CN103238087B - 基于耦合振动器的大地模型的地震数据滤波 - Google Patents

Abstract

耦合振动器的大地滤波器改善在地震操作中记录的地震数据。该滤波器以考虑到振动器系统、底板和捕获的大地之间的耦合系统，和耦合的大地系统的大地模型为基础。利用来自底板和反应物料的加速度数据，大地模型可被用于导出大地模型的特定变量以帮助表征系统。通过在大地滤波器中利用导出的变量，可以校正记录的地震数据从而除去由典型假设产生的追踪数据中的误差。

Description

基于耦合振动器的大地模型的地震数据滤波

相关申请的引用

本申请是2010年10月14日提交的美国专利申请No.61/393,106的非临时申请，该专利申请在此整体引为参考，并要求其优先权。

背景技术

油气勘探行业采用地球物理学工具和技术以识别具有潜在碳氢化合物沉积物的地下结构。通常称为地震勘探，这些技术和工具通过记录呈从地质构造反射或折射的振动形式的能量，产生地下结构的图像。在地震勘探中，例如，由震源产生并传递到大地中的地震波在地下的岩石上反射。不同岩石之间的边界常常反射地震波，与这些地震波相关的信息被收集并处理从而产生地下的表现或者图像。

当由震源产生的地震波到达分隔声学密度不同的岩石的层面时，一部分波反射回表面，导致地表升高或下降，这取决于记录的是地震波的膨胀期还是压缩期。波的剩余部分被折射或衍射。称为地震测线的二维图像实质上是地球的与地震检波器的线路平行取向的截面视图。也可以作为地震测线的相交网格（称为3D地震体）收集所述信息。

任何数量的勘探系统都可以收集期望的信息以便处理。炸药爆炸、振动车、气枪等能够产生地震波。可以成行地布置诸如速度地震检波器、加速计和/或水听器之类的传感器，或者在水听器的情况下，可以拖曳传感器，以测量波离开震源，在岩石边界反射，并回到所使用的传感器所花费的时间。

图1中的示例地震系统10能够产生地球物理信息，以对地下结构成像。系统10具有与已知为震测排列的地震采集阵列12通信的中央控制器/记录器90。阵列12具有隔开的传感器站20，每个传感器站20可具有一个或多个传感器22。传感器22测量地球物理信息，并且可包括用于获得已知为3D地震的3维能量的3组件传感器。传感器22可包括加速计、速度地震检波器、麦克风等，并且阵列12可被部署在陆地或者海床位置。

震源30将声能传递到大地中，传感器22接收在地下结构中的边界处反射和折射后的能量。阵列12随后利用无线技术或其它通信技术，与中央控制器或记录器90交流传感器数据。

为了传递声能，震源30可以是振动器，比如图2中所示的振动器，不过可以使用其它类型的源。振动器30利用底板70和反应物料50，向大地传送作用力。对陆上地震来说，振动器30一般安装在运输车（未示出）上，运输车利用杆32/34将振动器30降低到大地。随着振动器30被降低，车辆的重量使底板70保持与地面接合，从而震源信号能够被传送到地球中。

反应物料50被直接定位于底板70上方，支柱52从底板70伸出，并穿过反应物料50，从而稳定反应物料50。在内部，反应物料50具有在其中形成的汽缸56，垂直延伸的活塞60延伸通过此汽缸56，且活塞60上的头部将汽缸56分成多个腔室。活塞60的两端连接到横梁54U-L，横梁54U-L连接到支柱52。

带有隔离器40的支脚36将底板70和杆34隔开，受拉构件42互连在支脚36和底板70之间。当使振动器30升高和降低到大地时，受拉构件42保持底板。最后，在支脚36的底部和底板70之间，还安装减震器44，以在它们之间隔离振动。

操作中，控制器80接收来自测量底板70的加速度的第一传感器85的信号，并接收来自测量反应物料50的加速度的第二传感器87的信号。根据来自这些传感器85/87的反馈，和操作振动器30的期望扫描信号，控制器80生成控制伺服阀组件82的导频信号。受驱动信号驱动，伺服阀组件82在液压流体供应源84和活塞60之间交替地输送液压流体。反应物料50在活塞60上往复振动。振动的反应物料50产生的作用力又通过支柱52和活塞60传递到底板70，使得底板70以期望的振幅和频率振动，或者扫掠，从而产生进入大地的震源信号。

当移动的反应物料50作用于底板70，从而将震源信号传递到地球中时，信号穿过大地，在间断面和地层处反射，随后朝着地表传播。在地表，图1的具有与大地耦合的地震检波接收器或者其它传感器22的阵列12检测反射的信号，图1的记录器90记录从地震检波接收器22接收的地震数据92。

在某个时刻，数据处理系统98接收来自地震记录器90的地震数据92（地震数据92还可包括来自地震振动器30的记录数据，如果诸如导频信号、加速度数据和加权和地面力是分开保存的话）。数据处理系统98可利用相关处理器使振动器30提供的计算的地面力和地震检波接收器22接收的地震数据92相关联。最后，关联的信息可被用于产生地球的地下结构的图像或表现。

