CN104471443B - 使用近场与远场超低频和极低频干涉测量合成孔径雷达以用于地下成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于地球物理勘探、地下流体监测的设备和处理，更具体地，涉及使用控制源电磁(“CSEM”)信号和大地电磁(Magnetoturelic)(“MT”)信号来建立地下结构和流体的图像的干涉测量技术的使用。

Description

使用近场与远场超低频和极低频干涉测量合成孔径雷达以用 于地下成像的方法
技术领域
本发明涉及用于地球物理勘探、地下流体监测的装置和处理，并且更具体地涉及使用控制源电磁(“CSEM”)信号和大地电磁(Magnetoturelic)(“MT”)信号来建立地下结构和流体的图像的干涉测量技术的使用。
背景技术
现有技术涉及使用依赖于诸如水听器的监听装置的处理，该监听装置被布置在邻近的平行井中或被协同定位在所关注的井周围。该方法通常称为微震监测(MSM)，由第7,872,944号专利所代表并且通过引用并入本文中。
MSM技术具有若干基本缺点。(a)该方法是地下地层内的实际流体位置与广度的次级指示器。(b)该方法未指示支撑剂(proppant)是否已经成功地被引入地下地层。(c)该方法不报告与地层中所存在的流体的质量或压裂有关的任何信息，而该信息可以通过对孔隙率和电导率的测量所限定。(d)存在移动并且重新定位用于发生压裂操作的每个地下深度的传感器阵列所需要的复杂过程。
还存在纯理论的专利申请“Controlled Source Fracture Monitoring”US 2010/0147512，该专利申请描述了该处理可以如何使用CSEM来进行操作，但是未描述产生可用的成像数据所需要的方法或技术。
在Cramer等人的US 2010/0147512中所提出的方法具有若干基本缺点。(a)在Cramer等人的US 2010/0147512中，该方法需要对其进行修改以增强其电磁(EM)性质的支撑剂。(b)在Cramer等人的US 2010/0147512中所提出的方法需要有源发射器以使用CSEM，或需要很长时期的数据收集以便使用TM方法。(c)在Cramer等人的US 2010/0147512中，需要通过管道、套管或钢缆工具来电学地将信号传导至地层。(d)在Cramer等人的US 2010/0147512中，存在与将激励脉冲传递至或耦合至地层的方法有关的实际影响，这使得所提出的方法限于仅在发生压裂操作之前或之后进行操作。(e)在Cramer等人的US 2010/0147512中，所需要的功率量将相对较大并且在压裂操作期间引入该功率将伴随问题。功率将直接地控制调查的深度并且这可以被证明为限制因素。(f)在Cramer等人的US 2010/0147512中，未讨论对天线进行调谐以朝向管道和周围地层从而确保AC信号的良好耦合的处理。在缺少对天线进行调谐以朝向周围地层的关键步骤的情况下，很可能天线将不会与地层可靠地耦合，从而由于来自地层的反射信号导致了不一致的结果以及可能的发射器输出级故障。(g)被假定应当教示审查员关于本发明的某些方面的参考文献并未讨论与天线的位置和极化有关的数学问题，而为了实现收敛，其对于所参考的当前的数据反演技术而言是必须已知的。对于在Cramer等人的US 2010/0147512中所陈述的方法而言固有的是：在压裂操作期间，该信息将是未知的并且依赖于管道的形状和尺寸以及支撑剂和流体在地层中已经迁移的区域。
干涉测量技术通常已经被用于许多不相关的领域中，诸如，用于医学成像的核磁共振成像(“MRI”)、天体物理学中的基线射电天文成像、对地球表面进行成像的合成孔径雷达(“SAR”)、探地雷达(“GPR”)以及干涉测量SAR(InSAR或IFSAR)。这些系统中的每个系统使用电磁频谱的不同部分，但是没有一个系统成功地被应用于CSEM。事实上，本领域多数从业者期望在图像中干涉条纹包含多个为pi的倍数的相移；然而，如以下将进一步讨论地，对于所公开的主题而言，情况并非如此。存在如下一些相关的专利：IVAN VASCONCELOS等人的题为“ELECTROMAGNETIC EXPLORATION”的US 2009/0302849 A1，描述了使用格林公式来解决问题的建模方法，该专利的全部内容通过引用并入本文中。还存在讨论应用于CSEM的干涉测量技术的若干论文，这些论文是：Wapenaar等人的“Seismic interferometry by cross-correlation and multi-dimensional deconvolution:a systematic comparison”，其全部内容通过引用并入本文中；以及2012年10月3日提交的Knaak等人的“3D syntheticAperture for Diffuse Fields”，其全部内容通过引用并入本文中。重要的是要注意到：这两篇论文中的后者将其调查限于0.25赫兹的现存海洋CSEM数据。
干涉测量技术在较高频处较好地被理解，但是在低频处较少地被关注。
干涉测量合成孔径雷达(IFSAR)是使用信号处理以将分辨率提高到超过物理天线孔径的限制的已知技术——Samuel W McCandless Jr.和Christophe R Jackson的“SARMarine User’s Manual”描述了该技术的示例，其全部内容通过引用并入本文中。与该技术相关联的问题之一是由于多普勒效应引起的相位展开误差，如在Olaf Hellwich的“BASICPRINCIPLES AND CURRENT ISSUES OF SAR INTERFEROMETRY”中所公开地，其全部内容通过引用并入本文中。在IFSAR技术中，根据接收器的直线部署来收集固定间隔测量值并且将该固定间隔测量值用于“合成”非常长的天线。IFSAR使得使用较长的波长并且仍以合理尺寸的天线结构实现良好的分辨率成为可能。结合相位数据，理论上可以获得任意分辨率。
