CN103064106A - 用于确定可控海上震源的驱动信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于确定可控海上震源的驱动信号的方法和装置。具体而言，提供一种用于确定振声震源元件的驱动信号的控制器和方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含：估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件；对通过水面确定的重影函数进行模型化；设置将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度在控制器中确定驱动信号。

Description

用于确定可控海上震源的驱动信号的方法和装置

技术领域

本文所揭示的主题的实施例大体上涉及用于生成可控海上震源的驱动信号的方法和系统，更明确地说，涉及用于生成可控海上震源（vibroseis marine source）的驱动信号的机制和技术。

背景技术

反射地震学是一种用以确定地球次表层的一部分的性质的地球物理勘探方法，这些性质是石油和天然气工业中特别有用的信息。海上反射地震学基于受控震源的使用，所述受控震源将能量波发送到地下。通过测量反射回到多个接收器所花的时间，可以估计造成此类反射的特征的深度和/或组成。这些特征可能与地下烃沉积物相关联。

为了进行海上应用，震源基本上是冲击性的（例如，压缩空气能突然膨胀）。一种最常用的震源是气枪。气枪在短时间内产生大量的声能。此种震源由船拖行在水面或在某深度。来自气枪的声波在所有方向上传播。所发出的声波的典型频率范围是在6Hz与300Hz之间。然而，冲击性震源的频率组成不完全可控，并且取决于特定勘测的需要来选择不同的震源。另外，冲击性震源的使用可能会造成某些安全和环境问题。

因此，可使用的另一类震源是振动性震源（vibratory source）。振动性震源，包含液压动力震源以及使用压电或磁致伸缩材料的震源，已用在海上操作中。然而，此类震源并未大规模地使用，因为它们的威力有限，并且由于生成地震波需要大量活动零件而是不可靠的。现在论述此类震源的几个实例。

海上振动器生成频率变动（即，扫频）的长音。将这个信号应用于活动零件，例如活塞，从而生成对应的地震波。由对应于多个海上振动器的多个活塞的移动产生的瞬时压力可能低于气枪阵列所产生的瞬时压力，但是由于信号的持续时间延长，由海上振动器传输的总声能可能类似于气枪阵列的能量。然而，此类震源需要扫频以便获得所需能量。现在论述对此种扫频的设计。

在发明名称为“用于优化来自地震振动器阵列的能量输出的方法（Method for optimizing energy output from a seismic vibrator array）”的第20100118647A1号美国专利申请公开案中，揭示了通过机电致动器激活并且在扫频期间在两个不同深度处发出地震能量的两个弯张振动器（低频和高频），其中所述美国专利申请公开案以全文引用的方式并入本文中。振动器通过扫描频率信号来驱动，每个信号具有不同的选定频率响应。例如最长序列（MLS）或Gold序列（Gold Sequence，GS）等信号也用以驱动振动器。然而，这个文献中的驱动信号并未将地震振动器或振动器操作时所处的介质的各种物理限制条件考虑进去。

在发明名称为“复合带宽海上可控震源阵列（Composite bandwidthmarine vibroseis array）”的第6,942,059B2号美国专利中描述了非线性扫频，其中所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。这个文献揭示了一种用于使用振动器震源（vibrator source）进行地震海上勘测的方法，这些震源中的每个震源是放在不同深度处的。通过在多个不同的带宽上划分地震带宽，振动器震源展现出了与气枪阵列（单个深度）相当的地震能量水平。每个带宽由振动器阵列使用非线性扫描来生成，以便使输出能量最大化。然而，这个文献在确定扫频时并未考虑海上可控震源阵列的各种物理限制条件。

在发明名称为“用于增强可控震源采集中低频组成的系统和方法（Systems and methods for enhancing low-frequency content in vibroseisacquisition）”的第7,327,633号美国专利中，也揭示了一种用于地震陆上振动器的扫描设计方法，其中所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。所述专利揭示了一种用于通过将地震陆上振动器的单个物理性质（即，地震振动器装置的冲程极限）考虑进去来优化扫描信号强度的方法。获得非线性扫描，以便建立扫描频谱密度以实现在低频范围中的目标频谱。然而，并未考虑地震陆上振动器的其他物理性质，这些性质限制了陆上振动器的操作。另外，这个专利是针对陆上振动器的，它与海上振动器不同。

