CN105765410B - 具有用于噪声减少的运动传感器的地震传感器 - Google Patents

Abstract

提供了一种地震传感器线缆系统。该地震传感器线缆系统可包括线缆、第一传感器和第二传感器。所述第一传感器被配置成测量线缆的运动，其中由第一传感器进行的运动测量结果基本上排除与地震波相关联的质点运动；所述第二传感器被配置成测量与地震波相关联的质点运动。

Description

具有用于噪声减少的运动传感器的地震传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年9月26日提交的编号为61/883,054的题为“Seismic Sensor”的美国临时申请的依照美国法典第35条第119（e）款的优先权，该申请的整体被出于一切目的通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明一般地涉及海洋地震勘探，并且特别地涉及用于收集地震数据的传感器布置。

背景技术

在拖曳的海洋地震探查中，将水听器阵列拖曳在海面附近的海洋船后面。水听器被安装在一般地称为拖缆的多传感器线缆中。拖缆充当用于水听器的平台。也在海面附近拖曳的地震声源周期性地发射声能。感兴趣的声能通过海洋向下行进，反射离开底层结构或海底地层，并向上返回通过海洋到水听器阵列。反射的地震能量到达拖曳阵列接收点处。水听器阵列包含许多此类接收点，并且其在每个接收点处记录包含来自海床的向上行进的地震声学小波。水听器记录稍后被处理成底层结构的地震图像。

噪声是拖曳的拖缆操作中的主要考虑。噪声源包括来自海面的涌浪噪声和波浪噪声。通过水拖曳拖缆也引起噪声。此噪声中的某些通过拖缆传播以及某些通过水柱本身传播。此类噪声的存在可以负面地影响海面下图像的准确度。因此，需要一种用于记录地震数据的改进传感器系统，其中，该传感器系统捕捉地震数据但基本上拒绝噪声。

发明内容

在第一方面，公开了一种地震传感器线缆系统。该地震传感器线缆系统可包括线缆、第一传感器和第二传感器。所述第一传感器被配置成测量线缆的运动，其中由第一传感器进行的运动测量结果基本上排除了与地震波相关联的质点运动；所述第二传感器被配置成测量与地震波相关联的质点运动。

在某些实施方式中，第二传感器还被配置成测量线缆运动。第二传感器可被配置成忽略线缆运动。第一传感器可耦合到线缆的一个或多个应力构件。可将第一传感器装入具有压力和质点运动释放边界的区域中。第一传感器还可从线缆的外皮解耦。

在其它实施方式中，将第二传感器放置在一对拖缆部件之间，以及其中所述拖缆部件被夹持到线缆的外皮。情况可以是选择由成对拖缆部件限定的线缆的区段的长度，使得该区段在相对于地震波而选择的谐振频率下谐振。另外，第二传感器被耦合到线缆的外皮。

在另外其它实施方式中，第一传感器和第二传感器被嵌入一个或多个传感器底座中。第一传感器和第二传感器可以是惯性传感器。另外，线缆可以是拖缆线缆、洋底线缆以及以任何深度或朝向静态地位于水柱中的线缆中的一个。

在第二方面，公开了一种用于收集地震数据的方法。用于收集地震数据的方法可包括用第一地震传感器来确定第一测量结果，其中第一地震传感器被配置成测量地震传感器系统的平台的运动，其中由第一传感器进行的运动测量结果排除了与地震波相关联的质点运动；从第二地震传感器确定第二测量结果，其中第二地震传感器被配置成测量质点运动；以及将第一测量结果与第二测量结果组合以生成噪声衰减地震数据信号。

在某些实施方式中，第二测量信号包含平台运动。第二测量信号可基本上排除平台运动。第一传感器可耦合到地震线缆的一个或多个应力构件。另外，第一传感器被从线缆的外皮解耦。

在其它实施方式中，将第二传感器放置在一对拖缆部件之间以及将拖缆部件夹持到线缆的外皮。情况可以是选择由成对拖缆部件限定的线缆的区段的长度，使得该区段在相对于地震波而选择的谐振频率下谐振。另外，第二传感器可耦合到线缆的外皮。

在其它实施方式中，第一传感器和第二传感器被嵌入到一个或多个传感器底座中。可将第一传感器装入具有压力和质点运动释放边界的区域中。另外，第一传感器和第二传感器可以是惯性传感器。

在第三方面，公开了一种洋底地震传感器系统。该洋底地震传感器系统可包括噪声传感器，其被配置成测量运动，其中，由噪声传感器进行的运动测量基本上排除了与地震波相关联的质点运动；以及质点运动传感器，其被配置成测量与地震波相关联的质点运动，其中，该质点运动传感器被耦合到悬浮系统，该悬浮系统被配置成在感兴趣预定义频率下谐振。在某些情况下，第一传感器和第二传感器被配置成对线缆运动具有基本上相同的响应。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的示例性地震勘测的图示。

