CN112147695A - 一种海底节点检波器水下姿态定向方法 - Google Patents

一种海底节点检波器水下姿态定向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海底节点检波器水下姿态定向方法，该方法包括以下步骤：一、炮点和海底节点检波器的布设及地震波数据的采集；二、Scholte面波所对应的炮点的选择；三、Scholte面波的时间窗口的选择；四、Scholte面波数据的希尔伯特变换；五、海底节点检波器水平校正偏转角的获取。本发明方法步骤简单，设计合理，利用海底Scholte面波垂直分量与水平分量间的相关性来进行X分量和Y分量定向校正，准确且快速获取海底节点检波器水平校正偏转角，能够解决利用直达波进行重定向存在的精度不足而受到限制问题。

Description

一种海底节点检波器水下姿态定向方法
技术领域
本发明属于海底节点检波器水下姿态校正技术领域，尤其是涉及一种海底节点检波器水下姿态定向方法。
背景技术
海底节点(OBN—Ocean Bottom Nodes)地震勘探成为解决海洋勘探中的泥底辟、气云污染、成像模糊带及流体预测等一系列难题的新技术，在海上油气探测及深部构造调查等方面得到广泛的应用。目前海底节点检波器会使用电机驱动的万向架、倾斜检波器和控制器来实现Z分量保持垂直，但其水平X和Y分量会受到海底洋流等因素影响产生偏转，造成两个水平X和Y分量之间能量泄露。由于海底节点检波器沉放海底后姿态的任意性，致使地震资料中存在不同分量记录的能量互相泄漏与干扰等问题会给后续波场分离及成像带来许多问题。不同分量的地震波能量泄露给后续波场分离及成像会带来许多问题。因此，OBN数据处理时，需要首先得到检波器X和Y两个分量在海底的实际方位姿态并加以校正，以便为后续处理提供准确的基础数据。
为解决海底节点检波器X和Y两个分量偏转而造成能量泄露和现有利用直达波进行重定向存在的精度不足而受到限制等问题，本发明改变传动基于直达波重定向，提出一种海底节点检波器水下姿态定向方法，利用海底Scholte面波垂直分量与水平分量间的相关性来进行X分量和Y分量定向校正，准确且快速获取海底节点检波器水平校正偏转角。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其方法步骤简单，设计合理，利用海底Scholte面波垂直分量与水平分量间的相关性来进行X分量和Y分量定向校正，准确且快速获取海底节点检波器水平校正偏转角，能够解决利用直达波进行重定向存在的精度不足而受到限制问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、炮点和海底节点检波器的布设及地震波数据的采集：
步骤101、在海底布设多个海底检波点，并在每个海底检波点布设海底节点检波器，每个海底节点检波器记作一个海底节点；其中，海底节点和海底检波点的数量均为mre，mre个海底节点位于同一直线上，mre个海底节点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个海底节点，第2个海底节点，...，第i个海底节点，...，第mre个海底节点，相应的mre个海底检波点依次标记为第1个海底检波点、第2个海底检波点，...，第i个海底检波点，...，第mre个海底检波点，i和mre均为正整数，1≤i≤mre，mre＞1；
步骤102、在海面上设置多个炮点，并在各个炮点采用震源船激发地震波至海底；其中，炮点的数量为ntrace个，ntrace个炮点位于同一直线上，ntrace个炮点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个炮点，第2个炮点，...，第h个炮点，...，第ntrace个炮点，h和ntrace均为正整数，1≤h≤ntrace；
步骤103、以第1个海底检波点为原点O，以过原点O且沿第1个海底检波点至第mre个海底检波点所在的水平直线为X轴，以过原点O且垂直于X轴的水平直线为Y轴，以过原点O且垂直于X轴和Y轴形成的平面XOY指向海面的直线为Z轴；其中，海底节点检波器为三分量检波器，海底节点检波器中的Z分量方向和Z轴平行；
步骤104、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，mre个海底节点分别采集ntrace个炮点激发地震波的地震波数据；
步骤二、Scholte面波所对应的炮点的选择：
步骤201、设定ntrace个炮点中与第i个海底节点之间沿X轴方向的间距最小所对应的炮点为第hi个炮点；其中，hi的取值在1,2，...，ntrace范围内；
步骤202、设定相邻两个炮点之间的间距记作Lp，以第hi个炮点为原点，以2Lp为小半径以
Figure BDA0002711539100000031
为大半径的环形区域内的炮点作为待选择炮点；其中；[·]表示取整运算；
步骤三、Scholte面波的时间窗口的选择：
步骤301、计算机从步骤104中的地震波数据中选择第i个海底节点采集到的任一个待选择炮点所激发的地震波数据，拾取第i个海底节点采集到的Scholte面波的初至时间并记作t1，并将第i个海底节点从初至时间t1到终止时间t2之间采集到的地震波数据中选择任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Scholte面波数据；其中，时间窗口T＝t2-t1；
步骤302、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000032
得到时间窗口T内第i个海底节点采集到的Scholte面波数据的总采样数N；其中，Δt表示采样时间；
步骤四、Scholte面波数据的希尔伯特变换：
步骤401、计算机从步骤301中任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Scholte面波数据中获取任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的X方向分量sx,i(n)、任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Y方向分量sy,i(n)和任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量sz,i(n)；其中，n和N均为正整数，且1≤n≤N；
步骤402、采用计算机对任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量sz,i(n)进行希尔伯特变换，得到任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换Sz,i(n)；
步骤五、海底节点检波器水平校正偏转角的获取：
步骤501、设定XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转，且XOY平面第l次绕Z轴顺时针旋转的角度值为θx,y,l；其中，l为正整数；
步骤502、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000041
得到第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量
