CN103477246B - 具有减少的拖影和/或增大的失真容限的海洋振动器扫描 - Google Patents

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Abstract

使用一个或多个移动的海洋地震振动器的海洋地震勘察，其中，振动器扫描函数是基于拖影误差标准，且是降频扫描非线性扫描函数。所采集的地震数据可以不用被去拖影或者可易于被去拖影。

Description

具有减少的拖影和/或增大的失真容限的海洋振动器扫描
技术领域
本公开涉及用于油气的地震勘探，具体但不限制地涉及使用具有减少的拖影（smear）和/或增大的失真容限的海洋振动器的海洋地震勘察。
背景技术
地震勘探包括为油气藏勘察地下地质构造。勘察可包括在预定的位置布置震源和地震传感器。该震源产生地震波，其传播到地质构造中，从而沿着路径产生压力变化和震动。地质构造的弹性特性的改变分散了地震波，从而改变了它们的传播方向以及其它特性。震源发出的部分能量到达地震传感器。有些地震传感器敏感于压力变化（水听器），而另一些敏感于质点运动（例如，地听器）；工业勘察可布置一种传感器或两种传感器。响应于检测到的地震事件，传感器产生电信号以产生地震数据。接着，分析地震数据可以指示油气藏可能位置的存在或不存在。
有些勘察被称为“海洋”勘察，这是因为它们是在海洋环境中进行。然而，“海洋”勘察不仅仅是在盐水环境中进行，还在淡水和微咸水中进行。在一种称为“拖曳阵列”勘察的海洋勘察中，包含地震传感器的拖缆和震源的阵列被拖曳在勘察船的后面。在一种称为“海洋垂直地震剖面（海洋VSP）”勘察的勘察中，传感器阵列布置在钻孔中，震源要么是移动的（例如，拖曳在船的后面），要么是静止的（例如，悬浮在例如具有钻探设备的结构上）。在一种包含了水听器和地听器、被称为“海底缆线（OBC）”勘察的海洋勘察中，将传感器铺设在海底。在另一种海洋勘察中，以其它的方式来布置传感器，且将震源以某种方式布置在水中，其中传感器或震源可以是移动的或是静止的。其它勘察被称为“陆地”勘察，这是因为它们在陆地的环境中进行。陆地勘察可使用炸药或地震振动器作为震源。含有地震传感器的线缆阵列铺设在地面，以接收地震信号。该地震信号可由传感器进行转换、数字化、存储或传送到数据存储器和/或附近的处理设备，例如记录车。陆地勘察还可以使用无线接收器，以避免线缆的限制。地震勘察可以在陆地和海洋之间的区域进行，该区域被称为“过渡区域”。
理论上，在海洋地震勘察中，震源可以是脉冲源（例如，气枪）或连续源（例如，海洋地震振动器）。然而，实际中并不使用海洋地震振动器。期望使海洋地震振动器变为能够用于海洋地震勘察的另一种实际可用的震源类型。
发明内容
所提供的该发明内容是介绍选择的在以下具体实施方式中进一步描述的概念。本发明内容不旨在确定权利要求主题的关键或必要特征，也不旨在作为权利要求主题范围的限制。
本公开描述了用于海洋地震勘察的方法和装置，其中使用海洋地震振动器作为勘察的震源。该方法包括使用振动器扫描函数，其利用振动器震源来减少需要去拖影的数据，或者增加由于拖影、谐波等而导致的失真的容限。该方法还可以包括使用振动器扫描函数，其可提供足够低的用于地震图像的频率能量。该装置包括海洋地震振动器，其可用于海洋地震勘察中，其中数据易于被去拖影或者根本不需要去拖影。
在本发明的实施例中，海洋地震振动器用来产生地震数据，其要么固有地去拖影，要么能够易于被去拖影，该地震数据可被处理以确定地球的内部段的特性。
附图说明
参照以下附图描述了本公开的实施例。整个附图中相同的附图标记被用于表示相同的特征和部件。在结合下述附图来理解下述几个实施例的详细描述时，能更好地理解这些方法或装置，其中：
图1示出了在海洋环境中的地震采集系统；
图2示出了海洋振动器的单频输出功率Em(f)；
图3示出了在2D地震图中使用不同源的信噪比（SNR）示例；
图4示出了数个扫描函数；
图5示出了数个扫描函数及其SNR；
图6示出了可实现所公开的一些方法的计算机系统的示意图；
图7示出了根据一个实施例的方法的流程图；
图8示出了在频域或波长域中具有恒定相位误差的曲线；
图9示出了数个扫描函数的误差；
图10示出了具有失真的数个扫描函数的误差；以及
图11示出了根据一个实施例的方法的流程图。
具体实施方式
现在详细参考实施例，其示例在附图中示出。在以下详细的描述中，阐述了多个具体细节，以便提供本文主题的透彻理解。然而，本领域技术人员明显可知的是，这些主题可以在没有这些具体细节的情况下进行实施。此外，未详细描述公知的方法、步骤、部件以及系统，以便不会不必要地模糊实施例的各方面。
还应理解的是，尽管本文使用了术语第一、第二等来描述多个元件，但是这些元件不应被这些术语所限制。这些术语仅是用来将一个元件与另一个元件区分开。例如，第一物体或步骤可以称为第二物体或步骤，类似地，第二物体或步骤可以称为第一物体或步骤。第一物体或步骤，以及第二物体或步骤分别都是物体或步骤，但它们不能被认为是相同的物体或步骤。
在本文公开的说明书中使用的术语仅做描述特定实施例的目的，并不旨在限制主题。如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非文中以其它方式清楚指明。还可以理解的是，本文使用的术语“和/或”涉及并涵盖了一个或多个列出的相关术语的任意和所有可能的组合。可进一步理解的是，说明书中使用的术语“包括（includes，including）”、“包含（comprises，comprising）”明确了陈述的特征、组分、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、组分、步骤、操作、元件和/或部件的存在或附加。