在多分量CSEM接收器的噪声消减以及相位精度中的最近的进展允许引起场分辨率上显著提高的额外的提高。在通过引用并入本文中的2011年7月7日提交的美国公开专利第2012/0010818号以及通过引用并入本文中的2012年5月17日提交的美国临时专利第61/648,305号中公开了这样的方法和系统。
如在扩展频谱无线传输方案中所使用的伪随机二进制(“PRB”)码的概念较好地被理解。对所提出的用于使用PRB码进行近表面调查的系统的描述可以在2009年12月26日提交的美国专利公布第2010/0102822号中找到，并且其通过引用并入本文中。第2010/0102822号公布包含阻止其在本文所预想的应用中进行操作的若干约束；最重要的是使用短PRB码的约束。使用短PRB码严重地限制了有效深度(例如，小于300m)。为了达到可用的深度(例如，超过300m至3,000m以上)，该码必须非常长并且必须以非常大的功率进行发射。在1980年提交给SEG的P.M.Duncan等人的论文“The development and applications of awideband electromagnetic sounding system using a pseudo-noise source”描述了类似的PRB系统并且其全部内容包括在本文中。
当前CSEM技术存在若干问题，这些问题限制了对所建立的图像进行解释的能力。发生这些问题是因为当前系统以较大的空间不确定性来生成图像。在为了缓解该问题所进行的努力中，本领域的多数从业者使用复杂的信号处理方法以便约束结果，其中复杂的信号处理方法涉及使用其他数据集(诸如，地震数据)的建模以及反演。不可避免地，此方法导致了不精确并且不确定的结论。
发明内容
所公开的主题涉及用于地球物理勘探、地下流体监测的装置和处理，并且更具体地涉及使用控制源电磁(“CSEM”)信号和大地电磁(“MT”)信号来建立地下结构和流体的图像的干涉测量技术的使用。
所公开的主题的目的是对在水力压裂或液化石油气(LPG)地下压裂操作期间所引入的地下流体的监测具有特别的应用。地下压裂操作领域中的技术人员将理解在地下压裂操作期间或之后尽快建立流体柱和填隙支撑剂的广度和质量的重要性。这对于确保压裂处理成功并且不撞击可能包含饮用水或另一方的地下矿床的邻近结构是特别重要的。
所公开的主题提供了不需要使用采用地震数据进行的反演的解决方案。在一个实施例中，提供了四个步骤的处理。这些步骤中的每个可以独立地使用，但是适当地采用所有四个处理将实现地下结构和内容的更完整的图像。
用于该实施例的步骤为：收集并且处理来自PRB码发射的数据以提供用于第二步骤的近场相速度的步骤；提供用于第三步骤的深度信息的雷达探测计时步骤；建立目标结构的干涉测量图像的步骤；使用相位聚焦处理将干涉测量图像的“堆叠”建立到近场域中的步骤。
深度和相速度信息可以以其他方式获得；诸如，使用退出测井曲线(exiting welllogs)、地质层图、以及在水力压裂情况下的所关注的压裂阶段的精确位置。每个步骤使用相位测量接收器阵列以及相位展开处理。
所公开的主题的目的是不需要对其进行修改以增强其电磁(EM)性质的支撑剂。
除了Cramer等人的专利中的需要有源发射器以使用CSEM或需要非常长的数据收集时期以便使用TM方法的方法之外，所公开的主题的目的是示出存在依赖于在压裂处理期间发生的地层的另一性质的第三方法。
所公开的主题的另一目的是使得在没有将信号引导至压裂位置的中间线的情况下能够进行来自表面的激励脉冲的发射。
所公开的主题的又一目的是示出：与仅限于在压裂操作发生之前或之后进行操作相反地，监测可以贯穿操作发生并且使得用户能够立刻观测到任何可能的问题。
所公开的主题的目的是提供对于CSEM领域较新的干涉测量和化解波(defusewave)干涉测量技术。
所公开的主题的目的是使用高于0.25Hz的频率来建立使所公开的主题有效所需要的可接受的分辨率。
所公开的主题的又一目的是通过对特定工程实现进行微调以匹配由探测波的目标以及特性所形成的独特的特性和挑战(例如，定位接收器；将发射器定位在多于一个位置；相位调整；相位聚焦等；以克服可能掩蔽、遮蔽或另外地隐蔽所关注的区域的困难的地质情况)，来根据真实世界干涉测量应用实现最佳结果。
所公开的主题的目的是通过在取得读数时使所公开的主题保持静止而减小或消除由于多普勒效应引起的相位展开误差。
所公开的主题的目的是通过使用多个发射器位置以及使用相位聚焦技术而重新获得在目标区域上移动源和接收器的内在优点。
所公开的主题的又一目的是允许多个发射器位置。
所公开的主题的目的是将干涉测量技术的使用扩展至低频电磁频谱。
所公开的主题的目的是通过使用数据成帧技术来克服采样率和ADC分辨率的硬件限制。
出于对所公开的主题进行命名的目的，术语化解波干涉测量CSEM和采用CSEM的远场干涉测量将称为“InCSEM”。针对该应用，电磁(“EM”)模式与感应极化(“IP”)模式可以根据下述进行区分：感应极化是涉及电荷的分离与复合的缓慢的处理，而EM模式依赖于EM波传播以及与具有不同电导率的材料之间的界面的相互作用。
本发明使用基线无线电干涉测量的改变的并且增强的形式以使用如在本文中所描述的专用的接收器的合理地小的阵列、其专有的信号处理方法以及成像几何结构来实现高地下空间分辨率。
附图说明
图1示出了根据所公开的主题的实施例的典型的源、对象以及接收器布置。
图2示出了根据所公开的主题的实施例的简单的、两元件的、准单色干涉计。
图3示出了根据所公开的主题的实施例的各种接收器布局以及它们对场覆盖的影响。
图4a和图4b示出了根据所公开的主题的实施例的示例性相位聚焦。
图5示出了根据所公开的主题的实施例的用于增加的相位分辨率的预想数据成帧技术。
具体实施方式
