CN111856581A - 一种obs时钟漂移校正方法及处理终端 - Google Patents

一种obs时钟漂移校正方法及处理终端 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种OBS时钟漂移校正方法及处理终端，所述方法包括：步骤1：将整个采集时间划分为若干个小的时间片段；步骤2：确定出该小的时间片段内的所有震源激发时间，根据震源激发时间得到每个小的时间片段对应的共接收点道集；步骤3：计算得到各震源点的理论直达波旅行时；步骤4：根据最小的直达波旅行时和最小的理论直达波旅行时得到时钟漂移量；步骤5：根据时钟漂移量对OBS数据进行时钟漂移校正；步骤6：建立相应的目标函数，求解目标函数的极小值并作为剩余时钟漂移量，根据剩余时钟漂移量再次对OBS数据进行时钟漂移校正。本发明能够在野外时钟漂移量缺失或不准确的情况和非线性时钟漂移下的OBS数据进行时钟漂移校正。

Description

一种OBS时钟漂移校正方法及处理终端
技术领域
本发明涉及地震资料处理技术领域，具体是一种OBS时钟漂移校正方法及处理终端。
背景技术
OBS(中文称之为海底地震仪)广泛应用于海洋地质调查中，例如海洋水合物调查、海洋岩石圈结构调查以及海洋环境监测等领域。采用OBS采集数据时，需要将OBS布设在海底，震源(即炮点)在海面激发，由于GPS信号无法穿透海水，因此，通常震源激发采用GPS时钟，而OBS采用本地的内部时钟。虽然在将OBS布设到海底之前，会对OBS的内部时钟进行校准，但由于海底温度、压力等环境因素的变化，OBS的内部时钟与GPS时钟仍然会出现不同步的情况，也即出现时钟漂移。因此，需要对OBS采集数据的记录时间进行时钟漂移校正，最常用的办法是，完成数据采集后，对回收上来的OBS，比对OBS的内部时钟与GPS时钟，也即是所谓的对钟，从而得到OBS的内部时钟与GPS时钟的漂移量，根据该漂移量再对OBS采集数据进行时钟校正。
但该方法存在两个明显不足：第一，需要人工对钟或OBS设备自动对钟读取漂移量，导致校正效率不高，操作麻烦；第二，实现时钟校正的准确依赖一个前提：OBS采集数据的整个采集时间段内的时钟漂移是线性的。而实际采集数据中，可能会出现时钟漂移量缺失，从而导致无法对OBS数据进行时钟漂移校正；另外，由于海底温度、压力并非稳定不变，从而导致OBS内部时钟漂移的速率也不稳定，有时走的快，有时走的慢，也即时钟漂移并非是线性的，而是非线性的，从而无法实现准确的时钟漂移校正。
针对时钟漂移是非线性的问题，目前会采用非线性算法来实现时钟漂移校准，但目前的非线性算法主要是通过插值处理。例如，公开号为CN108828656A的中国申请发明专利，该方法能够适用于时钟漂移不是线性变化或者OBS在回收后没有及时对症的情形下的时钟漂移校准，但该方需要从OBS数据中提取背景噪音，适用于天然地震观测。由于人工震源激发地震波的情形下，人工震源信号过强而导致难以提取出背景噪音，从而导致该方法难以适用于人工震源激发的地震数据采集。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种OBS时钟漂移校正方法，其能够解决时钟漂移量缺失和时钟漂移非线性下的时钟漂移校准问题；
本发明的目的之二是提供一种处理终端，其能够解决时钟漂移量缺失和时钟漂移非线性下的时钟漂移校准问题。
实现本发明的目的之一的技术方案为：一种OBS时钟漂移校正方法，包括如下步骤：
步骤1：将整个采集时间划分为若干个小的时间片段，以使得每个小的时间片段内的时钟漂移速率视为不变；
步骤2：从上述若干个小的时间片段中选择一个小的时间片段，在一个小的时间片段内，确定出该小的时间片段内的所有震源激发时间，
根据震源激发时间得到该小的时间片段对应的共接收点道集，从共接收点道集中识别出直达波，并拾取出直达波旅行时Tpick，
步骤3：获得OBS的初始位置(x0,y0,d0)，其中，d0表示OBS所在位置的水深，(x0,y0)表示OBS所在位置的平面坐标，
根据公式①计算得到第i个震源点的理论直达波旅行时
Figure BDA0002603687740000035
Figure BDA0002603687740000031
式中，v表示声波在海水中的传播速度，
Figure BDA0002603687740000032
表示第i个震源点的平面位置，
Figure BDA0002603687740000033
表示第i个震源点所在位置的水深；
步骤4：根据公式②计算出时钟漂移量ΔT：
ΔT＝min(Tpick)-min(Tcal)------②
式中，min(Tpick)表示所有直达波旅行时中最小的直达波旅行时，min(Tcal)表示所有
