CN103282795A - 产生微地震现象和以非线性声波相互作用描述介质性质特征的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于在介质中从非线性相互作用产生微地震现象以便描述所述介质的特征的方法和系统。所述方法包括：由第一声源(S1、12)产生包含排列为时间序列的第一多个脉冲的第一编码声信号，每个脉冲都包含在中心频率的被调制信号；以及由第二声源(S2、14)产生包含排列为时间序列的第二多个脉冲的第二编码声信号，其中，每个脉冲都包含被调制信号并且所述第二多个脉冲中的每个脉冲内所述被调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲中的对应脉冲的被调制信号的中心频率的选定分数d。所述方法进一步包括由接收器(R)接收包括在所述混合区中由非线性过程从所述第一声信号和所述第二声信号产生的第三信号的检测信号；由处理器对所接收的信号进行数据处理，或与编码信号模板相关，或者兼而有之，以提取噪音之上或由线性相互作用过程产生的信号之上，或者兼而有之，由所述非线性混合过程产生的第三信号，以获得在所述混合区中发生的仿真的微地震现象信号；以及根据所述仿真的微地震现象信号，描述所述介质性质的特征或产生所述介质性质的3D图像，或者兼而有之。

Description

产生微地震现象和以非线性声波相互作用描述介质性质特征的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月12日提交的美国专利申请序列号61/413,173的利益，其全部内容在此引用作为参考。

政府权利

本发明受到在美国能源部授予的合作研究与开发协议（CRADA）下的政府支持。美国政府可以享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及在介质的目标体内产生微地震现象和在该介质中产生非线性声波相互作用信号以描述介质性质特征的方法和系统。

背景技术

探询物质或介质的常规方法和系统一般基于声波与该物质或介质的线性相互作用。为了研究岩层中声波的非线性相互作用，已经实施了地球物理界的某些方法和技术，但是每种都有其自身的局限。涉及由介质中线性相互作用使散射波场在时间上反向传播的逆时技术也已经用于使波场向回聚焦到介质中充当微地震源的点。

所以，仍然需要探询物质的非线性性质的方法和系统，为了仿真发源于介质中非线性相互作用的若干位置的微地震源，使用介质中的非线性声波相互作用，提供物质或介质的非线性性质的增强的多维图像信息。

发明内容

本公开的一方面是提供用于在介质中从非线性相互作用产生微地震现象以便描述所述介质的特征的方法。所述方法包括：由第一声源产生包含排列为时间序列的第一多个脉冲的第一编码声信号，所述第一多个脉冲在时间上分开，每个脉冲都包含在中心频率的被调制信号，其中两个相继脉冲的中心频率不同；由第二声源产生包含排列为时间序列的第二多个脉冲的第二编码声信号，所述第二多个脉冲在时间上分开，其中两个相继脉冲的中心之间的时间分离与所述第一多个脉冲中两个对应脉冲的中心之间的时间分离相同，其中在传播所述第二多个脉冲的起始时间与传播所述第一多个脉冲的起始时间之间提供了起始时间差，其中每个脉冲都包含被调制信号并且所述第二多个脉冲中的每个脉冲内所述被调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲中的对应脉冲的被调制信号的中心频率的选定分数d；其中所述第一声源和所述第二声源是可控的，使得所述第一声信号和所述第二声信号的轨迹在所述介质内的混合区中相交。所述方法进一步包括由接收器接收包括在所述混合区中由非线性过程从所述第一声信号和所述第二声信号产生的第三信号的检测信号；由处理器对所接收的信号进行数据处理，或与编码信号模板相关，或者兼而有之，以提取噪音之上或由线性相互作用过程产生的信号之上，或者兼而有之，由所述非线性混合过程产生的第三信号，以获得在所述混合区中发生的仿真的微地震现象信号；以及根据所述仿真的微地震现象信号，描述所述介质性质的特征或产生所述介质性质的3D图像，或者兼而有之。

本公开的另一方面是提供用于在介质中从非线性相互作用产生微地震现象以便描述所述介质的特征的系统，所述系统包括：第一声源，被配置为产生包含排列为时间序列的第一多个脉冲的第一编码声信号，所述第一多个脉冲在时间上分开，每个脉冲都包含在中心频率的被调制信号，其中两个相继脉冲的中心频率不同；以及第二声源，被配置为产生包含排列为时间序列的第二多个脉冲的第二编码声信号，所述第二多个脉冲在时间上分开，其中两个相继脉冲的中心之间的时间分离与所述第一多个脉冲中两个对应脉冲的中心之间的时间分离相同，其中在传播所述第二多个脉冲的起始时间与传播所述第一多个脉冲的起始时间之间提供了起始时间差，其中每个脉冲都包含被调制信号并且所述第二多个脉冲中的每个脉冲内所述被调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲中的对应脉冲的被调制信号的中心频率的选定分数d。所述第一声源和所述第二声源是可控的，使得所述第一声信号和所述第二声信号的轨迹在所述介质内的混合区中相交。所述系统也包括接收器，被配置为接收包括在所述混合区中由非线性过程从所述第一声信号和所述第二声信号产生的第三信号的检测信号。所述系统进一步包括处理器，被配置为对所接收的信号进行数据处理，或与编码信号模板相关，或者兼而有之，以提取噪音之上或由线性相互作用过程产生的信号之上，或者兼而有之，由所述非线性混合过程产生的第三信号，以获得在所述第一声信号和第二声信号的混合区中发生的仿真的微地震现象信号，以便基于所述仿真的微地震现象信号，描述所述介质性质的特征或产生所述介质性质的3D图像，或者兼而有之。

参考附图（其全部形成本说明书的一部分，其中相同附图标记指明多个图中对应的部分）考虑了以下说明和附带的权利要求书后，本发明的这些和其他目的、特点和特征，以及相关构造元素的操作方法和功能以及部件的组合和制造节约措施将变得更显然。不过，应当明确地理解，这些附图仅仅是为了展示和说明，而不试图作为限制本发明的定义。正如在说明书和权利要求书中的使用，单数形式的“某”和“所述”包括了复数对象除非语境清楚地另外规定。

附图说明

图1是根据本发明的实施例，在介质中产生非线性相互作用的遥感系统声学探测的示意图；

图2显示了根据本发明的实施例，由第一源产生的第一声信号、由第二源产生的第二声信号以及在非线性混合区中的第一声信号与第二声信号的非线性混合产生的第三声信号；

图3a示意地描绘了根据本发明的实施例，第一和第二声源以及接收器阵列的位置；

图3b显示了根据本发明的实施例，通过非线性相互作用产生的、从两个脉冲序列的传播、在接收器阵列的六个接收器接收和记录的计算机仿真信号；

图3c描绘了根据本发明的实施例，在接收器阵列用于提取相关信号的模板信号；

图3d显示了根据本发明的实施例，在每个所考虑接收器，图3c所示模板信号与图3b所示的记录或测出信号之间相关过程的结果；

图4a和图4b分别显示了根据本发明的实施例，来自第一声源和第二声源的编码信号；

图5a显示了根据本发明的实施例，在接收器阵列的6个接收器记录的包含噪音的仿真接收信号；

图5b显示了根据本发明的实施例，模板信号的实例；

图5c显示了根据本发明的实施例，当图5a所示的含噪信号与图5b所示的编码模板信号相关时，从相同接收器上的含噪信号恢复的信号；

图6显示了根据本发明的实施例，在介质具有不变的传播声速但是可变的非线性地下参数时，在包含第一声源和第二声源的平面中，对于第一声信号与第二声信号之间的起始时间差δ和频率比值d的配对（δ，d），定位混合区Mc（δ，d）的位置；

图7描绘了根据本发明的实施例，第一声源是产生声波的源而第二声源产生圆锥形声传播的情形。

具体实施方式

根据本发明的某些方面，具有非线性声波探测的基本遥感系统通常包括位于两个空间分离位置的两个声源S1和S2，以及声波检测器或在不同位置的声波检测器的阵列。这两个声源S1和S2被配置为产生原始声波或声波射束，在要被调查的介质中的多个位置相交。所述检测器被配置为接收由两个原始声波与介质的非线性相互作用所产生的第三声波。相互作用体然后可以被视为第三声波的源。两个原始波可以是或者压缩或者剪切声波或声束。在本公开中，术语“声的”可以指P、SV或SH声模式。