在发明名称为“用于确定扫频以进行地震分析的系统和方法（System and method for determining a frequency sweep for seismicanalysis）”的第12/576,804号美国专利申请案中，揭示了一种更高端的扫描设计方法，其中所述美国专利申请案以全文引用的方式并入本文中。这种方法不仅考虑了板冲程极限，而且还考虑了陆上振动器的其他限制条件，例如，泵流量极限以及伺服阀流量极限。然而，这种方法是针对陆上振动器的，陆上振动器具有与海上振动器不同的特性，而且所述方法也并未将水环境的特定特征考虑进去。

因此，需要提供一种用于设计驱动信号的方法，其将海上振动器的限制条件考虑进去并且任选地将水环境造成的限制条件考虑进去。

发明内容

根据一个示范性实施例，存在一种用于确定振声震源元件（vibro-acoustic source element）的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含：估计振声震源元件的至少一个物理限制条件的步骤；对通过水面确定的重影函数进行模型化的步骤；设置将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度的步骤；以及基于至少一个物理限制条件、重影函数以及目标能谱密度在控制器中确定驱动信号的步骤。

根据又一个示范性实施例，存在一种经配置以确定振声震源元件的驱动信号的控制器，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述控制器包含处理器，所述处理器经配置以：估计振声震源元件的至少一个物理限制条件；接收通过水面确定的重影函数；接收将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件、重影函数以及目标能谱密度来计算驱动信号。

根据又一个示范性实施例，存在一种地震勘测系统，所述地震勘测系统包含：至少一个振声震源元件，其经配置以通过用电磁致动器移动活塞来生成声波；驱动机构，其连接到电磁致动器并且经配置以驱动电磁致动器以生成声波；以及控制器，其经配置以生成用于在水中生成声波的所述驱动机构的驱动信号。所述控制器经配置以：估计振声震源元件的至少一个物理限制条件；接收通过水面确定的重影函数；接收将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件、重影函数以及目标能谱密度来计算驱动信号。

根据再一个示范性实施例，存在一种包含计算机可执行指令的计算机可读媒体，其中所述指令在被执行时实施上述方法。

根据又一个示范性实施例，存在一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含：估计振声震源元件的至少一个物理限制条件的步骤；设置将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度的步骤；以及基于至少一个物理限制条件以及目标能谱密度在控制器中确定驱动信号的步骤。

根据另一个示范性实施例，存在一种地震勘测系统，所述地震勘测系统包含：至少一个振声震源元件，其经配置以通过用致动器移动活塞来生成声波；驱动机构，其连接到致动器并且经配置以驱动致动器以生成声波；以及控制器，其经配置以生成用于在水中生成声波的所述驱动机构的驱动信号。所述控制器经配置以：估计振声震源元件的至少一个物理限制条件；接收将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件以及目标能谱密度来计算驱动信号。