如这里所使用的，术语“如果”根据上下文可意味着“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到了[陈述的状况或事件]”根据内容可意味着“当确定时”或“响应于确定”或“当检测到[陈述的状况或事件]”或“响应于检测到[陈述的状况或事件]”。
而且，应注意到的是，实施例可能以被示为流程图、流程简图、数据流程简图、结构图或框图的过程来描述。尽管流程图以先后顺序的步骤来描述操作，但是许多操作是平行或同时执行的。此外，也可重排操作的顺序。在过程操作完成时，过程终止，但是可能具有不包括在附图中的附加步骤。一个过程可对应于一种方法、函数、例程、子程序、子项目等。当一个过程对应于一个函数时，它的终止对应于函数回到调用函数或主函数。
此外，如本文公开的，术语“存储介质”可代表一个或多个存储数据的设备，包括用来存储信息的只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、磁RAM、磁心存储器、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备和/或其它机器可读介质。术语“计算机可读介质”包括但不限于便携式或固定式存储设备、光存储设备、无线通道和各种能够存储、包含或携带指令和/或数据的其它介质。
如在由相同的发明人于相同的申请日申请、名称为“METHODS AND SYSTEM FORMARINE VIBRATOR SWEEPS”、代理人案号为IS11.0203的共同待审的申请中所公开的，当前申请公开了使得利用海洋地震振动器变为实际的方法和装置。在IS11.0203中公开的内容以其全部内容为所有目的通过参考引用于此。
图1示出了基于海洋的地震数据采集系统10。在系统10中，勘察船20在该船20的后面拖曳一个或多个地震拖缆30（图1中示出了一个拖缆30）。应注意的是，可以将拖缆30布置在一个伸展带（spread），其中多个拖缆30在相同的深度在大致相同的平面上被拖曳。作为另一非限制性示例，拖缆可在多个深度被拖曳，例如在伸展带的上面或下面。
地震拖缆30可以是数千米长，并可以包含各种支撑线缆（未示出），以及可用来沿着拖缆30支持通讯的配线和/或电路（未示出）。通常，每个拖缆30包括主线缆，其安装到记录地震信号的地震传感器58中。拖缆30包括地震传感器58，其可以是采集压力数据的水听器、采集运动数据的地听器、或多分量传感器。例如，传感器58可以是多分量传感器，其中每个传感器能够检测压力波场和与位于该传感器的附近的声学信号相关联的质点运动的至少一个分量。质点运动的示例包括质点位移的一个或多个分量、质点速度的一个或多个分量（主测线(x)、联络测线(y)、以及垂直线(z)分量（参见例如轴59））、以及质点加速度的一个或多个分量。
多分量地震传感器可包括一个或多个水听器、地听器、质点位移传感器、质点速度传感器、加速度计、压力梯度传感器、或其组合。
海洋地震数据采集系统10包括一个或多个震源40（图1中示出了两个震源40），例如气枪或其它震源。震源40可耦合到勘察船20上或由其拖曳。震源40可独立于勘察船20来操作，这是因为震源40可以耦合到其它船只或浮标上，仅为几个示例。
在地震拖缆30被拖曳在勘察船20后面时，通常称为“射程（shots）”的声学信号42（图1中示出了声学信号42）由震源40产生，并向下穿过水柱44进入水底表面24下面的地层62和68。随后，声学信号42从多种地下地质构造（例如图1中所示的这种构造65）处反射出。
由震源40生成的入射声学信号42产生对应的反射声学信号或压力波60，其由地震传感器58来检测。应注意到的是，由地震传感器58接收并感测的压力波包括未从水-气边界31反射的传播到传感器58的“向上”压力波以及通过压力波60从水-气边界31的反射而产生的“向下”压力波。
地震传感器58产生被称为“轨迹”的信号（例如，数字信号），其指示采集到的压力波场和质点运动的测量值。应注意的是，虽然物理波场在空间和时间上是连续的，然而轨迹是以在空间中的离散点来记录，这会导致空间假频。根据一些实施例，这些轨迹被记录，并且至少部分地可通过布置在勘察船20上的单元23中的信号处理器进行处理。例如，特定的地震传感器58可提供与由水听器测量的压力波场相对应的轨迹；并且传感器58可提供（取决于传感器的配置）与质点运动的一个或多个分量相对应的一个或多个轨迹。
地震采集的目标之一是建立勘察区域的图像，来用于识别地下地质构造，例如地质构造65。接下来对这些代表值的分析可揭露油气藏在地下地质构造中可能的位置。根据特定的勘察设计，这些代表值的部分分析可在地震勘察船20上执行，例如通过单元23中的信号处理器执行。在其它勘察中，这些代表值可由例如可位于陆地上的办公室或船20上的地震数据处理系统（例如图6中示出的地震数据处理系统600，且以下将进一步描述）来处理。
特定的震源40可由震源元件（例如气枪或海洋地震振动器）的阵列来形成，该震源元件的阵列可以以成串的（例如枪串）阵列来布置。特定的震源40还可以由阵列中的一个气枪，或预定数量的气枪来形成，或由多个阵列来形成，等等。无关于震源的具体组成，震源在勘察期间能够以特定的时序来发射。
理论上，脉冲源或连续源都可以使用在地震勘察中。实际上，脉冲源和连续源都使用在陆地上执行的地震勘察中。然而，连续源（例如，海洋地震振动器）几乎从来没有在商业的海洋地震勘察中使用。海洋地震振动器的许多特性阻止了其作为实际源的使用。这些特性之一是，与气枪相比，其特别是在低频处低的声功率。在低频处的低功率会将所产生的地震图像降低到不可接受的水平。这个相同的特性-低功率-意味着在勘察期间具有低环境影响，这由于环境保护而是期望的，尤其是对于海洋动物群的保护，这在地震勘探期间值得关注。相比于可以一起发射覆盖整个频谱的脉冲的脉冲源（例如，气枪）而言，振动器可依次在频谱中的每个单独频率下振动，以提供震源能量来覆盖整个频谱。由于生产或操作需要，而导致振动器扫描整个频谱的时间量是受限的。这还可能限制在整个频谱上的总能量。