Figure BDA0002603687740000034
中最小的理论直达波旅行时，
步骤5：根据ΔT对当前小的时间片段内的OBS数据进行时钟漂移校正，其中，若ΔT>0，则将OBS数据整体向上移动ΔT，若ΔT<0，则将OBS数据整体向下移动ΔT，完成初步时钟漂移校正；
步骤6：重复步骤2-5，分别对剩余的每一个小的时间片段内的OBS数据进行时钟漂移校正，从而完成整个采集时间内的数据的时钟漂移校正。
进一步地，所述根据震源激发时间得到该小的时间片段对应的共接收点道集，其具体实现过程包括以下步骤：
根据震源激发时间，按预设的目标长度截取对应当前炮激发时OBS记录到的数据，并按炮点排列起来，得到共接收点道集。
进一步地，执行完步骤5之后，还包括以下步骤：
步骤S：建立目标函数
Figure BDA0002603687740000041
dt表示经过初步时钟漂移校正后的剩余时钟漂移量，Tcal(x,y,z)表示按步骤3在给定OBS当前位置下计算得到的直达波旅行时，(x,y,z)表示OBS当前位置，
求解目标函数的极小值，得到的极小值作为剩余时钟漂移量，根据剩余时钟漂移量再次对OBS数据进行时钟漂移校正，从而完成最终时钟漂移校正；
执行完步骤S后，步骤6中，重复步骤2-5替换为重复步骤2-5、步骤S。
进一步地，所述求解目标函数的极小值包括如下步骤：
以OBS的初始位置(x0,y0,d0)为中心，在时间上以dt＝0为中心，在预设的空间范围和时间范围内对(x,y,z,dt)四个未知数进行扫描，得到目标函数的极小值。
实现本发明的目的之二的技术方案为：一种处理终端，其包括，存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于运行所述程序指令，以执行所述OBS时钟漂移校正方法的步骤。
本发明的有益效果为：本发明能够在野外时钟漂移量缺失或不准确的情况下，以及非线性时钟漂移的情况下进行时钟漂移校正，时钟漂移校准更精准。同时，基于OBS数据本身，不依赖于外部的信息来反推时钟漂移信息并对OBS数据进行校正。通过把整个采集时间段分成多个时间段，在每一个时间段内分别进行时钟校正，可以更好地处理内部钟漂移不稳定的问题。通过扫描，能够同时获得OBS的位置。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的流程图；
图2为共接收点道集示意图；
图3为为对图2的直达波拾取到的是直达波旅行时；
图4为图4为OBS采集数据示意图；
图5为计算的直达波旅行时与拾取的直达波旅行时对比示意图；
图6为对图5完成初步时钟漂移校正后的示意图；
图7为完成最终时钟漂移校正后的示意图；
图8为基于南海北部某海域实际采集到的OBS数据的旅行时示意图；
图9为根据图8进行时钟漂移校正前后的OBS数据对比图；
图10为处理终端的结构示意图。
具体实施方案
下面，结合附图以及具体实施方案，对本发明做进一步描述：
在OBS数据采集中，基于OBS位置和震源点位置，理论计算出的直达波旅行时应该和实际采集的OBS数据中的直达波旅行时比较接近，当两者的直达波旅行时相差较远时，表明采集数据过程中，OBS的位置相比较于初始位置(即投放位置)发生位置漂移或者发生时钟漂移或者两者兼有，也即OBS数据的直达波旅行时本身包含了时钟漂移和位置漂移的信息。因此，可以基于OBS数据的直达波旅行时来进行时钟漂移校正。
如图1所示，一种OBS时钟漂移校正方法，包括如下步骤：
步骤1：将整个采集时间划分为若干个小的时间片段，以使得每个小的时间片段内的时钟漂移速率视为不变。在人工震源地震数据采集中，通常，整个采集时间为一至两个月，可以按照自然日期或者完成一条测线的时间来划分，从而得到若干个小的时间片段。例如，按天或一条测线的完成时间来划分，则每个小的时间片段为1天或1条测线的完成时间，虽然在整个采集时间，时钟漂移可能是不稳定、非线性的，但在1天的时间或1条测线的完成时间内，时钟漂移可以假设为近似稳定的。
步骤2：从上述若干个小的时间片段中选择一个小的时间片段，对选择出的小的时间片段内的OBS数据进行时钟漂移校正。在一个小的时间片段内，确定出该小的时间片段内的所有震源激发时间。根据震源激发时间得到该小的时间片段对应的OBS数据，也即是得到按炮点排列的共接收点道集。从OBS数据中识别出直达波，并拾取出直达波旅行时，记为Tpick。
本步骤中，根据震源激发时间，按预设的目标长度(例如8s或16s或40s等)截取对应当前炮激发时OBS记录到的数据，从而得到OBS数据，并按炮点排列起来，得到共接收点道集，如图2所示。图2中，横坐标表示不同的炮点位置(即炮号)，纵坐标表示时间，并且从OBS数据中可以快速地确定出直达波。图3为对图2的直达波拾取到的是直达波旅行时。