附图说明

附图并入说明书中并构成了说明书的一部分，这些附图图示了一个或多个实施例，并且与说明书一起对这些实施例进行说明。在附图中：

图1是振声震源元件的示意图；

图2是用于振声震源元件的驱动机构的示意图；

图3是根据示范性实施例的振声震源元件的机电模型；

图4是绘示了根据示范性实施例的振声震源元件的随各种参数而变的最大加速度的图；

图5是图示了根据示范性实施例的振声震源元件的随频率而变的最大远场声压级的图；

图6是根据示范性实施例的振声震源元件的图示；

图7是根据示范性实施例的目标输出能量密度谱；

图8a和8b图示了针对两个不同深度的垂直重影函数；

图9a和9b图示了针对两个不同仰角的重影函数；

图10是根据示范性实施例的用于确定振声震源元件的驱动信号的方法的图示；

图11是根据示范性实施例的驱动信号的图示；

图12是根据示范性实施例的由振声震源元件生成的自由远场声压的图示；

图13是根据示范性实施例的由振声震源元件生成的远场声压以及对应的重影的图示；

图14是根据示范性实施例的用于生成振声震源元件的驱动信号的一种方法的流程图；

图15是根据示范性实施例的用于生成振声震源元件的驱动信号的另一种方法的流程图；以及

图16是根据示范性实施例的控制器的示意图。

具体实施方式

以下对示范性实施例的描述是参看附图进行的。不同图式中的相同附图标记识别相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求书界定。为简单起见，关于一种方法来论述以下实施例，这种方法用于在依从每个振声震源元件的各种限制条件以及例如由海上地震采集引入的环境限制条件等其他限制条件的情况下生成或设计振声震源元件和/或海上震源阵列的驱动信号以实现所要目标输出频谱。然而，接下来要论述的实施例不限于海上震源，而是可应用于生成具有受控频率范围的地震波的其他结构。

说明书中提到“一个实施例”或“一实施例”是表示结合一实施例描述的特定特征、结构或特性包含在所揭示的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在本说明书各处出现未必是指同一个实施例。另外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

根据一示范性实施例，存在一种用于确定振声震源元件或海上震源阵列的驱动信号的方法，其将所述震源的各种限制条件都考虑进去了。例如，如果振声震源元件具有通过包含有放大器的驱动机构驱动的电磁致动器，那么所述方法识别致动器和放大器二者的可能限制振声震源元件提供预期输出的能力的物理性质，例如震源元件冲程极限（例如，致动器冲程极限）、震源元件速度极限、放大器电流极限，以及放大器电压极限。这种新颖方法还将对海面反射器所引入的额外环境限制条件的识别（被称为“重影函数”）考虑进去。所述方法确定可以在频率和振幅两方面进行调制的驱动信号。所述驱动信号经配置以实现具有最大能量输出的目标输出频谱同时还依从了多个限制条件。可以考虑各种目标输出频谱。然而，为了简单起见，以下实施例论述了平面目标输出频谱。

注意到，下文论述的方法考虑了通过驱动机构驱动的振声震源元件。然而，所述方法可应用于其他振动性震源。

在论述上述方法之前，现在先参看图1来论述示范性振声震源元件。根据一示范性实施例，图1的振声震源元件10是震源阵列的一部分。振声震源元件10包含外壳20，外壳20与活塞30和32一起围起电磁致动器系统40并且将其与周围环境50隔开，周围环境50可能是水。外壳20具有第一开口22和第二开口24，这两个开口经配置以由活塞30和32封闭。电磁致动器系统40经配置以在相反方向上同时驱动活塞30和32以便生成地震波。在一个应用中，活塞30和32是刚性的。电磁致动器系统40可包含两个或两个以上个别电磁致动器42和44。不管在振声震源元件10中使用了多少个别电磁致动器，这些致动器都可以成对地提供，并且这些对经配置以在相反方向上同时作用于对应的活塞以便防止振声震源元件10的“摇摆”运动。然而，所述方法也适用于只具有一个致动器和一个活塞的振声震源元件。

电磁致动器的大小和配置取决于振声震源元件的声输出。图1绘示了两个致动器42和44由壁46隔开，壁46不必在致动器系统40中部。另外，在一个实施例中，这两个致动器42和44形成为单个单元，并且这两个致动器之间没有界面。在又一个应用中，致动器系统40通过附件48而附接到外壳20。附件48可以是柱型结构。在一个应用中，附件48可以是将外壳20分成第一腔室20a和第二腔室20b的壁。如果附件48是壁，那么致动器42和44可以附接到壁48，或者可以按照致动器42和44不接触壁48的方式通过其他方式来附接到外壳20。

为了向活塞30和32提供相对于外壳20移动以便生成地震波的能力，在活塞与外壳之间设置了密封机构60。密封机构60可经配置以随活塞来回滑动。密封机构60可以由弹性体材料制成，或者可以是金属柔性结构。在另一个应用中，密封机构60可以是气封或液封。气封（空气轴承密封）经配置以在外壳与活塞之间的界面处注入气体，以防止环境水进入外壳中。液封可以在外壳与活塞之间的界面处使用（例如）铁磁流体，以防止环境水进入外壳中。所属领域的技术人员将认识到，可以使用其他密封。