当操作这种现有的振动器30时，操作人员遇到如何精确地确定振动器30施加给大地的地面力，和精确地使振动器的操作与产生的震源信号相关联的问题。理想地，操作人员希望知道当传递地震能量时，底板70对大地施加的实际地面力。如图2中所示，本地传感器85（例如，加速计或地震检波器）一般定位在振动器50的上部横梁54U上，上部横梁54U位于反应物料50上方。

操作中，图2中所示的控制器80利用位于上部横梁54U上的本地传感器85，并利用位于反应物料50上的传感器87，测量传递到大地中的信号。当图1的数据处理系统98接收构成地震传播的地震数据92时，它还接收来自在震源30上的这些传感器85/87的加速度信号。系统98的相关处理器随后利用各种算法，将波信号数据与失真和其它乱真信号区分开。

这种方法的问题在于原始震源信号失真会改变，从而使相关变得困难。当在振动器30处的计算的地面力信号与现场测量的远场信号互相关时，建模系统10时使用的不切实际的假设会破坏结果。特别地，振动器30在地表上工作，由于沙子、岩石、植被等的存在，地表会因位置而显著变化。从而，当在给定位置处贴着地面部署底板70时，常常不能平坦地支撑底板70。另外，底板70将弯曲，从而在操作期间直接影响控制系统。结果，取决于振动器30被部署在何处，产生的辐射能量可能因位置而异。于是，振动器的源特征不是从每个位置都相同（或者几乎相同），并且不是表征地可重复的，而这是在进行地震分析时所希望的。从而，更精确地了解源30传递到大地中的源信号可以在数据处理阶段使相关变得更容易。

本公开的主题目的在于克服，或者至少减小上述问题中的一个或多个的影响。

发明内容

耦合振动器的大地滤波器改善在地震操作期间记录的地震数据。该滤波器以大地模型为基础，所述大地模型考虑振动器系统、底板和捕获的大地之间的耦合系统，和耦合的大地系统。利用来自底板和反应物料的加速度数据，大地模型可用于得到大地模型的特定变量以帮助表征该系统。通过在大地滤波器中利用得到的变量，可校正记录的地震数据，以除去由典型假设产生的追踪数据中的误差。

在地震数据处理方法中，例如，获得地震能量源的反应物料和底板的加速度数据，以及对所述源的地震能量作出响应的一个或多个地震传感器的地震数据。通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量，利用大地模型和得到的变量，对表示所述源的操作的源信号进行滤波。所述源信号可以是导频信号或者加权地面力的和。滤波后的源信号可以用于所述一个或多个地震传感器的地震数据的处理，从而可使地震数据与滤波后的源信号相关。

在地震数据处理设备中，例如，存储器保存大地模型、表示地震能量源的操作的源信号、源的反应物料和底板的加速度数据，和对源的地震能量作出响应的一个或多个地震传感器的地震数据。一个或多个处理单元在操作上与存储器耦合。所述一个或多个处理单元分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，并且根据分析的频率响应导出大地模型的变量。所述一个或多个处理单元利用大地模型和导出的变量对源进行滤波，并且使滤波后的源信号可用于地震数据的处理，从而可使地震数据与滤波后的源信号相关。

上述概要并不意图概述本公开的每个可能的实施例或者每个方面。

附图说明

图1图解说明按照现有技术的产生地球物理信息的地震系统。

图2示意地图解说明现有技术的振动器。

图3图解说明按照本公开的产生地球物理信息的地震系统。

图4示意地图解说明按照本公开的耦合振动器的大地模型。

图5示意地图解说明按照本公开的耦合振动器的大地滤波器。

图6A用图表示反应物料加速度和底板加速度的理论频率响应，其中反应物料加速度是输入，底板加速度是输出。

图6B利用记录在标准振动器上的数据，用图表示反应物料加速度和底板加速度的频率响应，其中反应物料加速度是输入，底板加速度是输出。

图7表示得出本公开的耦合振动器的大地滤波器的处理。

图8表示利用本公开的耦合振动器的大地滤波器的处理。

图9图示在不同深度处并具有滤波的加权和地面力的井下地震检波器的功率谱。

图10图示由分别与1000英尺（304.8m）地震检波器数据，和与耦合振动器的大地模型数据互相关的导频扫描产生的子波。

图11A图示利用标准振动器建模的导频扫描的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的导频扫描与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。

图11B图示利用改进的振动器建模的导频扫描的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的导频扫描与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。

图12A图示利用标准振动器建模的加权和地面力的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的加权和地面力与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。

图12B图示利用改进的振动器建模的加权和地面力的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的加权和地面力与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。

图13图示地表地震检波器和根据底板加速计数据计算的速度的振幅谱的比较。

图14表示可按照本公开使用的地球物理信息处理系统。

具体实施方式

A.地震系统

图3中的示例地震系统10能够产生地球物理信息，以对地球地下结构成像。系统10具有与称为震测排列的地震采集阵列12通信的中央控制器/记录器90。如前所述，阵列12具有隔开的传感器站20，每个传感器站20可具有一个或多个传感器22。传感器22测量地球物理信息，并可以包括用于获得称为3D地震的3维能量的3分量传感器。传感器22可包括加速计、速度地震检波器、麦克风等，并且阵列12可被部署在陆地或海床位置。