在一个实施例中，有可能对来自声源S1和S2的声信号进行编码、检测该介质的非线性响应并在计算机上处理所检测到的非线性信号，以便产生带限的尖峰声信号，对来自介质中声源S1和S2的编码声波的非线性相互作用混合区发生的微地震现象进行仿真。这种带限的尖峰声信号在本文被称为源自非线性相互作用的仿真微地震现象。本公开的多个实施例介绍的方法和系统用于：

a)建立适合的源和接收器的测量配置以便远程地探测介质和检测介质的非线性响应；

b)对源信号进行编码；

c)在处理器上处理编码后的检测信号，以产生在检测器即接收器的测量响应，它们对应于介质中特定位置的仿真微地震现象，其中现象的强度正与介质的非线性性质成正比；以及

d)处理所仿真的微地震现象以产生介质的非线性性质和传播速度模型的三维（3D）图像。

正如在标题为“SYSTEM AND METHOD TO CREATETHREE-DIMENSIONAL IMAGES OF NON-LINEAR ACOUSTICPROPERTIES IN THE REGION REMOTE FROM THEBOREHOLE”的美国专利申请公开号US2010/0265795A1中的讨论，产生第三种波的两个原始声波之间的非线性相互作用由多个原始声波P、SV或SH的特定选择规则制约。非线性相互作用的一种具体模式是P+P→SV。这种模式将被用做实例讲解本公开多个实施例。不过，也能够等同地使用P、SV或SH的非线性相互作用的任何其他模式。

图1是根据本发明的实施例，在介质中产生非线性相互作用的遥感系统声学探测的示意图。遥感系统10包括第一声源12和第二声源14。第一声源（S1）12和第二声源（S2）14按距离1分开。该遥感系统进一步包括声检测器阵列16，它们关于第一声源12和第二声源14位于不同位置。尽管图1显示了声检测器阵列16，但是也能够使用一个或多个检测器。声检测器阵列16能够被移动到不同的位置。第一声源12和第二声源14被配置为分别产生声波或声束探针12A和14A。波12A和14A在要被调查的介质20的多个位置18相交。第三种波16A能够在声波12A和14A的相交地点18由介质20的非线性产生。

在一个实施例中，第一声源（S1）12和第二声源（S2）14被配置为产生编码的声信号。可以选择编码模式以实现介质内所期望的混合特征。

在一个实施例中，两个原始声波12A和14A的编码信号能够在介质20中混合，并且由非线性相互作用产生第三声波16A的继承的特定编码信号。来自介质20中非线性相互作用的编码返回信号16A的测量结果能够与模板编码信号进行相关，后者能够按照混合发生的区域中的非线性混合的选择规则计算出。这样的技术的实例能够在标题为“SYSTEM AND METHOD FOR INVESTIGATINGSUB-SURFACE FEATURES OF A ROCK FORMATION WITHACOUSTIC SOURCES GENERATING CODED SIGNALS”的美国专利申请中找到，它与本申请同时提交，其全部内容在此引用作为参考。

例如，给定声波12A与14A内原始编码声信号之间的适宜起始时间差δ，并且给定声波12A与14A内编码声信号的频率之间的频率比，从每个非线性相互作用区中产生的结果信号就对应于第三声波16A。可以对第三声波16A进行解码，例如通过相关处理技术，以隔离或发现源自或由非线性相互作用所产生的声脉冲信号。解码后的声脉冲信号能够被视为由在两个初始波12A和14A的波前相交处产生的仿真微地震现象所产生的频带有限的声信号。脉冲强度正比于相互作用区18的非线性性质以及初始波12A和14A的应变振幅的乘积。到接收器16的传播时间对应于从声源12或声源14到非线性相互作用区位置的传播时间与第三波16A从相互作用位置18到接收器16的传播时间之和。

图2显示了根据本发明的实施例，第一源S1产生的第一声信号u₁、第二源S2产生的第二声信号u₂以及在非线性混合区中第一声信号u₁和第二声信号u₂的非线性混合产生的第三声信号u₃。

在一个实施例中，第一声源S1以包括多个或一串声信号脉冲的u₁信号传播压缩（P）波（如平面波或射束波）。在一个实施例中，这多个声脉冲在时间上隔开使得不存在脉冲重叠。每个脉冲都具有在中心频率ω_m调制的声信号，其中m=1至M，而M是第一多个脉冲的脉冲个数。每个声脉冲都具有以给定持续时间的振幅包络。在整个信号传播期间，传播中心频率ω_m以固定时间间隔顺序地出现。

第二声源S2以包括多个或一串声信号脉冲的u₂信号传播压缩（P）波（如平面波或射束）。这第二多个u₂信号的声脉冲具有的脉冲中心之间的时间间隔与第一多个u₁信号的脉冲中脉冲中心之间的时间间隔相同。每个脉冲都具有在中心频率（d＊ω_m）调制的声信号，其中m=1至M，而M是第一多个脉冲的脉冲个数，并且d是对全体脉冲固定的频率比。每个声脉冲都具有以给定持续时间的振幅包络。正如能够被认识到，本文使用符号“＊”作为乘法算子。

在图2显示的传播编码信号的实施例中，显示了u1信号的多个脉冲中的头三个脉冲。第一声信号u₁被描绘为具有第一脉冲22A、第二脉冲22B和第三脉冲22C。第一脉冲22A在时间t₁产生。第一脉冲具有时间宽度或持续时间Δt₁。第一脉冲22A具有第一包络221A和其中具有第一中心频率ω₁的第一调制信号。第二脉冲22B在时间t₂产生。第二脉冲具有时间宽度或持续时间Δt₂。第二脉冲22B具有第二包络221B和其中具有第二中心频率ω₂的第二调制信号。第三脉冲22C在时间t₃产生。第三脉冲具有时间宽度或持续时间Δt₃。第三脉冲22C具有第三包络221C和其中具有第三中心频率ω₃的第三调制信号。在一个实施例中，例如图2所示，第一脉冲的第一包络、第二脉冲的第二包络和第三脉冲的第三包络是不同的。在一个实施例中，第一频率ω₁、第二频率ω₂和第三中心频率ω₃是不同的。不过，脉冲22A、22B和22C的包络可以相同。最初多个脉冲22A、22B和22C在时间上分开（t1不同于t2，t2不同于t3）。此外，两个相继脉冲例如22A和22B的中心频率（如，ω₁和ω₂）是不同的。尽管第一信号u₁在图2中被描绘为具有3个脉冲，但是能够认识到，第一声信号u₁能够具有一个或多个脉冲（即，m等于1至M个脉冲，其中M是等于或大于1的整数）。

第二压缩声源传播具有许多频率（d＊ω_m）的声信号，其中d是在与第一声信号u₁相同的固定时间间隔以某振幅包络和若干频率连续的全部m值的固定频率比。例如，如图2所示，第二声信号被描绘为具有第一声脉冲24A、第二声脉冲24B和第三声脉冲24C。第一脉冲24A在时间（t₁+δ）产生，其中δ是产生第一声信号与产生第二声信号之间的起始时间差。换言之，δ对应于传播第一多个脉冲22A、22B和22C的起始时间与传播第二多个脉冲24A、24B和24C的起始时间之间提供的起始时间差。第一脉冲24A具有第一包络241A和其中具有第一中心频率（d＊ω₁）的第一调制信号，其中d是第一声信号u₁中声脉冲22A、22B和22C内的调制信号分别与第二声信号u₂中声脉冲24A、24B和24C内的调制信号之间的频率比。第二脉冲24B在时间（t₂+δ）产生。第二声脉冲24B具有第二包络241B和其中具有第二中心频率（d＊ω₂）的第二调制信号。第三脉冲24C在时间（t₃+δ）产生。第三脉冲24C具有第三包络241C和其中具有第三中心频率（d＊ω₃）的第三调制信号。在一个实施例中，例如图2所示，第一声脉冲24A的第一包络、第二声脉冲24B的第二包络和第三声脉冲24C的第三包络是不同的。不过，脉冲24A、24B和24C的包络也能够相同。在一个实施例中，第一中心频率（d＊ω₁）、第二中心频率（d＊ω₂）和第三中心频率（d＊ω₃）是不同的。在第二多个脉冲中两个相继脉冲（如24A和24B）的中心之间的时间分离与在第一多个脉冲中两个相继脉冲（如22A和22B）的中心之间的时间分离相同。在一个实施例中，第一多个脉冲中两个相继脉冲（如22A和22B）的中心之间的时间分离能够大于每个脉冲的持续时间（即大于持续时间Δt₁和持续时间Δt₂）。尽管第二声信号u₂在图2中被描绘为具有3个脉冲，但是能够认识到，第二声信号u₂能够具有一个或多个脉冲（即m个脉冲，其中m是等于或大于1的整数）。