所公开的主题涉及控制源电磁勘探(CSEM)领域，并且更具体地，解决了该技术中与分辨率和定域性有关的各种缺点。在操作中，所公开的主题提供了用于成像的系统和方法，该系统和方法通过以下所讨论的数据成帧技术将采用基于干涉测量的合成孔径雷达技术的ELF或ULF电磁特性与采用过采样的控制源电磁特性相结合。本领域多数从业者期望在图像中干涉条纹包含多个为pi的倍数的相移；然而，对于所公开的主题而言，情况并非如此。在关注的区域中以及在ELF和ULF频率范围内，尤其当使用小于10Hz的频率或探测非常低的电导率地层时，干涉图案将非常弱并且将由小于pi的干涉构成。所公开的系统能够检测由于在表面接收器阵列处所存在的小的相移引起的小的振幅改变。提供对H场和E场的传统CSEM测量与采用IFSAR的ULF和ELF相控阵雷达技术进行组合的方法和系统。在美国专利公布第2012/0010818号中所公开的发射器能够根据受控电流源生成ULF和ELF信号以提供较大的EM发射精度，以便采用近平面波前照射地下地质。在发射器处记录输出电流、输出电压以及发射波形；例如还根据具有极大精度和分辨率的原子时钟来记录时间。使发射器输出波形同步并且与时钟相位相干。时钟用于使所有发射器和接收器相位同步。在一个实施例中，可以通过使用GPS同步时钟并且使所有系统时钟参照GPS同步时钟来实现该功能。
在一个实施例中，接收器和发射器的系统以下述方式布置：增加可以进行的独特的测量的数量并且还减少干涉测量图像或雷达探测计时数据的不确定性。存在对在任意观测系统(field setup)中可以部署的接收器和发射器的数量的实际限制。该实施例使用相位相干发射的“线性调频脉冲”，该线性调频脉冲可以使用多个发射频率来建立。线性调频脉冲信号可以根据在时间上以离散间隔改变的频率或随时间连续变化的频率而建立。相位相干发射需要发射器和接收器二者与同一低漂移同步时钟(诸如，原子时钟或GPS同步时钟)相干。
继续该实施例，表面上的与多个发射频率耦合的多分量CSEM接收器和发射器布局的组合将提供具有足够尺寸和几何定域性的数据集以使得能够建立地下地层的干涉测量图像。将天文干涉测量技术进行修改并且重新应用于地下远场图像平面。另外，通过相位调整的应用和相位聚焦的构思，可以通过整个地下结构来建立重叠图像的完整集合。本发明使得能够将数据聚集成1D、2D、3D和4D成像。4D成像的构思仅仅是在连续时间间隔上得到的多个图像。
由美国临时专利第61/648,305号所限定的发射器可以被实现为D类放大器。该配置中的发射器还能够发射用于提供单频线性调频脉冲的发射的一系列正弦波形。这些类型的波被用于较传统的GPR和IFSAR系统中并且可以应用于预想的系统中。
参照术语表(1)。针对ELF和ULF电磁信号假定准静态限制。在该技术的实现中所使用的基本物理原理是：当采用预想的源辐射进行照射时，具有不同电特性的不同地下材料的边界将导致包括反射、透射和吸收能量的复杂相互作用。该技术使用等式(1)所示的形式的斯涅耳定律
其中，σT＝目标层的电导率
以及，σ1＝覆盖层的电导率
以及如在地球物理EM内所限定的准静态限制对于ELF和ULF电磁信号是有效的。
等式(1)中的关系指出了对入射辐射的角度的限制。一般地，对于ELF和ULF频率范围，在照射源辐射的全吸收之前，依赖于电导率比和发射频率，与目标表面的法线的最大角度位移将为20度。该角度为临界角，并且对于发射频率中的每个频率该角度是不同的。在所计算出的关于目标地层表面的法线的角度内维持在表面上的发射器位置并且将移动至表面上的新位置，将使得EM信号能够穿入并且通过目标地层。这引起检测处于不同深度处的多个目标的新方法。另外，移动发射器穿过所计算出的角度界限，这引起通过使用贯穿接收器阵列检测信号零位的处理来确定地层界限和形状的新方法。
参照图1，信号几何结构(geometry)100包括偶极子源105，偶极子源105被定向为与待成像的目标区域110垂直、以适当的量发生偏移，以便针对所选择的频率和地层类型而以临界角115或低于临界角115的源辐射照射目标区域。因为存在来自偶极子源105的宽的辐射分布图案(波束图案)，所以接收器阵列120被确定大小并且放置在地球表面125上，以通过利用来自目标表面110的朗伯体反射和镜面反射主要仅对目标表面110中的图像对象进行成像。目标表面110中的图像对象被示为矩形形状，但是通过修改接收器阵列120的形状可以实现任意合理的形状。在使用组合的镜面反射和朗伯体反射假设的情况下，目标区域110中的图像对象实际上是接收器阵列120中的接收器阵列形状的镜子或反射器。
几何结构100的其他方面是接收器阵列120的接收器偶极子，接收器阵列120的接收器偶极子应当粗略地定位成与目标区域110中的图像对象的中心线垂直以为了最大信号响应。另外，至目标区域110的深度135是足够的，该深度的两倍远大于接收器阵列120的线性延伸140。这确保关于图像对象平面的法线的临界角115较小并且确保所接收的波是平面形状的，从而得到非常简单的干涉解(solution)。当使用相位调整和相位聚焦的方法时放宽这些约束。
另外，所使用的坐标系由箭头145限定。u坐标和v坐标与表面110和接收器阵列120一致。w坐标被限定为与u坐标和v坐标二者垂直的方向。
可以通过用于各种地下电导率的波数来描述另外的系统限制。分析示出波数为：
所以
使用等式(2)，可以针对所关注的频率和电导率求得对于此技术可使用的波长范围。另外，可以针对所关注的各种频率和电导率求得典型相速度的范围。
要考虑的另外的限制是趋肤深度。这由下式给出：
使用等式(3)，可以针对所关注的各种频率和电导率求得以km为单位的趋肤深度。趋肤深度的值指示在较高频率处所预想的系统必须能够记录来自若干趋肤深度远的信号。
等式(1)、(2)和(3)限定了一组限制，所公开的主题将在该一组限制内进行操作。针对振幅和相位的灵敏度的增强将导致来自多个趋肤深度远处的读数，这将使得干涉信号处理能够实现。
两元件、准单色干涉计