图2是示出了质点速度传感器的响应的二维表示的图表。

图3是示出了与垂直质点运动传感器的响应求和的全向水听器的响应的二维表示的图表。

图4描绘了由速度变化和由偏航运动赋予拖缆的能量。

图5是描绘拖缆中的能量引起的加速度和横波的侧视图。

图6示出了在拖缆的中间的典型线缆轴向加速度的频率响应的计算模型。

图7是体现本发明的特征的水下地震系统的一般版本的框图。

图8是指示其到入射能量的声波分量的传递函数的频域中的图7的两个运动传感器的框图。

图9是指示其到入射能量的平台运动分量的传递函数的频域中的图7的两个运动传感器的框图。

图10是第一传感器实施例对包括平台运动和声波两者的入射能量的时域响应的示例性表示。

图11是第二传感器实施例对包括平台运动和声波两者的入射能量的时域响应的示例性表示。

图12绘制了通过从第一传感器的输出减去第二传感器的输出而将两个传感器实施例的响应组合以产生图7的减噪声声波信号的结果。

图13示出了具有被中央分隔器和压力传感器以声学方式分离的两个运动传感器的图7—9的地震系统的一个特定版本。

图14A和14B示出了包括两组运动传感器和压力传感器的体现本发明的地震系统的另一个版本。

图15示出了体现本发明的特征的另外一个地震系统。

图16示出了意图增强系统的总增益的图15的地震系统的修改版本。

图17图示出根据本发明的实施例的地震传感器系统的另一个示例性实施例。

图18示出了可以安装在拖缆线缆内或线缆定位设备内的地震系统实施例的传感器部分。

图19示出了体现本发明的特征的线缆定位设备，其在可以容纳地震系统的传感器部分的纵向拖缆区段之间成一直线连接。

图20图示出其中在洋底系统（例如洋底线缆、洋底节点等）中实施图7和/或17的地震系统的另一个实施例。

具体实施方式

下面，对本发明的实施例进行参考。然而，应理解的是本发明不限于具体描述的实施例。反而，设想以下特征和元件的任何组合（无论其是否与不同的实施例相关）以实践和实施本发明。此外，在各种实施例中，本发明相比于现有技术而言提供了许多优点。然而，尽管本发明的实施例相比于其它可能的解决方案和/或相比于现有技术可实现优点，无论是否由给定实施例实现的特定优点都不限制本发明。因此，以下方面、特征、实施例和优点仅仅是说明性的，并且不应视为所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中明确地叙述。同样地，不应将对“本发明”的提及理解为在本文中公开的任何发明性主题的广义化，并且不应认为是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中明确地叙述。

图1图示出根据本发明的实施例的示例性地震勘测。如所图示，地震船20可在海面22处或附近拖曳一个或多个地震线缆24。被配置成周期性地发射声能的一个或多个地震源26也可被船20拖曳。由源26发射的声能可穿过水柱并下至海床30。声能的一部分可能被反射离开海床30，并且其它部分可行进到海床下面的底层结构。底层结构（例如图1的结构28）也可将声能朝着海面22反射回去，如图1中所示。从海床和底层结构反射的声能可被一个或多个拖缆24中的一个或多个地震传感器捕捉。

如前所述，噪声的若干源可使由拖缆24中的一个或多个地震传感器接收到的信号模糊。处理噪声源的典型方式是使用时间和空间滤波的组合。通过用施加于样本的加权在时间方面对水听器信号进行离散数字采样来完成时间滤波。水听器通道还包括模拟滤波器以防止大于采样速率一半的频率下的信号的混叠。通常通过对单独水听器输出进行群组求和以使得沿着拖缆的长度传播的压力噪声被衰减而形成空间样本。此空间采样对在正交于拖缆轴线的方向上传播的噪声没有影响。典型的水听器组包括在拖缆的12m区段中的约八个水听器。

声阻抗pc是介质中的声速与密度的乘积。每当声波遇到声阻抗的变化时，声波能中的至少一些发生反射。未被反射的能被透射（折射）超过不同声阻抗的两个区域之间的边界。压力波是压缩波，其在传播的方向上引起质点运动。

声学迁移率在这里被定义为对象如实地遵循该对象被包括在其中的介质的质点运动的能力。此性质由若干物理参数来支配，所述物理参数包括（但不限于）密度和尺寸。特别地，其密度与其周围介质的密度匹配且其相对于（介质中的）质点运动的波长而言小的对象将在介质中以与（介质中的）质点运动的相位和振幅匹配的相位和振幅移动。增加的密度将降低对象的声学迁移率，而降低的密度将导致相对于介质中的质点运动的振幅而言具有增加振幅的对象运动。具有与声波长相比大的相关尺寸的对象也将具有降低的声学迁移率。

在两个不同的同质介质之间的平坦界面处，声波以等于入射角的角度反射并以角度折射。折射角由下式给定：

下标指的是声波从介质1移动至介质2，以及c1和c2是每个介质中的声速。如果入射角是零，则折射能量传播路径将处于为零的。

针对为零的入射角和没有能量转换成剪切能，用下式来描述水—空气界面处的反射系数：

。

水—空气界面处的反射能是，或者接近于1，使得海面是声能的近乎完美的反射体。在从海底或感兴趣目标返回之后，该能量再次地被海面反射回到拖缆。由于典型的水听器具有全向响应，所以水听器阵列还记录幻影响应，其为从海面反射且在时间方面延迟并在极性方面反向地到达的地震声学小波。该幻影是向下行进的地震声波，其在被添加到期望波时减损所记录的地震图像。幻影引起的反射也继续到海底或其它强反射体，并被向上反射回去以再次地与期望的反射相干扰且进一步使图像退化。这些反射一般地称为倍增（multiples）。

针对垂直行进的压力波，幻影在水听器响应的频谱中的处产生陷波，其中，c是声速且d是拖缆深度。按照惯例在已经10m或更小的深度处拖曳地震拖缆。在10m的深度处，陷波频率（fnotch）是75Hz。为了实现高地震图像分辨率需要延伸超过100Hz的频率响应。由于陷波频率与拖曳深度成反比，所以常常在较浅的深度处拖曳拖缆以改善地震图像的分辨率。在浅深度处拖曳是有问题的，因为来自海面的噪声开始与期望的地震信号相干扰。这些效应随着天气变坏而恶化，有时导致船员中止操作直至天气改善为止。幻影陷波效应的消除将使得能够在更远离表面扰动的更大深度处实现拖曳。