步骤3：获得OBS的投放位置的平面坐标(x0,y0)和OBS投放位置的水深d0，从而得到OBS的初始位置(x0,y0,d0)，其中，水深d0可从多波束数据中读取投放位置上的水深得到。虽然OBS在海底的实际位置一般会偏离投放位置，但初始位置(x0,y0,d0)可以作为OBS在海底的一个估计位置。同时，获得第i个震源点的位置
Figure BDA0002603687740000071
该位置是三维位置，也即
Figure BDA0002603687740000072
表示第i个震源点的平面位置，
Figure BDA0002603687740000073
表示第i个震源点所在位置的水深，震源点的位置可由GPS确定得到，其位置是精确的。从而可以根据公式①计算得到第i个震源点(即炮点)的理论的直达波旅行时
Figure BDA0002603687740000074
Figure BDA0002603687740000075
式中，v表示声波在海水中的传播速度。分别对其余震源点相同处理，从而得到所有震源点对应的理论的直达波旅行时。
步骤4：确定出步骤2中直达波旅行时中最小的直达波旅行时，并记为min(Tpick)，也即是确定出直达波旅行时的顶点时间，并确定出步骤3中的所有震源点的理论的直达波旅行时中最小的理论的直达波旅行时，并记为min(Tcal)，也即是确定出理论的直达波旅行时的顶点时间差。根据公式②计算出时钟漂移量ΔT：
ΔT＝min(Tpick)-min(Tcal)------②
式中，min(Tpick)表示所有直达波旅行时中最小的直达波旅行时，min(Tcal)表示所有
Figure BDA0002603687740000076
中最小的理论的直达波旅行时，
步骤5：根据ΔT对当前的小的时间片段内的OBS数据进行时钟漂移校正，其中，若ΔT>0，则将OBS数据整体向上移动ΔT，若ΔT<0，则将OBS数据整体向下移动ΔT，从而完成初步时钟漂移校正。
优选地，在完成初步时钟漂移校正后，还包括以下步骤：
步骤6：建立目标函数
Figure BDA0002603687740000081
dt表示经过初步时钟漂移校正后的剩余时钟漂移量，Tcal(x,y,z)表示按步骤3在给定OBS当前位置下计算得到的直达波旅行时，(x,y,z)表示OBS当前位置，其中，当x＝x0,y＝y0,z＝d0时，表示OBS的初始位置，
求解目标函数的极小值，得到的极小值即为OBS的位置以及剩余时钟漂移量，根据剩余时钟漂移量再次对OBS数据进行时钟漂移校正，从而完成最终时钟漂移校正。求解目标函数的极小值包括如下步骤：
以OBS的初始位置(x0,y0,d0)为中心，在时间上以dt＝0为中心，在预设的空间范围(即是位置范围)和时间范围内对(x,y,z,dt)四个未知数进行扫描，得到目标函数的极小值。
步骤7：重复步骤2-6，分别对剩余的每一个小的时间片段内的OBS数据进行时钟漂移校正，从而完成整个采集时间内的数据的时钟漂移校正。
下面描述一些实例，以便于更好理解本发明如何进行时钟漂移校正。
如图4所示，图4为OBS采集数据示意图，OBS的投放位置(即初始位置)的平面坐标为(x0,y0)，假设OBS的位置漂移量为1000米，炮点间距为25米，共1000炮(即震源)，在这1000炮的时间内，时钟漂移了1.05秒，因此，需要进行时钟漂移校正。
图5为计算的直达波旅行时与拾取的直达波旅行时对比示意图，计算的直达波旅行时是基于OBS的投放位置计算得到的旅行时。从图5中，可以看出，两个直达波旅行时的顶点存在较大的差异，也即是Tpick和Tcal存在差异，由此可知，OBS采集数据存在较大的时钟偏移。通过对图5的两个顶点时间差值计算，得到ΔT＝1s。因此，OBS数据整体上移1s，完成初步时钟漂移校正。
图6为对图5完成初步时钟漂移校正后的示意图，从图6中，可以可以看出，经过初步时钟漂移校正后，两者的时钟已经比较接近了。然后，按上述步骤5再次对OBS数据进行时钟漂移校正，完成最终时钟漂移校正后，图7为完成最终时钟漂移校正后的示意图。
图8为基于南海北部某海域实际采集到的OBS数据的旅行时示意图。由于时钟漂移量记录缺失，无法按照现有常规方法进行时钟漂移校正，而本实施例正好可以解决此问题。从图8中，可以看出两个顶点时间差大约为300ms。图9为根据图8进行时钟漂移校正前后的OBS数据对比图，从图9中可以看出，经过时钟漂移校正后，同相轴拉平，由此说明了本发明能够带来时钟漂移校正效果。本发明基于OBS数据本身来进行时钟漂移校正。该方法不依赖于外部的时钟漂移量，直接从OBS数据中提取时钟漂移量信息，并且考虑时钟漂移速率不稳定，能够解决时钟漂移量缺失和时钟漂移非线性下的时钟漂移校准问题。