Figure BDA0002711539100000042
和第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波经第l次校正后的Y方向分量
Figure BDA0002711539100000043
步骤503、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000044
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换平均值
Figure BDA0002711539100000045
步骤504、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000046
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量的平均值
Figure BDA0002711539100000047
步骤505、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000048
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量的均方差
Figure BDA0002711539100000049
计算机根据公式
Figure BDA00027115391000000410
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的希尔伯特变换均方差
Figure BDA00027115391000000411
计算机根据公式
Figure BDA00027115391000000412
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的均方差
Figure BDA00027115391000000413
步骤506、计算机根据公式
Figure BDA00027115391000000414
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关系数
Figure BDA00027115391000000415
步骤507、XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转过程中，多次重复步骤502至步骤506得到各个相关系数，从而得到相关系数最大值
Figure BDA0002711539100000051
步骤508、计算机判断
Figure BDA0002711539100000052
是否成立，如果
Figure BDA0002711539100000053
成立，则时间窗口T选择合理，执行步骤509和步骤5010，否则，执行步骤5011；
步骤509、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000054
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的希尔伯特变换自相关系数Czz；
计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000055
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的互相关系数Cx,z,l；
计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000056
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关度
Figure BDA0002711539100000057
步骤5010、XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转过程中，多次重复步骤507得到各个相关度，从而得到相关度最大值
Figure BDA0002711539100000058
则第i个海底节点采集到的Scholte面波经校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关度最大值
Figure BDA0002711539100000059
所对应的XOY平面绕Z轴顺时针旋转的角度值为θ* x,y，则θ* x,y为海底节点检波器水平校正偏转角；
步骤5011、如果
Figure BDA00027115391000000510
不成立，调节终止时间t2加2ms～4ms，重复步骤302至步骤507，直至
Figure BDA00027115391000000511
成立，获取海底节点检波器水平校正偏转角。
上述的一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于：步骤302中采样时间Δt的取值范围为2ms～4ms。
上述的一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于：步骤102中炮点ntrace＞6，且ntrace＞mre。
上述的一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于：步骤402中采用计算机对任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量进行希尔伯特变换，得到任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，具体过程如下：
步骤4021、当n为偶数时，h(n)等于零；当n为奇数时，
Figure BDA0002711539100000061
得到有限离散数希尔伯特滤波因子h(n)，则得到有限离散数希尔伯特滤波因子序列h＝[h(1),h(2),...,h(n),...,h(N)]；其中，h(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(n)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子；
步骤4022、将N个第i个海底节点采集到的Scholte面波的Z方向分量记作第i个海底节点的Z向分量序列sz,i＝[sz,i(1),sz,i(2),..,sz,i(n),..,sz,i(N)]；其中，sz,i(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量，sz,i(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量，sz,i(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量；
步骤4023、计算机根据公式Sz,i＝sz,i(n)*h(n)，得到第i个海底节点的Z向分量的希尔伯特变换序列Sz,i；其中，*表示卷积运算，且第i个海底节点的Z向分量的希尔伯特变换序列Sz,i＝[Sz,i(1),Sz,i(2),..,Sz,i(n),..,Sz,i(N)]，Sz,i(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(n)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明步骤简单、设计合理且提高了海底节点检波器X分量和Y分量姿态重定向的精度。