其中将地震传感器放置在海床上的洋底系统通过一般地称为p-z求和的技术来拒绝幻影和倍增。在声波中，压力p是标量，以及质点速度u是矢量。具有正全向响应的水听器记录地震声波压力p。垂直朝向的地震检波器或加速度计记录地震声波质点速度u_z的垂直分量，对向上信号具有正响应且对向下信号具有负响应。在p-z求和中，在将速度信号与压力信号相加之前由海水的声阻抗pc对速度信号进行缩放。如果使用加速度计，则可以对其输出信号求积分以获得速度信号，或者可以对水听器信号求微分，使得其可以更好地对加速度计进行谱匹配。信号的这个组合产生复合传感器，其对上行波具有全响应且对下行波具有至少部分静默响应以拒绝幻影和倍增。在授予Monk等人的编号为6,539,308美国专利中描述了用以获得单个去幻影轨迹的信号调节和信号组合的一个此类方法。图2是质点速度传感器的响应的二维（2D）表示。图3是示出了与垂直质点运动传感器的响应求和的全向水听器的响应的2D表示。可通过使2D响应绕着其垂直轴旋转来预想全三维响应。

最近，已经对使用类似于拖曳拖缆获取中的p-z求和的技术来允许没有来自幻影-陷波反射的更深拖曳感兴趣。操作地震拖缆中的质点运动传感器提出一个问题，因为拖缆由于与由期望地震反射引起的加速度相比很大的拖曳或海面效应而经历加速度。此外，这些不需要的加速度与期望的地震响应在同一谱带中。当拖船遭遇海浪时，在船速度中存在小微扰。船通常还经历偏航运动。图4描绘了由速度变化32和由偏航运动34赋予拖缆24的能量。图5是描绘拖缆24中的能量引起加速度和横波的侧视图（出于说明性目的，能量对拖缆的影响在图5中被放大）。大多数能量被通常在传感阵列前面的弹性拉伸构件36衰减。虽然能量被大大地衰减，但仍存在某些能量。由于期望地震反射而由平面压力波引起的加速度由下式给定：

其中，p是声学压力振幅，f是频率，并且Z是声阻抗。质点速度测量系统的性能应在环境噪声极限附近。通常，地震数据客户要求来自拖缆水听器系统的环境噪声在3以下。由于海水的声阻抗是1.5 MPa•s/m，所以4Hz处的3压力波产生大致上0.5的质点加速度。图6示出了在拖缆的中间的典型线缆轴向加速度的频率响应的计算模型。仅在主峰值以下1.5个数量级的4Hz处的次峰值的存在指示在某些情况下线缆动态运动可以大于要测量的地震信号。

授予Rouquette的编号为7,167,413的美国专利使用地震拖缆中的加速度计来拒绝幻影—陷波效应。Rouquette使用质量弹簧系统来减少线缆动力学对加速度计的影响以及使用负荷单元系统来测量和拒绝加速度计上的线缆运动引起噪声。Rouquette系统依赖于随着制造公差、老化以及环境条件而并不保持恒定的众所周知的复杂机械关系。Rouquette使用信号处理自适应算法来导出负荷单元和质量弹簧系统与原位作用在加速度计上的加速度的关系。Rouquette描述了复杂的机械和电子系统。

授予Tenghamn等人的编号为7,239,577的美国专利描述了用于使用声波质点速度传感器来拒绝幻影陷波的仪器和方法。Tenghamn等人讲授了流体阻尼万向架固定式地震检波器的使用。在本领域中已知选择密封地震检波器的流体来提供在其万向架摆动的传感器的阻尼。虽然Tenghamn等人未描述，但在本领域中已知质量弹簧振动隔离系统可以减少线缆机械运动对地震检波器响应的影响。由线缆机械运动引起的地震检波器的运动无法与地震检波器响应中的声波质点运动区别开。虽然Tenghamn等人的方法减少了此类噪声的影响，但该减少不足以完全防止期望的地震波质点运动被线缆机械运动模糊。这种技术还给出了与图3中的理想心脏形曲线类似的响应，但是仍存在来自海面且由沿着拖缆轴线的拖缆激励引起的不期望信号。

授予Vaage等人的编号为7,359,283的美国专利描述了一种将压力传感器与质点运动传感器组合以解决机械运动对质点运动传感器的影响的方法。在这种方法中，未使用在某个频率以下的质点运动传感器的响应，而是仅从压力传感器响应和已知压力传感器深度进行估计。被拒绝的频率是对于其而言可预期拖缆的机械运动的频率。估计响应在感兴趣的较低频率下具有不良信噪比。在某个频率以下的此拒绝并不是最佳的，因为其也拒绝了在该处很可能存在深目标数据的重要低频带中的有效信号。

虽然这些专利全部描述了用以拒绝地震拖缆中的幻影陷波的方法，但没有一个充分地解决了影响质点运动传感器或水听器测量结果的拖缆拖曳及其它噪声的影响。也全部达不到产生下至感兴趣的最低频率而具有高保真的、具有良好信噪比的感测声波分量。