参照图2。通过指定简单模型来说明所公开的主题是有益的。接收器205和接收器210相距已知距离230地被布置在表面200上，可以考虑准单色干涉计210以及其对点源215的响应，然后将添加系统的与有限带宽和扩展源有关的方面。图2所示出的简单模型可扩展至3D。
两个接收器205和210获得来自沿源单位矢量220定位的单一点源215的信号，源单位矢量220以角度θ225偏离基线矢量230。基线矢量230也可以以波长表示为：
将到达最右侧接收器210与最左侧接收器205的信号之间(由于几何距离差)的几何时间差标记为τg 235，并且对于干涉测量任务，需要此源在由τg 235所标记的几何距离上是相干的。另外，点源215必须距离接收器足够远，使得入射波240具有可忽略的波前曲率并且因此在两个接收器205与210之间的距离上入射波240实际为平面波。几何时间延迟可以被表示为：
其中，vp是所讨论的波的相速度。
参照等式(4)，关于τg的表示式非常重要(来自两个接收器205和210的信号在该简化示例的平面之外)。因为两个矢量和的点积，所以存在有关于矢量的轴对称性，并且具有接收器205与210之间的相等几何时间延迟的路径形成了以基线矢量230为中心的圆。
对来自两个接收器205和210的信号、由偶极子接收天线产生的电压进行分析，以及将最右侧接收器210标记为1并且将最左侧接收器205标记为2，则：
V1＝Ecos(ωt)并且V2＝Ecos(ωt-τg) 等式(5)。
等式(5)表明V2在时间上滞后了量τg。产生了可以用于相关器(correlator)的信号。天文干涉测量领域中的技术人员将理解相关器的构思。
干涉信号处理
所公开的主题包括产生极小带通中的信号的接收器和处理单元，并且实际上信号的傅里叶变换已经通过适当的时间-频率变换而被获得，即使通过使用接收和处理电子装置内的带通滤波器已经产生了信号也如此。相关器的第一任务是将这两个电压相乘在一起并且在适当长的时间(所关注的每个频段的若干周期)上对其进行平均。则相关器的输出为：
RC＝<cos(ωτg)+cos(2ωt-ωτg)>＝<cos(ωτg)> 等式(6)。
在等式(6)中，后面的等号是由于时间余弦函数在多个周期上的平均得到零。量RC指的是余弦结果。相关器的输出RC使得其实际上采用交替的余弦响应函数在图像平面上投射圆环。此外，圆环以干涉测量对的基线为中心，具有依赖于ωτg的间隔或周期。许多工程因素影响所接收到的信号，但是此影响可以通过对接收器和发射器的校准而被移除或减小。
因为等式(6)中的RC相关器为偶函数，所以需要奇相关器函数使得可以将图像平面中的任意函数完全地成像。将π/2相移引入到接收器线中之一而产生奇、正弦相关器，从而产生如下RS相关器：
V1＝Ecos(ωt+π/2)并且V2＝Ecos(ωt-τg)
现在，带通限制信号V1和V2的时间平均积变为：
RS＝<sin(ωτg)+cos(2ωt-ωτg)>＝<sin(ωτg)> 等式(7)
等式(7)为奇相关器。
根据等式(6)和等式(7)，偶相关器和奇相关器输出称为复可见度V的复数量，复可见度V可以被构造为：
V＝RC-iRS＝Ae-i 等式(8)
其中，并且tan()＝RS/RC。
扩展源
所公开的主题使用扩展源，诸如，图像平面或图像对象。扩展源是来自组成对象的所有点源的辐射的和。对于具有由所给出的辐射强度或特定强度的扩展源，系统响应将为：
采用等式(9)中的关系，复可见度的关系为：
可以发现，这变得非常接近于所求的量与可观测的复可见度之间的傅里叶变换对，其中，是作为位置的函数的辐射量。有待于求得用于表示这两个量并且然后完全揭示这些变量之间的变换的合适的坐标系。然而，首先应当讨论放宽准单色假设，使得可以确定由任意接收器电子装置的必要有限带宽所引起的效果。
有限带宽效果
给定复频带响应函数G(v)，则可以在以v0为中心的有限带宽Δv上对复可见度求积分并且求得
现在，如果源强度在小的带宽上是恒定的，则有限带宽的结果是将复频带响应函数的傅里叶变换引入到复可见度中。例如，如果具有方形带宽，则得到：
此外，对于高斯频带线型(profile)，将高斯响应引入到量τgΔv中。频带响应函数的傅里叶变换的函数形式称为条纹洗涤函数(fringe washing function)，这是因为：
给出了沿水平线的最大响应以及随着发射器以较陡的角度向下探测而减少的响应。对于所选择的几何结构，如果量τgΔv较大，则系统将总是向下成像，所以条纹洗涤函数可以对干涉测量技术造成破坏。然而，可以通过“相位调整”来减轻对干涉测量技术的破坏，然后条纹洗涤函数变成偏离指向相位中心的矢量的角度的函数，其中，“相位调整”使得能够进行“相位中心”远离水平线朝向图像对象的中心的移动。即使如此，对于大的图像区域和大的带宽，条纹洗涤函数促成了又一工程分布空间(trade space)，在其上对系统的成像几何结构进行设计。
在干涉测量成像中所使用的坐标系可以用于说明接收天线布局的重要性。以下对所采用的坐标系进行限定：
采用两点干涉计中的两个天线之间的中心点作为它们的有效位置，并且利用u、v、w坐标系来表示它们的位置。令u和v属于天线平面(即示例几何结构中的地球表面)，并且使得w能够垂直地延伸到地面中。另外，以所考虑的带宽中心频率的波长来表示u、v、w，使得：
单位矢量的方向余弦在上述坐标系中被表示为l、m、n，根据l、m、n可以将从目标发出的辐射之间的联系(link)表示为：
该恒等式表示由以下所给出的傅里叶变换对：
等式(11)将可观测的复可见度与期望的图像之间的关系(connection)建立为用于干涉计的位置的坐标(u，v)与投影在图像平面上并且所测量的偏离图像对象的中心的方向余弦(l，m)之间的傅里叶变换对。为了重新得到图像，利用如下逆傅里叶变换：
Iv(l,m)＝cos(θ)·∫∫Vv(u,v)ei2π(ul+vm)dudv 等式(12)。
等式(12)表示可观测的复可见度或在(u，v)坐标系中所测量的各个相关器输出RC和RS与在(l，m)坐标系中所测量的图像强度之间的联系。