图1所示的实施例也可包含压力调节机构70（例如，如果使用空气，那么是气动调节机构）。压力调节机构70可用以使周围环境50的外部压力与外壳20所围起的介质的压力平衡，从而减少致动器系统40的工作负荷。注意到，如果周围环境在点72处（在活塞30前面）的压力大体上等于外壳20所围起的介质73在点74处的压力，那么致动器系统40的工作负荷可全部用以激活活塞生成声波，而不是有一部分工作负荷要用来克服点72处的环境压力。外壳20所围起的介质73可以是空气或者其他气体或气体的混合物。

压力调节机构70可以流体连接到在拖着振声震源元件10的船上的压力源（未图示）。压力调节机构70也可经配置以在活塞30和32上提供额外的力，例如，以较低的频率，从而增加振声震源元件的声输出并且还扩展了振声震源元件的频谱。

图1所示的实施例可以每个活塞使用单个轴杆80和82，将致动运动从致动器系统40传输到活塞30和32。然而，每个活塞可以使用一个以上的轴杆，这取决于振声震源元件的要求。为了使轴杆80能相对于外壳20平稳地移动（例如，以防止轴杆的摆动运动），可以提供导引系统90。

在一个应用中，致动器系统40会发热。这种热可能会影响轴杆的运动和/或致动器系统40的运行。为此，可以在振声震源元件处提供冷却系统94。如稍后所论述的，冷却系统94可经配置以将热从致动器系统40传递到周围环境50。

希望活塞30和32生成具有预定频谱的输出。为了控制这个输出，可以相对于外壳20在内部、外部，或同时在内部和外部提供局部控制系统200。局部控制系统200可经配置以实时地起作用以校正振声震源元件10的输出。因此，局部控制系统200可以包含一个或多个处理器，这些处理器连接到对振声震源元件10的状态进行监视的传感器并且向致动器系统40和/或压力调节机构70提供命令。

上文论述的震源阵列可以全部由图1所示的振声震源元件组成。然而，所述震源阵列可以由不同的可控震源元件或者图1所示的可控震源元件和本领域中已知的可控震源元件的组合组成。取决于振声震源元件，所述方法确定不同的驱动信号，因为所述驱动信号是取决于所考虑的振声震源元件的特定构造和特性。驱动信号可以是本领域中已知的扫频，即，包含多个频率的信号，其中这些频率是按照某种时间次序一次产生一个。然而，驱动信号不限于扫频，而是可以包含不连续信号、包含同时发出的多个频率的信号等等。

为了更好地理解关联的驱动机构施于振声震源元件的限制条件，图2图示了驱动机构的一般布置。此种驱动机构250电连接到振声震源元件10并且经配置以施加驱动信号以便驱动振声震源元件10的机电致动器。驱动机构250的示范性结构可以包含用于生成驱动信号的处理器252。例如，在一个应用中，处理器252的第一组件经配置以生成基带载波信号。基带载波信号可以具有所属领域的技术人员已知的特性。处理器252的第二组件可以充当伪随机数信号发生器，并且可经配置以生成在第三组件中与第一组件的信号混频的信号。所述经混频信号可以通过第四组件放大，然后再提供给振声震源元件10。注意到，驱动机构250可以是振声震源元件10的一部分或者可以设置在振声震源元件外部。而且，注意到，所属领域的技术人员将认识到，可以使用驱动机构250的其他配置。

针对驱动机构250的这个结构以及关于图1所论述的振声震源元件10的结构，在图3中绘示了驱动机构和振声震源元件的一些特性的图示。此外，注意到，可以使用其他振声震源元件或其他驱动机构。图3图示了用于振声震源元件10的电组件和机械组件以及也用于充当电放大器的驱动机构250的组件的电组件的集总元件模型。更具体地说，图3所示的模型300具有电部分302和机械部分304，电部分302对应于振声震源元件的电磁致动器和驱动机构，并且机械部分304对应于振声震源元件的活塞。