图7是体现本发明的特征的水下地震系统19的一般版本的框图，其包括用于使用运动传感器或传感器组件（其对声波引起的信号具有不同响应以及对平台（例如拖缆、线缆或自主节点）运动具有类似响应）来改善针对地震成像所获取的数据的信噪比的技术。在图7中，两个运动传感器40、41和一个压力传感器42（一般地为水听器）提供信号，该信号被组合以产生噪声减少和去幻影的信号。可使用一组压力传感器来代替单个传感器，例如以减少从沿着拖缆轴线传播的压力波产生的噪声。运动传感器理想地是dc敏感的，并且能够分辨重力矢量；否则，使用附加朝向传感器。

第一运动传感器40对声波具有相应，其理想地但不一定等于海水的响应；其响应可增加超过海水的响应，如果期望更多增益的话。第二运动传感器41具有对声波的响应，其可测量地不同于第一运动传感器40的响应。可以借助于传感器的材料组成或几何构造方面的差异来实现声学响应方面的此差异。在系统的所有版本中，选择两个传感器的构造（材料和几何性质）和实施方式，使得其对平台运动的机械响应是匹配的。例如，如果每个运动传感器被设计成以与二阶质量弹簧系统相同的方式与线缆相互作用，则使得传感器的质量（包括添加质量，如果适当的话）及其关联弹簧和阻尼常数相等。替换地，可使用本地或远程处理算法来以数学方式使传感器对平台运动的响应匹配。在2013年3月14日提交的题为“Seismic Sensor System with Streamer Noise Rejection”的共同待决美国申请61/785,354中描述了用于使对平台运动的传感器响应匹配的方法的示例，该申请被以其整体的方式结合到本文中。

在本地或者在远程处理之后对第一和第二运动传感器40、41的第一和第二输出44、45相减46，以产生降噪响应信号48，其指示由于随平台运动的声波被衰减而引起的质点运动。减法块46组成用于将第一传感器信号与第二传感器信号组合的一个装置。如果传感器中的一个的信号在相位方面是相反的，则用于将第一传感器信号和第二传感器信号组合的装置将替代地实现为加法块。对降噪响应进行缩放50以与压力传感器响应52（例如水听器信号）匹配，并在p-z求和装置54中用来产生也拒绝幻影陷波和倍增的最终输出信号56。可在本地用模拟电路、用数字逻辑电路或者在微处理器中以算术方式、远程地在船上计算机中或在离线数据处理中可以实现用于组合第一传感器信号和第二传感器信号的装置和p-z求和装置。

图8是指示其到入射能量的声波分量58的传递函数的频域中的图7的两个运动传感器40、41的框图。声波分量包括感兴趣的地震信号。第一传感器40和第二传感器41具有不相等声波传递函数H₁(s)和H₂(s)。传递函数H₁(s)对声波质点运动敏感，使得第一传感器40产生表示质点运动的输出响应O₁(s)。传递函数H₂(s)对声波质点运动不敏感，并且第二传感器41产生输出响应O₂(s)，其不包括周围声学介质质点的运动。图9是指示其到入射能量的平台运动分量59的传递函数的频域中的图7的两个运动传感器40、41的框图。两个运动传感器40、41到平台运动的传递函数H₃(s)和H₄(s)在量值方面是成比例（或相等）的，但是在相位方面可以是相反的。因此，两个传感器40、41具有对平台运动的类似输出响应O₃(s)和O₄(s)。第一和第二运动传感器40、41到入射能量的复合传递函数是用于第一传感器的H₁(s)和H₃(s)及用于第二传感器的H₂(s)和H₄ (s)的组合。两个传感器的复合响应是用于第一运动传感器的O₁(s)和O₃(s)和用于第二运动传感器的O₂(s)和O₄ (s)的组合。

图10是第一传感器40对包括平台运动和声波两者的入射能量的时域响应的示例性表示。第一传感器的响应44对平台噪声和声波两者都敏感。图11是第二传感器41对同一入射能量的相应响应。第二传感器的响应45仅对入射能量的平台噪声分量敏感。图12绘制了通过用第一传感器的输出44减去第二传感器的输出45以产生图7的减噪声声波信号48来将两个传感器的响应组合的结果。虽然为了简化描述而将第二传感器对压力波的响应视为零，但其可具有对压力波的某些轻微响应或者甚至负响应。此外，第一和第二传感器输出可能并未与拖缆振动精确地匹配。但是，即使在这些情况下，信号减法仍导致具有可以通过p-z求和来缩放并与水听器数据组合的大大衰减的平台运动响应的声波响应。

在图7—9的框图中指示的一般系统的各种特定版本响应于声学小波而使用不同水平的声阻抗和声学迁移率来实现期望的差异。如上所述，两个运动传感器40、41和压力传感器42被安装在平台中、平台上或者安装到平台。例如，可将它们装在水下拖缆中或者安装在被附着到拖缆的线缆定位鸟内。例如该运动传感器在声学上相互隔离，但是紧密地位于一起以及被分隔器分离成单独的区。第一运动传感器被装在第一区域域中，该第一区域域具有可自由移动的外部且其声阻抗与周围海水的声阻抗类似，使得声压和质点运动波以最小的反射穿透该外部并作用于传感器上。第二运动传感器位于第二区域中的声学上不透明且刚性的外壳中，并且不受入射声波的影响。处于张力下的一个或多个压力构件可具有对声波的小且不稳定的响应。拖缆应力构件对声波的任何响应被记录为平台运动。因此，第一传感器具有对声波的成比例响应；并且第二传感器具有可忽略的响应。另外，传感器组件被校准成具有对平台运动的匹配的响应（例如，拖缆振动），例如通过使其质量（包括添加质量，如果适当的话）和关联弹簧常数相等，如果其表现为二阶质量弹簧系统的话。（在本地或者在远程处理之后）从第一传感器信号减去第二传感器信号因此提供处于几乎全强度且具有大大衰减的拖缆运动响应的期望声波信号。另外，传感器组件被校准成具有对平台运动（例如，拖缆振动）的匹配响应，例如通过使其质量（包括添加质量，如果适当的话）和关联弹簧常数相等，如果其表现为二阶质量弹簧系统的话。替换地，可使用本地或远程处理算法来以数学方式使传感器的响应对平台运动相匹配。