限制海洋地震振动器在海洋地震勘察中使用的另一方面是使用海洋地震振动器来复制普通气枪阵列的输出能量频谱的复杂性。之前，海洋地震振动器的使用还没有被期望、实际化等，这是因为它采用了复杂的设置（例如在受让给当前的受让人、名称为“Composite Bandwidth Marine Vibroseis Array”的美国专利6942059中所公开的系统和方法）来配置海洋地震振动器，以产生与气枪或气枪阵列相等的输出/扫描。
图2示意性示出了海洋地震振动器的单频输出功率频谱Em(f)的示例。在特定衰减频率以上，输出功率基本上是恒定的。在该示例中，大约是10Hz。低于该衰减频率，该输出功率衰减并最终变为不足以用于地震勘察。该衰减可能由该振动器的有限扫描容积引起，且可能与频率的平方成正比。在地震勘察中，仍然需要在该衰减频率（例如，10Hz）以下的频率组成（例如，数Hz）。在衰减频率以上的平稳段可能是由于驱动振动器的机构的限制所引起。此处示出的来自海洋地震振动器的输出功率频谱与普通气枪的功率频谱非常不同，在图5中的曲线535示出该普通气枪的功率频谱之一，其将在稍后讨论。使用海洋地震振动器难以实现气枪的功率频谱。
图3示出了地震图像中的一些SNR，其中使用气枪阵列采集数据。附图示出了地震图像质量和在采集地震数据中的各种参数之间的关系。数据来源于传统的2D地震测线，使用气枪阵列在墨西哥湾采集该传统的2D地震测线。相同的测线还在未发射气枪的情况下进行采集（隐形部分仅具有噪声），从而可以使用同一处理来创建噪声图像。基于目标深度，根据TWT（TWT=双向时间，从震源到目标到接收器的行程时间）将图像数据分割为1秒窗口。将该1秒窗口图像数据变换为频域，并随后将噪声频谱分开得到SNR，如图3中所示。每个曲线（302-307）示出了1秒窗口中图像的SNR，例如，曲线302是对于TWT2-3秒的窗口，曲线303是对于TWT3-4秒的，曲线304是对于TWT4-5秒的，曲线305是对于TWT5-6秒的，曲线306是对于TWT6-7秒的，以及曲线307是对于TWT7-8秒的。具有最小大约20dB的SNR的图像通常可被视为好的质量。当在一些频谱中在20dB以下的SNR可能会将地震图像有时降低至不可接受的水平时，在数据的其它部分在远大于20dB以上的SNR从整体来说并不会给所产生的地震图像带来任何好处。例如，对于在40Hz在4-5秒（304）的TWT，输出是在噪声以上约32dB，其比给出20dB图像所需的高出12dB。对于浅目标（例如，对于小于4秒的TWT），20dB SNR的范围是相当大的（在该示例中大约12Hz及以上）。在具有TWT=4-5秒（304）的目标时，例如，在大约15Hz和70Hz之间实现20dB的SNR。在更深的目标（305、306或307）时，SNR对于20dB的质量水平是不够的。尽管对于浅目标，SNR是远在所需质量以上，而对于更深的目标（大于6s的TWT），SNR可能是不够的。
从图3（其中震源是气枪）中，可以看到能量密度分布是不均匀的。在高频端，来自气枪的能量多于设定图像质量(即以期望SNR需求)所必需的。为了地震图像的目的，气枪的能量频谱并不是最理想的。为了获得在设定图像质量下的地震图像，不需要将能量密度频谱与气枪的能量密度频谱相匹配。换句话说，当使用海洋振动器时，它们不需要与气枪的频谱相匹配。海洋振动器可用于基于所产生的地震图像质量而不是气枪的频谱组成，来提供特定的频谱能量密度。这种基于图像质量的频谱能量分布或者扫描函数会是更加有益和有效的。
在本公开中，可控制/驱动海洋地震振动器产生地震扫描/扫描函数，其被配置为提供和/或基于质量要求，而不是匹配典型的气枪阵列的输出能量或产生标准平谱的要求。根据下面公开的方法或装置，通过针对基于图像质量要求或其它质量要求的扫描函数来配置该海洋地震振动器，该海洋振动器能够为地震勘察提供足够的能量。在以下讨论方法的各方面，用于海洋地震振动器的扫描函数可基于图像质量要求和/或环境影响质量要求来设计。以这样的方式，海洋地震振动器可被配置为所产生的地震扫描比气枪源产生的地震扫描更加环保。此外，随着噪声和/或环境影响条件的改变，扫描在地震勘察期间也可发生改变。
为了便于讨论，在接下来的讨论中，将由SNR定义的图像质量设定在任意水平，例如18dB。取决于所产生的图像的需要或使用，可以将该SNR质量水平设定在更高（例如，如之前用过的20dB）或更低的水平。可以确定该扫描函数，其给出了在尽可能宽的频率范围上的该SNR。该SNR可选择为频率的函数。
图4示出了针对海洋振动器的三个扫描函数，且图5示出了它们根据SNR对应的能量曲线。在图4中，水平轴是线性刻度的时间（秒），而垂直轴是对数刻度的频率（Hz）。蓝色曲线410示出了线性扫描（意味着频率是时间的线性函数），其是振动器通常的扫描方案；红色曲线420是与气枪的频谱组成相匹配的扫描；且橘色曲线430是基于18dB图像SNR需求的扫描。该橘色曲线430以所需/限定的目标深度来匹配特定的图像SNR需求，和/或最小化多余的声学能量的发射。在三种扫描410、420、430之中，采用橘色扫描430，振动器可产生最佳的图像质量。此外，协同地（synergistically），橘色扫描430比其它两种扫描更加环保。