如前所述，震源30将声能传递到大地中，传感器22接收在地球地下结构中的边界处反射和折射后的能量。震源30可类似于前面参考图2公开的振动器。为了便于讨论，将参考图2的振动器30的组件，包括如在图3中图解的反应物料50、底板70和控制器80。不过，按照本公开的震源30不一定必须是液压操作的振动器。相反，震源30可以是具有电动机的地震振动器，可以具有内部或外部驱动器，可以产生地震剪切波（S-波）或者地震压缩波（P-波）。通常，振动器30可以是具有控制器80，并且具有用于将能量传递到大地中的反应物料50和底板70的任何类型的振动器。

如前所述，运动的反应物料50作用于振动器30的底板70，以将震源信号传递到大地中。信号穿过大地，在间断面和地层处反射，随后朝着地表传播。在地表，具有与大地耦合的地震检波接收器22的阵列12检测反射的信号，并且阵列12利用无线技术或其它通信技术与中央控制器或记录器90交流地震数据。

记录器90记录来自地震检波接收器22的地震数据92。在某个时刻，采用数据处理系统98处理地震数据92（如果诸如导频信号、加速度数据和加权和地面力的信息是分开保存的，地震数据92还可包括来自地震振动器30的记录数据）。为了改善利用数据处理系统98产生的后续成像，按照本公开的耦合振动器的大地滤波器系统94被用于修正或改善原始地震数据92，使得改善的数据96可被提供给数据处理系统98。当该操作完成时，数据处理系统98可以利用它的相关处理器（未示出）使振动器30提供的信息中的计算的地面力和地震数据96相关，并且最后可提供更清晰的地震成像用数据。

如前所述，振动器的控制器80测量来自本地传感器的加速度数据。在记录器90接收的地震数据92的一部分包括来自所述本地传感器的关于振动器30的底板70和反应物料50二者的加速度数据。与振动器30的耦合状况相关的动态运动被记录和嵌入底板加速度数据中。另外，振动器的致动器（例如，液压系统）的运动被记录和嵌入反应物料加速度数据中。这些测量结果是利用记录器90在数据采集期间记录的，并被滤波器系统94用于处理数据。特别地，在利用数据处理系统98处理之前，大地滤波器系统94利用该加速度数据及振动器30和大地之间的耦合的模型来滤波或校正地震数据92。

在转到滤波器系统94的具体细节之前，讨论首先集中于用于滤波器系统94的耦合振动器的大地模型。

B.耦合振动器的大地模型

如前所述，振动器30在地表介质会因位置而显著变化的地表上工作。当通过向底板70施加压制重力，使振动器的底板70与地面耦合时，底板70和耦合的地面连接在一起，从而变成一个系统。由于底板70的刚性低以及地表状况不同，耦合振动器的大地模型会是一个复杂的系统。

图4示意地描述按照本公开的耦合振动器的大地模型100。除了振动器系统30以外，大地模型100具有3个子系统，所述3个子系统包括耦合系统110、不同质的弹性耦合的大地系统120，和同质的弹性深层大地130。这些子系统表示从振动器系统（30）到大地（130）的可控震源子波的复杂传输。

耦合振动器的大地模型100将底板70的刚性表示成存在于底板70和大地的边界处相互作用的非理想接触刚度的一部分。模型100可充当振动器-大地相互作用的更逼真表示，并且能够描述各种非线性接触行为（比如部分接触和完全接触）。

在图4中，大地系统120被描述成由大地质量M_g、大地刚度K_g和大地粘度D_g组成的线性二阶系统。振动器系统130也被看作线性的刚性体。在模型100中，底板70只被视为具有质量M_BP，并且其刚度被分散，从而变成接触刚度的一部分。于是，模型100的接触刚度位于振动器底板70和大地之间。这里，接触刚度被定义成连接振动器底板70和大地130的一组“弹簧”（kc₁,kc₂等），值取决于在振动器工作期间，物理连接底板70和大地的“弹簧”（kc₁,kc₂等）数目。于是，接触刚度是可变刚度。

已知，当振动器30因振动器底板70的刚性低而高频颤动时，常常发生部分解耦。在不平坦的地面上，这种解耦变得更严重。当振动器30处于压缩模式时，在振动器底板70和大地之间存在更多的接触区。更多的接触区意味着模型100中的更多“弹簧”，和更大的刚度。

然而，当振动器30进入释放模式时，会发生部分解耦。这意味底板70失去与地面的一些接触，使得接触刚度降低。在压缩周期的半途，接触刚度降低，直到释放周期的半途为止，并且其值随扫描频率的增大而降低。当振动器30位于不平坦的大地上时，振动器底板70受到许多运动，比如弯曲、挠曲和扭曲，使得接触刚度变得更加不可预测，并且谐波失真变得更严重。

在图4的模型100中，耦合系统110试图描述在底板70和耦合的大地系统120之间的界面处的耦合状况。耦合系统110可用一组弹簧kc₁、kc₂,...,kc_n和阻尼器D_c建模。在该系统120内，弹簧kc₁、kc₂,...,kc_n连接振动器的底板70和耦合的大地系统120，并用于表示在振动器30的操作期间，在底板70和耦合的大地系统120之间的变化的接触刚度。值得注意地，取决于底板70和耦合的大地之间的接触区，底板的刚度被分离成多个较小的局部刚度系数，这些多个较小的局部刚度系数被分散以便与这些弹簧kc₁、kc₂,...,kc_n结合。阻尼器D_c代表地表介质（例如，地上的薄层植物或草）的粘度。

