CN102830424A - 一种检波器组合参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检波器组合参数计算方法。可根据表层调查的速度、试验接收子波的主频率、观测系统排列的长度、最浅目的层的深度等信息快速计算出最优的检波器组合方式。实现该方法首先需要建立各个组合参数与输出响应间的函数关系，该输出响应会因信号输入角度不同而不同，因此可以将有效信号区间的归一化响应累加值与噪音区间的响应累加值相除，作为目标函数，求取组合参数。具体包含三部分：1.建立子波主频、表层速度、入射角度、组合个数、检波器空间坐标、检波器加权系数与组合输出响应间的函数关系；2.建立优化目标函数；3.求取最优组合参数。本发明克服了当前检波器组合参数设计上的某些不足，寻找到了一种快速的组合参数定量化计算方法，同时具有良好地可操作性，可以为野外施工提供方案指导。

Description

一种检波器组合参数计算方法

技术领域

本发明涉及石油勘探领域，具体涉及一种检波器组合参数计算方法。

背景技术

地震勘探中，通常利用检波器组合的办法来接收地震信号。它是利用干扰波与有效波在传播方向上的差异来压制干扰波的一种有效方法，主要用于压制面波之类低视速度规则干扰及无规则的随机干扰，尤其在地震记录品质差，干扰严重的工区，为使微弱的有效信号不至于被强大的噪音淹没，更有必要采用检波器组合来接收。

组合的实质是波场的叠加，波场叠加的关键是准确得到各方向传入子波的时差，时差越小波形叠加损失越小，反之则波场值正负抵消，可以达到压制的目的。在均一速度的介质中，平面波到达各检波器的时差取决于其入射的方向，垂直接收平面入射时差为零，平行接收平面入射时差最大。

研究表明地震勘探的噪音主要来源于近地表，有效波在近炮点道垂直入射到检波器，而随着目的层变浅以及炮检距的增加，其入射方向与地表法线的夹角会增大，可以这样认为：在地下半空间，反射信号其主要能量是以“束状”形式入射到检波点，其三维的形态为圆锥体，二维截切面为三角形，顶点在检波点，噪音主要分布在“挖”掉圆锥有效信号后剩余的部分。噪音和有效信号其天然的入射方向差异性为我们设计检波器组合参数提供了便利。

组合具有方向特性、频率特性和统计特性，现有的学术文章和设计方案往往采用平面简谐波来讨论问题，将三维的空间组合问题简化为二维线性组合，再将不同方向入射的子波通过视速度转化为一维入射问题，通过通放带和压制带的带宽位置来评价某种组合参数的好坏，进而筛选出“最好”的组合参数，这种讨论方式存在着不足之处：

1、简谐波频率成分单一，不能完全表征地震子波；

2、用视速度等价入射方向，组合的方向和频率特性不具有空间指示性，不直观；

3、组合特性公式的推导建立在线性等组内距的基础上(这样保证相邻检波器间有相同的时差)，不适用于线性不等间距、圆形、十字形等非规则平面形态组合以及各种三维的体阵组合参数讨论；

4、对于组合优劣没有一个定量化的评价标准。

本专利的目的即为了克服以上现有技术的不足，寻找到一种快速的组合参数定量化计算方法，同时具有良好地可操作性，可以为野外施工提供方案指导。

发明内容

本发明提出了一种检波器组合参数设计方法，用来根据表层及目的层信息设计合理的检波组合参数，多压制噪音能量，少损失有效信号，从而提高地震记录的信噪比，为后期的处理解释工作提供信噪比更高的原始资料。该发明推导了雷克子波入射条件下组合特性的表达式，因直接计算各组元点到目标观测位置的时差，避开了组元必须等间隔排列的约束条件，然后通过最大化三维空间内有效波入射能量与理论噪音能量的比值来确定最优组合参数，填补了定量化检波器组合参数设计技术的空白，同时也为野外施工提供了可靠的依据。