采用天线阵列进行干涉测量成像
参照回图1。任意两元件干涉计的输出表示(u，v)平面145中的单个点，该测量仅对一个空间波数进行采样。delta函数的傅里叶变换是正弦(或余弦)波，以在图像平面上叠加正弦(或余弦)条纹而结束。这导致在下面的(underlying)图像对象中的相当大的不确定性，但是因为添加了多个干涉计，所以系统对越来越多的(u，v)平面进行采样并且因此以增加的确定性对来自图像的发射进行定位。这反映在由任意数量的干涉计所建立的点扩散函数(“PSF”)中。这引起以下构思：或具有多个发射器，或将发射器移动至多个位置，或牵引发射器通过所关注的区域。根据行星的旋转在天文学中获得等同效果。
注意，对于任意N个天线，可以形成N(N-1)/2个两点组合或(u，v)采样，这极大地提高了(u，v)平面覆盖。另外，如果任意两个两点组合一致，则没有重新获得的额外的空间信息，所以天文阵列通常使用可变间隔，例如非常大的阵列或VLA使用对数间隔。图3a、3b和3c中示出了其他可能的阵列设计。
重要的是注意，(u，v)覆盖与所恢复图像分辨率之间的联系。参照图3a，圆形阵列配置300的检查示出了其在(u，v)覆盖的中心产生孔，这转化成关于最大空间图像尺度的信息的缺乏(即，大的结构将不能被成像)。然而，圆形阵列配置300的大的(u，v)覆盖将使得能够分辨小尺度细节。螺旋形阵列305提供相反的组合：具有优异的大尺度结构(原点附近优异的(u，v)覆盖)，但是较差的小尺度图像细节。随机阵列310在所有空间尺度处提供了具有良好分辨率的随机(u，v)覆盖。
即使在多个发射器位置提供极大增强的(u，v)平面的覆盖的情况下，由直接傅里叶变换所产生的像(imagery)仍将称为由脏(dirty)波束所产生的“脏图像”。这是因为大量重叠傅里叶投影仍在中心点之外产生具有相当大能量的点扩散函数。作为结果，脏图像需要与点扩散函数(作为图像中的位置的函数)进行去卷积以产生最高质量的干净图像。
傅里叶变换的干涉测量方法用于将地球平面中的2维观测坐标(u，v)与图像平面上的图像坐标(l，m)相联系。因为存在对可能的位置的物理限制，所以将针对最佳阵列和成像定式来设计一组成像要求。
傅里叶变换的另一重要方面是，相关器内的所有计算在充分窄的带通滤波器上完成。该带通滤波器内的信号和/或信号功率为时间信号的傅里叶变换，使得即使不需要使用傅里叶变换将信号分割到通带中，这也可以使用带通滤波器电学地完成，并且在本实施例中直接从基本上以时域与频域之间的另一傅里叶变换进行工作的电子装置来产生。条纹洗涤函数是傅里叶变换函数的一个方面，并且还形成了2D天文干涉测量成像与允许3D全容积成像的地下干涉测量之间的关键联系。通过审查相关和卷积的数学运算可以更好地理解天文干涉测量与地下干涉测量之间的关系。
信号相关和信号卷积被用于将天体物理干涉测量与地球物理干涉测量相联系。时域信号使用小写字母f(t)来表示，而其傅里叶变换对采用大写字母表示为F(ω)。两者通过傅里叶变换联系为相关用于检测较长尺度信号中的给定图案，而卷积给出由系统响应对其进行操作的输入信号的生成信号。后者的示例为下述情况：图像对象与成像系统的点扩散函数进行卷积，以确定系统在看完美图像对象时将产生的图像。符号f*g将表示f与g的卷积，符号表示f与g的相关。则，对于卷积，如下：
h(t)＝f(t)*g(t)≡∫f(τ)·g(t-τ)dτ。
这些量的傅里叶变换通过下式相关联：
H(ω)＝2πF(ω)G(ω)。
在傅里叶域中，卷积相当于傅里叶变换函数的乘法。以极坐标表示法表示傅里叶变换，如下：
F(ω)＝F0(ω)eiF(ω)和G(ω)＝G0(ω)eiG(ω)。
卷积通过下式给出：
H(ω)＝2πF0(ω)G0(ω)ei(F(ω)+G(ω))。
在极坐标表示法中，卷积使振幅相乘并且使相位相加。如果函数的相位是通过沿路径的传播产生的，则两个函数的卷积得到表示沿两个单独路径的和传播的函数。
对于相关，如下：
相关是与一个时间反演的函数的卷积，或：
则，关于这些相关的傅里叶变换简化为：
H(ω)＝2πF*(ω)G(ω)。
在此，函数F*(ω)上的上标*表示该函数的复共轭。在该情况下，针对这些相关使用极坐标表示法，如下：
H(ω)＝2πF0(ω)G0(ω)ei(G(ω)-F(ω))。
相关使函数的相位相减。在该情况下，当相位由路径传播引入时，两个信号的相关产生表示沿两个信号之间的中间路径传播的信号。此结果对于所公开的主题是重要的。
近场和远场聚焦
目前为止，推导已经探讨了通常用于天文干涉测量中并且被修改成适合针对地下ELF和ULF干涉测量的特定要求集的远场近似。在地下ELF和ULF干涉测量中，近场对象还产生信号返回。来自近场对象的信号被散焦并且仅以下述方式污染像：在摄影图像中附近的对象是模糊的。使用与相位调整类似的“相位聚焦”形式，此技术将提供从3D容积切出深度切片的能力。此技术会使较近的场和较远的场二者基本上散焦，使得可以建立全容积图像。在容积被分割成彼此层叠的切片的情况下，不需要离散的步骤，而是可以连续地完成步骤使得连续的切片与相邻的切片显著地重叠并且使得能够进行3D相位聚焦。该技术与用于使图像的相位中心偏离水平线并且移动到所关注的图像对象的中心的相位调整有关。
本发明的重要方面是近场可以被认为是使目标地层散焦的不透明介质。
在第二实施例中，干涉测量系统可以使用被修改成产生相位聚焦的相位调整的技术。相位调整的构思在雷达相控阵天线中较好地被理解。在所公开的主题中，相位调整通过把接收器作为发射器对待并且使用各自之间的相移来反向参照对象而实现。这同样是较好理解的技术。使用相位调整的影响是，本发明必须能够根据可以被相位展开的接收器矩阵来产生数据，或本发明必须具有用于直接测量相位的方法。
相位聚焦与相位调整的处理不同之处在于：代替于针对接收器对引入相同的相移，针对每个接收器引入不同的相移使得朝向焦点调节接收器对的相位中心。
