CN113189642B - 一种基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，属于地球物理勘探技术领域。本发明通过分析可控震源扫描激发时近地表受迫振动系统振动特性信息，确定不同近地表条件下的共振频率和优势频带范围，结合有效波频率范围设计适合不同类型近地表条件的线性扫描信号。本发明一方面提高扫描信号中受迫振动系统优势频带和有效信号频带能量，根据受迫振动系统“驱动频率等于共振频率时，系统振幅最大”的特点更好的将扫描时间内有限的激发能量向地下输入，提高能量传输效率和接收记录的信噪比；另一方面舍弃扫描信号频带范围外能量，扫描时长相比生产中线性扫描不变，保证施工效率。

Description

一种基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，属于地球物理勘探技术领域。

背景技术

控震源地震资料采集施工中，扫描信号经过可控震源电控系统、液压控制系统驱动振动系统激发地震波，扫描信号是影响地震波质量的关键因素之一。地震波经过大地传播到地面仪器采集系统，经扫描信号相关，形成单炮记录。受到检波器、仪器、大地吸收衰减等滤波作用，获得地震记录频谱变窄且偏向低频，这些影响无法人为改变。

可控震源扫描信号有线性和非线性两类，其中线性扫描信号应用最为广泛的是Chirp信号，该信号扫描频率变化均匀，扫描能量平均分配。受机械-液压系统限制，可控震源使用的线性扫描信号无法在低频部分(5Hz以下)输出足够强度的能量，即便设计了较高的驱动幅度，但由于在该部分畸变较高，具有实际生产意义的基波出力值仍然较低，实现不了真正意义的低频勘探。以往对可控震源扫描信号设计主要从提高分辨率出发，采取的思路主要有两种：一是采用指数扫描信号，通过增强高频段能量补偿近地表吸收衰减效应，以达到拓宽地震记录有效频带范围的目的；二是采用低驱动幅度和长扫描时间方式以降低可控震源扫描信号的起始频率，实现拓宽扫描信号频带范围的目的。上述两种方式均需通过大幅增加扫描时间来提高输出能量，影响可控震源施工效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，以解决可控震源在不同地表激发单炮能量差异大以及有效出力低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，该设计方法包括以下步骤：

1)获取可控震源扫描激发时近地表受迫振动系统振动特性信息，所述振动特性信息用频率-能量数据进行表征；

2)根据近地表受迫振动系统振动特性信息确定共振频率及优势频带；

3)根据共振频率、优势频带及有效信号频率分布范围确定近地表加强频带范围，所述的近地表加强频带范围覆盖共振频率、优势频带和有效信号频带；

4)确定斜坡长度，完成基于受迫振动的可控震源线性扫描信号设计；确定斜坡长度时，当起始频率低至第一设定范围时，增加斜坡长度以保证可控震源在低频段出力不超出自身振动系统性能极限；当起始频率高至第二设定范围时，测试不同斜坡长度以保证振幅谱曲线光滑。

本发明通过分析可控震源扫描激发时近地表受迫振动系统振动特性信息，确定不同近地表条件下的共振频率和优势频带范围，结合有效波频率范围设计适合不同类型近地表条件的线性扫描信号。本发明一方面提高扫描信号中受迫振动系统优势频带和有效信号频带能量，根据受迫振动系统“驱动频率等于共振频率时，系统振幅最大”的特点更好的将扫描时间内有限的激发能量向地下输入，提高能量传输效率和接收记录的信噪比；另一方面舍弃扫描信号频带范围外能量，保证扫描时长相比生产中线性扫描不变，保证施工效率。

进一步地，所述的步骤1)中的振动特性信息采用单频扫描方式得到：统计各单频激发地震记录中距震源最近或偏移距最小接收道的直达波初至的振幅属性，建立单频扫描频率与统计振幅属性之间的拟合曲线，该拟合曲线就是所要得到频率-能量数据。