对其来说，图4中的耦合的大地系统120被描述成不同质的弹性系统，并且可用质量-弹簧-阻尼模型表示。系统120不同质，因为捕获地面质量M_g、大地刚度K_g和大地粘度D_g的值因位置而异。当在振动期间被装载到振动器的底板70上时，此系统120（尤其是捕获的大地质量M_g与底板70结合，变成振动源的一部分。

在每个振动器颤动点，振动器的底板70触摸该耦合的大地系统120，如前所述，在正在被记录的底板加速度数据中嵌入和检测此系统120的运动。如下更详细所述，通过利用振动器现场测量结果，能够估计该耦合的大地系统120的3个参数M_g、K_g和D_g。幸运的是，此系统120可被看作弹性线性系统，因为其非线性的总影响可较小，且可被忽略，尤其是当与存在于振动器液压系统中的非线性和由底板70的低刚性引起的非线性相比时。

图4中的深层大地体130被描述成同质的弹性系统。在深层大地体130中，传播的子波几乎保持不变。特别地，实验测试可表明在深层大地中远场子波保持不变，并且可以将深层大地视为同质并且有弹性。

结合在一起的所有系统30、110和120构成耦合振动器的大地模型100。在ZhouhongWei的“Modelingandmodalanalysisofseismicvibratorbaseplate”，（GeophysicalProspecting，58，19-31（2010））中，可以找到大地模型100的其它细节，该文献在此整体引为参考。

C.耦合振动器的大地滤波器

给定到图4的耦合振动器的大地模型100，图5的方框图表示要在耦合振动器的大地模型100中量化，以便产生供这里公开的用途之用的耦合振动器的大地滤波器150的具体细节。本质上，图5的耦合振动器的大地滤波器150包含用公式表述的振动器的底板系统105，耦合系统110，和不同质的弹性耦合的大地系统120。此耦合振动器的大地滤波器150是最小相位的。

在大地滤波器150中，振动器的底板系统105可用以下传递函数表示：

$G_1\left(s\right)=\frac{M_{\mathrm{bp}}{s}^2+D_{c}s+K_c}{s^2}$

在该底板系统105中，M_bp是振动器底板（70）的质量，D_c是耦合系统110的接触粘度，K_c是由许多小弹簧组成的耦合系统110的接触刚度。

对其来说，大地滤波器150中的耦合系统110可用以下传递函数表示：

$G_2\left(s\right)=\frac{D_c{s}^2+2D_c{K}_{c}s+K_c^2}{s^2}$

最后，大地滤波器150中的耦合的大地系统120可用以下传递函数表示：

$G_3\left(s\right)=\frac{1}{M_g{s}^2+D_{g}s+K_g}$

在耦合的大地系统120中，M_g是捕获的大地质量，D_g是接触粘度，K_g是捕获的大地接触刚度。

从而，耦合振动器的大地滤波器150以这些系统的传递函数G₁（s）、G₂（s）和G₃（s），以及M_bp、D_c、K_c、M_g、D_g、K_g等的变量为基础。

大地滤波器150的输入102包括由振动器（30）提供的导频扫描（T_ref）或者加权和地面力（W_s-gf）。加权和地面力（W_s-gf）用以下等式表征：

W_s-gf=M_rm×Acc_rm+M_bp×Acc_bp

于是，加权和地面力（W_s-gf）由已知的反应物料（50）和底板（70）的质量M_rm和M_bp，以及在振动器（30）处记录的反应物料（50）和底板（70）的加速度数据Acc_rm和Acc_bp确定。

大地滤波器150的输出104包括滤波的导频信号（滤波的T_ref）或者滤波的加权和地面力（滤波的W_s-gf）。在数据处理系统（98）处理之前，输出104被图3的大地滤波器系统（94）用于对记录器（90）的地震数据（92）滤波，使得利用本公开的更精确的振动器捕获的大地模型100处理地震数据。例如，滤波的加权和地面力（滤波的W_s-gf）又可给出振动器的地震能量和地震传感器响应之间的更好的互相关结果，并且能够减少噪声。

如前所述，与耦合状况和不同质的弹性耦合的大地系统120相关的动态运动被记录和嵌入由振动器（30）提供给记录器（90）的底板加速度数据Acc_bp中。另外，振动器的致动器（例如，液压系统）的运动被记录和嵌入由振动器（30）提供给记录器（90）的反应物料加速度数据Acc_rm中。如上所述，通常利用记录器（90），在数据采集期间，将振动器测量结果Acc_bp和Acc_rm记录成加权和地面力（W_s-gf）。为了获得耦合振动器的大地滤波器150的所需变量，如下所述，从底板和反应物料加速度数据Acc_bp和Acc_rm提取耦合系统110和耦合的大地系统120的动态运动。

D.滤波器值的导出

图6A表示振动器的示例频率响应。在该频率响应中，反应物料加速度Acc_rm被用作输入信号，底板加速度Acc_bp被用作根据前面说明的大地模型的传递函数对输入信号进行响应的输出。从而，图6A中的频率响应以下式为基础：

$G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Acc}}_{\mathrm{BP}}\left(s\right)}{{\mathrm{Acc}}_{\mathrm{RM}}\left(s\right)}$