在图13中示出了图7—9的地震系统的一个特定版本，其具有两个运动传感器60、61（其在声学上被中央分隔器64分离）和压力传感器62。第一运动传感器60被包含在具有刚性、声学透明外部68的地震平台（诸如拖缆、线缆或节点）的第一区域66中。例如，外部68是用柔性、声学透明外皮70覆盖的穿孔的刚性外壳。可以根据需要来确定穿孔尺寸。第一区域66的内部被流体填充。理想地，外皮和流体两者都具有与周围海水相等的声阻抗。具有理想地但不一定等于流体声学响应的声学响应的第一测试质量72悬浮在流体中；如果期望更多增益，则可增加其响应超过海水的响应。第一测试质量72借助于充当运动传感器的位移、速度或加速度传感器连接到拖缆的外部。第一传感器60使用拖缆的外部作为参考系并在动态地耦合测试质量和拖缆中担当弹簧。例如第一传感器可以是单晶或PZT折弯机。如果传感器是单轴传感器，则可以使用多个测试质量系统来形成三轴传感器，所有测试质量都被校准成在声学响应和动态响应两个方面匹配。用于多轴测量的替换方案是将多个传感器连接到用于多轴测量的公共测试质量，只要可以将质量传感器响应保持独立。第二传感器61和第二测试质量73在分隔器的与第一区域66相对侧被连接在第二区域67中的组件中。第二传感器的组件与第一传感器的不同之处在于其刚性外壳69具有比周围海水大得多的声阻抗，并且其内部67充满空气以虑及外壳外部69中的任何不可忽略的弹性。加强第二传感器外壳的增加的声阻抗的效果的是其刚性，其允许外壳充当声学屏蔽，类似于电磁学中的法拉第笼。用具有适当的高密度或声速的材料来设定第二外壳外部69的声阻抗。可以以机械方式或数学方式使测试质量、弹簧常数以及阻尼系数匹配。

在图14A和14B中示出了体现本发明的地震系统的另一版本，其具有两组80、81运动传感器和压力传感器82。在此版本中，第一传感器组80和第二传感器组81被连接到承载振动的单个刚性体84。此刚性体可以是例如拖缆、线缆或节点的部分。该刚性体具有大直径第一部分86、小直径第二部分87以及将第一和第二部分接合的过渡区段88。小直径部分87在形状方面是管状的，具有内侧83和外侧85。第一传感器组80环绕刚性体84的第二部分87的区段，并被连接到其外侧85。可使用三个或更多单独传感器来组成第一组80。如果不采用轴对称，则替代地将第一传感器组80放置于刚性体旁边。可由穿孔的刚性外壳（其具有根据需要确定尺寸的穿孔）之上的柔性膜组成的声学透明外部90将传感器系统与周围海水分离。刚性体84的第二部分87与外部90之间的第一腔体92被流体填充。理想地，外部90和流体具有与周围海水的声阻抗相等的声阻抗。具有与图13中的第一测试质量的声学性质类似的声学性质的第一测试质量94悬浮在第一腔体92中并环绕刚性体84的第二部分87。第一测试质量94被具有与图13的版本中的第一传感器60的性质类似的性质的第一组80运动传感器机械地耦合到刚性体84的外侧85，但是以刚性体84作为参考系。第二腔体93被完全包含在刚性体84的管状第二部分87中。第二腔体93包含第二测试质量95，其悬浮在流体中并由连接到刚性体内侧83的第二组81运动传感器耦合到刚性体84。第二组81传感器的动态响应被校准成具有与第一组80的响应匹配的对拖缆振动的响应。然而，不同于第一测试质量94，未对第二测试质量95的声学响应强加要求。刚性体84本身充当针对第二传感器组81的声学屏蔽，并由具有相对高的声阻抗的材料组成。此同轴布置的益处是多个单独传感器对每个测试质量的加速度进行响应。将运动传感器的输出信号组合导致实际加速度值的更稳健的估计。如所描绘的，第一和第二传感器组80、81对径向运动敏感；如果需要三轴灵敏度，则在与拖缆轴线对准的每个腔体中包括附加的测试质量传感器系统。