现在参照图4a。针对在表面400上不规则布置的一系列接收器405a、405b和405c，可以看出存在针对+2π由410限定、针对+π由415限定、针对0由420限定、针对-π由425限定以及针对-2π由430限定的一系列相位零位(null)。对于接收器405b和接收器405c，相位零位相同。
现在参照图4b。代替于如在针对相位调整的情况下一样针对每个接收器对引入相同的相移，在相位聚焦的处理中针对每个接收器对引入特定相移，从而产生与相位中心的角度偏差435和440，以将两个相位零位天线图案调整到期望的地下空间中的焦点445。实际上，对具体焦点的确定将依赖于由介于中间的材料之间的界面所引起的相移。
针对测量来自如等式(1)所限定的反射界面的波前转变时间的另外的限制是：相速度随地层类型而改变并且可能相当复杂，以及对于讨论的材料是各向异性的。第三实施例和第四实施例提供了建立用于穿过介于中间的结构的相速度的信息的技术。
第三实施例使用所设计的发射的相位相干PRB码，以使得能够从近场区至中间场区调查电导并因此调查相速度。对上层中的相速度的认识将提高对通过相位差所建立的图像的唯一解的可能性。其他码也是可以的。CSEM勘探中的近场区、中间场区和远场区的构思可以被CSEM勘探领域中的技术人员理解。PRB码的构思可以被扩展频谱传输方案领域的技术人员理解。
在一个实施例中，深度信息被收缩(collapse)至图1所示的单个图像平面。在每个传导界面处建立一组图像平面。可以通过使用第四实施例的雷达探测计时技术来恢复深度信息。
在第四实施例中，可以如下地得到雷达探测计时数据：发射器采用与GPS同步时钟同步的发射时间、以固定速率进行发射。另外，多个接收器与GPS同步时钟同步。通过成帧方法，接收器能够检测从发射器到响应地层并且回到接收器天线的EM通行时间(transittime)。通行时间被定义如下：
T＝Dt→f/c*Vp+Df→r/c*Vp
其中：
T＝通行时间
Dt→f＝从发射器到目标地层的距离
Df→r＝从目标地层到接收器的距离
c＝EM信号在真空中的速度
Vp＝EM信号在地层中的传播速度
可以通过在多个接收器中、在多个频率处收集数据并且经由不同通行路径求解线性方程矩阵来求解Vp。另外，发射PRB码的技术可以用于直接地测量近场区中的相速度。
第五实施例使得能够使用突发发射模式。突发模式包括：发射处于发射频率的一个或更多个脉冲，而之后的一个多更多个周期中在发射频率处不存在被发射的功率。这使得系统能够记录反射信号并且实现雷达探测计时数据收集。
接收器、发射器与图像平面之间的相互关系(reciprocity)的构思对所有描述的实施例都是重要的。天文干涉测量领域的技术人员将理解接收器、发射器与图像平面之间相互关系的构思。
为了建立地下雷达探测计时和干涉测量图像，接收器系统必须能够通过相位相干从源信号中检测到小的相移和振幅改变。
为了以可用的电子装置实现高精度，所公开的主题使用另外的数据成帧技术的步骤，其中，数据成帧技术由图像积累算法以及根据发射的脉冲以定义明确的相位偏移来记录数据的文件系统进行限定。成帧技术建立相位相干并且采用发射器精确计时的数据采样。
现在参照图5。在实施例中，时钟管理系统500用于实现ADC时钟510输出与作为相位对准脉冲505的原子时钟脉冲或GPS同步时钟脉冲的相位对准。可以使用现成部件(shelfcomponent)或通过适当编程的高速CPLD或类似装置实现时钟管理系统500。通过引用并入本文中的2011年7月7日提交的美国专利公布第2012/0010818号以及2012年5月17日提交的美国临时专利第61/648,305号中公开了这样的方法和系统。时钟管理系统500接收输入相位对准脉冲505，并且对于系统而言输入相位对准脉冲505是全局的。相位对准脉冲505必须以下述速率重复，该速率与ADC时钟510使得ADC时钟510的一个时钟周期漂移所花费的时间相比更快。相位对准脉冲505的重复速率受系统时钟515的漂移控制。系统时钟515必须具有比待与相位对准脉冲505同步的时钟高得多的频率。在每个相位对准脉冲505发生时，时钟管理系统500从系统时钟515引入足够高的速度的时钟脉冲以将ADC时钟510与相位对准脉冲505重新对准。该处理确保ADC 525产生与相位对准脉冲505对准的数据采样520。存在可用于相位对准处理的其他技术。
一旦ADC时钟510与相位对准脉冲505对准，则时钟管理系统500就可以用于在ADC525数据采样520输出中建立受控相移。
在一个实施例中，ADC 525是Delta Sigma ADC。在ADC 525中，存在由在步骤完成时产生数据采样的许多处理步骤组成的状态机。所公开的成帧技术通过延迟该处理中的单个步骤来利用状态机处理。此步骤以ADC时钟510速率发生。产生数据采样所需要的步骤的数量可以随着装置而变化，但是这不改变所公开的成帧技术的处理的结果。例如，对于所选择的ADC 525的数量为512，以获得数据采样530。时钟管理系统500延迟单个ADC时钟周期535，从而得到在ADC 525的输出处被延迟了ADC时钟510的一个时钟周期的采样。时钟管理系统定期执行该步骤。尽管速率可以为任何期望速率，但是在此示例中速率为每秒一次。在随后的周期中，依次从ADC时钟脉冲串中移除另外的脉冲。所以，对于第二周期，以两个ADC时钟脉冲对ADC 525数据输出进行延迟565，以及对于第三周期，以三个ADC时钟脉冲对ADC525数据输出进行延迟565，等等。在512个周期之后，处理再次开始。还可以以较大数量的ADC时钟510脉冲进行延迟。在大容量存储器模块540中，第一数据采样530处于相位φ0。ADC525继续以相对于相位对准脉冲505的相位φ0输出数据。数据被传递至包含大容量存储器模块540的存储器系统595。在下一相位对准脉冲506之前所收集的数据在550处被存储在大容量存储器模块540中。当在1秒边界发生的下一相位对准脉冲506发生时，数据采样575处于(φ+Δφ)，其中，Δφ相当于535的延迟脉冲周期。在下一相位对准脉冲555之前所收集的数据集在580处被存储在大容量存储器模块中。随后的1秒周期得到与ADC时钟510被延迟的脉冲的数量成比例的增加值Δφ。在第三周期的情况下，延迟为565并且在580处具有时间延迟570的数据被存储在大容量存储器模块540中。数据被填充到具有电磁场值以及以间隔(φ+Δφ)到达的波前的相位的矩阵中。
