CN104536034A - 多震源并行激发采集与混合地震记录分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多震源并行激发采集与混合地震记录分离方法，将勘探区内各测线炮点分成对应的若干组，不同震源分别采用不同扫描信号，各震源激发信号基于伪随机方法设计，检波器覆盖所有炮点对应的接收阵列，一次性布设不再滚道；施工过程地震仪中连续记录生成混合地震记录，采集结束后，根据各炮点激发时间，截取各炮点混合地震记录，并以各炮点所使用的震源扫描信号作为参考信号进行互相关检测，即可分离出该炮点单震源地震记录。与现有单震源激发采集方法相比，极大幅度提高了地震勘探效率，采用n台震源并行工作，实际施工时间仅为现有单震源激发采集方法的1/n台时间，生产效率提高了n倍，降低了施工成本，提供了低成本数据采集方法。

Description

多震源并行激发采集与混合地震记录分离方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探数据采集与数据处理方法，尤其是可控震源地震勘探的采集方法和数据预处理方法。

背景技术：

长期以来，可控震源一般采用单震源逐个炮点激发，即串行激发的方法进行地震勘探采集，生产效率较低。为了提高生产效率，现在的震源技术正在从串行工作方式向并行工作方式转变。多震源并行激发方法是指在不同震源点布置多台可控震源，并行激发。但多震源并行激发采集的原始地震记录不可避免地混合了多个震源地震信号，不同震源相互干扰严重，这样取得的数据不能直接使用，必须采用适当的分离方法，从混合地震记录中分离出来自不同震源点的单震源记录，才能按照常规方法进行地震数据处理。

目前的多震源并行激发采集与混合地震记录的分离方法分为两类，一类方法是各震源采用相同的扫描信号。该类方法采集过程简单，但混合记录分离算法复杂。

CN103675903A公开了“一种随机去噪多震源地震记录波场分离方法”，通过变换炮集，滤波，逆变换炮集等步骤分离出单震源地震记录。另一类方法是各震源采用不同的扫描信号。该类方法数据采集质量主要受各震源扫描信号影响，混合记录分离算法简单。

CN103605154A公开了“一种可控震源分频同时激发方法”，将扫描信号分成若干短时的子扫描信号进行分段激发，然后采用互相关或褶积方法分离出每一子扫描信号形成的地震记录，再通过叠加求得每一震源的地震记录。该方法需要震源在每个炮点多次激发，影响采集效率。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种多震源并行激发采集与混合地震记录分离方法。

主要思想是依据投入施工的震源台数，将勘探区内各测线的炮点分成对应的若干组，每台震源对应一组炮点，各震源并行激发，独立地完成组内所有炮点的采集任务。施工中，不同震源分别采用不同的扫描信号，每台震源扫描信号在施工过程中始终保持不变。各震源激发信号基于伪随机方法设计，不同震源扫描信号满足独立、非相关特性；检波器覆盖所有炮点对应的接收阵列，一次性布设不再滚道；施工过程地震仪中连续记录生成混合地震记录。采集结束后，根据各炮点激发时间，截取各炮点混合地震记录，并以各炮点所使用的震源扫描信号作为参考信号进行互相关检测，即可分离出该炮点的单震源地震记录。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

多震源并行激发采集与混合记录分离方法，包括以下步骤：

a、在勘探区域内，按照常规单震源激发采集方法设计炮点和观测系统，设炮点数为m个，对应炮点编号为1～m；对所有炮点的接收排列都布置好检波器，地震仪以脉冲震源模式采集，施工过程中连续记录对应所有检波器排列的可控震源未相关地震数据；

所述的多震源并行激发采集方法是指：设参与并行采集施工的可控震源为n台，编号为1～n号，第k号震源在施工过程中始终采用相同的扫描信号s_k(t)，其中k∈{1,2,…n}，t为采样时刻序列，取值范围从1到N，其中N＝T×Fs为总采样点数，Fs为地震仪采样率，T为扫描时间，则各并行震源扫描信号集S(t)＝{s₁(t),s₂(t),…s_k(t),…s_n(t)}，

b、设各震源信号的频带范围为F＝[F₁,F₂]，F₁,F₂为震源扫描信号的最低和最高频率，所有震源扫描信号的扫描时间T和频带范围F不变；

c、设各震源信号的频带范围为F＝[F₁,F₂]，F₁,F₂为震源扫描信号的最低和最高频率，所有震源扫描信号的扫描时间T和频带范围F不变；

d、第k号震源扫描信号s_k(t)的设计采用如下方法：首先将扫描时间T和频带F随机分成x段，形成子扫描时间集T'＝{T₁,T₂,…T_x}和子频带集：F'＝{f₁～f₂,f₃～f₄,…f_2x-1～f_2x}，其中对不同震源x，T_i，F'随机选取，x选取为4～10之间的随机整数值，T_i在满足T＝T₁+T₂+…+T_x条件下随机选取，f₁,f₂,…f_2x-1,f_2x在满足F'能够覆盖频带范围F的情况下随机选取，然后定义子信号集V_k＝{v_k,1(t),v_k,2(t),…v_k,x(t)}；