进一步地，所述的步骤1)中的振动特性信息采用炮资料方式得到：利用初至拾取对单炮记录进行线性动校正，将初至波校正至同一时刻；分析不同单炮线性动校正地震记录中震源附近直达波初至信息分析的振幅谱，所述振幅谱为频率-能量数据；所述震源附近指接收排列中距震源一定偏移距范围内接收道，所述直达波初至信息是指覆盖初至波在内1个完整周期波形地震记录。

进一步地，所述步骤3)在确定近地表加强频带范围时还需要考虑该近地表加强频带范围的起止频率范围至少达到设定倍频程。

进一步地，所述的设定倍频程为4倍频程。

附图说明

图1是本发明基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法的流程图；

图2是受迫振动的振幅A与驱动力频率f关系示意图；

图3是捕获体在受迫振动条件下的简化物理模型图；

图4是本发明实施例中草原近地表单频激发频率-能量(均方根振幅)统计结果图(偏移距30m，时间0-200ms)；

图5-a是本发明实施例中得到的适合草原近地表线性扫描信号QC结果中震源重锤位移情况示意图；

图5-b是本发明实施例中得到的适合草原近地表线性扫描信号QC结果中震源液压系统供压情况示意图；

图5-c是本发明实施例中得到的适合草原近地表线性扫描信号QC结果中震源液压系统流量情况示意图；

图5-d是本发明实施例中得到的适合草原近地表线性扫描信号QC结果中震源阀位移情况示意图；

图6-a是本发明验证例中常规线性扫描信号时间-频率变化曲线；

图6-b是本发明验证例中常规线性扫描信号时间-出力变化曲线；

图6-c是本发明验证例中常规线性扫描信号能量-频率变化曲线；

图6-d是本发明验证例中常规线性扫描信号相关子波时间-振幅变化曲线；

图7-a是本发明验证例中采用本发明得到的线性扫描信号时间-频率变化曲线；

图7-b是本发明验证例中采用本发明得到的线性扫描信号时间-出力变化曲线；

图7-c是本发明验证例中采用本发明得到的线性扫描信号能量-频率变化曲线；

图7-d是本发明验证例中采用本发明得到的线性扫描信号相关子波时间-振幅变化曲线；

图8是本发明验证例中不同扫描方式得到地震记录相关子波对比示意图；

图9是本发明实施例中线形扫描信号能量谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图2所示，受迫振动是振动系统在周期性的外力作用下，其所发生的振动称为受迫振动，共(谐)振频率是受迫振动系统的固有属性，受迫振动具有以下规律特性：

当f_驱＝f_固时，系统达到共振状态A＝A_m；f_驱与f_固越接近，受迫振动的振幅越大；f_驱与f_固相差越远，受迫振动的振幅越小；发生共振时，一个周期内，外界提供的能量等于系统克服阻力做功而消耗的能量。

可控震源在振动过程中近地表受平板直接作用部分作为“捕获体”随平板同步振动，以达到将可控震源机械振动能量向地下介质传播的目的，最终形成地震勘探所需的弹性波的传播。“捕获体”和深层地质体由近似的弹性—阻尼系统(K_g，D_g)连接，可认为构成一个简单的震动系统。它在可控震源作用下进行受迫振动，如图3所示。

根据受迫振动系统的特性，当可控震源驱动频率达到图2中受迫振动系统的共振频率时，捕获体响应振幅达到最大，同时可控震源能量向地下介质的输出效率达到最大。

本发明根据线性扫描信号设计理论，对信号的幅频特性和时频特性进行优化设计，利用自定义线性扫描信号增加震源在共振频率及优势频带范围的能量输出,提高可控震源对多种复杂地表环境的适应性和出力效率。

可控震源扫描信号是关于时间的一组瞬时振幅数据，瞬时振幅S(t)由瞬时相位ω和出力函数A(t)决定，如公式(1)-(3)所示。

S(t)＝A(t)sin(ωt) (1)

A(t)＝W(t)F_set (2)