图5示出了针对图4中所示的扫描的、单位是dB的相等震源能量水平以及背景噪声能量水平。水平轴是对数刻度的以Hz为单位的频率；垂直轴是以dB为单元的震源能量水平。黑点曲线502是背景噪声能量频谱，等于在图3中示出的示例中所测量的。具有该水平的噪声源在通过处理后，给出与图3中相同的图像噪声。为了实现恒定的18dB图像质量，震源可具有如橘点曲线532的能量曲线，其比背景噪声502高出18dB。蓝色实曲线510是线性扫描；红色实曲线520是试图与气枪的能量频谱相匹配的扫描，该气枪的能量频谱是在红色实曲线520的两侧延伸的红点曲线535。由于扫描时间是有限的，在该示例中，是5秒，因此海洋地震振动器可能没有覆盖气枪的整个频谱535。在一些操作中，扫描时间可延长至10、15秒或更长，以获得更深目标的数据。在这些情况下，频带也会在低频端或高频端或这两者上延伸。橘色实曲线530是跟随18dB SNR曲线的扫描。图5示出了针对在4-5秒TWT时的目标的能量频谱密度。
了解了如黑点线502所示的背景噪声电平，具有恒定SNR的扫描仅是橘色虚曲线532，其为背景噪声扫描加上所需的SNR，即18dB。如这个示例示出的背景噪声502在大约80Hz以上具有由测试中使用的震源深度导致的很大障碍（其在图3产生该数据），并在大约20Hz以下随着频率的减小稳定上升。如果由震源发射并且随后与信号一样进行处理产生一个图像，则震源噪声电平502是可以产生与测试图像（其产生在图3中的曲线）中发现的电平相匹配的图像噪声电平。曲线502是被表示为相当于震源电平的图像噪声。
在线性扫描510（蓝线）中，能量在从大约5Hz到大约83Hz的大范围之间展开。然而，具有18dB SNR的范围是大约19-80Hz。在低频端，震源能量保持平稳，直到大约10Hz并随后减少，而噪声能量稳定上升；SNR在低频段快速下降。如果勘察使用这种扫描类型，可用频率范围是大约19-80Hz。在图5底部附近的扫描线517示出了扫描以相等的时间量覆盖了整个频率范围5Hz-83Hz。
在模拟气枪频谱（红线）的扫描520中，在低频端，震源能量并不随着频率的降低而下降。为了仍在5秒扫描时间内覆盖频谱，扫描的频率范围小于线性扫描510。在这种情况下，扫描范围是从大约12Hz到大约70Hz(参见底部红线527)。对于几乎整个扫描，SNR是高于质量要求的，即18dB。相比于线性扫描517的19Hz，在低频端可用的频率范围延伸到12Hz。如果使用了实际气枪，频谱将可延伸到红点线535，其端部是大约5Hz。频谱范围可更大，但是可用的频率范围（即，高于18dB的SNR）在该示例中大致相同。
在跟随恒定的SNR（橘线530）的扫描530中，覆盖频率是最大的，从大约9.5Hz到70Hz。在这种情况下，大部分扫描时间花在扫描低频端，在这个地方的能量需求是最大的且在振动器单频功率常常最受限的时候。例如，振动器花费1秒，仅覆盖了从大约9.5Hz到10Hz的最低频带，且花费4秒用于在大约16Hz以下的频率，而在1秒中覆盖从16-70Hz的很大的高频带。在该扫描530中，可用频率范围是大约9.5Hz到70Hz。相比于气枪扫描520至12Hz，线性扫描510至19Hz，低端频率延伸到10Hz以下。
扫描530是高度非线性的。在这个示例中，振动器花费4.2秒（5秒扫描时间的大约85%）在低频带9.5-18Hz（8.5Hz，或61.5Hz带宽的大约15%）扫描；而花费0.8秒（扫描时间的大约15%）在剩余的高频带18-70Hz（52Hz，或61.5Hz带宽的大约85%）扫描。
当海洋地震振动器被用于产生传统的线性扫描510或者设计为与气枪阵列（红色）所产生的一个相匹配的扫描520时，扫描530与该海洋地震振动器的特性非常不同。由海洋地震振动器的后两个扫描510和520在中间到更高的频率（例如在大约17Hz以上）处发射了太多的能量。扫描510和520在较低的频率（例如在大约17Hz以下）处发射太少的能量。它们在整个扫描频率中没有产生必需的/期望的SNR。
在如图4和5所示的示例中，扫描时间限制到5秒。如果延长了扫描时间，则将可获得更多的能量，且将覆盖更多的频率范围。
一方法700可被概述在如图7所示的流程图中。使用海洋地震振动器的方法700可如下进行：
·获得质量要求，例如在图像带宽上的图像背景噪声以上的SNR（710）；
·基于质量要求设定扫描函数，例如，作为在背景噪声以上18dB的能量曲线（720）；
·根据扫描函数控制振动器（730），并收集数据。
质量要求可以是最终图像的图像质量要求，例如设定的SNR。图像质量要求可以是一组频率函数，无需与SNR相关。质量要求可以是环境质量要求，例如在特定频率范围的对于保护海洋哺乳动物的能量限制或对于多余发射能量的限制。当使用SNR时，如上述示例中的可根据噪声的直接测量以及对于处理方法的近似，或者根据在相似勘察区域、相似天气或勘察设备中的过往经验来获得图像背景噪声。如上述示例中的，直接测量可在勘察之前完成。直接测量噪声还可以在勘察期间实时完成，即，在震源不被激活时让传感器记录信号。扫描函数可基于实时噪声来确定。
背景噪声还可以根据勘察设计的公知技术进行估算。质量要求可以是数个目标之间的折中，例如，扫描设计的因素可包括下列的地球物理学目标：（1）所需图像的SNR；（2）图像带宽的高低频限制；（3）环境的目标，其包括但不限于例如通过最小化多余的发射的声学能量来最小化估计的环境影响。
在一个实施例中，用于海洋地震振动器/海洋地震振动器阵列的扫描的设计可在执行勘察之前采用噪声频谱、地球地震响应、SNR、处理序列和/或环境要求的假设值来进行。在另外的实施例中，用于海洋地震振动器/海洋地震振动器阵列的扫描的设计可在勘察期间使用例如在每个地震扫描的起始和/或结束时获得的噪声记录、SNR、扫描特性等来计算/确定/处理。这可以用来在勘察期间根据当时遇到的特定的噪声状况来修订扫描。该扫描还可以被修改为考虑当地改变的环境要求，例如在地震勘察时的区域中的海洋哺乳动物的实际位置。
在操作中，可以布置多于一个的海洋地震振动器，如图1中示出的多个震源40。为了期望的波场构造，振动器可布置在各种深度（例如，上/下构造）或者主测线或者联络线位置。