换句话说，以反应物料加速度数据作为输入，以底板加速度作为输出，分析振动器的频率响应。也可反过来，使得可以以底板加速度数据作为输入，以反应物料加速度作为输出，分析频率响应。虽然频率响应会显得不同，不过应理解频率响应分析通常能够将相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关联。

幅度曲线图200A表示相对于频率的Acc_bp与Acc_rm的幅度比（dB），相位曲线图250A表示相对于频率的相位（度）。如在幅度曲线图200A中所示，在斜率约40dB/dec的部分202，幅度比随着频率的增大而增大。随后在底板（70）和大地之间的共振频率下，幅度比达到转折点204。转折点204之后，幅度比变平成斜率为0dB/dec的部分206。相位曲线图250A中的相位从0°转变成-180°。在共振频率254下，相位预计为-90°。

在频率响应中，转折点204由耦合的大地系统（120；图3-4）中的M_g、K_g和D_g的值定义。随后的稳定部分206由耦合系统（110；图3-4）的k_c1、k_c2、D_c1和D_c2的值定义。知道以反应物料加速度Acc_rm作为输入，以底板加速度Acc_bp作为输出的频率响应的这种理论性质，可以比较源于实测数据的实际测量的频率响应和公开的大地模型100，以得出耦合振动器的大地滤波器150的M_g、K_g、D_g、k_c1-2、D_c1-2的值。

为此，图6B表示与利用公开的大地模型100的模型数据212相比的利用示例的振动器测量数据214的测量的频率响应。在这些频率响应中，反应物料加速度数据Acc_rm再次被用作输入信号，并且底板加速度数据Acc_bp被用作响应于输入信号的输出。

对于测量的频率响应曲线214/254，已利用记录器（90）在标准振动器（30）上测量和记录了底板和反应物料加速度Acc_bp和Acc_rm。随后比较图6B中的测量的频率响应曲线214/254和由利用公开的大地模型100的模型数据产生的模型频率响应曲线212/252。

随后，通过对在测量的数据214中看到的测量的频率响应连续建模，获得大地模型滤波器150中的变量（M_g、K_g、D_g）的值。在幅度曲线图200B中，表示了测量的和模型数据曲线212/214的幅度比谱。在相位曲线图250B中，表示了对应的相位谱曲线262/264。曲线图200B/250B表明模型数据曲线212/262追踪测量的曲线214/264。据此，可以看出利用公开的大地模型100捕获了主要的动态运动，尽管在这些曲线图中能看见一些差异。

在幅度比和相位谱曲线图200B/250B中，第一区域204/254表示由底板（30）和耦合的大地系统110产生的主共振，它对应于底板（30）的挠曲。在幅度比和相位谱曲线图200B/250B中，第二区域206/256图解说明由耦合系统110产生的动态模式。

根据所述对频率响应的理解，能够得出耦合振动器的大地滤波器150的值。图7表示本公开的用于得出耦合振动器的大地滤波器150的处理300。

首先，获得来自勘测的记录数据（方框302）。如上所述，该数据包括利用如图3中的阵列（12）中的传感器（22）获得的地震信号。同样地，该数据包括导频信号（T_ref）和加权和地面力（W_s-gf），所述加权和地面力（W_s-gf）包括反应物料和底板加速度Acc_bp和Acc_rm。

反应物料（50）和底板（70）的加速度数据Acc_bp和Acc_rm被输入地面力模型100中的系统的传递函数（即，G₁（s）、G₂（s）和G₃（s））中（方框304）。（如前所述，与耦合状况相关的动态运动被记录和嵌入底板加速度数据ACC_BP中。另外，振动器的致动器系统的运动被记录和嵌入反应物料加速度数据Acc_RM中）。

随后根据对系统100的频率响应（与图6A-6B中一样）以及传递函数G₁（s）、G₂（s）和G₃（s）的认识获得大地模型100的变量的有用信息。特别地，从传递函数G₁（s）、G₂（s）和G₃（s）提取描述捕获的地面力系统120的变量（方框306）。这些变量包括M_g、K_g和D_g。对给定振动器来说，这些变量的值通常已知，并且预计在某个目标范围内。然而，给定振动器的操作的动态性质，这些值动态变化。利用传递函数G₁（s）、G₂（s）和G₃（s）以及数值分析，能够得出变量M_g、K_g和D_g的适当值。特别地，这些变量M_g、K_g和D_g管理图6B的频率响应中的第一转折点204/254。通过利用多项式拟合，随后可以从频率响应的第一区域得到这些变量M_g、K_g和D_g的值。

另外，从系统的传递函数提取描述耦合系统110的变量（方框308）。这些变量包括kc_1-2和Dc_1-2。对给定振动器来说，这些变量kc_1-2和Dc_1-2的值通常已知，并且预计在某个目标范围内。然而，给定振动器的操作的动态性质，这些值动态变化。利用传递函数G₁（s）、G₂（s）和G₃（s）以及数值分析，能够得出变量kc_1-2和Dc_1-2的适当值。特别地，这些变量kc_1-2和Dc_1-2管理图6B的在转折点204/254之后的频率响应中的第二区域206/256。通过利用多项式拟合，随后能够从大地模型100的频率响应的第二区域得到这些变量kc_1-2和Dc_1-2的值。