其中第i个子信号 $v_{k,i}\left(t\right)=\cos \left[2\mathrm{\π}(f_{2i-1}+\frac{f_{2i}-f_{2i-1}}{{2T}_i})t\right],0\≤t\≤T_i,$ f_2i-1，f_2i为v_k,i(t)的起始和终止频率，T_i为v_k,i(t)的扫描时间，i∈{1,2,…x}，最后将V_k中的x段子信号首尾相连合并成s_k(t)，即 $s_k\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}{v}_{k,1}\left(t\right)& v_{k,2}\left(t\right)& ...& v_{k,x}\left(t\right)\end{array}\right];$

e、判定扫描信号s_k(t)与前k-1号震源扫描信号s₁(t),s₂(t),…s_k-1(t)之间的独立性，用两信号s_k(t)和s_j(t)之间的相关系数C_k,j表示两信号的独立性，

$C_{k,j}=\frac{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)s_j\left(t\right)-\frac{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(t\right)}{N}}{\sqrt{\{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k{\left(t\right)}^2-\frac{{\left[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)\right]}^2}{N}\}\{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j{\left(t\right)}^2-\frac{{\left[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(t\right)\right\}}^2}{N}}},$ 其中，当C_k,j≤0.1，判定两信号为极弱相关，若s_k(t)与s₁(t),s₂(t),…s_k-1(t)均满足极弱相关，则s_k(t)作为有效的第k号震源扫描信号；否则s_k(t)无效，按照步骤c和d重新设计第k号震源扫描信号s_k(t)，直到其与之前的所有设计好的震源扫描信号之间独立性为极弱相关；

第k号震源分配的任务炮点集为P_k，所有震源完成全部施工任务的炮点：

P＝P₁∪P₂∪…∪P_k∪…∪P_n＝{1,2…m}，且

f、各震源按照其任务炮点集内规定的炮点位置进行并行激发，各自独立地工作，直至完成整条测线所有炮点任务，在并行激发过程中，要记录各震源在不同炮点的激发时间，整个施工过程中，地震仪对工作区域布设的全部检波器连续记录，记录方式选择脉冲震源模式，也叫原始非相关记录模式，获得混合地震记录R；

g、按c和d中所述方法逐一设计n个震源扫描信号，形成并行震源系统扫描信号集S(t)＝{s₁(t),s₂(t),…s_k(t),…s_n(t)}；

h、多台震源在各炮点并行工作时，一方面记录各炮点处的震源起振时间G(t)＝{τ₁,τ₂,…τ_m}，另一方面地震仪连续记录震源施工时间内的所有检波点地震数据R，R是一个包含多炮数据的混合地震记录；混合地震记录中各震源信号存在相互干扰，需要从混合地震记录中分离得到不同炮点处的地震记录；

i、对任一个炮点w，w∈{1,2,…,m}，采用如下方法分离得到该炮点的单炮地震记录：以该炮点处震源起振时间τ_w为计时起点，从混合地震记录R中截取T+l秒的地震记录R_w，其中l为常规地震采集过程所需要的听时间，根据常规地震勘探方法选取；然后以该炮点处使用的震源的扫描信号s_q(t)为参考信号，对截取的地震记录R_w进行互相关检测，得到该炮点的单震源地震记录r_w，其中代表互相关，这里s_q(t)∈S(t)；

j、逐一对m个炮点进行步骤i的操作，从混合地震记录R中分离出全部m个单震源地震记录r＝{r₁,r₂,…,r_m}。

有益效果：本发明与现有的单震源激发采集方法相比，大幅度提高地震勘探的生产效率，采用n台震源并行工作，实际施工时间为现有单震源激发采集方法的1/n，即生产效率提高了约n倍。经实验，采用本发明可实现地震勘探的多震源并行激发采集与混合地震记录分离，提高可控震源地震勘探的生产效率，降低施工成本，为可控震源地震勘探提供了低成本的数据采集方法。

附图说明：

附图1并行激发震源扫描信号时频曲线.

a)1号震源，(b)2号震源，(c)3号震源；

附图2混合地震记录和分离的单炮记录.