简化起见，图1仅示出了拖曳式海洋地震勘察，其是多个海洋地震勘察之一。在拖曳式海洋地震勘察中，传感器和震源这两者均由一个或多个船只拖曳，并且在勘察期间沿着拖曳船行进。如前述提及的,还可以有许多其它类型的海洋地震勘察。在这些勘察的一些中，传感器在勘察期间要么是静止的要么是移动的。震源（例如，海洋地震振动器）在勘察期间也可以是静止的或者是移动的。
使用数学公式可能更容易理解上述讨论的部分方法。用于海洋地震振动器的扫描可基于所产生的地震图像的所需特性来设计。海洋地震振动器阵列下降的震源能量频谱，排除了海洋表面反射的影响以外，可大致由下式给出：
S(f)=N2*Em(f)*(dt/df)
其中：Em(f)是由单个振动器在单一频率f下连续被驱动所发射的功率。Em(f)是振动器的特性，其会在振动器与振动器之间变化。图2中示出了示例。N是振动器单元的数量。
如果定义了震源能量频谱S(f)，则可以确定dt/df以及由此的作为扫描函数的f(t)。对于线性扫描，dt/df是常数。当使用振动器模拟气枪时，S(f)是气枪的能量频率，如图5所示的曲线535。在图4和5中也示出了用来产生能量频谱的扫描函数。
在操作中，扫描的可用持续时间以及振动器阵列中的海洋地震振动器单元的数目限制了频率范围，在该频率范围上进行由海洋地震振动器产生的频谱扫描，以与给定的震源能量频谱需求相匹配，例如f(tmax)=fmax，则f(0)=fmin。例如，为了与例如其由气枪阵列产生的期望的扫描相匹配，可驱动海洋地震振动器来在期望扫描的一些高频处产生频谱匹配。随后，该扫描可设计为从该上频下降，直到达到扫描持续时间的限制。该扫描持续时间随后会对扫描频谱产生低频限制影响；在该限制以下，将不能满足要求。这在图5中（红色曲线520）示出。当设定了最大的频率为70Hz以及扫描时间为5秒时，扫描可达到的最小频率被限制到大约16Hz。为了增大频率范围（例如，减小最小频率限制），可以增加扫描时间，尽管增加扫描时间会降低勘察效率。
在一些实施例中，在地震勘察中可使用多于一个的振动器阵列。在这些情况中，扫描设计方法可以应用到每个海洋地震振动器阵列。海洋地震振动器可以布置在多个深度的范围内，且这里讨论的方法可应用于任意深度。
在一些实施例中，可根据现有的振动器来制造或改造出新的海洋地震振动器阵列。海洋振动器阵列可以用作海洋地震勘察的震源。该海洋振动器阵列具有至少一个海洋地震振动器。振动器控制器与振动器阵列相关联，其中该振动器控制器可以控制振动器的操作，以根据一个或多个扫描函数在整个频率范围上扫描。该扫描函数可基于质量要求。扫描函数可以是频率的函数。质量要求可以是上述提及的质量要求中的任一种。振动器控制器可以是专用控制器或作为用于勘察控制系统的一部分。振动器阵列可由专用震源船来拖曳，或由拖曳用于勘察的海洋拖缆的地震船来拖曳。
在上述讨论中，示例基于2D勘察数据。然而，对于3D地震勘察，上述讨论的方法或装置的优势将会更大，这是因为叠加倍数（stack-fold）更大。上述讨论的方法或装置可同样应用。
如在共同待审申请、代理人案号为IS11.0203中所公开的方法和装置使得利用海洋地震振动器变为实际。然而，仍然存在与使用连续源的海洋勘察相关的一些问题。不像在陆地地震勘察中使用的连续源（例如，地震振动器），其中震源在震动期间是静止的，在一些海洋地震勘察中，震源在震动期间移动显著的距离，即在震源信号正被发射时。在通常的海洋勘察中，地震船以大约2.5m/s的速度拖曳震源和接收器。在5秒扫描的过程期间，船（以及所有的震源和接收器）移动12.5m；在10秒扫描期间，船移动25米。在地震图像的分辨率是以米为量度的情况下，这些距离是不可忽略的。
为了显现拖影过程，考虑在10秒内从5Hz到75Hz进行线性升频扫描。利用均实际移位了25m的震源来产生75Hz部分和5Hz部分的最终图像。可以想象一组单独的单频图像，其均因拖影而被不同移位。75Hz的图像相对于5Hz的图像将例如移位25米。可能必需进行修正（例如，去拖影（desmearing）。去拖影是将图像偏移合适的距离并加上它们，尽管并不必需以这种方式来实现。
原理上，修正（去拖影）可以是简单的，但是会由于以下两项而变得复杂：（1）在去拖影通常被执行的普通接收器域中的数据是欠采样的；以及（2）存在于振动器输出中的失真（谐波）。海洋情形（与陆地相比）的一个优势是包括谐波的震源信号例如经由近场水听器可以被精确测量。
由正弦振动器的拖影而引起的相位误差可以是由指定的发射位置x0和在所述振动器发射正提及的频率时的位置x(f)之间的距离而造成的相位偏移。相位误差可表达为：
E ( f , TOA ) = { dt df ( f ) } 1 2 · B ( f ) · exp { i [ x ( f ) - x 0 ] · sin ( 2 πf · TOA ) } 等式1
其中：
E(f,TOA)是在频率f和出射角TOA下的相位误差，
B(f)是频率f的振动器的单频振幅，
x(f)是频率f被发射所处的位置，
x0是指定的发射位置，
是在频率f下的扫描率的倒数，
TOA是远场方向的出射角（朝向垂直）。
一旦选定了扫描函数f(t)，可估算在每个扫描频率下的TOA范围内的相位误差。在TOA范围内的最大误差可被用作频率误差。图8示出了数个不同扫描函数的相位误差周线。
误差标准可被设定为最大的振幅和相位误差。针对下面讨论的示例，将误差阈值以0（垂直）到大约22度之间的发射出射角（TOA）设定在去卷积和去拖影的（如果适合的话）远场信号中。选择TOA的这个范围作为进入地表下的典型信号，且被选择用于说明的目的。这些误差标准可以是：震源信号在TOA范围内具有远场误差在相位上小于3.4度且在能量上小于0.5dB。这些标准使得信号振幅（即24dB）的约6%的误差位于发射水平以下。为便于讨论而选择这些任意的误差阈值。实际的误差阈值可基于许多勘察设计或质量参数来选择。
在下面讨论的示例中，扫描长度是5或10秒，且布置深度是8米。这些是说明性示例，并可以使用任何其它扫描长度或布置深度。