此时，变量M_g、K_g、D_g、kc_1-2和Dc_1-2的得出值以及底板的质量M_BP被输入变换函数，从而将传递函数G₁（s）、G₂（s）和G₃（s）变换到频域。利用标准数学技术，具有提取的变量的大地模型随后被变换到频域（方框310），使得能够计算所需的耦合振动器的大地模型滤波器150（方框312）。

E.利用滤波器的数据处理

图8表示利用本公开的耦合振动器的大地滤波器150的处理350。典型地，图3的阵列（12）和记录器（90）从勘测获得记录的数据，如前所述（方框352）。在某个时刻，地震数据（92）将由数据处理系统（98）处理。为了改善利用数据处理系统（98）产生的后续成像，该系统利用本公开的耦合振动器的大地滤波器150，用大地滤波器系统（94）对原始地震数据（92）滤波（方框354）。

改良的数据（96）随后可被提供给数据处理系统（98）。数据处理系统（98）又可通过利用滤波后的导频参考信号（滤波后的T_ref）或者滤波后的加权和地面力（滤波后的W_s-gf），使用其相关处理器互相关勘测数据（方框356）。系统（98）随后可输出互相关结果，所述互相关结果随后可用于成像用途（方框358）。

F.分析和结果

如在图5中所述，当输入102（导频扫描T_ref或者加权和地面力W_s-gf）被注入耦合振动器的大地滤波器150时，使所述输入102通过与振动器的底板系统105、耦合系统110和弹性耦合的大地系统120对应的传递函数。这意味输入102（导频扫描或加权和地面力）将顺序被这些系统（105、110、120）滤波。耦合振动器的大地滤波器150的输出104变成滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）或者滤波后的加权和地面力（滤波后的W_s-gf），该输出104是振动器30对深层大地（130）的预期输入。换句话说，利用输入102（导频扫描或加权和地面力）与输出104（滤波后的导频扫描或滤波后的加权和地面力）之间的互相关函数产生的子波将指示传播通过深层大地130的精确子波。除了时移之外，它应与井下子波同相。

为了测试结果，图9中的图400绘出来自6个井下地震检波器的振幅谱402，和来自滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）的振幅谱404。井下地震检波器谱402是利用由在20秒内从2Hz到160HZ的线性扫描驱动的标准振动器记录的。该线性扫描（导频扫描）也被记录。从200英尺（60.96m）到1000英尺（304.8m），每隔200英尺（60.96m）选择在图9中绘出的井下地震检波器谱402。

通过使导频扫描通过耦合振动器的大地滤波器150，获得滤波后的导频扫描谱404。注意到滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）的振幅谱404很好地匹配来自6个井下地震检波器的振幅谱402。这指出滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）在下行子波中。此外，耦合振动器的大地滤波器150确实看来精确地描述由振动器（30）、底板（70）和耦合的大地之间的耦合状况，和耦合的大地系统（120）引起的滤波效果。

图10中的曲线图410提供另一个例子，表示两个子波412/414的比较。一个子波414由原始导频扫描和1000英尺（304.8m）井下地震检波器数据之间的互相关产生。补偿此子波414的时延，以提供更好的比较。另一个子波412是导频扫描（T_ref）和滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）之间的互相关函数的结果，在图10中，它被标记为耦合振动器的大地模型数据412。这两个子波412/414很好地匹配。两个子波412/414的相似性进一步证实本公开的耦合振动器的大地模型100是合理的模型，并且每个子模型110、120等可用于代表它自己的系统。

标准可控震源理论指出，远场质点速度与真实地面力的时间微分成比例。同样，该理论建立在大地被看作各向同性的同质弹性体的假设之上。如上证明的一样，深层大地可被认为是相对同质的弹性体130，至少在P波方向上。不过，图4-5的耦合的大地系统120无疑不是同质体。于是，应稍微修改标准可控震源理论，以考虑到更逼真的情形。远场质点速度与深层大地130的输入成比例，所述输入是导频扫描（T_ref）或者加权和地面力（W_s-gf）在通过耦合振动器的大地模型滤波器150之后的输出104。

图11A-11B描述通过利用导频扫描（T_ref）的衍生物，以及滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）产生的子波的比较。在图11A的曲线图420中，子波422/424是利用标准振动器建模获得的。在图11B的曲线图430中，子波432/434是从本公开的改进的振动器建模获得的。通过使导频扫描（T_ref）的衍生物和1000英尺（304.8m）井下地震检波器轨迹互相关，产生曲线422/432。曲线424/434是滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）和1000英尺（304.8m）井下地震检波器轨迹之间的互相关函数的结果。图11A-11B清楚地证明当使滤波后的导频扫描（滤波后的T_ref）与井下地震检波器数据互相关时，能够获得零相位子波。

图12A-12B描述表示耦合振动器的大地模型100能够说明在由耦合振动器的大地系统引起的可控震源子波中看到的滤波效果的另一个典型例子。这些曲线图440/450描述通过利用加权和地面力（W_s-gf）的衍生物，以及滤波后的加权和地面力（滤波后的W_s-gf）获得的子波。在图12A的曲线图440中，子波442/444是利用标准振动器建模产生的。在图12B的曲线图450中，子波452/454是通过利用改进的振动器建模产生的。同样，当使加权和地面力（W_s-gf）的衍生物与1000英尺（304.8m）井下地震检波器轨迹互相关时，产生子波442/452。另一个子波444/454由滤波后的加权和地面力（滤波后的W_s-gf）与1000英尺（304.8m）井下地震检波器轨迹的互相关产生。