2、本发明操作简便且使用效果好，首先是炮点和海底节点检波器的布设，其次是Scholte面波所对应的炮点的选择，然后进行Scholte面波的时间窗口的选择，其次是Scholte面波数据的希尔伯特变换，最后是海底节点检波器水平校正偏转角的获取，实现海底节点检波器的姿态的校正，从而完成了海底节点检波器X分量和Y分量姿态的重定向，提高了海底节点检波器获取的X、Y、Z三分量数据的后续处理。
3、本发明通过XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转过程中，得到相关度最大值
Figure BDA0002711539100000071
所对应的XOY平面绕Z轴顺时针旋转的角度值为海底节点检波器水平校正偏转角，有效地利用海底Scholte面波垂直分量与水平分量间的相关性来进行X分量和Y分量校正，并且可以有效地解决直达波分析中180独模糊的差异。
综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，利用海底Scholte面波垂直分量与水平分量间的相关性来进行X分量和Y分量定向校正，准确且快速获取海底节点检波器水平校正偏转角，能够解决利用直达波进行重定向存在的精度不足而受到限制问题。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明某一海底节点采集到的地震波X、Y、Z三分量图。
图3为利用本发明对图2采集到的地震波X、Y、Z三分量进行定向校正后的地震波X、Y、Z三分量图。
具体实施方式
如图1所示的一种海底节点检波器水下姿态定向方法，包括以下步骤：
步骤一、炮点和海底节点检波器的布设及地震波数据的采集：
步骤101、在海底布设多个海底检波点，并在每个海底检波点布设海底节点检波器，每个海底节点检波器记作一个海底节点；其中，海底节点和海底检波点的数量均为mre，mre个海底节点位于同一直线上，mre个海底节点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个海底节点，第2个海底节点，...，第i个海底节点，...，第mre个海底节点，相应的mre个海底检波点依次标记为第1个海底检波点、第2个海底检波点，...，第i个海底检波点，...，第mre个海底检波点，i和mre均为正整数，1≤i≤mre，mre＞1；
步骤102、在海面上设置多个炮点，并在各个炮点采用震源船激发地震波至海底；其中，炮点的数量为ntrace个，ntrace个炮点位于同一直线上，ntrace个炮点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个炮点，第2个炮点，...，第h个炮点，...，第ntrace个炮点，h和ntrace均为正整数，1≤h≤ntrace；
步骤103、以第1个海底检波点为原点O，以过原点O且沿第1个海底检波点至第mre个海底检波点所在的水平直线为X轴，以过原点O且垂直于X轴的水平直线为Y轴，以过原点O且垂直于X轴和Y轴形成的平面XOY指向海面的直线为Z轴；其中，海底节点检波器为三分量检波器，海底节点检波器中的Z分量方向和Z轴平行；
步骤104、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，mre个海底节点分别采集ntrace个炮点激发地震波的地震波数据；
步骤二、Scholte面波所对应的炮点的选择：
步骤201、设定ntrace个炮点中与第i个海底节点之间沿X轴方向的间距最小所对应的炮点为第hi个炮点；其中，hi的取值在1,2，...，ntrace范围内；
步骤202、设定相邻两个炮点之间的间距记作Lp，以第hi个炮点为原点，以2Lp为小半径以
Figure BDA0002711539100000091
为大半径的环形区域内的炮点作为待选择炮点；其中；[·]表示取整运算；
步骤三、Scholte面波的时间窗口的选择：
步骤301、计算机从步骤104中的地震波数据中选择第i个海底节点采集到的任一个待选择炮点所激发的地震波数据，拾取第i个海底节点采集到的Scholte面波的初至时间并记作t1，并将第i个海底节点从初至时间t1到终止时间t2之间采集到的地震波数据中选择任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Scholte面波数据；其中，时间窗口T＝t2-t1；
步骤302、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000092
得到时间窗口T内第i个海底节点采集到的Scholte面波数据的总采样数N；其中，Δt表示采样时间；
步骤四、Scholte面波数据的希尔伯特变换：
步骤401、计算机从步骤301中任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Scholte面波数据中获取任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的X方向分量sx,i(n)、任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Y方向分量sy,i(n)和任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量sz,i(n)；其中，n和N均为正整数，且1≤n≤N；
步骤402、采用计算机对任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量sz,i(n)进行希尔伯特变换，得到任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换Sz,i(n)；
步骤五、海底节点检波器水平校正偏转角的获取：
步骤501、设定XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转，且XOY平面第l次绕Z轴顺时针旋转的角度值为θx,y,l；其中，l为正整数；
步骤502、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000101
得到第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量
Figure BDA0002711539100000102
和第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波经第l次校正后的Y方向分量
Figure BDA0002711539100000103
步骤503、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000104
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换平均值
Figure BDA0002711539100000105
步骤504、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000106
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量的平均值