电部分302包含由I₀表示的电流源310、由R_e表示的线圈电阻312，以及由L_e表示的线圈电感314，其中线圈是上文关于图1所论述的电磁致动器的一部分。由U表示的感应电动势电压316出现在线圈中，并且这个电压负责用于致动电磁致动器的活塞。机械部分304包含由M_t表示的活塞质量和声抗320、由C_t表示的总机械刚度322，以及由R_mt表示的机械阻尼和声辐射324。通过电部分302与机械部分304之间的耦合330，由电部分产生的洛伦兹力332被传输到机械部分，其中洛伦兹力与电流源310的电流成比例。

凭借振声震源元件的这个模型，现在有可能确定各种物理限制条件对地震输出的影响。用于估计振声震源元件的地震输出的良好的量是活塞的加速度。活塞的加速度（并且还有与所述加速度有关的远场声压，如稍后将进行论述）对于图3中所考虑的图示来说受至少四个因素的限制。这些因素是活塞的最大位移X_max、活塞的最大速度V_max、图2所示的驱动机构可能生成的最大电流I_max，以及同一个装置的最大电压U_max。例如，对于这四个因素中的每个因素，活塞的最大加速度由以下方程式确定：

a_max=-ω²X_max，

a_max=ωV_max，

a_max＝jωBIG_mI_max，以及

$a_{\max }=\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{BIG}}_m{U}_{\max }}{Z_{\mathrm{in}}}.$

量G_m和Z_in取决于图3所示的参数。

针对这四个因素的最大加速度a_max可以标在同一张图上，如图4所示。因此，曲线340对应于X_max，曲线342对应于V_max，曲线344对应于I_max，并且曲线346对应于U_max。对应于这四个因素的这些曲线的交点确定了区域350，区域350表示振声震源元件的可用操作范围。这意味着，只要振声震源元件在由这些因素界定的区域350中操作，便可预期振声震源元件的可持续输出。

由于活塞的最大加速度与自由场中远场中的最大声压有关，因此，所述最大声压具有图5所示的形状。图5图示了距震源1米处的声压，以dB为单位，以1μPa为参考。注意到，图4和5中Y轴上所示的值是按比例的。例如，最大声压可通过以下关系式而与最大加速度相关：

$p_{\max }(r,\mathrm{j\ω})=\frac{\mathrm{\ρ}}{4\mathrm{\πr}}{\mathrm{Sa}}_{\max }\left(\mathrm{j\ω}\right),$

其中ρ是介质的密度，而S是活塞的面积。关于面积S，注意到，对于关于图1所论述的特定振声震源元件，存在两个活塞。在这点上，图6示意性地绘示了具有第一发射装置（proiector）402和第二发射装置404的振声震源元件10，这两个发射装置背对背地布置。每个发射装置具有自己的活塞402a和404a。由于这些发射装置是同相地致动并且是背对背的，因此振声震源元件10充当单极，即，点震源。这样澄清了之后，注意到，上述公式中的面积S包含两个活塞402a和404a的面积。当然，对于其他配置，例如只具有一个发射装置的振声震源元件，或具有两个以上发射装置的振声震源元件或另一种类型的振声震源元件，需要相应地调整面积S和上述方程式。

到这时，已论述了振声震源元件的物理限制条件，并且这些物理限制条件是图1所示的振声震源元件特有的。对于其他类型的震源元件来说，可以考虑其他限制条件。基于上述实施例的教导，所属领域的技术人员将知道如何确定手头上的震源的物理限制条件。接下来，仍关于图1所示的振声震源元件，论述能谱密度的目标形状。

关于确定驱动信号应提供的能量，上文论述的声压级未提供足够的信息。提供缺失信息的量是能谱密度（ESD）。以μPa/Hz为单位的在1米处以dB为单位的有限能量信号（例如，扫描）的ESD由下式给出：

${\mathrm{ESD}}_{\mathrm{dB}}=10{\log }_{10}\frac{\mathrm{ESD}\left(f\right)}{{\left({10}^{-6}\right)}^2},$