图12A-12B表示当滤波后的加权和地面力（滤波后的W_s-gf）被用于与井下地震检波器数据互相关时，能够获得零相位子波。可注意到与图11A-11B中的子波相比，图12A-12B中的子波稍微延迟。这种微小的延迟起因于导频扫描（T_ref）和加权和地面力（W_s-gf）之间的相位误差。

为了证明图4中所示的耦合振动器的大地模型100的有效性，和确定图5中所示的耦合振动器的大地滤波器150的鲁棒性，在与井下地震检波器地点完全不同的区域中进行另一个实验测试。图13表示比较在利用标准振动器建模的实验测试中记录的数据的振幅谱460。曲线462产生自与振动器底板（70）相隔1m布置的地表地震检波器。曲线462代表地表地震检波器所位于的质点的速度功率谱。谱460是在除去地震检波器响应之后计算的。

由于底板加速计被安装在底板支柱结构的上部横梁上，因此利用底板加速计记录的信号需要物理通过底板（70）、耦合系统（110）和耦合的大地系统（120），以便与耦合的大地系统（120）中的任何节点连接。另外，由于地表地震检波器记录质点速度，因此将底板加速度转换成底板速度更有意义。于是，另一条曲线464是根据从耦合振动器的大地滤波器150输出的数据计算的，其中滤波器150的输入是底板速度，所述底板速度是通过求底板加速度的积分获得的。

可以看出，通过利用底板加速度获得的振幅谱460中的曲线464紧密地匹配通过利用地表地震检波器轨迹产生的振幅谱。图13指出耦合振动器的大地模型100能够模拟由底板170及其邻近地区引起的滤波效果。此外，图13证明耦合的大地是震源的一部分。

本公开的各个部分可以利用一般在各种介质上编码的逻辑、软件或代码实现，所述各种介质包括（但不限于）计算机可读介质、机器可读介质、程序存储介质或计算机程序产品。这样的介质可用具有处理器的计算设备处理、读取、感测和/或解释。本领域的技术人员会理解这样的介质可以采取各种形式，比如卡、磁带、磁盘（例如，软盘或硬盘驱动器）和光盘（例如，压缩光盘只读存储器（“CD-ROM”）或者数字通用盘（“DVD”））。应理解给出的实现只是示例性的，并不限制本公开。

例如，图14表示可按照本公开使用的地球物理信息处理系统500。在利用地球物理信息收集器，比如如上所述并在图3中所示的收集器或记录器90收集之后，地球物理信息可被地球物理信息处理系统500接收。信息收集器90可包括在图14中所示的组件的一种或多种或任意组合。在一个例子中，地球物理信息处理系统500可包括一个或多个处理设备，比如具有存储设备510的计算机520。计算机500可以是（但不限于）膝上型计算机、桌上型计算机、大型机等。计算机520可以通过任何已知的接口与存储设备510通信，用于将信息输入计算机520的接口可以是任何可接受的接口。例如，接口可包括网络接口530的使用。

存储设备510可以是具有计算机可读介质的任何有用的存储设备。用于实现这里说明的方法的指令可保存在计算机520中的计算机可读介质上，或者可保存在外部存储设备上。

这里使用的成像包括地下结构的任何表示，包括（但不限于）图形表示、数学或数值表示、带状图或者表示地下结构的任何其它处理输出。这里使用的地球物理信息意味与地质体的位置、形状、范围、深度、内容、种类、性质和/或数量相关的信息。地球物理信息包括（但未必限于）海洋和陆地地震信息。地震信息包括（但不限于）以下的一个或多个或者任意组合：模拟信号、数字信号、记录的数据、数据结构、数据库信息、与地表地质学相关的参数、震源类型、震源位置、接收器位置、接收器类型、震源活动的时间、震源持续时间、震源频率、能量振幅、能量相位、能量频率、波加速度、波速和/或波方向。

可以利用例如如上所述，并且示于图3中的系统，用监测地震活动的传感器收集地震信息。地震活动起因于活动能量源，包括振动器设备。传感器可包括地震检波器、加速计、压力传感器、单分量传感器和/或多分量传感器。

优选实施例和其它实施例的上述说明并不意图限制或约束申请人构思的发明原理的范围或适用性。受益于本公开，应理解在所公开的主题的任何其它实施例或方面中，可以单独地，或者与任何其它所述特征结合地利用所公开的主题的任何实施例或方面。

作为公开包含于此的发明原理的交换，申请人要求由附加的权利要求给予的所有专利权。于是，附加的权利要求意图最大程度地包括在以下权利要求或其等同物的范围内的所有修改和变更。

Claims (19)

1.一种地震数据处理方法，包括：

获得地震能量源的反应物料加速度数据；

获得所述源的底板加速度数据；

获得响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据；

通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量；

利用大地模型和导出的变量，对指示所述源的操作的源信号进行滤波；和

使滤波后的源信号可用于所述一个或多个地震传感器的数据中的地震数据的处理，

其中导出大地模型的变量包括：利用根据所述源的底板的质量值M_bp、代表地表介质的粘度的阻尼值D_c和代表所述大地模型的接触刚度的刚度值K_c的第一变换函数对所述大地模型中的所述源的底板系统建模。