声信号u₁和u₂在数学上能够分别由以下关系（1）和（2）表示：

$u_1\left(t\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}E{1}_m(t-T_m)*\exp (i{\mathrm{\ω}}_m*(t-T_m))*\exp \left(i{\mathrm{\ζ}}_m\right)---\left(1\right)$

以及

$u_2(t-\mathrm{\δ})=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}E{2}_m(t-(T_m+\mathrm{\δ}))*\exp (\mathrm{id}*{\mathrm{\ω}}_m*(t-(T_m+\mathrm{\δ})))*\exp \left(i{\mathrm{\ζ}}_m\right)---\left(2\right)$

其中m是与脉冲相关联的索引号；

∑表示对索引m=1至M求和，M是等于或大于1的整数；

E1_m(t-t_m)是第一声信号u₁的脉冲m的振幅包络；

E2_m(t-t_m-δ)是第二声信号u₂的脉冲m的振幅包络；

ω_m是第一声信号u₁的脉冲m的调制信号的中心频率；

(d＊ω_m)是第二声信号u₂的脉冲m的调制信号的中心频率；

d是频率ω_m与频率d＊ω_m之间的频率比，其中d是正实数；

δ是产生第一声信号u₁与产生第二声信号u₂之间的起始时间差；

exp(iω_m(t-t_m)是第一声信号u₁的脉冲m内的调制信号；

exp(id＊ω_m(t-t_m-δ)是第二声信号u₂的脉冲m内的调制信号；

t_m是在第一声信号u₁中产生脉冲m的时间；

t_m+δ是在第二声信号u₂中产生脉冲m的时间；以及

exp(iζ_m)是在第一信号u₁或第二信号u₂内每个脉冲m的相位项。

在一个实施例中，两个相继脉冲m和m+1的频率ω_m和ω_m+1被选择为彼此不同，使得表示为（ω_m-ω_m+1）的频率ω_m与ω_m+1之间的差与ω_m相比不小。在一个实施例中，频率ω_m的范围很大，跨越一个或多个倍频程。在一个实施例中，两个相邻时间周期t1和t2之间的时间分离（t1-t2）大于脉冲m的持续时间Δt_m（其中m是等于或大于1的整数）。换言之，相继脉冲m与m+1之间的时间差（t_m+1-t_m）大于Δt_m（即Δt_m<<（t_m+1-t_m））并且相继脉冲m-1与m之间的时间差（t_m-t_m-1）大于Δt_m（即Δt_m<<（t_m-t_m-1））。

当第一声信号u₁与第二声信号u₂在一定的距离非线性混合时，非线性混合产生第三声信号u₃。第三声信号u₃包括一系列声脉冲，每个声脉冲都具有包络和调制信号。对于第m个脉冲，u₃信号中第m个脉冲的调制信号具有的中心频率等于第一声信号的调制信号的频率ω_m与第二声信号的调制信号的频率（d＊ω_m）之间的差，即（ω_m-d＊ω_m）或（(1-d)＊ω_m）。

例如，正如图2所示，第三声信号u₃被描绘为具有第一声脉冲26A、第二声脉冲26B和第三声脉冲26C。当产生第一声信号与产生第二声信号之间的起始时间差δ等于T₂与T₁之间的时间差时，在混合区产生这些脉冲26A、26B和26C，其中T₁是第一声信号u₁从第一声源S1到混合区中心的传播时间而T₂是第二声信号u₂从第二声源S2到混合区中心的传播时间。在时间t₁=T₁+T₃收到第一脉冲26A，其中T₃是从产生第三信号的混合区中心到接收器的传播时间。在一个实施例中，两个相继脉冲（如脉冲26A和26B）中心之间的时间分离与第一多个脉冲中两个对应相继脉冲（如22A和22B）中心之间的时间分离相同。

第一脉冲26A具有包络261A和其中具有第一中心频率(1-d)＊ω₁的第一调制信号。脉冲26A的包络比第一信号u₁中脉冲22A和第二信号u₂中脉冲22B的包络更宽。这第一中心频率(1-d)＊ω₁对应于第一信号u₁中第一脉冲22A的中心频率ω₁与第二信号u₂中第二脉冲24A的中心频率（d＊ω₁）之间的频率差。在时间t₂+T₁+T₃收到第二脉冲26B。第二脉冲26B具有包络261B和其中具有第二中心频率(1-d)＊ω₂的第二调制信号。脉冲26B的包络比第一信号u₁中脉冲22B和第二信号u₂中脉冲24B的包络更宽。这第二中心频率(1-d)＊ω₂对应于第一信号u₁中第二脉冲22B的中心频率ω₂与第二信号u₂中第二脉冲24B的中心频率（d＊ω₂）之间的频率差。在时间t₃+T₁+T₃收到第三脉冲26C。第三脉冲26C具有包络261C和其中具有第三频率(1-d)＊ω₃的第三调制信号。脉冲26C的包络比脉冲22C和脉冲24C的包络更宽。这个中心频率(1-d)＊ω₃对应于第一信号u₁中第三脉冲22C的中心频率ω₃与第二信号u₂中第三脉冲24C的中心频率（d＊ω₃）之间的频率差。所以，第三多个脉冲的每个脉冲（如脉冲26A、26B或26C）在接收器的到达时间相对于产生第一多个脉冲的对应脉冲（22A、22B或22C）有从第一声源到混合区的传播时间（T₁）与从混合区中心到接收器的传播时间（T₃）的总和的时间延迟。

从非线性介质内第一和第二信号的非线性相互作用产生的第三信号u₃能够由以下数学公式表示：

$u_3\&Proportional;\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}E{3}_m(t-(t_m+T_1+T_3))*\exp (i*(1-d)*{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-(t_m+T_1+T_3)))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)---\left(3\right)$

其中m是与每个脉冲相关联的索引号；

∑表示对索引m=1至M求和，M是等于或大于1的整数；

E3_m（t-t_m-T₁）是第三声信号u₃的脉冲m的振幅包络；E3_m是比E1_m和E2_m稍宽的包络函数，并且能够从E1_m和E2_m、ω_m、d以及混合区的尺寸算出；

（1-d＊ω_m）是第三信号u₃的脉冲m的调制信号的中心频率；

d是频率ω_m与频率d＊ω_m之间的频率比，其中d是正实数；

exp(i(1-d)*ω_m*(t-t_m-T₁-T₃))是第三声信号u₃的脉冲m内的调制信号；

t_m+T₁+T₃是收到第三信号u₃中脉冲m的时间；以及

exp(iζ_m)是在第三信号u₃内每个脉冲m的相位项。

在一个实施例中，对于P+P→SV，如果α是非线性混合区中第一信号12A的波前与第二信号14A的波前之间的夹角，正如图1所示，声波非线性相互作用的选择规则指示，两个主频（ω_m）和（d＊ω_m）（例如ω₁和d＊ω₁）之间将存在着特定的频率比d，能够产生频率等于主频ω_m与（d＊ω_m）之差的第三种波。给定第一声信号u₁和第二声信号u₂的波前之间的相交角度α，d满足以下等式（4）。

$\sin (\mathrm{\&alpha;}/2)=(1-d)\sqrt{{(\mathrm{Vp}/\mathrm{Vs})}^2-1}/\left(2\sqrt{d}\right)---\left(4\right)$