其中f_e为扫描截止频率；f_s为扫描起始频率；SL为扫描时长；W(t)为斜坡比例因子；F_set为设计的驱动幅度。

为了避免扫描信号在起始和结束时间段内频率突然变化引起的吉布斯现象，引入斜坡比例因子W(t)对斜坡窗口内的扫描信号振幅进行压缩，同时该因子也保证可控震源在低频段(一般7Hz以下)出力不超出自身振动系统性能极限。

基于上述分析，本发明提供了一种可控震源线性扫描信号的设计方法。该方法利用近地表弹性-阻尼系统共振频率特性，首先通过获取可控震源扫描激发时近地表受迫振动系统振动特性信息，并根据近地表受迫振动系统振动特性信息确定共振频率及优势频带；然后增加共振频率附近频段扫描时间以提高可控震源有效输出能量。

实现对可控震源线性扫描信号的设计。该方法的实现流程如图1所示，具体实现过程如下。

1.获取可控震源扫描激发时近地表受迫振动系统振动特性信息。

根据图3中受迫振动系统，其共振频率、优势频带属性可通过分析可控震源扫描激发时检波器接收的振动特性信息获取。获取方式一般采取单频扫描记录方式，生产中也可以简化采用实际单炮资料作为补充。

1)单频扫描方式：针对某一特定近地表条件，可控震源采用单频逐一扫描激发、常规排列接收，获得该单频激发的地震记录。单频点一般覆盖该地表常规生产时扫描激发频率范围，每个频率单频扫描一次。所有单频点扫描激发完成后，获得对应该频段所有频率点的地震记录。单频扫描驱动幅度参数通过试验获得，保证设备安全及畸变不超标。

例如对可控震源进行1Hz、2Hz...96hz一系列的单频扫描。扫描长度、斜坡长度和出力参数如表1所示。由于低频段1-20Hz可控震源最大驱动幅度变化较快，为保证分析结果准确设置频率增量为1Hz；中高频段可控震源最大驱动幅度稳定，设置频率增量为3Hz；在低频段(如Nomad65neo震源为1～7Hz)驱动幅度以不超过系统限制为上限，在中高频段设计的驱动幅度有可控震源最大出力的50％、60％、70％三种。

表1

2)炮资料：针对某一特定近地表条件，可控震源采用生产参数扫描激发、常规排列接收，获得实际扫描激发的地震记录；扫描频率范围一般不少于5个倍频程，为消除偶然性引起的误差，需选取某一特定近地表条件下一定数量的单炮数据，一般不少于5个。

例如可控震源采用线性扫描信号激发，采用的参数为扫描长度16s，扫描频率范围3Hz-96Hz，斜坡长度1s，出力参数70％。

2.根据近地表受迫振动系统振动特性信息确定共振频率及优势频带。

通过分析单频扫描获得的地震记录和生产炮资料，可以确定不同近地表条件的受迫振动系统共振频率及优势频带。为排除折射波、反射波和吸收衰减效应等中深层因素的影响，更好的分析可控震源激发时与平板接触的近地表产生地震波的能量效果，选取震源附近直达波初至信息分析近地表振动特性。

1)单频扫描方式：针对某一特定近地表条件单频扫描地震记录，逐一统计单频激发地震记录中震源附近直达波初至信息的均方根振幅，获得该近地表条件的一系列频率-能量(均方根振幅)统计数据。“震源附近”指接收排列中距震源最近或偏移距最小的接收道，但要避开震点的强干扰，“直达波初至信息”指覆盖初至波在内1个完整周期波形记录。统计时分析时窗偏移距范围固定，不随单频激发地震记录更换而改变。将统计获得的某一特定近地表条件下一系列能量(均方根振幅)统计数据按其对应单频扫描频率递增顺序排序，计算出与统计振幅相关系数最大的拟合曲线。该曲线最大值对应的频率即为该近地表受迫振动系统的共振频率，主要能量所在频率范围即为优势频带。