Figure BDA0002711539100000107
步骤505、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000108
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量的均方差
Figure BDA0002711539100000109
计算机根据公式
Figure BDA00027115391000001010
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的希尔伯特变换均方差
Figure BDA00027115391000001011
计算机根据公式
Figure BDA00027115391000001012
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的均方差
Figure BDA00027115391000001013
步骤506、计算机根据公式
Figure BDA00027115391000001014
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关系数
Figure BDA00027115391000001015
步骤507、XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转过程中，多次重复步骤502至步骤506得到各个相关系数，从而得到相关系数最大值
Figure BDA00027115391000001016
步骤508、计算机判断
Figure BDA00027115391000001017
是否成立，如果
Figure BDA00027115391000001018
成立，则时间窗口T选择合理，执行步骤509和步骤5010，否则，执行步骤5011；
步骤509、计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000111
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的希尔伯特变换自相关系数Czz；
计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000112
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的互相关系数Cx,z,l；
计算机根据公式
Figure BDA0002711539100000113
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关度
Figure BDA0002711539100000114
步骤5010、XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转过程中，多次重复步骤507得到各个相关度，从而得到相关度最大值
Figure BDA0002711539100000115
则第i个海底节点采集到的Scholte面波经校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关度最大值
Figure BDA0002711539100000116
所对应的XOY平面绕Z轴顺时针旋转的角度值为θ* x,y，则θ* x,y为海底节点检波器水平校正偏转角；
步骤5011、如果
Figure BDA0002711539100000117
不成立，调节终止时间t2加2ms～4ms，重复步骤302至步骤507，直至
Figure BDA0002711539100000118
成立，获取海底节点检波器水平校正偏转角。
本实施例中，步骤302中采样时间Δt的取值范围为2ms～4ms。
本实施例中，步骤102中炮点ntrace＞6，且ntrace＞mre。
本实施例中，步骤402中采用计算机对任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量进行希尔伯特变换，得到任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，具体过程如下：
步骤4021、当n为偶数时，h(n)等于零；当n为奇数时，
Figure BDA0002711539100000119
得到有限离散数希尔伯特滤波因子h(n)，则得到有限离散数希尔伯特滤波因子序列h＝[h(1),h(2),...,h(n),...,h(N)]；其中，h(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(n)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子；
步骤4022、将N个第i个海底节点采集到的Scholte面波的Z方向分量记作第i个海底节点的Z向分量序列sz,i＝[sz,i(1),sz,i(2),..,sz,i(n),..,sz,i(N)]；其中，sz,i(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量，sz,i(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量，sz,i(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量；
步骤4023、计算机根据公式Sz,i＝sz,i(n)*h(n)，得到第i个海底节点的Z向分量的希尔伯特变换序列Sz,i；其中，*表示卷积运算，且第i个海底节点的Z向分量的希尔伯特变换序列Sz,i＝[Sz,i(1),Sz,i(2),..,Sz,i(n),..,Sz,i(N)]，Sz,i(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(n)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换。
本实施例中，本发明对Scholte面波选择时间窗口，是因为时间窗口的长度的不同，会直接影响校正结果的稳定和分辨率。如果时间窗口长度选取过短，会导致校正结果稳定性下降，甚至导致校正后的剖面上出现噪音。如果时间窗口长度过长，时间窗口内可能不是单一Scholte面波，有其他波混杂，使计算结果不准确。
本实施例中，实际布设时，相邻两个炮点之间的间距Lp为30米～40米。
本实施例中，实际布设时，相邻两个海底检波点之间的间距为100米～110米。
本实施例中，实际使用时，步骤104中第i个海底节点采集到的地震波数据包括第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的X方向分量s′x,i(k)、第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的Y方向分量s′y,i(k)和第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的Z方向分量s′z,i(k)，这样在得到海底节点检波器水平校正偏转角θ* x,y之后，根据如下公式：
Figure BDA0002711539100000131