实现本发明包含三大步骤，其一为雷克子波入射情况下组合输出响应的推导（组合参数的函数关系的建立）；其二为组合参数优化的目标函数建立；其三为组合参数优化计算的程序实现。

参照附图3，各检波器在观测位置的叠加子波的表达式如下：

    (1)

对其做傅里叶变换，得到频域表达式：

         (2)

利用欧拉定理展开指数项，并且只考虑振幅，组合特性可以表达为：

    (3)

其中F(f) 为雷克子波频率域表达式，

                          (4)

式(4)中，f ₀为雷克子波主频，式(3)中，N为组合个数，c _i 为各检波器的加权系数（灵敏度），△t _i 为各检波器到目的观测平面的时间，可以表达为：

     (5)

其中d _i 为各检波器到目标观测平面的距离，v为检波器表层速度，r为组合中心到观测平面的距离，px _i ，py _i ，pz _i 为过组合中心的观测平面法线在XYZ三个坐标轴上的投影长度，表达为：

                        (6)

其中θ为子波入射倾角，取值范围-90°~ 90°，β为子波入射水平角度，取值范围0°~ 360°。

因此，雷克子波入射条件下，组合输出响应Φ是子波主频f ₀、介质速度v、检波器组合个数N、检波器加权系数c _i 、检波器空间位置坐标(x _i , y _i , z _i )的函数。

在已知组合响应之后，本发明以目的层有效入射角为参考划分有效波和噪音的范围，统计二者在三维空间组合后的能量比值，以比值最大化来确定组合参数以及评价组合优劣，达到最大化记录信噪比的目的，入射角范围由排列长度和最浅目的层深度估算，如式(7)所示，能量比计算函数为式(8)：

                      (7)

  (8)

附图说明

图1为本发明的程序计算流程框图。

图2为入射有效信号和噪音来源方向示意图。

图3为平面波组合叠加示意图，表明子波以某角度入射时，各检波器叠加时差的计算关系。

图4为9个检波器圆形组合情况下的空间输出响应。

图5为图4所示响应的沿XOZ平面2D切片，其中两条入射射线所夹的角度就是有效入射角。输出响应因子值的大小就代表了该方向上传播的波经合成后能量的大小。

图6为图4的参数情况下同一子波按不同角度入射得到的叠加波形图，第一道为原始输入雷克子波，之后为0°~90°每隔10°的输出波形，可见随着入射方向趋向水平，压制程度增大。

图7为表层布设高速噪音源的三维地质模型剖面图，用以检验本发明的计算结果正确性，图中圆圈为预设的高速噪音源。

图8为图7所示模型的平面俯视图。

图9为9个检波器线性布设条件下不同组内距的合成记录，为图7模型波动方程正演结果按对应间距抽道叠加结果，可见6m组内距信噪比最高，在模型参数条件下，本发明计算6.5m为最佳，可见结论一致。

具体实施方式

本发明建立在如下的假设基础上：

①平面雷克子波入射；

②组合基距尺寸范围内地表速度均一；

③地下介质横向非均质性不强。

本发明具体实现检波器组合参数设计的具体方式如下：

①调查野外检波接收子波的主频率f ₀（以单道接收或自激自收附近道为最佳）；

②获取表层速度信息v；

③获取排列长度L与最浅目的层深度H信息，以确定有效入射角度α；

④确定检波器个数N，可由用户指定一个数目上限，由计算机程序自动在1~ N之间循环；

⑤确定N个检波器的三维空间坐标(x _i , y _i , z _i )，将检波器附近区域做三维等网格划分，检波器置于网格节点上，划分的间隔取决于最小检波器组内距，划分的网格数目由检波器数目和组合基距共同决定；

⑥确定N个检波器的加权系数c _i ，加权系数在0 ~ 1之间的离散数据中取值，离散间隔由用户指定；

⑦对④~ ⑥确定的一组参数运用公式(5)计算其分区能量比，然后改变参数，重新计算能量比，选取二者中较大的值对应的组合参数作为临时结果，依次循环迭代完④~ ⑥的所有取值，最终的组合参数为最优结果。

