，基板包括支撑隔离器的多个架子，架子布置在角部位置处并且偏离足迹。

12.根据权利要求9所述的振动器，其中，框架包括第一和第二底脚，所述第一和第二底脚每一个布置在质量块的一侧上并且每个由隔离器的至少两个与基板相隔离。

13.根据权利要求9所述的振动器，其中，框架包括多个张紧部件，所述张紧部件布置在基板的外侧横向边缘与第一和第二底脚的外侧边缘之间。

14.根据权利要求9所述的振动器，其中，框架包括多个减震器，所述减震器联接在基板的顶部表面与第一和第二底脚的底部表面之间，减震器沿基板的边缘布置。

15.根据权利要求1所述的振动器，其中，基板具有底部表面，所述底部表面限定具有第一面积的第一足迹，并且其中，基板具有顶部表面，所述顶部表面具有免于联接到支撑元件并且免于质量块的第二足迹的区域，所述区域限定第二面积，所述第二面积是第一面积的从约1/2至2/3。

16.根据权利要求1所述的振动器，其中，基板具有纵向长度，并且其中，第一传感器布置在离纵向长度的中心的纵向距离处，纵向距离是基板的纵向长度的一半的约41至43％。

17.根据权利要求16所述的振动器，其中，基板包括多个梁，所述多个梁沿纵向轴彼此平行地布置，梁的每一个具有至少等于或大于基板的纵向长度的10％的高度。

18.根据权利要求16所述的振动器，其中，第一传感器布置在通过基板的中心的纵向轴上。

19.根据权利要求1所述的振动器，其中，用于质量块的第一质量值是用于基板的第二质量值的近似三倍。

20.一种地震振动器，包括：

基板，具有顶部表面和底部表面，并且具有纵向轴，底部表面可联接到地面；

框架，相对于地面支撑基板，并且具有至少四个隔离器，所述隔离器将框架与基板隔离，至少四个隔离器的每一个布置在基板的角部位置处并且布置成偏离基板的底部表面的第一足迹；

质量块，可运动地布置在基板上方，并且将振动能量传递到基板；

执行器，联接到质量块，并且使质量块相对于基板运动；

第一传感器，布置在基板上，并且探测指示传递到基板的加速度的第一信号，第一传感器布置在基板的在基板的振动期间经历在沿纵向轴的挠曲之间的过渡的位置处；及

控制器，通信地联接到执行器和第一传感器，控制器至少部分地基于来自第一传感器的第一信号控制振动器的操作。

21.一种地震源信号产生方法，包括：

通过起动执行器，将反作用质量块相对于基板运动；

通过将振动能量从质量块传递到基板，将地震能量从基板传递到地面；

从布置在基板上的第一传感器获得第一加速度读数，第一传感器布置在基板的在基板的振动期间经历在沿基板的纵向轴的挠曲之间的过渡的位置处；及

至少部分地基于第一加速度读数，控制执行器。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

从布置在反作用质量块上的第二传感器获得第二加速度读数；和

基于第一和第二加速度读数，控制执行器。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，控制执行器包括，基于第一和第二加速度读数并基于用于反作用质量块和基板的质量值而计算加权求和地面力。

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