在以下讨论中，对数个扫描进行比较，包括普通的“线性频率”扫描（蓝色曲线，例如图8中的830），其意味着基本扫描频率是时间的线性函数；“线性波长”扫描（红色曲线，例如806、812、816以及822），其意味着基波是时间的线性函数；“可忽略误差”扫描（例如，803或804），其意味着相位误差低于误差阈值（即，可忽略）且可省略去拖影；以及“基于SNR”扫描（例如，840），其意味着基于定义的图像信噪比（SNR）或其它基于质量的标准给出扫描函数，如在共同待审的申请、代理人案号是IS11.0203（其为所有目的并入本文）中所讨论的。
图8示出了具有5秒扫描长度的数个不同扫描的相位误差。上部视图示出了作为用于正弦振动器的频率函数和扫描时间的相位误差；下部视图示出了作为用于相似的正弦振动器的波长函数和扫描时间的相位误差。在这些示例中，假设振动器仅发射基频，即震源根据扫描函数每次仅发射一个频率，并且每个频率仅在一个位置处发射。点曲线820、815、810、805以及803是恒定相位误差曲线，其相位误差范围分别为20度、15、10、5和3.4度。例如，曲线820示出了在扫描期间具有20度恒定相位误差的曲线。曲线803示出了具有3.4度恒定相位误差的曲线。曲线802可以是扫描函数，并且如果振动器在根据该曲线的频率进行扫描，在所产生的图像中的所产生的相位误差是3.4度，其对于许多用途来说是可以被忽略的。
图8中的同一上部视图还示出了另外两种扫描曲线，一条蓝色曲线830，线性频率扫描，以及橘色曲线840，基于SNR的扫描。如该视图所示，如果使用线性频率扫描830，则相位误差在大部分频率下是相当大的。例如，在大约50Hz-25Hz之间的频率，相位误差大于20度。对于非常高（在70Hz以上）或非常低（在大约5Hz以下）的一些频率，相位误差小于或近似于可忽略的水平（即，3.4度）。
根据该视图，可以看到尽管扫描840是基于图像质量的扫描，其在大部分频率处的相位误差是相当小的。在该示例中，对于在大约15Hz以上的高频，相位误差是可忽略的（即，低于3.4度误差阈值）。对于在15Hz到12Hz之间的频率，相位误差在4-10度之间。只有在低于大约12Hz的频率下，相位误差是显著的，即，在10度以上。如果将扫描840用作扫描函数，则对于在大约15Hz以下的频率或在1秒以后的扫描时间，去拖影是必需的。在低频端部（例如，在大约15Hz以下），不会出现数据欠采样或图形失真的问题。因此，相比遭遇高频和图形失真问题的情况，在该扫描的情况下进行去拖影将容易得多。
图8中的下部视图示出了相似的相位误差，但是是在波长域中。在图8的下部视图中，恒定相位误差曲线804、806、812、816以及822是分别具有3.4、5、10、15以及20度的恒定相位误差的曲线。蓝色曲线832是线性频率扫描曲线，而橘色曲线842是基于SNR的扫描。绿色曲线804是具有3.4度相位误差的扫描，其对于许多用途来说是可忽略的误差，并且可以省略去拖影。
绿色曲线804，或者“可忽略拖影”扫描大致遵循形式f(t)=15/t，其中f是以Hz为单位的频率；t是以秒为单位的时间，并且将相位误差阈值设定为3.4度；或更通常地其中是以度为单位的可接受的相位误差。
当海洋地震振动器不发射失真时，如图8中的示例中，去拖影处理可以如上所讨论的来完成。在一些情况中，通过选择一些扫描函数，去拖影将是不必要的。
图9示出了如图8中所讨论的和如在应用了去拖影处理时的扫描的比较。在这些示例中，假设震源不发射失真，即谐波频率。虚线曲线930、940和903示出了线性频率扫描、基于SNR扫描以及可忽略拖影的扫描的误差（上部视图中的相位误差，下部视图中的振幅误差）。一旦应用了去拖影处理，所有的相位误差可修正为图9中的实曲线932、904、942。当振幅误差阈值955设定为0.5dB时，即使在这些没有失真的示例中不进行去拖影修正，振幅误差950也是可忽略的。正弦去拖影可以完全修正正弦振动器的误差。
对于许多振动器，除了正弦输出之外，它们还可能发射谐波。不像在陆地地震勘察中的振动器，实际的震源信号可由振动器上安装的加速度计来监测。
由于震源可能在数个不同的位置处发射每个频率的谐波失真，去拖影处理比没有谐波失真的情况更加复杂。例如，当扫描正需要60Hz时，震源可在该位置发射60Hz，但是当扫描正需要30Hz、20Hz或15Hz等时，震源还可以发射60Hz作为谐波。如果使用了正弦去拖影，则可以假定当扫描正需要60Hz时，所有60Hz的能量都在位置X1处发射。这带来了非垂直发射n次谐波的误差，这是因为能量在X2（30Hz）、X3（30Hz）、X4（15Hz）等处发射。由于谐波位置而导致的信号误差可被表示为等式2。如果省略了去拖影，则剩余误差可以表示为等式3。如果对于i>1，即对于正弦震源的所有A（i）被设定为零，则等式3变成等式1。
E ( f , TOA ) = Σ n = 1 ∞ { dt df ( f n ) n } 1 2 · B ( f n ) · A ( n ) · exp { i [ x ( f n ) - x ( f ) ] · sin ( 2 πf · TOA ) } 等式2
其中：
B(f)是频率f的振动器的基本单频振幅，
n是谐波数，
A(n)是波形的n次谐波的复数振幅，A(1)=1，
x(f)是频率f被发射所处的位置，
是在频率f下的扫描速率的倒数。因此除以谐波数的该量是该谐波的dt/df。
E ( f , TOA ) = Σ n = 1 ∞ { dt df ( f n ) n } 1 2 · B ( f n ) · A ( n ) · exp { i [ x ( f n ) - x 0 ] · sin ( 2 πf · TOA ) } 等式3
其中，x0是指定的发射位置。所有其它的符号与等式2中相同。