如图10所示，本发明还涉及一种实现以上方法的实体装置的处理终端100，其包括，
存储器101，用于存储程序指令；
处理器102，用于运行所述程序指令，以执行所述OBS时钟漂移校正方法中的步骤。
本说明书所公开的实施例只是对本发明单方面特征的一个例证，本发明的保护范围不限于此实施例，其他任何功能等效的实施例均落入本发明的保护范围内。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种OBS时钟漂移校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将整个采集时间划分为若干个小的时间片段，以使得每个小的时间片段内的时钟漂移速率视为不变；
步骤2：从上述若干个小的时间片段中选择一个小的时间片段，在一个小的时间片段内，确定出该小的时间片段内的所有震源激发时间，
根据震源激发时间得到该小的时间片段对应的共接收点道集，从共接收点道集中识别出直达波，并拾取出直达波旅行时Tpick，
步骤3：获得OBS的初始位置(x0,y0,d0)，其中，d0表示OBS所在位置的水深，(x0,y0)表示OBS所在位置的平面坐标，
根据公式①计算得到第i个震源点的理论直达波旅行时
Figure FDA0002603687730000011
Figure FDA0002603687730000012
式中，v表示声波在海水中的传播速度，
Figure FDA0002603687730000013
表示第i个震源点的平面位置，
Figure FDA0002603687730000014
表示第i个震源点所在位置的水深；
步骤4：根据公式②计算出时钟漂移量ΔT：
ΔT＝min(Tpick)-min(Tcal)------②
式中，min(Tpick)表示所有直达波旅行时中最小的直达波旅行时，min(Tcal)表示所有
Figure FDA0002603687730000015
中最小的理论直达波旅行时，
步骤5：根据ΔT对当前小的时间片段内的OBS数据进行时钟漂移校正，其中，若ΔT>0，则将OBS数据整体向上移动ΔT，若ΔT<0，则将OBS数据整体向下移动ΔT，完成初步时钟漂移校正；
步骤6：重复步骤2-5，分别对剩余的每一个小的时间片段内的OBS数据进行时钟漂移校正，从而完成整个采集时间内的数据的时钟漂移校正。
2.根据权利要求1所述的OBS时钟漂移校正方法，其特征在于，所述根据震源激发时间得到该小的时间片段对应的共接收点道集，其具体实现过程包括以下步骤：
根据震源激发时间，按预设的目标长度截取对应当前炮激发时OBS记录到的数据，并按炮点排列起来，得到共接收点道集。
3.根据权利要求1所述的OBS时钟漂移校正方法，其特征在于，执行完步骤5之后，还包括以下步骤：
步骤S：建立目标函数
Figure FDA0002603687730000021
dt表示经过初步时钟漂移校正后的剩余时钟漂移量，Tcal(x,y,z)表示按步骤3在给定OBS当前位置下计算得到的直达波旅行时，(x,y,z)表示OBS当前位置，
求解目标函数的极小值，得到的极小值作为剩余时钟漂移量，根据剩余时钟漂移量再次对OBS数据进行时钟漂移校正，从而完成最终时钟漂移校正；
执行完步骤S后，步骤6中的所述重复步骤2-5替换为重复步骤2-5、步骤S。
4.根据权利要求3所述的OBS时钟漂移校正方法，其特征在于，所述求解目标函数的极小值包括如下步骤：
以OBS的初始位置(x0,y0,d0)为中心，在时间上以dt＝0为中心，在预设的空间范围和时间范围内对(x,y,z,dt)四个未知数进行扫描，得到目标函数的极小值。
5.一种处理终端，其包括，
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于运行所述程序指令，以执行如权利要求1-4任一项所述OBS时钟漂移校正方法的步骤。
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刘训矩: "海底地震仪数据预处理方法及应用研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 基础科学辑》 *
易锋等: "海底地震仪在天然气水合物勘探中的应用综述", 《海洋技术学报》 *
郑宏等: "基于背景噪声互相关技术的雅浦俯冲带海底地震仪时间校正", 《地球物理学进展》 *

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