(a)混合地震记录，(b)分离出的单炮记录。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

以通过射线追踪方法模拟得到的多震源并行激发采集与混合地震记录为例，说明与本发明相关的基于独立扫描信号的多震源并行激发采集与混合地震记录分离方法，包括以下步骤：

a、在勘探区域内，按照常规单震源激发采集方法设计炮点和观测系统。其中，设炮点数为12个，对应炮点编号为1～12；对所有炮点的接收排列都布置好检波器，共布置48道检波器，道间距为4m；地震仪以脉冲震源模式采集，采样率为1000Hz，施工过程中连续记录对应所有检波器排列的可控震源未相关地震数据；

b、此处，布置3台可控震源参与并行激发采集施工，编号为1～3号，则并行震源扫描信号集为S(t)＝{s₁(t),s₂(t),s₃(t)}。为三台震源分配对应的任务炮点集，P₁＝{1,2,3,4}，P₂＝{5,6,7,8}，P₃＝{9,10,11,12}。各震源按照其任务炮点集内规定的炮点位置进行并行激发，即各震源不考虑其他震源的工作状态，各自独立地工作，直至完成整条测线所有炮点任务。并行激发过程中，需要记录各震源在不同炮点的激发时间。整个施工过程中，地震仪连续记录，记录方式选择脉冲震源模式，也叫原始非相关记录模式，获得混合地震记录R；

c、3台震源信号扫描时间均为20s，采样率均为1000Hz，频带范围均为F＝[20Hz,300Hz]，20Hz和300Hz为震源扫描信号的最低和最高频率；

d、根据说明书中步骤d的方法，设计各台震源扫描信号s_k(t)。针对s₁(t)，s₂(t)和s₃(t)，其子扫描信号的时间和频带参数设计如下表所示：

针对s₁(t)，其子扫描信号集V₁＝{v_1,1(t),v_1,2(t),…v_1,7(t)}，将V₁中7段子信号首尾相连合并成s₁(t)，即 $s_1\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}{v}_{1,1}\left(t\right)& v_{1,2}\left(t\right)& ...& v_{1,7}\left(t\right)\end{array}\right].$ 同理，可得到扫描信号s₂(t)和s₃(t)。其中，任意一个子扫描信号 $v_{k,i}\left(t\right)=\cos \left[2\mathrm{\π}(f_{2i-1}+\frac{f_{2i}-f_{2i-1}}{{2T}_i})t\right],0\≤t\≤T_i,$ f_2i-1，f_2i为v_k,i(t)的起始和终止频率，T_i为v_k,i(t)的扫描时间，i∈{1,2,…x}，x为分段数；

e、本发明中，用两信号s_k(t)和s_j(t)之间的相关系数C_k,j表示两信号的独立性， $C_{k,j}=\frac{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)s_j\left(t\right)-\frac{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(t\right)}{N}}{\sqrt{\{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k{\left(t\right)}^2-\frac{{\left[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)\right]}^2}{N}\}\{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j{\left(t\right)}^2-\frac{{\left[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(t\right)\right\}}^2}{N}}},$ 通过计算，C_2,1＝0.017，C_3,1＝0.009，C_3,2＝0.002，均为极弱相关，满足本发明对各震源信号之间独立性的要求；

f、按c和d中所述方法逐一设计3台震源扫描信号，形成并行震源系统扫描信号集S(t)＝{s₁(t),s₂(t),s₃(t)}，3台震源扫描信号的时频曲线如图1所示。

g、多台震源在各炮点并行工作时，一方面记录各炮点处的震源起振时间G(t)＝{0s,34.5s,57.3s,83.6s,0s,35.2s,59.7s,85.8s,0.6s,35.6s,58.9s,85.3s}，另一方面地震仪连续记录震源施工时间内的所有检波点地震数据R，R是一个包含多炮数据的混合地震记录；

h、混合地震记录中各震源信号存在相互干扰，需要从混合地震记录中分离得到不同炮点处的地震记录；

i、以2号炮点为例，分离得到该炮点的单炮地震记录：以该炮点处震源起振时间34.5s为计时起点，从混合地震记录R中截取22秒的地震记录R₂，即截取34.5s～56.5s之间的混合地震记录，如图2(a)所示；然后以该炮点处使用的震源扫描信号s₁(t)为参考信号，对截取的地震记录R₂进行互相关检测，得到该炮点的单震源地震记录r₂，如图2(b)所示。其中代表互相关。

j、逐一对12个炮点进行上述操作，可以从混合地震记录R中分离出全部12个炮点的单震源地震记录r＝{r₁,r₂,…,r₁₂}。本例中，三台震源并行激发完成12个炮点的采集任务共耗时约108s，而单震源激发方法共耗时约374s，其中设震源在相邻炮点间移动和升降板时间共约10s。因此，采用多震源并行激发采集方法的工作效率约为常规单震源采集方法的3.4倍。

Claims (1)

1.一种多震源并行激发采集与混合地震记录分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在勘探区域内，按照常规单震源激发采集方法设计炮点和观测系统，设炮点数为m个，对应炮点编号为1～m；对所有炮点的接收排列都布置好检波器，地震仪以脉冲震源模式采集，施工过程中连续记录对应所有检波器排列的可控震源未相关地震数据；