在图15中示出了地震系统的另外一个版本。具有刚性的声学透明外部98的地震平台具有两个运动传感器100、101（诸如dc敏感、三轴加速度计）和一个压力传感器102（诸如水听器）。外部98可包括例如被柔性的声学透明外皮覆盖的穿孔刚性外壳。可根据需要确定穿孔尺寸。可用微机电系统（MEMS）、PZT、单晶或具有类似实用性的任何其它技术来实现加速度计。运动传感器100、101被刚性地安装到第一和第二刚性外壳104、105以使得能够实现任何动态拖缆运动的直接测量。例如两个传感器被声学耦合到线缆外部98，但是被中央分隔器106在声学上相互隔离。第一和第二外壳104、105中的每个被构造成使得第一外壳的质量加上其容纳的质量等于第二外壳的质量加上其容纳的质量。外壳与拖缆外部98之间的动态耦合106被设计成充当具有相等弹簧常数和阻尼的二阶质量弹簧系统，使得保持质量弹簧关系的相等性。另一方面，外壳具有不同的声学迁移率水平，使得其生成对声学压力波的不同响应。具体地，第一传感器100生成第一传感器信号108，其为声学质点运动的良好表示；第二传感器101产生在很大程度上对声波不敏感的第二传感器信号109。传感器外壳是用不同的几何结构且可能还用不同的材料构造而成，以针对每个传感器确保不同横截面和因此不同的传递函数。在本地或在远程处理之后用第一传感器信号108减去107第二传感器信号109以提供具有对拖缆运动的大大衰减响应的期望的压力波信号。例如可以使用开孔泡沫来充当每个外壳104、105与外部98之间的动态耦合106。用被校准成与周围海水的声阻抗匹配的流体填充，泡沫还可以充当透明声学耦合。针对相对于感兴趣波长而言大的对象，声学横截面可以指的是形状和尺寸，因为单独的那些性质将足以确保传感器响应方面的差异。针对小的对象，声学横截面中的差异将可能涉及到密度方面的差异。在这个示例中，第一外壳104相对于流体被密封并充满空气以虑及外壳中的任何不可忽略弹性；并且第二外壳105被穿孔或开槽并被允许以周围流体填充。外壳之间的总体密度方面的结果的不一致虑及其对入射压力波的不同响应。

在图16中示出了意图增强系统的总增益的图15的地震系统的改进版本。第一传感器110在声学上且动态地如图15中的第一传感器100一样运转。第二传感器111产生对压力波的响应，其与第一传感器110的响应匹配，并且拖缆运动响应在量值上与第一传感器的响应相等，但是在极性方面与第一传感器的响应相反。第一外壳114和第二外壳115如在图15中一样构造，特别是在声学横截面和密度方面，使得其对线缆运动具有类似的质量弹簧响应，但是对入射声学压力波具有可测量的不同响应。第二外壳115另外包括测试质量116，其被设计成在流体中振荡并具有与第一外壳114的响应匹配的声波响应。另一方面，测试质量对拖缆运动的响应比外壳的响应少得多，因为测试质量由第二弹簧系统与其外壳隔离。测试质量116借助于使用第二外壳作为参考系的位移、运动或加速度传感器111来非刚性地连接到第二外壳115。此连接应具有低于拖缆运动的峰值频率的谐振频率，使得其对平台运动的响应减小。可以采用多个加速度计来形成三轴传感器，每个测试质量被校准成在其各轴中与第一外壳114的声学响应匹配。在测试质量116上但未在第二外壳115上赋予运动的压力波因此被正地（即同相地）检测到。因此来自第一传感器110和第二传感器111的声学质点运动信号在量值和符号两个方面匹配。相反地，影响第二外壳115但在较小程度上影响测试质量116的拖缆振动被负地（即反相地）检测到。因此来自传感器的振动信号在量值方面匹配，但具有相反符号。在这种情况下，通过加法118而不是减法将来自两个传感器110、111的信号组合以产生大大减少的拖缆运动响应和声波响应的增益的同时增加两者。替换地，可以使用第一外壳114中的另一测试质量。但是，由于第一传感器信号在极性方面也将是反向的，所以将必须通过减法而不是加法来将其与第二传感器信号组合。

图17图示出根据本发明的实施例的地震传感器系统的另一示例性实施例。特别地，在拖缆外皮1730内示出了拖缆噪声传感器1710和质点运动传感器1720。在一个实施例中，拖缆外皮可由声学透明介质制成。示例性声学透明介质尤其包括聚氨酯。更一般地，声学透明材料可包括以对波的最小改变而允许地震声波通过的任何材料。

在一个实施例中，拖缆噪声传感器1710和质点运动传感器1720可分别地对应于图7中所图示的传感器41和40。换言之，拖缆噪声传感器1710可被配置成直接地或间接地测量地震拖缆的运动（或噪声），而质点运动传感器1720可被配置成直接地或间接地测量在拖缆处或附近的海水中的质点的运动。在本发明的一个实施例中，拖缆噪声传感器1710和质点运动传感器1720可以是被配置成在多个自由度处测量加速度、倾斜度、冲击、振动、旋转中的一个或多个的惯性传感器。

拖缆运动传感器1710可以是高保真度传感器。换言之，拖缆运动传感器1710可被配置成测量拖缆运动，同时完全或至少基本上排除由地震声波引起的拖缆传感器1710处或附近的质点运动的任何测量。在本发明的一个实施例中，传感器1710可直接地或间接地耦合到拖缆线缆的至少一个应力构件。例如，如图17中所图示，可将传感器1710（或包括传感器1710的外壳）嵌入传感器底座1711中。传感器底座1711可由任何类型的刚性材料制成，所述刚性材料例如塑料、树脂、金属等。如图17中所示，可将传感器底座1711刚性地耦合到应力构件1712和/或1713中的至少一者或两者。因此，可将应力构件1712和1713的运动传递到传感器1710（并从而传感器1710测量）。虽然在图17中示出了两个应力构件1712和1713，但在替换实施例中，可将任何数目的应力构件包括在地震线缆中。包括传感器1710的传感器1710外壳和/或底座1711可耦合到可用应力构件中的任何一个或多个。

在本发明的一个实施例中，可将传感器1710外壳可选地容纳在具有压力和质点运动释放边界的区域中，例如，如图17中所示的空气室1714。空气室1714可提供用于噪声传感器1710和与反射地震/声波相关联的质点运动分离的附加隔离层。当使用空气室1714时，可将空气室嵌入被耦合到一个或多个应力构件的传感器底座1711中。替换地，可将包含噪声传感器1710的空气室1714直接耦合到应力构件。