对步骤104中采集到的X方向分量和Y方向分量进行校正，得到校正后的第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的X方向分量s″x,i(k)和校正后的第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的Y方向分量s″y,i(k)。其中，k为正整数。
本实施例中，实际布设时，炮点的数量为ntrace大于10mre。
如图2所示，当ntrace＝100时，采用震源船依次在100个炮点激发地震波至海底的过程中，某一海底节点检波器X、Y、Z三个分量采集到的三分量地震记录。如图3所示，利用本发明得到的海底节点检波器水平校正偏转角θ* x,y即公式(一)对图2某一海底节点检波器X、Y分量进行定向校正，得到定向校正后的X、Y、Z三分量地震记录。从图2可以看到X分量存在的极性反转不明显，Y分量的能量很强，不符合实际情况，水平偏转严重，记录的地震波泄露与串扰严重。利用本发明得到的海底节点检波器水平校正偏转角θ* x,y校正后得到图3，图3上发现校正后X分量能量增强，出现明显的极性反转现象，X、Y分量中所表现出的转换横波特征更加符合实际。由此可以说明本方法效果很好。
综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，利用海底Scholte面波垂直分量与水平分量间的相关性来进行X分量和Y分量定向校正，准确且快速获取海底节点检波器水平校正偏转角，能够解决利用直达波进行重定向存在的精度不足而受到限制问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、炮点和海底节点检波器的布设及地震波数据的采集：
步骤101、在海底布设多个海底检波点，并在每个海底检波点布设海底节点检波器，每个海底节点检波器记作一个海底节点；其中，海底节点和海底检波点的数量均为mre，mre个海底节点位于同一直线上，mre个海底节点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个海底节点，第2个海底节点，...，第i个海底节点，...，第mre个海底节点，相应的mre个海底检波点依次标记为第1个海底检波点、第2个海底检波点，...，第i个海底检波点，...，第mre个海底检波点，i和mre均为正整数，1≤i≤mre，mre＞1；
步骤102、在海面上设置多个炮点，并在各个炮点采用震源船激发地震波至海底；其中，炮点的数量为ntrace个，ntrace个炮点位于同一直线上，ntrace个炮点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个炮点，第2个炮点，...，第h个炮点，...，第ntrace个炮点，h和ntrace均为正整数，1≤h≤ntrace；
步骤103、以第1个海底检波点为原点O，以过原点O且沿第1个海底检波点至第mre个海底检波点所在的水平直线为X轴，以过原点O且垂直于X轴的水平直线为Y轴，以过原点O且垂直于X轴和Y轴形成的平面XOY指向海面的直线为Z轴；其中，海底节点检波器为三分量检波器，海底节点检波器中的Z分量方向和Z轴平行；
步骤104、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，mre个海底节点分别采集ntrace个炮点激发地震波的地震波数据；
步骤二、Scholte面波所对应的炮点的选择：
步骤201、设定ntrace个炮点中与第i个海底节点之间沿X轴方向的间距最小所对应的炮点为第hi个炮点；其中，hi的取值在1,2，...，ntrace范围内；
步骤202、设定相邻两个炮点之间的间距记作Lp，以第hi个炮点为原点，以2Lp为小半径以
Figure FDA0002711539090000021
为大半径的环形区域内的炮点作为待选择炮点；其中；[·]表示取整运算；
步骤三、Scholte面波的时间窗口的选择：
步骤301、计算机从步骤104中的地震波数据中选择第i个海底节点采集到的任一个待选择炮点所激发的地震波数据，拾取第i个海底节点采集到的Scholte面波的初至时间并记作t1，并将第i个海底节点从初至时间t1到终止时间t2之间采集到的地震波数据中选择任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Scholte面波数据；其中，时间窗口T＝t2-t1；
步骤302、计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000022
得到时间窗口T内第i个海底节点采集到的Scholte面波数据的总采样数N；其中，Δt表示采样时间；
步骤四、Scholte面波数据的希尔伯特变换：
步骤401、计算机从步骤301中任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Scholte面波数据中获取任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的X方向分量sx,i(n)、任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Y方向分量sy,i(n)和任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量sz,i(n)；其中，n和N均为正整数，且1≤n≤N；
步骤402、采用计算机对任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量sz,i(n)进行希尔伯特变换，得到任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换Sz,i(n)；
步骤五、海底节点检波器水平校正偏转角的获取：
步骤501、设定XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转，且XOY平面第l次绕Z轴顺时针旋转的角度值为θx,y,l；其中，l为正整数；
步骤502、计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000023
得到第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量
Figure FDA0002711539090000031
和第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波经第l次校正后的Y方向分量
Figure FDA0002711539090000032
步骤503、计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000033
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换平均值
Figure FDA0002711539090000034
步骤504、计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000035
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量的平均值