其中V_p和V_s是混合区的压缩波速度和剪切波速度。

在一个实施例中，当T₁–T₂=δ（即当第一声信号u₁的脉冲m到混合区中心的传播时间T₁与第二声信号u₂的脉冲m从第二声源S2到混合区中心的传播时间T2之间的时差T₁–T₂等于产生第一声信号u₁的脉冲m与产生第二声信号u₂的脉冲m之间的起始时间差δ时），并且第一声信号的脉冲m内的调制信号频率ω_m与第二声信号的脉冲m内的调制信号频率dω_m之间的频率比满足等式（4）时，两个编码的传播信号u₁和u₂的全部脉冲就完全对齐以产生具有图2所示编码信号的第三种波u₃。能够显示出，不存在强吸收Q传播效应时，第三种波是来自混合区Mc中心的有效传播，具有以下的等式（3）的继承的编码信号u₃。

例如，假若选择E1_m（t）和E2_m（t）为高斯函数，那么第一声信号u₁的脉冲m的振幅包络E1_m（t-t_m）和E2_m（t-t_m）能够由等式（5）表示。

E1_m(t-t_m)=E2_m(t-t_m)=exp(-(t-t_m)²/4(Δt_m)²)  (5)

并且振幅包络E3_m（t-t_m）能够由等式（6）表示。

E3_m(t-t_m)=exp(-(t-t_m)²/8(Δt_m)²)            (6)

如果混合区大。

如果不是T₁–T₂=δ条件不满足就是d不满足等式（4），每个脉冲的选择规则将不被满足。结果，产生的第三种波将减弱或衰减。应当注意，如果地球吸收Q效应大，将导致等式（3）中表示的产生的第三信号更加复杂。

如果T₁–T₂=δ并且d满足等式（4），在16的接收器R检测出的信号u₃(R,t)将是从混合区Mc中心发射的传播信号u₃(M_c,t)，它被时间延迟传播时间T₃。接收器的u₃(R,t)信号能够由等式（7）表示如下。

$u_3(R,t)\&Proportional;\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}E{3}_m(t-T_m-T_1-T_3))*\exp (i*(1-d)*{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-T_m-T_1-T_3)))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)---\left(7\right)$

如果u₃(R,t)是由以下等式（8）表示的与模板信号u_s(t)的互相关。

$u_s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{W}_m(t-T_m)*\exp (i*g\left({\mathrm{\&omega;}}_m\right)*(t-T_m))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)---\left(8\right)$

其中W_m(t)是选定或被挑选的包络而g(ω_m)是选定即被挑选的频率函数，正如在连续变频信号的标准信号处理中，结果信号将是在时间t=T₁+T₃出现的频带有限的尖峰，只要信号u₁和u₂组成了跨越频率范围ω_min和ω_max的ω_m的稠密集。带限的尖峰具有(1-d)＊ω_min和(1-d)＊ω_max的频率范围，或者一系列离散频率构成的频率分量，对应于(1-d)＊(ω1_m-ω2_m)的每个值，m=1至M。能够适当地选择等式（8）中的函数g(ω_m)。适当函数g(ω_m)的选择可以基于测量信号u₃内的预期调制信号的形状以实现最佳的非线性信号提取。g(ω_m)取决于频率分数d。例如，能够选择函数g(ω_m)使得g(ω_m)=(1-d)＊ω_m。不过，也能够选择其他函数。

带限的尖峰实际上是源自混合区在时间T₁发生的微地震现象的信号。来自混合区微地震现象的信号在时间T₃期间朝向接收器传播。接收器在时间T₁+T₃检测到信号。

相关后的测出信号具有以下性质。首先，相关信号包含锐利的带限尖峰，对应于在混合区的非线性相互作用，只要第一与第二原始编码信号之间的起始时间差δ等于从第一声源S1到混合区的传播时间T₁与从第二声源S2到混合区MZ（图3a所示）的传播时间T₂之间的时差，即δ=T₁–T₂。如果这个条件不满足，则相关信号被高度地抑制。其次，如果条件δ=T₁–T₂满足，带限的尖峰出现在相关信号上时间T，它等于从第一原始声源到混合区的传播时间与从混合区MZ到接收器阵列16内的接收器Ri的传播时间之和，正如图1所示，即T=T₁+T₃=δ+T₂+T₃。第三，延长编码信号串的持续时间，也就是（在第一信号u₁和第二信号u₂中）增加传播串中脉冲M的数量，提高了辨别噪声和信号的能力，因为噪声不具有模板信号u_s的形式。

图3b至图3d显示了从第一源S1和第二源S2发射编码信号串u₁(t)和u₂(t)的声波束情况所产生的数字模拟，包括具有高斯包络的序列声脉冲。在这个非限制实例中，使用了12个脉冲的编码信号，具有频率对（22,960Hz,14,920Hz）（24,960Hz,16,224Hz）（28,000Hz,18,200Hz）（30,280Hz,19,680Hz）（32,080Hz,20,852Hz）（34,820Hz,22,640Hz）（37,880Hz,24,620Hz）（40,000Hz,26,000Hz）（44,800Hz,29,120Hz）（48,720Hz,31,680Hz）（52,960Hz,34,440Hz）（57,600Hz,37,440Hz）。图4a和图4b分别显示了来自源S1和源S2的编码脉冲u₁(t)和u₂(t)。这些对之间的频率比d=ω₂/ω₁是常数0.65。两个信号串u₁和u₂之间的起始时间差δ被选择为等于（T₁–T₂）。在计算机上执行了由于两个编码波动串u₁和u₂的传播的非线性相互作用的数字模拟。图3b显示了在接收器阵列的六个接收器接收和记录的由于两个序列脉冲的传播的非线性相互作用的仿真的微地震现象信号。每个接收器R_i的索引从1到6并以其沿着接收器阵列以米计的距离显示在图3a中。图3c显示了返回编码信号的模板u_s。图3d显示了模板信号与每个所考虑的接收器记录的信号之间相关的结果。图3d显示的在每个接收器的相关信号结果呈现了非常锐利的带限尖峰。这种锐利的带限尖峰在时间T=T₁+T₃出现，其中T₁是从源S1到混合区MZ中心的传播时间而T₃是从混合区MZ中心到每个接收器Ri的传播时间。在一个实施例中，T₃对于每个接收器Ri是不同的，并且是图3d所示沿着接收器阵列相关尖峰时差的原因。

图3b至图3d所示的数字模拟清楚地展示了该编码模式的能力和效用。它允许计算机处理在接收器记录的信号以产生包含带限尖峰信号的相关记录，其强度与混合区MZ的非线性相互作用的强度成正比。带限尖峰的到达时间T等于从源S1到混合区MZ和回到接收器Ri的总传播时间。带限尖峰的振幅随着接收器的位置变化，最大值出现在某特定接收器，其位置取决于混合区MZ的非线性相互作用的散射角ψ。散射角ψ取决于在混合区MZ材料或介质的若干性质，如Vp/Vs速度比。应当注意，这种结果是编码模式的特征。使用高斯包络和连同若干模板的编码信号是非限制实例，用于展示编码模式及其特征的目的。为了按照分辨率和信噪比优化相关过程的性能，可以考虑u₁、u₂和u₃的变型，以响应由若干应用所强加的多项考虑因素。

在本公开的某些方面，原始声信号中的编码声信号也能够用于加强朝向接收器传播的非线性信号的振幅和聚焦，以及改进信号检测灵敏度和信噪比。图5a至图5c显示了把编码信号模式应用到由数值模拟产生的含噪时间序列信号的实例。含噪时间序列信号模拟了返回到井眼的信号，作为非线性相互作用的结果。在应用与编码模板的相关之前，向非线性模型中波传播的数值模拟产生的时间序列信号添加了高斯白噪，其振幅比非线性相互作用信号的振幅大10%。该配置类似于图3a所示的配置。图5a显示了在接收器阵列16的6个接收器记录的模拟的包含噪音的接收信号。图5c显示了与图5b所示的12个脉冲的编码模板u_s(t)相关时，从相同接收器上的含噪信号（在这种情况下是模拟的含噪信号）恢复的信号。从而显示出该编码模式有效地从非线性相互作用提取了信号并且使噪音最小，是用于野外应用的实用特征。