在本发明的一个实施例中，可将传感器1710从拖缆外皮1730解耦。例如参考图17，传感器底座1711被示为未与拖缆外皮1730接触。这可例如通过使传感器底座和传感器悬浮在与海水具有相同比重的填充液体中，从而引起传感器和/或传感器底座漂浮在拖缆内。在图17的实施例中，传感器和底座被示为刚性地附着到应力构件。由于应力构件在被拖曳时处于张力下，所以其可倾向于相对于周围介质的运动而保持固定。另一方面，具有平衡浮力且并未在传感器和底座附近被附着到应力构件的拖缆外皮和填充材料可随着周围介质的运动一起自由地移动。在一个实施例中，相对于拖缆外皮的内尺寸且相对于拖缆外皮偏移的预期量值来选择底座的外尺寸，使得基本上避免传感器底座外皮接触。通过确保传感器1710外壳、底座1711和/或空气室1714不与拖缆外皮接触（其可传递声能），本发明的实施例进一步通过避免来自地震波的声能被传递到噪声传感器1710来改善噪声传感器1710的保真度。

传感器1720可被配置成直接地或间接地测量与地震/声波相关联的质点运动。如图17中所示，在一个实施例中可将传感器1720外壳放在传感器底座1721中。传感器底座1721可由与传感器底座1711类似的材料制成，例如塑料、树脂等。在替换实施例中，可省略传感器底座。在任何情况下，传感器1720可直接地或间接地（例如，经由传感器底座1721）耦合到拖缆外皮1730。通过允许将传感器1720耦合到拖缆外皮，可将与地震声波相关联的质点运动经由拖缆外皮传递到传感器1720，如下面将更详细地描述的。

在本发明的一个实施例中，可将传感器1720放置在一对隔离构件1741和1742之间。该隔离构件可限定与传感器1720相关联的拖缆外皮1730的长度1731。隔离构件可以由任意合适的材料制成，所述材料包括金属、塑料、树脂等。在一个实施例中，可通过使用外部带子或者通过选择直径来使隔离构件1741和1742夹持到拖缆外皮以使得确保隔离物—外皮干扰。选择夹持分离距离以便调谐拖缆外皮1730的区段1731的谐振频率并确保传感器1720的声学迁移率。

在一个实施例中，可具体地选择长度1731以使得用于拖缆外皮1730的区段1731的谐振频率与预期由传感器1720测量的地震声波相关联的频率匹配。拖缆区段1731的谐振频率可与区段1731的长度相关联。拖缆区段在工业中一般地被建模为受张力的连续梁，其取决于以下偏微分方程：

其中，E是杨氏模量，I是横截面惯性矩，y(x,t)是横向位移，x是纵向坐标，T是张力，是拖缆区段1731的每单位长度的横梁质量（密度乘以面积）；以及p(x,t)是作用在拖缆区段1731上的每单位长度的外力。当针对固有频率对此等式求解时，结果根据以下等式取决于拖缆区段1731的长度：

其中，是第n固有频率模，并且l是感兴趣的区段长度。

在本发明的一个实施例中，可用声学透明介质1750（例如水、凝胶、泡沫等）来填充隔离构件1741和1742之间的区域。接近传感器1720的地震波遇到声学透明拖缆外皮1730和声学透明介质1750，并在最小的能量被损耗到反射的情况下激励传感器1720。隔离构件1741和1742可足够远地隔开，使得拖缆区段1731的谐振频率在感兴趣最低频率以下。包含传感器1720从而在声学上可移动的拖缆区段1731可与入射声学质点运动同相地移动。被耦合到拖缆外皮1730的传感器底座1721也可以与声学质点运动同相地移动，并将此运动传递到在其内部的传感器1720。因此，质点运动传感器1720能够测量与地震声波相关联的质点的运动。通常，可选择传感器1720、底座1721以及外皮1730的构造和组成，使得它们是平衡浮力的；但是如果相对于质点运动与传感器运动的比期望非单位增益的话可以调整此参数。

如图18中所示，可以将地震系统19的传感器部分安装在拖缆线缆120内或由轴环124可旋转地附着到拖缆的线缆定位设备（诸如线缆找平或线缆转向鸟122）内。如图19中所示，在前后拖缆区段128、129之间连接成一直线的线缆定位设备126可以容纳地震系统19的传感器部分。很明显，可以将传感器安装在可附着在拖缆、洋底线缆或自主节点中、其上面或与之附着的其它设备中。

图20图示出其中在洋底系统（例如洋底线缆、洋底节点等）中实施图7和/或图17的地震系统的另一实施例。如图20中所示，第一外壳2030可包括第一传感器2040，其被配置成测量质点运动（在某些实施例中以及噪声）。例如，可将传感器2040和外壳2030构建成是平衡浮力的，并且可被具有在感兴趣最低频率以下的谐振的悬浮系统2034保持。可将第二传感器2041放置于第二外壳2031中，并且可配置成测量平台噪声。洋底系统中的用于平台噪声的源可包括洋流、附近钻井操作、地质地震活动、来自经过系统的船的噪声等。在一个实施例中，第二外壳2031可以是刚性的且稠密的，从而具有不良的声学迁移率。因此，第二外壳可使第二传感器2041基本上隔离以免对来自震源的地震波敏感。