说明：

本发明实现步骤为无约束下的组合参数计算方法，因目标函数的求解是多元函数求极值的问题，为得到全局最优解，需要遍历循环所有的多元参数取值情况，若用户指定了某些参数(给定了约束条件)，求解过程将变得更加快捷。例如：用户指定12个检波器做等弧长圆形排列，等权等深度布设，只是求取最佳的圆环半径，则步骤④与⑥可以省略，步骤⑤将检波器平面做极坐标网格划分即可，依次布设12个检波器于不同的极半径上，然后进行步骤⑦的计算，可得最终结果。

Claims (7)

1.一种检波器组合参数计算方法，依次包括以下步骤：

①建立各种检波器组合参数与组合输出响应间的函数关系；

②建立参数优化的目标函数；

③对组合参数进行优化计算的程序实现。

2.如权利要求1所述的检波器组合参数计算方法，其特征在于，步骤①所述的建立各种检波器组合参数与组合输出响应间的函数关系，其组合参数包括：1)检波器组合个数N；2)检波器三维空间坐标(x _i ,y _i, z _i )；3)检波器加权系数C _i 。

3.如权利要求1所述的检波器组合参数计算方法，其特征在于，步骤①所述的各种检波器组合参数与组合输出响应间的函数关系，其中非组合参数包括：1)雷克子波的主频率f ₀；2)接收表层速度v；3)子波入射角度θ, β。

4.如权利要求1所述的检波器组合参数计算方法，其特征在于，步骤①所述的各种检波器组合参数与组合输出响应间的函数关系，表达为：

其中，F(f) 为雷克子波频率域表达式，f ₀为其主频

N为检波器组合个数，C _i 为检波器加权系数，△t _i 为各检波器到目标观测平面的时间差，表达为：

其中，d _i 为各检波器到目标观测平面的距离，v为检波器表层速度，r为组合中心到观测平面的距离，px _i ，py _i ，pz _i 为过组合中心的观测平面法线在XYZ三个坐标轴上的投影长度，表达为：

 其中，θ为子波入射倾角，取值范围-90°~ 90°，β为子波入射水平角度，取值范围0°~ 360°。

5.如权利要求1所述的检波器组合参数计算方法，其特征在于，步骤②所述的建立参数优化的目标函数，需要预先知道有效信号与噪音的分界入射角度，该角度由排列长度和最浅目的层深度计算得到，公式为：

其中，α为临界角度值，L为排列长度，H为最浅目的层深度。

6.如权利要求1所述的检波器组合参数计算方法，其特征在于，步骤②所述的参数优化的目标函数，采用有效信号与噪音的分区能量比（各自区域内归一化输出响应累加和的比值）最大化准则，表达为：

其中，Φ(θ, β)为组合输出响应函数。

7.如权利要求1所述的检波器组合参数计算方法，其特征在于，步骤③所述的对组合参数进行优化计算的程序实现，具体计算步骤包括：

（1）输入子波主频f ₀、接收表层速度v、排列长度L、最浅目的层深度H；

（2）输入允许检波器个数最大值N，程序在1~N间循环，寻找最优组合参数，或者用户限定一个确定的个数值；

（3）将检波器组合区域进行三维网格划分，划分的间隔取决于最小检波器组内距，划分的网格数目由检波器数目和组合基距共同决定。检波器置于网格节点上，并以网格中心为组合中心对称分布，循环改变各点三维坐标值；

（4）循环指定N个检波器的加权系数c _i ，加权系数在0 ~ 1之间的离散数据中取值，离散间隔由用户指定；

（5）计算并保留当前循环下的参数对应的有效信号与噪音的分区能量比；

（6）选取所有分区能量比中的最大值，其对应的组合参数为最终优化结果；

（7）程序输出最优检波器组合参数。

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