时间上需要的移位数量依赖于发射信号的相速度和波长以及所需要的相位精度。当前预想的系统提供了1m弧度的相位精度。例如，在500Hz处在0.001S/m电导率岩石中，对于入射波在10mV pk-pk接收天线处需要好于～4微秒的时间分辨率以及好于～1uV的振幅分辨率。
参照图5，重复该模式直到数据矩阵填满为止。一个实施例具有+-200纳秒的GPS相位对准脉冲505精度。为了最优地利用相位对准脉冲505精度，系统将以每秒采样5万个的速度在帧中获得160万个采样。每个周期延迟的ADC时钟510脉冲的数量为16，从而给出了φ0与φ1之间的相位差为0.625微秒。这样得到每个数据帧的32个相位延迟。以此方式，系统的总计采样率增加32倍。
与仅仅使用ADC同步销(pin)的替代者相比所描述的方法是优选的，因为大多数Delta Sigma ADC则需要一些数量的采样以重启状态机并且产生采样。这可以为高达128个采样。结果是相移在良好地位于所关注的频率范围内的数据集中。所描述的方法引入超过ADC的采样率的相移并且使得ADC能够对大容量存储器进行连续直接存储器访问以提供高数据速率。
时间分辨率将产生依赖于由等式(1)、(2)和(3)所限定的限制因素的空间分辨率。如果以1秒的GPS同步时钟完成移位，则在该分辨率下收集数据所需要的总时间为32秒。重要地，通过包括来自地层信号的相位数据使精度提高。
在替选实施例中，可以用具有足够的速度(例如：大于每个信道每秒10兆采样)、分辨率(例如：大于22位的数据)以及具有相位相干数据的2个或更多个信道的ADC来替换数据成帧技术步骤。(虽然当前具有该性能规格的ADC在商业上不可用)。还可以在扩展的周期上以每秒10兆采样的速率从16位ADC收集数据，并且然后对数据进行平均以得到额外位的分辨率。当前，仅可用具有此采样速率的单信道ADC，并且建立替换成帧方法的适当方案会是困难且昂贵的。
在替选的实施例中，发射器输出相对于GPS同步时钟被延迟了较小时段，并且对于每个GPS同步时钟，脉冲就微量增加(例如，对于每秒以少量增加)。作为结果，发射器输出相对于系统中的相位相干接收器将在时间或相位上移位。结果与以上描述的数据成帧技术相同。接收器系统仍将提供包含数据帧的大的数据集，但是接收器ADC时钟相对于GPS同步时钟将在时间上不发生移位。如以下所述，该技术还可以用于通过仅仅确保在每个发射器脉冲中相对于GPS同步时钟脉冲的延迟是不同的来建立多个发射器中的发射器信号的相位调整。
在优选实施例中，一个或更多个发射器装备有相位对准电路以使得能够收集相位相干发射器输出电压和电流。
1976年11月23日的题为“Amplitude Modulation Scanning Antenna System”的US 3,993,999教示到：通过布置实现信号相位控制的以及被连接至并且通过其进行发射的电子元件，多个天线元件——每个元件具有相位延迟信号——导致方向可控制的方向性发射波形状。本文所描述的相位对准的处理使得能够实现这样的仅使用EM频谱中的ELF和ULF范围的方案。
现在参照图6。在另一增强中，系统使得所描述的发射器和接收器系统能够利用相控阵天线。发射器的相位精度很高并且使用如临时申请61/366,916和61/362,241以及本文中所描述的时钟而被同步。部署以固定几何结构所布置的多个发射器偶极子并且使用至每个偶极子的脉冲信号的相位延迟发射，来建立修改的波前。在图6中，一对发射器605和610具有由于延迟的相位而修改的发射平面波615，以便建立修改的波前615。存在下述增益：该增益在6-15db之间、沿地下地质625的方向、依赖于几何结构和定相。另外，改变相位延迟将使得系统能够沿方位角方向扫描(sweep)信号。该技术在调幅广播发射中具有类似情况(analog)。该增强的结果是：由于对不关注的结构不加激励而引起的减小的信号噪声以及增加的信号功率。另外，电波615在接收器阵列620处极大地衰减。例如，发射器605和发射器610各自耦接至20KW EM电源。在沿所关注的方向的增益为6db的情况下，沿向下方向的总发射功率为80KW。这还在不增加大型发射器的重量的情况下提供较大的信号穿透深度。由于发射器的定向性质，所以随后的数据处理较快并且需要较少的外部约束，诸如地震数据。
在另外的增强中，发射器偶极子的位置和几何结构可以被布置成使得能够建立具有受偶极子的位置控制的焦点和至每个偶极子的相位延迟脉冲的其他波前形状。这建立了相控阵天线，该相控阵天线将产生被扫描发射信号。另外，通过软件控制的发射器而使用系统可用的全部范围的发射频率是重要的。改变发射频率使得对相控阵天线中的每个元件的相位计时的改变成为必要。
扫描发射信号的方法具有明显的优点：因为信号焦点区域在扫描期间是已知的，使得用于接收电子装置和处理计算机求解地下图像所需要的数学运算减少。此方法还约束系统。
在替选的实施例中，发射器脉冲串相对于GPS同步时钟的相位在时间上被移位，而接收器ADC时钟未被移位。需要收集相同量的数据。
本文所公开的技术和方法将使得能够检测地下结构中的流体。特别地，InCSEM系统的分辨率将使得在地下水力压裂中引入的流体将是可检测的。
除了监测地下流体之外，所公开的主题将可以特别地应用于石油和天然气产业(陆上和海上二者)的上游活动和处理的其他方面。具体地，所公开的主题将对以下所述是有用的：(1)针对碳氢化合物沉积的“绿地”勘探，包括碳氢化合物渗出(seep)的识别和表征；(2)在寻找旁路的碳氢化合物沉积并且优化井位布置中所建立的场区；(3)针对建立的储层的生产管理以便优化碳氢化合物采收；(4)针对提高石油采收率处理(EOR)的计划以及提高石油采收率过程的操作；(5)气体水合物沉积的确定；(6)对油和气储量的更准确的确定。