图10示出了如图8中讨论的扫描和如在图9中应用了去拖影处理时的扫描的比较。不像图9中所示的示例，在图10中的这些示例中，假定震源发射失真，即谐波频率。失真量（其是所有谐波频率能量与整个基频的能量的比率）在这些示例中大约是7.9%。在谐波失真的情况下，线性频率扫描（蓝色曲线1030、1032）以及基于SNR的扫描（橘色曲线1040、1042）的相位误差和振幅误差是不可忽略的，因此去拖影是必需的。即使在去拖影之后，相位误差也没有被完全修正（1033、1043）。对于线性扫描，相位误差曲线1033从大约20Hz时的接近0度上升到75Hz时的8度。对于基于SNR的扫描1043，即使在去拖影之后，相位误差在大约28Hz到约50Hz之间是大约4度，并在70Hz变为无穷大。对于“可忽略拖影”的扫描1003和1004，误差也大于最后的示例。在这些“可忽略拖影”的扫描中，对于相位和振幅这两者的相位误差仍然是小得足以忽略。线性扫描1034的振幅误差在约40Hz以上时是不可忽略的，即使在去拖影之后，或者该去拖影处理不能正确地修正误差。对于基于SNR的扫描或者“可忽略拖影”的扫描，振幅误差1044和1006仍然是可以忽略的。
可以看到，线性频率扫描不是海洋地震振动器的最佳扫描函数。在考虑到拖影和谐波失真时，由线性频率扫描所采集的数据可能包含了大量的误差，即使在进行了去拖影处理之后。基于SNR的扫描可以提供具有较小误差的数据，并且大部分的误差可通过去拖影处理进行修正。“可忽略拖影”的扫描可以提供包含可忽略拖影误差的数据，并且在数据处理期间不需要进行去拖影处理。
在使用连续源（例如海洋地震振动器或陆地地震振动器）时，经常使用去卷积来压缩时域中采集的数据。在对采集的地震数据执行去卷积处理之前，去拖影将会是必需的。如上所示，当使用“可忽略拖影”的扫描时，误差是足够小的，从而不必需进行去拖影处理。如果使用其它的扫描，误差将会是不可忽略的，并且可能必需进行去拖影。在许多操作中，如图10中所示，谐波失真是普遍的，其除了扫描的基频之外还发生在由振动器发射谐波频率时。使用在什么位置发射什么样的频率的技术来进行去拖影。去拖影压缩空间中的震源。
使用震源信号的估算来执行震源信号的去卷积。理论上，能够在一个步骤中进行去拖影和去卷积，并将数据转换为使用脉冲源在指定发射位置所接收到的数据。然而，如果以两个简化的步骤来完成将更加方便：1）“忽略拖影的去卷积”，接着2）“正弦去拖影”。
应注意到的是，较高的频率比较低的频率需要更加精确的定位。如示例中所示，最好是降频扫描。在陆地勘察中，振动器通常是升频扫描；这使得震源信号估算中的误差比轨迹中更早出现（信号更强）。
在图11中，方法1100可总结如下：
·选择拖影误差标准（1110）；
·选择降频扫描非线性扫描函数（1120）；
·计算每个频率的拖影误差（1130）；
·根据扫描函数来激活振动器（1140）；
·采集海洋地震数据（1150）；以及
·对于在拖影误差大于标准的频率下所采集的数据执行去拖影（1160）。
一旦修正了拖影误差，可进一步为其它目的来处理数据，例如进一步为地震图像、地震模型、地震解译等处理数据。
应注意的是，并不是方法1100中的所有动作都是需要的。例如，如果根据拖影误差标准选择了扫描函数，例如“可忽略拖影”扫描，则所产生的数据的拖影误差处于误差标准或在误差标准以下。拖影误差不需要进行计算，并且并不必需进行去拖影。不需要动作1130、1160。
如果选择的扫描函数曲线在拖影误差曲线以下，在上述一些示例中大概是15/t，例如，选择f(t)<15/t，则所产生的拖影误差也在误差标准以下。在该情况下，也并不必需进行去拖影。
对于海洋地震数据采集操作，并不需要执行数据处理动作。采集的数据可在后续在单独的数据处理操作中进行。在该情况下，计算拖影误差（1130）和去拖影操作（1160）不需要在数据采集操作期间进行。在数据处理操作期间，利用已知扫描函数和对应的采集数据，拖影误差可被计算并与拖影标准进行比较。如果必需，可以在数据处理期间进行去拖影操作。
在使用基于SNR的扫描函数时，拖影误差仅出现在低频（例如，在15Hz以下），因此仅需要在低频进行去拖影。
可在海洋地震勘察之前或期间选择拖影误差标准和扫描函数。当选择了合适的扫描函数时，则可避免拖影问题，且并不必需进行去拖影处理。在该情况下，在数据处理期间，采集的数据可被处理得好像不存在拖影问题一样。
本领域技术人员可以理解的是，上述讨论的方法的一个或多个步骤可以组合和/或一些操作的顺序可以改变。而且，方法中的一些操作可以与本文公开的其它示例性实施例中的各方面相组合，和/或一些操作的顺序可以改变。操作者采取的测量过程、其解译、和行动能够以迭代的方式来完成；该概念也可适用于本文讨论的方法。最后，部分方法可由任意合适的技术（包括图6中的基于计算系统600的自动或半自动化）来执行。
上述部分方法可在计算机系统600中实现，图6示出了该计算机系统600中的一个。该系统计算机630可与磁盘存储设备629、631、633和635（其可以是外部硬盘存储设备和测量传感器（未示出））通讯。可以构思，磁盘存储设备629、631、633和635是传统的硬盘驱动，由此，可以通过局域网或远程访问的方式来实现。虽然磁盘存储设备作为单独的设备来示出，单个磁盘存储设备可以用来存储程序指令、测量数据和需要的结果中的任一或全部。
在一个实施例中，来自传感器的实时数据可存储在磁盘存储设备631中。来自不同震源的多个非实时数据可存储在磁盘存储设备633中。系统计算机630可以从磁盘存储设备631或633中检索合适的数据，以根据与实现本文描述的各种技术相对应的程序指令来处理数据。该程序指令可以以计算机编程语言（例如C++、Java之类）来编写。程序指令可以存储在计算机可读介质中，例如程序磁盘存储设备635。这样的计算机可读介质可包括计算机存储介质。