当S1和S2发射声波而不是声束时，表示为M(Ri,t)的、在介质中任何接收器Ri测出信号的编码和后来的相关的度量M(Ri,t)是介质中满足条件T₁–T₂=δ并且d满足等式（4）的所有点Mc的全部声脉冲之和。因此，对于每个时差和频率比(δ,d)对，都存在着满足条件T₁–T₂=δ并且d满足等式（4）的许多Mc点，表示为Mc(δ,d)。对于每个点i，等式M(Ri,t)都能够由下面的等式（9）表示。

$M(\mathrm{Ri},t)=\underset{\mathrm{Mc}(\mathrm{\&delta;},d)}{\mathrm{\&Sigma;}}A\left(\mathrm{Mc}\right)*\mathrm{WB}[t-T(S1,\mathrm{Mc})-T(\mathrm{Mc},\mathrm{Ri}),(1-d){\mathrm{\&omega;}}_{\min },(1-d){\mathrm{\&omega;}}_{\max }]---\left(9\right)$

其中A(Mc)是考虑了在Mc的传播效应和非线性混合强度的振幅因子；

其中∑表示对中心在Mc(δ,d)的全部混合区之和；

其中T(S1,Mc)是从源S1到特定Mc(δ,d)的传播时间；

其中T(Mc,Ri)是从特定Mc(δ,d)到接收器Ri的传播时间；以及

其中WB(t,ω_min,ω_max)是频率范围在ω_min与ω_max之间的带限尖峰。

因此如等式（9）所定义，解码的度量M(Ri,t)包括在介质中的若干位置Mc(δ,d)发生的许多微地震现象的多个测量结果，这些微地震现象在接收器Ri的接收时间对应于从S1到位置Mc(δ,d)和从位置Mc(δ,d)到接收器Ri的总传播时间。不过，应当注意，在对传播效应和混合运动学效应的校正之后，微地震现象的强度与微地震现象位置Mc(δ,d)的岩石的非线性性质成正比。

正如能够认识到，图2中所示的编码模式是对能够处理为仿真微地震现象的若干测量结果所允许的编码模式的仅仅一个实例。这种编码模式存在着许多变种。例如，在一个实施例中，每个频率的若干脉冲之间的周期能够随着指定的时间间隔而变，它们可以是随机的也可以是周期的。在一个实施例中，每个脉冲的振幅能够随着指定的值而变，它们可以是随机的也可以是周期的。在一个实施例中，信号的时间周期（即脉冲之间的时间周期）可以是可变。在一个实施例中，以脉冲调制的信号自身可以是一系列调制信号的合成或重叠，这些信号被安排在若干调制信号之间的可变的收听周期，以便例如增强仿真微地震现象的信噪比。正如能够认识到，能够以任何期望的方式分开地或结合地实施以上实施例以实现任何期望的编码模式。

图6显示了根据本发明的实施例，在介质具有不变的声传播速度但是变化的非线性地下参数时，包含第一声源S1和第二声源S2的平面中的若干地点Mc(δ,d)的位置。常数δ的若干点的轨迹是在包含源S1和源S2的平面中垂直导向的双曲线。以不变频率比d的若干点的轨迹界定了多个圆C_d。圆C_d的中心在S1到S2线段的平分线上。这些圆穿过同一平面中的点S1和S2。所以，对于每个(δ,d)对，在Mc(δ,d)平面中都精确地存在着两个点（如P₁和P₂）。通过环绕S1S2轴旋转该平面，能够把Mc(δ,d)的轨迹界定为某个圆C(δ,d)，对每个(δ,d)对都有中心在S1S2轴上。如果扫描了(δ,d)对的一切值，就能够产生围绕S1S2线的介质体空间中所有位置的微地震现象。

能够看出，放松了常声速的假设时，由于传播效应，如射线弯曲和波前复杂性，Mc(δ,d)的轨迹会更复杂。不过，无论非线性介质内如何复杂（如不同的波前速度等），利用以上介绍的度量和编码模式，也能够仿真在来自两个源S1和S2的波前相交处发生的微地震现象。

在一个实施例中，如果S1和S2声源具有射束辐射模式,甚至能够进一步地使仿真的微地震现象局部化。图7描述了根据本发明的实施例，声源S1是用于产生辐射束的阵列源的情形。在一个实施例中，阵列源S1位于与S1S2轴正交。通过源单元的适当的起始时间差，阵列源S1能够产生对S1S2轴有特定倾斜的声波。例如源S1的声学波前被限制为圆锥体。正如图7所示，圆锥体的轴与S1S2轴正交。所以，仿真的微地震现象被限制到介质中的两个点M₁和M₂，在圆锥体与轨迹圆C(δ,d)的相交处，如图7所示。从而S1和S2的辐射束模式控制了介质中仿真的微地震现象能够发生之处。

在地震地震学中，通过假设介质的声学传播速度模型，能够对地震测量结果进行逆时运算。逆时模拟运算能够把声波重新聚焦回地震现象发源时间的峰值。在发源时间的聚焦能量峰值的强度随初始地震现象强度而变。一般概念的逆时在声学领域已经产生了许多应用。普通称为逆时偏移即RTM的一般逆时方法已经被应用到复杂介质中的成像，比如在油气勘探中（见George A.McMechan,Determination ofsource parameters by wavefield extrapolation,Geophysical Journal ofthe Royal Astronomical Society,Volume71,Issue3,pages613–628,December1982），其全部内容在此引用作为参考。

逆时方法能够被应用于以上段落中介绍的仿真的微地震测量结果。在本应用中，逆时运算能够把波聚焦回微地震现象发源之时之处（也就是，到以上段落中指出的位置Mc(δ,d)和时间T(S1,Mc)）。正如以上段落中的陈述，在发源时间的微地震现象的强度与微地震现象位置处的非线性性质成正比。所以，逆时运算能够用作确定发源点Mc(δ,d)处非线性性质相对值的工具。因此，如果对于全部(δ,d)对都对仿真的微地震现象进行了逆时运算，就能够使全部位置Mc(δ,d)处的非线性性质定量化。通过组合全部位置Mc(δ,d)处的非线性性质的值，就能够构建源S1和S2周围介质的非线性性质相对强度的三维（3D）图像。

在勘探地震学中的常规标准成像方法比如基尔霍夫、射束和波动方程偏移也能够修改并应用于本非线性声学相互作用，假设介质的传播速度模型，从仿真的微地震现象的测量结果形成介质非线性性质相对强度的3D图像。各个行业中公知的其他先进反演方法也能够被应用于仿真的微地震现象。

以下段落详细地介绍了对非线性介质中两个声波的非线性相互作用产生的仿真微地震现象使用基尔霍夫成像方法的实施例。

在一个实施例中，能够把仿真微地震现象表示为M(Ri,t)。对于介质中的每个给定点Mc，可以使用传播速度模型计算从相互作用区Mc到接收器阵列16的接收器Ri（如R1、R2等）的传播时间T(Ri,Mc)，以及从声源S1到接收器（如R1、R2等）的传播时间T(S1,Mc)。在一个实施例中，能够计算从源S1到相互作用区Mc的波传播振幅A(S1,Mc)、从源S2到相互作用区Mc的波传播振幅A(S2,Mc)以及从相互作用区Mc到接收器Ri（如R1、R2等）的射束传播振幅A(Mc,Ri)。非线性性质的图像值能够由以下等式（10）表示。

$I\left(\mathrm{Mc}\right)=\underset{\mathrm{Ri}}{\mathrm{\&Sigma;}}M(\mathrm{Ri},t=T(\mathrm{Ri},\mathrm{Mc})+T(\mathrm{Ri},S1))*\frac{1}{A(S1,\mathrm{Mc})}*\frac{1}{A(S2,\mathrm{Mc})}*\frac{1}{A(\mathrm{Mc},\mathrm{Ri})}---\left(10\right)$

在一个实施例中，可以将适当的小“噪声因子”引入到计算反演因子的等式（9）之中，如（1/A(S1,Mc)）以便基于标准的信号处理最佳实践使这些反演加权因子稳定。如果在Mc处存在着微地震现象，来自Mc处微地震现象的全部测量响应Ri的总和将是同相的，而在其他位置的全部其他微地震现象的贡献将不同相。所以，从等式（9）算出的I(Mc)仅仅包含来自Mc处微地震现象的信息。