Figure FDA0002711539090000036
步骤505、计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000037
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向分量的均方差
Figure FDA0002711539090000038
计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000039
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的希尔伯特变换均方差
Figure FDA00027115390900000310
计算机根据公式
Figure FDA00027115390900000311
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的均方差
Figure FDA00027115390900000312
步骤506、计算机根据公式
Figure FDA00027115390900000313
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关系数
Figure FDA00027115390900000314
步骤507、XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转过程中，多次重复步骤502至步骤506得到各个相关系数，从而得到相关系数最大值
Figure FDA00027115390900000315
步骤508、计算机判断
Figure FDA00027115390900000316
是否成立，如果
Figure FDA00027115390900000317
成立，则时间窗口T选择合理，执行步骤509和步骤5010，否则，执行步骤5011；
步骤509、计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000041
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波的希尔伯特变换自相关系数Czz；
计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000042
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的互相关系数Cx,z,l；
计算机根据公式
Figure FDA0002711539090000043
得到第i个海底节点采集到的Scholte面波经第l次校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关度
Figure FDA0002711539090000044
步骤5010、XOY平面绕Z轴顺时针0°到360°范围内旋转过程中，多次重复步骤507得到各个相关度，从而得到相关度最大值
Figure FDA0002711539090000045
则第i个海底节点采集到的Scholte面波经校正后的X方向和Z向分量的希尔伯特变换的相关度最大值
Figure FDA0002711539090000046
所对应的XOY平面绕Z轴顺时针旋转的角度值为θ* x,y，则θ* x,y为海底节点检波器水平校正偏转角；
步骤5011、如果
Figure FDA0002711539090000047
不成立，调节终止时间t2加2ms～4ms，重复步骤302至步骤507，直至
Figure FDA0002711539090000048
成立，获取海底节点检波器水平校正偏转角。
2.按照权利要求1所述的一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于：步骤302中采样时间Δt的取值范围为2ms～4ms。
3.按照权利要求1所述的一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于：步骤102中炮点ntrace＞6，且ntrace＞mre。
4.按照权利要求1所述的一种海底节点检波器水下姿态定向方法，其特征在于：步骤402中采用计算机对任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量进行希尔伯特变换，得到任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，具体过程如下：
步骤4021、当n为偶数时，h(n)等于零；当n为奇数时，
Figure FDA0002711539090000051
得到有限离散数希尔伯特滤波因子h(n)，则得到有限离散数希尔伯特滤波因子序列h＝[h(1),h(2),...,h(n),...,h(N)]；其中，h(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(n)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子，h(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量对应的有限离散数希尔伯特滤波因子；
步骤4022、将N个第i个海底节点采集到的Scholte面波的Z方向分量记作第i个海底节点的Z向分量序列sz,i＝[sz,i(1),sz,i(2),..,sz,i(n),..,sz,i(N)]；其中，sz,i(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量，sz,i(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量，sz,i(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量；
步骤4023、计算机根据公式Sz,i＝sz,i(n)*h(n)，得到第i个海底节点的Z向分量的希尔伯特变换序列Sz,i；其中，*表示卷积运算，且第i个海底节点的Z向分量的希尔伯特变换序列Sz,i＝[Sz,i(1),Sz,i(2),..,Sz,i(n),..,Sz,i(N)]，Sz,i(1)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第1个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(2)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第2个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(n)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第n个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换，Sz,i(N)表示任一个待选择炮点激发地震波时第i个海底节点在第N个采样时刻采集到的Scholte面波的Z方向分量的希尔伯特变换。
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