其中ESD(f)是以Pa²/Hz为单位的距震源1米处的能谱密度，并且是通过压力的快速傅里叶变换来给出。由此处，使用（例如）帕谢互尔（Parseval）运算，可以计算震源的声能。

对于给定的振声震源元件，希望确定驱动信号以便获得目标ESD。所要的ESD有各种可能的形状，这取决于勘测的性质、将要揭露的既定特征等等。例如，图7绘示了4Hz到128Hz内的平面ESD。平面ESD具有以下优点：增加了频带中的大多数频率的最终图像的分辨率。因此，图7所示的ESD是ESD目标形状。然而，注意到，ESD可以具有其他形状，例如，正弦形状或其他非规则形状。

现在更详细地论述用于计算驱动信号的另一个限制条件。这个限制条件是由环境引起的，是“重影函数”。通过将这个限制条件考虑进去，用这个震源获得的次表层的最终图像更好。然而，注意到，在确定振声震源元件的驱动信号时，可以忽略重影函数。重影函数可被视为应用于能谱密度的权重函数。因为单个振声震源元件或震源阵列（包含多个振声震源元件）可以用在特定深度处，因此在地震频率范围内的振幅频谱中出现某些凹口，这取决于深度。这些凹口是由海面反射波干涉直达波而引起（这些波的相长干涉和相消干涉产生了重影效应）。因此，在设计驱动信号时，可以考虑重影函数。

根据一示范性实施例，重影函数可以采取形式9(d，θ)＝2sin(kd.cosθ)，其中d是振声震源元件相对于海面的深度，k是波数，并且θ是仰角（仰角描述了观测者相对于通过振声震源元件的垂直线的位置）。零仰角下针对两个不同深度的重影函数的实例绘示于图8a中，其中曲线800图示了针对第一深度的重影函数，而曲线802对应于小于第一深度的第二深度。图8b图示了仰角为零时震源相对于海面808的两个位置804和806。图9a绘示了针对给定深度下的各个仰角来说的重影函数与频率的相依性。曲线900图示了针对零仰角的此相依性，而曲线902图示了针对60°仰角的相依性。图9b图示了相对于震源904的两个仰角。

在图8a和图9a中，注意到，重影函数在各个频率处引入了凹口，并且还在其他频率处增大了频谱。因此，在确定ESD目标时谨慎地考虑重影函数帮助改善低频范围中的ESD，这是有利的，因为频谱的低频范围提供了更深水平处次表层的更好分辨率。

现在有了用于设计驱动信号所需的所有要素，即，振声震源元件的物理限制条件、目标ESD以及（任选地）重影函数，便可以确定在不超过振声震源元件规格的情况下可生成的频率相依远场声压P。将此声压视为P并且将瞬时频率视为f_i(t)，自由场中的最大远场声压可写成：

$P\left(t\right)=P_{\max }\left(f_i\left(t\right)\right)\·\sin (2\mathrm{\π}{\∫}_0^t{f}_i\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{\φ}),$

其中φ是扫描起始时间。自由场条件假定由振声震源元件发出的波在水-空气界面处不反射或不存在水-空气界面。因此，自由场条件无重影。瞬时频率可以通过如下对瞬时时间求反函数来确定：

$t_i\left(f\right)={\∫}_{f_{\min }}^{f_{\max }}4\frac{\mathrm{ESD}\left(f\right)}{P^2\left(f\right)}\mathrm{df},$

其中ESD(f)是自由场中的所要远场能谱密度，但是将重影权重函数考虑进去，并且f_min和f_max分别是扫描最小频率和扫描最大频率。基于这个瞬时频率定律，根据最大可用振幅来生成驱动信号，所述最大可用振幅准许用最大能量来发射远场特征波形。所述瞬时频率定律在图10中图示。控制装置1000（稍后将论述）经配置以取振声震源元件的物理限制条件1010、ESD目标1020以及（任选地）重影函数1030作为输入，用于输出驱动信号1040。

注意到，在图10中，根据驱动信号1040，振声震源元件花费大部分时间（例如，总共15秒的扫描时间中的10秒）来产生低频（例如，低于5Hz）。如果重影函数效应1030不考虑进去，那么这些计算中所用的特定振声震源元件的驱动信号如图11所示。换句话说，根据一示范性实施例，图11所示的驱动信号将对振声震源元件的限制条件1010和ESD目标形状1020考虑进去，但不将重影函数效应1030考虑进去。这是振声震源元件的替代操作模式。

为了更好地理解不具有重影函数（即，自由场）的驱动信号与具有重影函数的驱动信号之间的差异，图12绘示了针对自由场的在1米处的远场声压特征波形，而图13绘示了针对具有重影的情况的在1米处的远场声压特征波形。.