2.按照权利要求1所述的方法，其中获得反应物料加速度数据包括获得与所述源的反应物料相关的加速计的读数。

3.按照权利要求1所述的方法，其中获得底板加速度数据包括获得与所述源的底板相关的加速计的读数。

4.按照权利要求1所述的方法，其中获得反应物料和底板加速度数据包括从与所述源相关的记录器接收反应物料和底板加速度数据。

5.按照权利要求1所述的方法，其中获得一个或多个地震传感器的地震数据包括从与所述一个或多个地震传感器相关联的记录器接收所述地震数据。

6.按照权利要求1所述的方法，其中导出大地模型的变量包括根据由频率响应指出的共振频率，导出所述大地模型的捕获的大地的质量、粘度和刚度。

7.按照权利要求1所述的方法，其中导出大地模型的变量包括根据频率响应中大于共振频率的频率，导出所述底板和大地之间的耦合的粘度和刚度。

8.按照权利要求1所述的方法，其中对源信号进行滤波包括对所述源的加权和地面力进行滤波。

9.按照权利要求8所述的方法，其中所述加权和地面力包括与第二力相加的第一力，所述第一力由所述源的反应物料的质量乘以所述反应物料加速度数据定义，所述第二力由所述源的底板的质量乘以所述底板加速度数据定义。

10.按照权利要求1所述的方法，其中对源信号进行滤波包括对所述源的导频信号进行滤波。

11.按照权利要求1所述的方法，还包括使地震数据与滤波后的源信号相关。

12.按照权利要求1所述的方法，其中所述第一变换函数包括：

$G_1\left(s\right)=\frac{M_{bp}{s}^2+D_{c}s+K_c}{s^2}.$

13.一种地震数据处理方法，包括：

获得地震能量源的反应物料加速度数据；

获得所述源的底板加速度数据；

获得响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据；

通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量；

利用大地模型和导出的变量，对指示所述源的操作的源信号进行滤波；和

使滤波后的源信号可用于所述一个或多个地震传感器的数据中的地震数据的处理，

其中导出所述大地模型的变量包括：利用根据代表地表介质的粘度的阻尼值D_c和代表所述大地模型中的源的耦合系统的接触刚度的刚度值K_c的第二变换函数对所述大地模型中的源的所述耦合系统建模。

14.按照权利要求13所述的方法，其中所述第二变换函数包括：

$G_2\left(s\right)=\frac{D_c{s}^2+2D_c{K}_{c}s+-K_c^2}{s^2}.$

15.一种地震数据处理方法，包括：

获得地震能量源的反应物料加速度数据；

获得所述源的底板加速度数据；

获得响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据；

通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量；

利用大地模型和导出的变量，对指示所述源的操作的源信号进行滤波；和

使滤波后的源信号可用于所述一个或多个地震传感器的数据中的地震数据的处理，

其中导出大地模型的变量包括：利用根据捕获的大地的质量值M_g、代表捕获的大地的接触粘度的阻尼值D_g和代表捕获的大地的接触刚度的刚度值K_g的第三变换函数对所述大地模型中的源的耦合的大地系统建模。

16.按照权利要求15所述的方法，其中所述第三变换函数包括：

$G_3\left(s\right)=\frac{1}{M_g{s}^2+D_{g}s+K_g}.$

17.一种地震数据处理方法，包括：

获得地震能量源的反应物料加速度数据；

获得所述源的底板加速度数据；

获得响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据；

通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量；

利用大地模型和导出的变量，对指示所述源的操作的源信号进行滤波；和

使滤波后的源信号可用于所述一个或多个地震传感器的数据中的地震数据的处理，

其中通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量包括：对所述频率响应中低于底板和大地的共振频率的第一区域应用曲线拟合，以导出代表大地模型中的捕获的大地的质量的质量值M_g、代表捕获的大地的接触刚度的刚度值K_g和代表捕获的大地的接触粘度的阻尼值D_g。

18.一种地震数据处理方法，包括：

获得地震能量源的反应物料加速度数据；

获得所述源的底板加速度数据；

获得响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据；

通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量；

利用大地模型和导出的变量，对指示所述源的操作的源信号进行滤波；和

使滤波后的源信号可用于所述一个或多个地震传感器的数据中的地震数据的处理，

其中通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量包括：对所述频率响应中高于所述源的底板和大地的共振频率的第二区域应用曲线拟合，以导出代表地表介质的粘度的阻尼值D_c和代表接触刚度的刚度值K_c。

19.一种地震数据处理系统，包括：

用于获得地震能量源的反应物料加速度数据的装置；

用于获得所述源的底板加速度数据的装置；

用于获得响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据的装置；

用于通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量的装置；

用于利用大地模型和导出的变量，对指示所述源的操作的源信号进行滤波的装置；和

用于使滤波后的源信号可用于所述一个或多个地震传感器的地震数据的处理的装置，

其中导出大地模型的变量包括：利用根据所述源的底板的质量值M_bp、代表地表介质的粘度的阻尼值D_c和代表所述大地模型的接触刚度的刚度值K_c的第一变换函数对所述大地模型中的所述源的底板系统建模。