在一个实施例中，系统计算机630可将输出主要地呈现到图形显示器627上，或经由打印机627（未示出）呈现。系统计算机630可将上述方法的结果存储到磁盘存储629上，用于后续使用和进一步分析。可为系统计算机630提供键盘626和点击设备（例如，鼠标、跟踪球之类的）625，以使得能够进行交互式操作。
系统计算机630可位于现场，例如作为如图1中的船只20上的单元23的一部分。系统计算机630可与现场设备进行通讯，来接收各种测量的数据。这些数据在经过传统的格式化以及其它的初始处理之后，可由系统计算机630作为数字数据存储在磁盘存储器631或633中，用于以上述方式的后续的检索及处理。虽然图6示出了磁盘存储器，例如631，作为直接连接到系统计算机630，还可构思，可通过局域网或远程访问来访问磁盘存储设备。此外，虽然磁盘存储设备629、631作为用于存储输入数据和分析结果的分离设备而示出，然而该磁盘存储设备629、631可以实现在单个磁盘驱动（与程序磁盘存储设备633一起或分开）内，或由本领域技术人员参考本说明书能够完全理解的其它任意传统方式来实现。
尽管以上仅详细描述了一些示例性实施例，然而本领域技术人员将容易理解的是，在本质上不偏离本发明的情况下在这些示例性实施例中可以做许多修改。因此，所有这样的修改旨在被包括在本公开的如所附权利要求所限定的范围内。在权利要求书中，模块加功能（means-plus-function）句型旨在涵盖执行所述功能时本文中所描述的结构，其不仅涵盖结构等价体，还包括等价结构。因此，尽管钉子和螺丝钉不是结构等价体，因为钉子利用圆柱形的表面而螺丝钉利用螺旋状的表面将木头部件紧固到一起，因此在紧固木头部件的环境中，钉子和螺丝钉可以是等价结构。

Claims (21)

1.一种用于操作海洋地震振动器作为在海洋地震勘察中的移动震源的方法，所述方法包括：
选择拖影误差标准；
选择降频扫描非线性扫描函数；
根据所述扫描函数来激活所述海洋地震振动器；以及
采集海洋地震数据。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
处理所采集到的海洋地震数据，以确定地球的内部段的特性。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述拖影误差标准包括相位误差阈值和振幅误差阈值。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在频率-时间域中表达的所述降频扫描非线性扫描函数f(t)是等于或小于所述拖影误差标准的函数，其中，f是以Hz为单位的频率；t是以秒为单位的时间。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述相位误差阈值是以度为单位的并且所述扫描函数是等于或小于的函数。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
针对每个频率，计算拖影误差；并且
针对拖影误差大于所述标准的频率，对所采集的数据执行去拖影。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述扫描函数是基于质量要求的函数。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述质量要求是在图像带宽上设定的信噪比SNR要求。
9.如权利要求8所述的方法，其中，对所采集的数据的直到20Hz的低频端执行去拖影。
10.一种用于海洋地震勘察的装置，所述装置包括：
至少一个海洋地震振动器；以及
振动器控制器，控制所述海洋地震振动器的操作；其中：
所述振动器控制器包含扫描函数，在所述海洋地震振动器被激活时，所述振动器控制器在所述海洋地震振动器移动的同时使所述海洋地震振动器根据所述扫描函数进行频率扫描；以及
所述扫描函数基于拖影误差。
11.如权利要求10所述的装置，还包括：
至少一个海洋拖缆，其具有海洋地震传感器；以及
地震船，其拖曳所述至少一个拖缆，其中，当激活所述海洋地震振动器时，所述拖缆采集地震数据。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述拖影误差标准包括相位误差阈值和振幅误差阈值。
13.如权利要求12所述的装置，其中，在频率-时间域中表达的降频扫描非线性扫描函数f(t)是等于或小于所述拖影误差标准的函数，其中，f是以Hz为单位的频率；t是以秒为单位的时间。
14.如权利要求11所述的装置，还包括：
处理器，其被配置为对所采集到的地震数据进行处理，以确定地球的内部段的特性。
15.一种用于操作海洋地震振动器作为在海洋地震勘察中的移动震源的设备，所述设备包括：
用于选择拖影误差标准的模块；
用于选择降频扫描非线性扫描函数的模块；
用于根据所述扫描函数来激活所述海洋地震振动器的模块；以及
用于采集海洋地震数据的模块。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述拖影误差标准包括相位误差阈值和振幅误差阈值。
17.如权利要求15所述的设备，其中，在频率-时间域中表达的所述降频扫描非线性扫描函数f(t)是等于或小于所述拖影误差标准的函数，其中，f是以Hz为单位的频率；t是以秒为单位的时间。
18.如权利要求15所述的设备，还包括：
用于针对每个频率，计算拖影误差的模块；以及
用于针对拖影误差大于所述标准的频率，对所采集的数据执行去拖影的模块。
19.如权利要求18所述的设备，其中，所述扫描函数是基于质量要求的函数。
20.如权利要求19所述的设备，其中，所述质量要求是在图像带宽上设定的信噪比SNR要求。
21.如权利要求20所述的设备，其中，对所采集的数据的直到20Hz的低频端执行去拖影。
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