注意到，上文关于驱动信号的论述对于振声震源元件和振声震源元件阵列（即，海上震源阵列）都有效。如果考虑海上震源阵列，那么需要考虑振声震源元件的布置，并且可以如上所述般确定整个震源阵列的驱动信号。然而，由于海上震源阵列的振声震源元件之间的距离不同，因此可以计算各种时间延迟，并且可以将其应用于组成所述海上震源阵列的元件。

根据图14所示的一示范性实施例，存在一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含：估计振声震源元件的至少一个物理限制条件1010的步骤1400；对通过水面确定的重影函数1030进行模型化的步骤1402；设置将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度1020的步骤1404；以及基于至少一个物理限制条件1010、重影函数1030以及目标能谱密度1020在控制器1000中确定驱动信号1040的步骤1406。

根据图15所示的另一个示范性实施例，存在另一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含：估计振声震源元件的至少一个物理限制条件1010的步骤1500；设置将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度1020的步骤1502；以及基于至少一个物理限制条件1010以及目标能谱密度1020在控制器1000中确定驱动信号1040的步骤1504。

根据上文论述的一个或多个示范性实施例，基于振声震源元件的物理极限以及其深度，根据目标能谱密度，匹配了瞬时频率定律。另外，关于重影函数的限制条件，可以获得对轴上远场特征波形以及任何离轴响应（例如，有助于相控阵列应用）的调整。此外，上文描述的过程准许在低频端频带中具有足够的频谱能量密度。已知的是，低频可以准许评估更深水平处的地球次表层。

根据上文论述的示范性实施例的能够进行操作的代表性控制系统的实例在图16中图示。可以使用硬件、固件、软件或其组合来执行本文所述的各种步骤和操作。

适合于执行示范性实施例中描述的活动的示范性控制系统1600可以包含服务器1601。此种服务器1601可以包含中央处理器（CPU）1602，中央处理器（CPU）1602联接到随机存取存储器（RAM）1604以及只读存储器（ROM）1606。ROM1606也可以是用以存储程序的其他类型的存储媒体，例如可编程ROM（PROM）、可擦PROM（EPROM）等。处理器1602可以通过输入/输出（I/O）电路1608以及总线连接1610来与其他内部和外部组件通信，以提供控制信号等。例如，处理器1602可以与传感器、电磁致动器系统和/或气动机构通信。处理器1602实施本领域中已知的由软件和/或固件指令所指示的各种功能。

服务器1601也可以包含一个或多个数据存储装置，包含硬盘和软盘驱动器1612、CD-ROM驱动器1614，以及能够读取和/或存储信息的其他硬件（例如，DVD）等。在一个实施例中，用于进行上述步骤的软件可以存储并且分布在CD-ROM1616、软盘1618，或能够可携式地存储信息的其他形式的媒体上。这些存储媒体可以插入到例如CD-ROM驱动器1614、磁盘驱动器1612等装置中并且通过所述装置读取。服务器1601可以联接到显示器1620，显示器1620可以是任何类型的已知显示器或呈现屏幕，例如，LCD显示器、等离子体显示器、阴极射线管（CRT）等。提供用户输入接口1622，包含一个或多个用户接口机构，例如鼠标、键盘、麦克风、触控板、触摸屏、语音识别系统等。

服务器1601可以经由网络联接到其他计算装置，例如船上的设备。所述服务器可以是例如因特网1628等全球区域网（GAN）中的较大网络配置的一部分，从而允许最终连接到各种陆上通信线和/或移动客户端/监视器装置。