等式（10）显示了如何能够从来自一对声源S1和S2的声波产生的仿真微地震现象构建3D图像。从不同位置的许多对声源S1和S2能够构建多个图像I(Mc;S1,S2)。如果传播速度模型正确，这些图像将必然相同。如果它们不同，传播速度模型中就存在着误差。这种自相容条件可以用于确定正确的传播速度模型以及在混合位置Mc的局部速度比Vp/Vs。

假设了初始传播速度模型以及混合位置Mc的局部速度比Vp/Vs比，就能够构建多个位置S1和S2的多个图像I(Mc;S1,S2)。通过速度层析成像方法能够对传播速度模型进行更新，以便使获得的（3D）图像I(Mc;S1,S2)的差异最小。在一个实施例中，更新过程可以迭代到获得的图像I(Mc;S1,S2)的差异最小。然后能够把多个图像I(Mc;S1,S2)结合以产生介质非线性性质的最终图像或局部速度比Vp/Vs，或者兼而有之。

在本公开的某些方面，以上介绍的数据采集、处理和成像能够用于进行时延观测。由例如应力、地层流体压力或饱和度变化所导致的非线性或速度比Vp/Vs的变化在d、δ、t空间中能够看到，从而可以近似地局部化而不需要变换为映射性质的复杂处理。

本文介绍的方法和系统能够应用于维持声波传播的任何介质。例如，本方法和系统能够应用于地震学、测井、医学超声成像、非破坏性测试和材料科学，比如但是不限于，定位扩散粘结样本中的损害。定位爆炸中的损害、定位骨骼中的损害、使合成物中的裂缝密度与非线性相关、定位固体块内部的非线性特征等。本方法和系统也能够用于材料的一般非线性非破坏性评估（NDE）。

此外，必须认识到，术语处理器在本文中用于包含一个或多个处理器。这一个或多个处理器能够被配置为实施本文介绍的方法或部分方法。这一个或多个处理器能够位于一台或多台计算机中，比如在分布式计算环境中。在某些实施例中，执行根据本发明实施例的方法的程序能够实施为计算机中的程序产品，比如个人计算机或服务器，或者包括多台计算机的分布式计算环境。在对处理器进行引用之处，该术语应当理解为包含这些计算布局的任何一种。计算机可以包括例如台式计算机、便携式计算机、手持计算设备。计算机程序产品可以包括使若干指令存储其上的计算机可读介质或存储介质，用于对计算机编程以执行以上介绍的方法。适宜的存储介质的实例包括任何类型的盘片，包括软盘、光盘、DVD、CD ROM、磁光盘、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、硬盘、闪存卡（如USB闪存卡）、PCMCIA存储卡、智能卡或其他介质。作为替代，一部分或整个计算机程序产品能够经由网络比如因特网、ATM网、广域网（WAN）或局域网从远程计算机或服务器下载。

尽管根据当前认为最实际和优选的实施例，为了展示目的已经详细介绍了本发明，但是应当理解，这样的细节仅仅为了该目的，而本发明不限于所公开的实施例，而是相反，意在覆盖附带的权利要求书的实质和范围内的修改和等效布局。作为进一步的实例，应当理解，本发明设想至可能的程度，任何实施例的一个或多个特征都能够与任何其他实施例的一个或多个特征结合。

Claims (35)

1.一种用于在介质中从非线性相互作用产生微地震现象以便描述所述介质的特征的方法，所述方法包括：

由第一声源产生包含排列为时间序列的第一多个脉冲的第一编码声信号，所述第一多个脉冲在时间上分开，每个脉冲都包含在中心频率的被调制信号，其中两个相继脉冲的中心频率不同；

由第二声源产生包含排列为时间序列的第二多个脉冲的第二编码声信号，所述第二多个脉冲在时间上分开，其中两个相继脉冲的中心之间的时间分离与所述第一多个脉冲中两个对应脉冲的中心之间的时间分离相同，其中在传播所述第二多个脉冲的起始时间与传播所述第一多个脉冲的起始时间之间提供了起始时间差，其中每个脉冲都包含被调制信号并且所述第二多个脉冲中的每个脉冲内所述被调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲中的对应脉冲的被调制信号的中心频率的选定分数d；

其中所述第一声源和所述第二声源是可控的，使得所述第一声信号和所述第二声信号的轨迹在所述介质内的混合区中相交;

由接收器接收包括在所述混合区中由非线性过程从所述第一声信号和所述第二声信号产生的第三信号的检测信号；

由处理器对所接收的信号进行数据处理，或与编码信号模板相关，或者兼而有之，以提取噪音之上或由线性相互作用过程产生的信号之上，或者兼而有之，由所述非线性混合过程产生的第三信号，以获得在所述第一声信号和第二声信号的混合区发生的仿真的微地震现象信号；以及

根据所述仿真的微地震现象信号，描述所述介质性质的特征或产生所述介质性质的3D图像，或者兼而有之。

2.根据权利要求1的方法，其中，产生所述第一编码声信号包括产生所述第一声信号，使得所述第一多个脉冲中两个相继脉冲的中心之间的时间分离大于每个脉冲的持续时间。

3.根据权利要求1的方法，其中，由所述非线性混合过程产生并在接收器接收的所述第三信号包括以时间序列到达并在时间上分开的第三多个脉冲，其中两个相继脉冲的中心之间的时间分离与所述第一多个脉冲中两个相继脉冲的中心之间的时间分离相同；

其中所述第三多个脉冲中的每个脉冲都包含被调制信号，该被调制信号的每个脉冲的中心频率都等于所述第一多个脉冲的对应脉冲的中心频率与所述第二多个脉冲的对应脉冲的中心频率之间的差；

其中所述第三多个脉冲的每个脉冲到达接收器的时间是相对于产生所述第一多个脉冲的对应脉冲延迟从所述第一声源到所述混合区中心的传播时间和从所述混合区中心到接收器的传播时间的总和的时间。

4.根据权利要求1的方法，进一步包括对起始时间差的范围和频率分数d的范围重复产生所述第一信号、产生所述第二信号、接收所述第三信号，和执行数据处理或与编码信号模板相关，或者兼而有之，以便从多个混合区产生的仿真微地震现象获得信号。

5.根据权利要求1的方法，其中，产生所述第一信号包括产生作为多个脉冲之和的第一信号，其中每个脉冲具有的信号振幅都等于包络函数与被调制信号函数的乘积；以及

其中产生所述第二信号包括产生作为多个脉冲之和的第二信号，其中每个脉冲具有的信号振幅都等于包络函数与被调制信号函数的乘积。

6.根据权利要求1的方法，其中，产生所述第一信号和所述第二信号包括产生第一信号u₁(t)和第二信号u₂(t)，形式如下：

$u_1\left(t\right)=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}E{1}_m(t-t_m)*\exp (i{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-t_m))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

以及

$u_2(t-\mathrm{\&delta;})=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}E{2}_m(t-(t_m+\mathrm{\&delta;}))*\exp (\mathrm{id}*{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-(t_m+\mathrm{\&delta;})))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

其中m是与脉冲相关联的索引号；

∑表示对索引m=1至M求和，M是等于或大于1的整数；

E1_m(t-t_m)是所述第一声信号u₁的脉冲m的振幅包络；

E2_m(t-t_m-δ)是所述第二声信号u₂的脉冲m的振幅包络；

ω_m是所述第一声信号u₁的脉冲m的调制信号的中心频率；

(d＊ω_m)是所述第二声信号u₂的脉冲m的调制信号的中心频率；

d是所述第一多个脉冲中所述频率ω_m与所述第二多个脉冲中所述频率d＊ω_m之间的频率比，其中d是正实数；

δ是产生第一声信号u₁与所述第二声信号u₂之间的所述起始时间差；

exp(iω_m*(t-t_m)是所述第一声信号u₁的所述脉冲m内的调制信号；

exp(id*ω_m(t-t_m-δ)是第二声信号u₂的所述脉冲m内的调制信号；

t_m是在所述第一声信号u₁中产生脉冲m的时间；

t_m+δ是在所述第二声信号u₂中产生脉冲m的时间；以及

exp(iζ_m)是在所述第一信号u₁或第二信号u₂内每个脉冲m的相位项。

7.根据权利要求1的方法，其中，由非线性混合过程产生的所述信号u₃(t)形式如下：

$u_3(R,t)\&Proportional;\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}E{3}_m\left(t-t_m-T_1-T_3)\right)*\exp (i*(1-d)*{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-t_m-T_1-T_3)))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