所述的多震源并行激发采集方法是指：设参与并行采集施工的可控震源为n台，编号为1～n号，第k号震源在施工过程中始终采用相同的扫描信号s_k(t)，其中k∈{1,2,…n}，t为采样时刻序列，取值范围从1到N，其中N＝T×Fs为总采样点数，Fs为地震仪采样率，T为扫描时间，则各并行震源扫描信号集S(t)＝{s₁(t),s₂(t),…s_k(t),…s_n(t)}；

b、设各震源信号的频带范围为F＝[F₁,F₂]，F₁,F₂为震源扫描信号的最低和最高频率，所有震源扫描信号的扫描时间T和频带范围F不变；

c、设各震源信号的频带范围为F＝[F₁,F₂]，F₁,F₂为震源扫描信号的最低和最高频率，所有震源扫描信号的扫描时间T和频带范围F不变；

d、第k号震源扫描信号s_k(t)的设计采用如下方法：首先将扫描时间T和频带F随机分成x段，形成子扫描时间集T'＝{T₁,T₂,…T_x}和子频带集：

F'＝{f₁～f₂,f₃～f₄,…f_2x-1～f_2x}，其中对不同震源x，T_i，F'随机选取，x选取为4～10之间的随机整数值，T_i在满足T＝T₁+T₂+…+T_x条件下随机选取，

f₁,f₂,…f_2x-1,f_2x在满足F'能够覆盖频带范围F的情况下随机选取，然后定义子信号集V_k＝{v_k,1(t),v_k,2(t),…v_k,x(t)}；

其中第i个子信号0≤t≤T_i，f_2i-1，f_2i为v_k,i(t)的起始和终止频率，T_i为v_k,i(t)的扫描时间，i∈{1,2,…x}，最后将V_k中的x段子信号首尾相连合并成s_k(t)，即s_k(t)＝[v_k,1(t) v_k,2(t) … v_k,x(t)]；

e、判定扫描信号s_k(t)与前k-1号震源扫描信号s₁(t),s₂(t),…s_k-1(t)之间的独立性，用两信号s_k(t)和s_j(t)之间的相关系数C_k,j表示两信号的独立性，

$C_{k,j}=\frac{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)s_j\left(t\right)-\frac{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(t\right)}{N}}{\sqrt{\{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k{\left(t\right)}^2-\frac{{\left[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)\right]}^2}{N}\}\{\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j{\left(t\right)}^2-\frac{{\left[\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(t\right)\right]}^2}{N}}\}},$ 其中，当C_k,j≤0.1，判定两信号为极弱相关，若s_k(t)与s₁(t),s₂(t),…s_k-1(t)均满足极弱相关，则s_k(t)作为有效的第k号震源扫描信号；否则s_k(t)无效，按照步骤c和d重新设计第k号震源扫描信号s_k(t)，直到其与之前的所有设计好的震源扫描信号之间独立性为极弱相关；

第k号震源分配的任务炮点集为P_k，所有震源完成全部施工任务的炮点：

P＝P₁∪P₂∪…∪P_k∪…∪P_n＝{1,2…m}，且

f、各震源按照其任务炮点集内规定的炮点位置进行并行激发，各自独立地工作，直至完成整条测线所有炮点任务，在并行激发过程中，要记录各震源在不同炮点的激发时间，整个施工过程中，地震仪对工作区域布设的全部检波器连续记录，记录方式选择脉冲震源模式，也叫原始非相关记录模式，获得混合地震记录R；

g、按c和d中所述方法逐一设计n个震源扫描信号，形成并行震源系统扫描信号集S(t)＝{s₁(t),s₂(t),…s_k(t),…s_n(t)}；

h、多台震源在各炮点并行工作时，一方面记录各炮点处的震源起振时间G(t)＝{τ₁,τ₂,…τ_m}，另一方面地震仪连续记录震源施工时间内的所有检波点地震数据R，R是一个包含多炮数据的混合地震记录；混合地震记录中各震源信号存在相互干扰，需要从混合地震记录中分离得到不同炮点处的地震记录；

i、对任一个炮点w，w∈{1,2,…,m}，采用如下方法分离得到该炮点的单炮地震记录：以该炮点处震源起振时间τ_w为计时起点，从混合地震记录R中截取T+l秒的地震记录R_w，其中l为常规地震采集过程所需要的听时间，根据常规地震勘探方法选取；然后以该炮点处使用的震源的扫描信号s_q(t)为参考信号，对截取的地震记录R_w进行互相关检测，得到该炮点的单震源地震记录r_w，其中代表互相关，这里s_q(t)∈S(t)；

j、逐一对m个炮点进行步骤i的操作，从混合地震记录R中分离出全部m个单震源地震记录r＝{r₁,r₂,…,r_m}。