第三外壳2032可包括水听器或水听器组2042。在一个实施例中，第三外壳2032可由声学透明材料制成，以便确保水听器的适当功能；或者在另一实施例中，可以暴露一个或多个水听器。第二外壳2031和第三外壳2032可被刚性连接器2033接合，以便确保声学移动悬浮系统2134的适当长度。

具有与由美国德克萨斯州休斯顿的ION Geophysical公司制造的VectorSeis传感器类似的对dc的响应的三轴加速度计适合于本发明的许多实施例。由于不存在到地震小波的dc分量，所以使用运动传感器的dc响应来检测传感器相对于重力的朝向。传感器的一个轴被设计成按照拖缆轴线的已知朝向。由于拖缆轴线朝向是已知的并测量重力矢量，可以使传感器的朝向以及因此感测到的到达地震小波相对于重力以电子方式旋转，使得上行地震小波可以被接受，并且下行地震小波被拒绝。

可以使用检测运动的任何传感器。该传感器可以是可对位置、速度或加速度进行响应的任何运动传感器。例如，可以将如由Tenghamn等人在编号为7,239,577的美国专利中描述的万向架固定式第一地震检波器与第二地震检波器组合、封装，使得其对声波几乎不具有响应，并且对拖缆运动具有相同的响应，以实现期望的结果。可以使用压电加速度计，只要其具有适当的传感器性能即可。

如果传感器不能确定其自己的朝向，则可以在传感器系统中包括单独的朝向传感器。替换地，可以使用机械装置（诸如万向架系统）来将传感器固定在已知朝向。还可以使用被附着到拖缆的有翼设备（有时称为鸟）来迫使传感器进入期望朝向。

虽然前述内容针对本发明的实施例，但在不脱离本发明的基本范围的情况下可设计本发明的其它和更多实施例，并且由随后的权利要求来确定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种地震传感器线缆系统，包括：

线缆；

第一传感器，其被配置成测量线缆的运动，其中所述第一传感器被耦合到所述线缆的一个或多个应力构件并从所述线缆的外皮解耦，以避免来自地震波的被传递到该传感器的声能，其中由第一传感器进行的所述线缆的所述运动的测量结果基本上排除了与所述地震波相关联的质点运动；以及

第二传感器，其耦合到所述线缆的所述外皮并被配置成测量与地震波相关联的质点运动，其中耦合到所述线缆的所述外皮的该传感器的传感器底座与所述质点运动同相地移动并将该运动传递到所述第二传感器。

2.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中第二传感器还被配置成测量所述线缆运动。

3.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中第二传感器可被配置成忽略所述线缆运动。

4.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中可将第一传感器装入具有压力和质点运动释放边界的区域中。

5.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中第二传感器被放置在一对拖缆部件之间，以及其中所述拖缆部件被夹持到线缆的外皮。

6.如权利要求5所述的地震传感器线缆系统，其中选择由成对拖缆部件限定的线缆的区段的长度，使得该区段在相对于地震波而选择的谐振频率处谐振。

7.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中第一传感器和第二传感器被嵌入一个或多个传感器底座中。

8.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中第一传感器和第二传感器是惯性传感器。

9.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中所述线缆是拖缆线缆或者洋底线缆。

10.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中所述线缆是以任何深度或朝向静态地位于水柱中的线缆。

11.如权利要求1所述的地震传感器线缆系统，其中第一传感器和第二传感器被配置成对线缆运动具有基本上相同的响应。

12.一种用于收集地震数据的方法，包括：

用第一地震传感器来确定第一测量结果，其中第一地震传感器被耦合到地震线缆的一个或多个应力构件并被配置成测量地震传感器系统的平台的运动，其中所述第一地震传感器从线缆的外皮解耦，以避免来自地震波的被传递到该传感器的声能并且由所述第一地震传感器进行的所述平台的所述运动的测量结果排除了与所述地震波相关联的质点运动；

从耦合到所述线缆的所述外皮的第二地震传感器确定第二测量结果，其中所述第二地震传感器被配置成测量质点运动，其中耦合到所述线缆的所述外皮的该传感器的传感器底座与所述质点运动同相地移动并将该运动传递到所述第二地震传感器；以及

将第一测量结果与第二测量结果组合以生成噪声衰减地震数据信号。

13.如权利要求12所述的方法，其中第二测量结果包含平台运动。

14.如权利要求12所述的方法，其中第二测量结果基本上排除平台运动。

15.如权利要求12所述的方法，其中第二地震传感器被放置在一对拖缆部件之间，以及所述拖缆部件被夹持到线缆的外皮。

16.如权利要求15所述的方法，其中选择由成对拖缆部件限定的线缆的区段的长度，使得该区段在相对于地震波而选择的谐振频率下谐振。

17.如权利要求12所述的方法，其中第一地震传感器和第二地震传感器被嵌入一个或多个传感器底座中。

18.如权利要求12所述的方法，其中可将第一地震传感器装入具有压力和质点运动释放边界的区域中。

19.如权利要求12所述的方法，其中第一地震传感器和第二地震传感器是惯性传感器。

20.一种洋底地震传感器系统，包括：

第一外壳，其包括噪声传感器，其被配置成测量运动，其中由噪声传感器进行的运动测量基本上排除了与地震波相关联的质点运动；

第二外壳，其包括质点运动传感器，其被配置成测量与地震波相关联的质点运动，其中该质点运动传感器被耦合到悬浮系统，该悬浮系统被配置成在感兴趣预定义频率下谐振；以及第三外壳，其包括水听器或水听器组，其中所述第三外壳由声学透明材料制成，其中所述第二外壳和所述第三外壳通过刚性连接器接合以确保所述悬浮系统的长度。