所公开的主题将还应用于确定与定位海上井位平台、管道和其他基础设施以及陆上的上述基础设施相关联的自然灾害。
所公开的主题还将应用于其他地下成像需要，包括地热设备和获取器。
所公开的主题还将应用于对巨大的高风险的表面建筑设施(诸如原子能发电厂、水坝、桥和摩天大楼)进行定位和许可。
所公开的主题还将应用于评估地下环境退化，该地下环境退化可能起因于由压裂操作引起流体泄漏到获取器或表面溪流、河流或湖中，或者起因于危险化学品的地下布置。
所公开的主题还将应用于评估来自地震以及火山喷发的风险。
所公开的主题还将应用于寻找具有不同电特性的矿物沉积，诸如铁矿石、镍、钻石、铀和“稀土”元素。
所公开的主题将还将应用于确定岩石特性的性质(有时称为“岩石物理学”)，以估计并且促进计划碳氢化合物钻井或矿物开采，其中，该性质并不能以其他方式在一定距离处通过地震技术或其他非地震技术进行确定。
本领域技术人员可以使用本公开内容来开发另外的硬件和/或软件以实施所公开的主题，并且所开发的另外的硬件和/或软件中的每个意在被包括在本文中。
尽管在本文中参照特定实施例进行了描述，但是任意特定实施方式并不一定需要每一个元素。此外，可以将来自不同实施例的特定元素在本公开内容的范围内进行组合和/或消除和保留。除了以上描述的实施例之外，本领域技术人员还将认识到，本公开内容可以应用于各种领域和情形中，并且本公开内容意在包括各种领域和情形中的应用。
表1

Claims (14)

1.一种经由使用控制源电磁信号的干涉测量技术进行地下监测的方法，所述方法包括下述步骤：
a.在表面上定位至少一个发射器，所述至少一个发射器被定位成相对于目标结构的法线小于临界角的角度，所述临界角依赖于每个发射频率，所述至少一个发射器另外地被定位成使得发射指向所述目标结构，所述目标结构在所述表面之下，其中，所述至少一个发射器能够发射使用多个所述发射频率所建立的一个或更多个相位相干线性调频脉冲；
b.在所述表面上定位至少两个接收器，所述至少两个接收器被定位成使得由所述至少两个接收器中的至少一个接收器接收来自所述至少一个发射器的所述发射，其中，所述至少两个接收器能够通过相位相干检测来自线性调频脉冲的小的相移和振幅改变；
c.其中，所述至少一个发射器和所述至少两个接收器与低漂移同步时钟相位相干和/或时间相干；
d.记录由所述至少两个接收器响应于所述线性调频脉冲所接收到的数据；
e.针对多个所述发射频率、所述角度和/或在所述表面上的位置，重复步骤a到步骤d；
f.使用数据成帧、根据所述数据来建立所述目标结构的至少一个干涉图像，其中，所述数据成帧建立相位相干的并且与所述低漂移同步时钟相干的数据采样；
g.其中，在无需使用采用地震数据进行的反演或无需使用具有增强电磁(“EM”)性质的支撑剂的情况下实现所述地下监测的方法。
2.根据权利要求1所述的方法，另外地包括相位聚焦的步骤，所述相位聚焦包括引入特定相移，从而产生与所述至少两个接收器的相位中心的角度偏离。
3.根据权利要求1所述的方法，具有至少两个发射器，并且所述方法另外地包括相位调整的步骤，所述相位调整包括向所述至少两个发射器引入至少一个相移，其中，对于所述至少两个发射器中的每个发射器，所述至少一个相移为相同的增量。
4.根据权利要求1所述的方法，另外地包括相位调整的步骤，所述相位调整包括向所述至少两个接收器引入至少一个相移，其中，对于所述至少两个接收器中的每个接收器，所述至少一个相移为相同的增量。
5.根据权利要求1所述的方法，另外地包括收集并且分析来自伪随机二进制(“PRB”)码发射的数据的步骤，从而产生精确地定位的电导率值并且根据所述电导率值建立相对应的相速度，其中，还根据步骤e重复所述收集并且分析来自PRB的数据的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，另外地包括关于近场相位和中间场速度执行雷达探测计时，从而产生深度信息，其中，还根据步骤e重复所述执行雷达探测的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在水力压裂或液化石油气(LPG)地下压裂操作期间进行地下监测。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述频率超过0.25Hz。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个频率在时间上以离散的间隔改变。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个频率随着时间连续地变化。
11.根据权利要求1所述的方法，具有至少两个干涉图像，并且所述方法另外地包括建立所述至少两个干涉图像的堆叠的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少两个干涉图像的所述堆叠包括所述目标结构的三维成像。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少两个干涉图像的所述堆叠包括四维成像，其中，所述四维成像是在一个或更多个时间间隔上所拍摄的三维成像。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个接收器中的一个或更多个接收器接收下述信号中的一个或更多个：
指示反射的信号；
指示零位的信号；或
作为穿过地层的结果而返回的信号，所述地层与所述目标结构相比更接近于所述表面。
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