其中：

E3_m（t-t_m-T₁-T₃）是通过非线性混合所述第一信号和所述第二信号而产生的所述第三多个脉冲信号u₃的脉冲的包络；

exp(i*(1-d)*ω_m*(t-t_m–T₁-Τ₃))对应于所述第三多个脉冲信号中第m个脉冲内的第三调制信号；

(1-d)*ω_m是所述第三多个脉冲中第m个脉冲内的所述调制信号的频率，其是所述第一多个脉冲的第m个脉冲内的所述第一调制信号的中心频率ω_m与所述第二个多个脉冲的第m个脉冲内的所述第二调制信号的中心频率d＊ω_m之间的差；

d是选定的频率比；

t是所述信号时间；

R是接收器的标志或接收器的位置；

（T₁+T₃）是所述第三多个脉冲中第m个脉冲到达接收器的时间；以及

ζ_m是每个脉冲m的相位而exp(iζ_m)是每个脉冲m的相位项。

8.根据权利要求1的方法，进一步包括由所述处理器提取由所述非线性混合过程产生的信号，以便通过将所述检测信号与模板信号相关，从所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象获得所述信号，其中所述模板信号包括多个脉冲，其中所述模板信号中所述多个脉冲的中心之间的时间分离与所述第一声信号的多个脉冲中的中心之间的时间分离相同，并且其中在所述第三信号中所述多个脉冲的中心频率是第一声信号中所述多个脉冲的中心频率和所述频率分数d的函数。

9.根据权利要求8的方法，其中，进一步包括增大所述第一多个脉冲的数量和增大所述第二多个脉冲的数量，对噪音之上或由线性相互作用过程产生的信号，或者兼而有之，由所述非线性混合过程产生的第三信号增强分辨力。

10.根据权利要求1的方法，进一步包括由所述处理器提取由所述非线性过程产生的第三信号，以便通过将所述检测信号与模板信号相关，从所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象获得所述信号，其中所述模板u_s形式如下：

$u_s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{W}_m(t-t_m)*\exp (i*g\left({\mathrm{\&omega;}}_m\right)*(t-t_m))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

其中：

W_m(t-t_m)是所述模板信号中第m个脉冲的振幅包络；

exp(i*g(ω_m)*(t-t_m))对应于所述模板信号的多个脉冲中第m个脉冲内的调制信号；

g(ω_m)是在所述模板的多个脉冲中第m个脉冲内，取决于频率分数d的调制信号的选定函数；

t是传播时间；

t_m是所述多个脉冲中第m个脉冲被模拟到达接收器的时间；以及

ζ_m是每个脉冲m的相位而exp(iζ_m)是每个脉冲m的相位项。

11.根据权利要求10的方法，进一步包括：

通过使在接收器Ri的所述检测信号与编码模板信号u_s(t)相关，由所述处理器从所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象提取所述第三信号；以及

对于所述第二多个脉冲与所述第一多个脉冲之间的多个起始时间差δ以及所述第二多个脉冲中的每个脉冲内的所述调制信号中心频率与所述第一多个脉冲中的每个对应脉冲内的所述调制信号中心频率之间的多个频率比d，重复所述模板信号与所述检测信号之间的相关，对于每个起始时间差δ和每个频率比d产生对每个接收器Ri的相关信号，表示为M(Ri,t)，它包含在根据非线性相互作用的选择规则的特定混合位置由非线性相互作用产生的仿真的微地震现象。

12.根据权利要求11的方法，进一步包括使用基于压缩或剪切波速度的速度模型的轨迹分析和传播时间计算，对于每个起始时间差δ和对于每个频率比d以及所述对应的相关信号M(Ri,t)，计算仿真的微地震现象的空间坐标，其中所述两个声信号非线性地相互作用。

13.根据权利要求11的方法，进一步包括应用逆时运算，使所述仿真的微地震现象的信号以传播速度模型在时间上传播回到所述微地震现象起源的时间和位置。

14.根据权利要求13的方法，进一步包括确定所述微地震现象在所述起源位置的相对强度，其中在所述起源位置的相对强度与所述微地震现象的所述起源位置处所述介质的非线性性质成正比。

15.根据权利要求11的方法，进一步包括通过使用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或者逆时方法，从包含所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象的所述相关信号来产生所述微地震现象或所述介质的非线性性质的三维图像，或者兼而有之，其中，所述相关信号从在多个接收器接收的信号获得，其中所述第一源和所述第二源位于不同位置。

16.根据权利要求11的方法，进一步包括通过把所述第一源放置在多个位置，多次重复地由所述第一源产生所述第一信号，以及通过把所述第二源放置在多个位置，多次重复地由所述第二源产生所述第二信号；以及通过把接收器放置在多个位置，多次重复地接收所述第三信号；以及通过使用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或者逆时方法，从包含所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象的所述相关信号来产生所述介质的非线性性质的多个三维图像，其中，所述相关信号从在多个接收器接收的信号获得。

17.根据权利要求16的方法，进一步包括通过速度层析成像方法更新所述传播速度模型，使按照从所述第一声源和所述第二声源的多个位置接收的信号的所述多个三维图像的差异最小。

18.根据权利要求17的方法，进一步包括迭代地更新所述传播速度模型和成像直到获得的多个图像之间的差异最小，以及结合所述多个图像以产生所述介质的非线性性质的最终三维图像或所述局部速度比Vp/Vs或者兼而有之。

19.一种用于在介质中从非线性相互作用产生微地震现象以便描述所述介质的特征的系统，所述系统包括：

第一声源，被配置为产生包含排列为时间序列的第一多个脉冲的第一编码声信号，所述第一多个脉冲在时间上分开，每个脉冲都包含在中心频率的被调制信号，其中两个相继脉冲的中心频率不同；

第二声源，被配置为产生包含排列为时间序列的第二多个脉冲的第二编码声信号，所述第二多个脉冲在时间上分开，其中两个相继脉冲的中心之间的时间分离与所述第一多个脉冲中两个对应脉冲的中心之间的时间分离相同，其中在传播所述第二多个脉冲的起始时间与传播所述第一多个脉冲的起始时间之间提供了起始时间差，其中每个脉冲都包含被调制信号并且所述第二多个脉冲中的每个脉冲内所述被调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲中的对应脉冲的被调制信号的中心频率的选定分数d；

其中所述第一声源和所述第二声源是可控的，使得所述第一声信号和所述第二声信号的轨迹在所述介质内的混合区中相交;

接收器，被配置为接收包括在所述混合区中由非线性过程从所述第一声信号和所述第二声信号产生的第三信号的检测信号；

处理器，被配置为对所接收的信号进行数据处理，或与编码信号模板相关，或者兼而有之，以提取噪音之上或由线性相互作用过程产生的信号之上，或者兼而有之，由所述非线性混合过程产生的第三信号，以获得在所述第一声信号和第二声信号的混合区中发生的仿真的微地震现象信号，以便基于所述仿真的微地震现象信号，描述所述介质性质的特征或产生所述介质性质的3D图像，或者兼而有之。

20.根据权利要求19的系统，其中所述第一声源被配置为产生所述第一编码声信号，使得所述第一多个脉冲中两个相继脉冲的中心之间的时间分离大于每个脉冲的持续时间。

21.根据权利要求19的系统，其中，由所述非线性混合过程产生并在接收器接收的所述第三信号包括以时间序列到达并在时间上分开的第三多个脉冲，其中两个相继脉冲的中心之间的时间分离与所述第一多个脉冲中两个相继脉冲的中心之间的时间分离相同；

其中所述第三多个脉冲中的每个脉冲都包含被调制信号，该被调制信号的每个脉冲的中心频率都等于所述第一多个脉冲的对应脉冲的中心频率与所述第二多个脉冲的对应脉冲的中心频率之间的差；

其中所述第三多个脉冲的每个脉冲到达接收器的时间是相对于产生所述第一多个脉冲的对应脉冲延迟从所述第一声源到所述混合区中心的传播时间和从所述混合区中心到接收器的传播时间的总和的时间。