如所属领域的技术人员还将了解到，示范性实施例可以体现在无线通信装置、电信网络中、体现为一种方法，或体现在计算机程序产品中。因此，示范性实施例可以采取全是硬件的实施例或组合了硬件和软件方面的实施例的形式。另外，示范性实施例可以采取存储在计算机可读存储媒体上的计算机程序产品的形式，其中所述媒体中包含了计算机可读指令。可以利用任何合适的计算机可读媒体，包含硬盘、CD-ROM、数字多功能光盘（DVD）、光存储装置，或磁存储装置，例如软盘或磁带。计算机可读媒体的其他非限制性实例包含快闪型存储器或其他已知类型的存储器。

所揭示的示范性实施例提供一种震源阵列、计算机软件，以及用于生成海上振动震源的驱动信号的方法。应理解，此描述不希望限制本发明。相反，示范性实施例既定涵盖包含在如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的替代方案、修改以及等效物。另外，在示范性实施例的详细描述中，陈述了众多特定细节以便全面理解所主张的发明。然而，所属领域的技术人员将理解，可以在无此类特定细节的情况下实践各种实施例。

虽然当前示范性实施例的特征和元件是以特定组合在多个实施例中进行描述，但是每个特征或元件可以单独使用而不具有实施例的其他特征和元件，或者可以在具有或不具有本文所揭示的其他特征和元件的情况下以各种组合来使用。

本说明书使用了所揭示的主题的实例，使任何所属领域的技术人员都能够实践所述主题，包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。主题的可取得专利的范围由权利要求书界定，并且可以包含所属领域的技术人员想到的其他实例。此类其他实例既定属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波，所述方法包括：

估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件；

对通过水面确定的重影函数进行模型化；

设置将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及

基于所述至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度在控制器中确定所述驱动信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述振声震源元件具有经配置以致动活塞的电磁致动器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个物理限制条件包含以下一项或多项的组合：所述活塞的最大位移、所述活塞的最大速度、驱动所述电磁致动器的驱动机构的最大电流以及所述驱动机构的最大电压。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个物理限制条件包含所述活塞的最大位移、所述活塞的最大速度、驱动所述电磁致动器的驱动机构的最大电流以及所述驱动机构的最大电压。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

将所述振声震源元件的操作域确定为最大位移曲线、最大速度曲线、最大电流曲线以及最大电压曲线的交点。

6.一种经配置以确定振声震源元件的驱动信号的控制器，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波，所述控制器包括：

处理器，其被配置为：

估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件；

接收通过水面确定的重影函数；

接收将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及

基于所述至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度来计算所述驱动信号。

7.根据权利要求6所述的经配置以确定振声震源元件的驱动信号的控制器，其中所述至少一个物理限制条件包含以下一项或多项的组合：所述振声震源元件的活塞的最大位移、所述活塞的最大速度、驱动所述电磁致动器的驱动机构的最大电流以及所述驱动机构的最大电压。

8.一种地震勘测系统，包括：

至少一个振声震源元件，其经配置以通过用电磁致动器移动活塞来生成声波；

驱动机构，其连接到所述电磁致动器并且经配置以驱动所述电磁致动器以生成所述声波；以及

控制器，其经配置以生成用于在水中生成声波的所述驱动机构的驱动信号，

其中所述控制器被配置为：

估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件；

接收通过水面确定的重影函数；

接收将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及

基于所述至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度来计算所述驱动信号。

9.一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波，所述方法包括：

估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件；

设置将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及

基于所述至少一个物理限制条件以及所述目标能谱密度在控制器中确定所述驱动信号。

10.一种地震勘测系统，包括：

至少一个振声震源元件，其经配置以通过用致动器移动活塞来生成声波；

驱动机构，其连接到所述致动器并且经配置以驱动所述致动器以生成所述声波；以及

控制器，其经配置以生成用于在水中生成所述声波的所述驱动机构的驱动信号，

其中所述控制器被配置为：

估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件；

接收将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及

基于所述至少一个物理限制条件以及所述目标能谱密度来计算所述驱动信号。

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