22.根据权利要求19的系统，其中，所述处理器被配置为对起始时间差的范围和频率分数d的范围，控制所述第一源和所述第二源重复产生所述第一信号、产生所述第二信号，控制接收器重复接收所述第三信号以及重复执行数据处理或与编码信号模板相关，或者兼而有之，以便从多个混合区产生的仿真微地震现象获得信号。

23.根据权利要求19的系统，其中所述第一声源被配置为产生作为多个脉冲之和的第一信号，其中每个脉冲具有的信号振幅都等于包络函数与被调制信号函数的乘积；以及

其中所述第二声源被配置为产生作为多个脉冲之和的第二信号，其中每个脉冲具有的信号振幅都等于包络函数与被调制信号函数的乘积。

24.根据权利要求19的系统，其中所述第一信号包括第一信号u₁(t)以及所述第二信号包括第二信号u₂(t)，形式如下：

$u_1\left(t\right)=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}E{1}_m(t-t_m)*\exp (i{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-t_m))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

以及

$u_2(t-\mathrm{\&delta;})=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}E{2}_m(t-(t_m+\mathrm{\&delta;}))*\exp (\mathrm{id}*{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-(t_m+\mathrm{\&delta;})))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

其中m是与脉冲相关联的索引号；

∑表示对索引m=1至M求和，M是等于或大于1的整数；

E1_m(t-t_m)是所述第一声信号u₁的脉冲m的振幅包络；

E2_m(t-t_m-δ)是所述第二声信号u₂的脉冲m的振幅包络；

ω_m是所述第一声信号u₁的脉冲m的调制信号的中心频率；

(d＊ω_m)是所述第二声信号u₂的脉冲m的调制信号的中心频率；

d是所述第一多个脉冲中所述频率ω_m与所述第二多个脉冲中所述频率d＊ω_m之间的频率比，其中d是正实数；

δ是产生第一声信号u₁与所述第二声信号u₂之间的所述起始时间差；

exp(iω_m*(t-t_m)是所述第一声信号u₁的所述脉冲m内的调制信号；

exp(id*ω_m(t-t_m-δ)是第二声信号u₂的所述脉冲m内的调制信号；

t_m是在所述第一声信号u₁中产生脉冲m的时间；

t_m+δ是在所述第二声信号u₂中产生脉冲m的时间；以及

exp(iζ_m)是在所述第一信号u₁或第二信号u₂内每个脉冲m的相位项。

25.根据权利要求19的系统，其中，由非线性混合过程产生的所述信号u₃(t)形式如下：

$u_3(R,t)\&Proportional;\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}E{3}_m\left(t-t_m-T_1-T_3)\right)*\exp (i*(1-d)*{\mathrm{\&omega;}}_m*(t-t_m-T_1-T_3)))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

其中：

E3_m（t-t_m-T₁-T₃）是通过非线性混合所述第一信号和所述第二信号而产生的所述第三多个脉冲信号u₃的脉冲的包络；

exp(i*(1-d)*ω_m*(t-t_m–T₁-Τ₃))对应于所述第三多个脉冲信号中第m个脉冲内的第三调制信号；

(1-d)*ω_m是所述第三多个脉冲中第m个脉冲内的所述调制信号的频率，其是所述第一多个脉冲的第m个脉冲内的所述第一调制信号的中心频率ω_m与所述第二个多个脉冲的第m个脉冲内的所述第二调制信号的中心频率d＊ω_m之间的差；

d是选定的频率比；

t是所述信号时间；

R是接收器的标志或接收器的位置；

（T₁+T₃）是所述第三多个脉冲中第m个脉冲到达接收器的时间；以及

ζ_m是每个脉冲m的相位而exp(iζ_m)是每个脉冲m的相位项。

26.根据权利要求19的系统，其中，所述处理器被配置为提取由所述非线性混合过程产生的信号，以便通过将所述检测信号与模板信号相关，从所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象获得所述信号，其中所述模板信号包括多个脉冲，其中所述模板信号中所述多个脉冲的中心之间的时间分离与所述第一声信号的多个脉冲中的中心之间的时间分离相同，并且其中在所述第三信号中所述多个脉冲的中心频率是第一声信号中所述多个脉冲的中心频率和所述频率分数d的函数。

27.根据权利要求19的系统，其中，所述处理器被配置为提取由所述非线性过程产生的第三信号，以便通过将所述检测信号与模板信号相关，从所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象获得所述信号，其中所述模板u_s形式如下：

$u_s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{W}_m(t-t_m)*\exp (i*g\left({\mathrm{\&omega;}}_m\right)*(t-t_m))*\exp \left(i{\mathrm{\&zeta;}}_m\right)$

其中：

W_m(t-t_m)是所述模板信号中第m个脉冲的振幅包络；

exp(i*g(ω_m)*(t-t_m))对应于所述模板信号的多个脉冲中第m个脉冲内的调制信号；

g(ω_m)是在所述模板的多个脉冲中第m个脉冲内，取决于频率分数d的调制信号的选定函数；

t是传播时间；

t_m是所述多个脉冲中第m个脉冲被模拟到达接收器的时间；以及

ζ_m是每个脉冲m的相位而exp(iζ_m)是每个脉冲m的相位项。

28.根据权利要求29的系统，进一步包括：

其中，所述处理器被配置为通过使在接收器Ri的所述检测信号与编码模板信号u_s(t)相关，从所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象提取所述第三信号；以及

对于所述第二多个脉冲与所述第一多个脉冲之间的多个起始时间差δ以及所述第二多个脉冲中的每个脉冲内的所述调制信号中心频率与所述第一多个脉冲中的每个对应脉冲内的所述调制信号中心频率之间的多个频率比d，重复所述模板信号与所述检测信号之间的相关，对于每个起始时间差δ和每个频率比d产生对每个接收器Ri的相关信号，表示为M(Ri,t)，它包含在根据非线性相互作用的选择规则的特定混合位置由非线性相互作用产生的仿真的微地震现象。

29.根据权利要求28的系统，其中，所述处理器被配置为使用基于压缩或剪切波速度的速度模型的轨迹分析和传播时间计算，对于每个起始时间差δ和对于每个频率比d以及所述对应的相关信号M(Ri,t)，计算仿真的微地震现象的空间坐标，其中所述两个声信号非线性地相互作用。

30.根据权利要求28的系统，其中，所述处理器被配置为应用逆时运算，使所述仿真的微地震现象的信号以传播速度模型在时间上传播回到所述微地震现象起源的时间和位置。

31.根据权利要求30的系统，其中，所述处理器被配置为确定所述微地震现象在所述起源位置的相对强度，其中在所述起源位置的相对强度与所述微地震现象的所述起源位置处所述介质的非线性性质成正比。

32.根据权利要求30的系统，其中，所述处理器被配置为通过使用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或者逆时方法，从包含所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象的所述相关信号来产生所述微地震现象或所述介质的非线性性质的三维图像，或者兼而有之，其中，所述相关信号从在多个接收器接收的信号获得，其中所述第一源和所述第二源位于不同位置。

33.根据权利要求30的系统，其中，所述处理器被配置为控制所述第一源和所述第二源，通过把所述第一源放置在多个位置，多次重复地由所述第一源产生所述第一信号，以及通过把所述第二源放置在多个位置，多次重复地由所述第二源产生所述第二信号；通过把接收器放置在多个位置，多次重复地接收所述第三信号；以及通过使用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或者逆时方法，从包含所述第一声信号和第二声信号的混合区的所述仿真的微地震现象的所述相关信号来产生所述介质的非线性性质的多个三维图像，其中，所述相关信号从在多个接收器接收的信号获得。

34.根据权利要求33的系统，其中，所述处理器被配置为通过速度层析成像方法更新所述传播速度模型，使按照从所述第一声源和所述第二声源的多个位置接收的信号的所述多个三维图像的差异最小。

35.根据权利要求34的系统，其中，所述处理器被配置为迭代地更新所述传播速度模型和进行成像直到获得的多个图像之间的差异最小，以及结合所述多个图像以产生所述介质的非线性性质的最终三维图像或所述局部速度比Vp/Vs或者兼而有之。

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