2)炮资料：针对某一特定近地表条件多个实际炮资料，首先利用初至拾取对单炮记录进行线性动校正，将初至波校正至同一时刻。分析不同单炮线性动校正地震记录中震源附近直达波初至信息分析的振幅谱，将结果保存为频率-能量(均方根振幅)数据。将某一特定近地表条件不同单炮的频率-能量(均方根振幅)数据包络作为该条件下最终频率-能量(均方根振幅)统计数据。“震源附近”指接收排列中距震源一定偏移距范围内接收道，“直达波初至信息”指覆盖初至波在内1个完整周期波形地震记录。统计时分析时窗偏移距范围固定，不随实际单炮资料更换而改变。分析获得的某一特定近地表条件震源附近直达波初至信息振幅谱的视主频，即为该近地表受迫振动系统的共振频率，主要能量所在频率范围即为优势频带。优势频带的实际宽度可根据实际情况确定，例如，可以选择90％能量所在的频带范围。

本实施例中采用的是草原地表的单频扫描方式，选取震源附近直达波初至信息如偏移距30m地震记录作为分析对象，其单频扫描的频率-能量(均方根振幅)统计结果及拟合曲线如图4所示。从中可以看出，在中高频段当可控震源平板附近地表受到频率不同的外力驱动时，在23Hz附近响应振幅达到最大值，其10～50Hz响应振幅明显高于其他频率范围，认为23Hz即为草原近地表弹性-阻尼系统的共振频率，10-50Hz为优势频带范围。

3.根据得到共振频率和优势频带设计线性扫描信号。

线性扫描信号是生产中最常使用的一种可控震源扫描信号，主要参数包括起止频率、扫描时长、驱动幅度、斜坡长度，其中起止频率共振频率和优势频带有关。各参数的确定过程如下：

1)确定线性扫描信号的频率范围。

本发明根据步骤2确定的共振频率、优势频带以及有效信号分布范围确定近地表加强频带范围，该近地表加强频带范围需覆盖共振频率、优势频带和有效信号频带。为保证线性扫描信号有足够的分辨率，近地表加强频带范围的起止频频率范围需要至少有4个倍频程，如当起始频率等于3Hz时，截止频率不能低于48Hz，其中倍频程的计算公式如下：

Rotc＝log₂(f_e/f_s)

2)确定斜坡长度。

斜坡长度的设定标准有两个，一个是保证可控震源在低频段如7Hz以下不超出自身机械-液压系统出力极限，另一个是减弱扫描信号振幅谱曲线两端的吉布斯现象；当斜坡值足够长时，可以避免上述问题。

斜坡长度的大小需要根据扫描信号低频端所在频率及吉布斯现象是否严重来确定。对本实施例而言，当起始频率低至2-3Hz时，斜坡长度需要适当增加以保证可控震源在低频段出力不超过自身振动系统性能极限(重锤位移、流量极限等)；当起始频率高至5-6Hz时，对斜坡长度的影响因素主要是扫描信号振幅谱曲线两端拐点处抖动问题(吉布斯现象)。斜坡越短，吉布斯现象越明显，斜坡长度需要适当减小以使振幅谱两端吉布斯现象不明显为宜。一般认为振幅谱曲线光滑无明显抖动如图9所示即认为此时的吉布斯现象不明显，可以接受。

3)确定驱动幅度和扫描时长。

实际生产中线性扫描信号的扫描时长和驱动幅度两个参数都是通过野外试验，然后根据试验资料是否能满足勘探需求来确定。

本发明的中驱动幅度和扫描时长按照常规线性信号的设计方法确定，即扫描时长和驱动幅度与生产中一般采用的线性扫描参数保持一致即可。

本实施例中以草原地表和Nomad65neo可控震源为例，如图4所示，本实施例中优势频带范围为10-40Hz，该工区有效波频率范围10-50Hz，结合分辨率需求，该近地表条件下线性信号的扫描频率范围为3-60Hz；根据软件检测结果当斜坡长度为0.5s时，扫描信号即不超出可控震源重锤位移极限和泵流量极限，但此时振幅谱两端吉布斯现象较严重，经过测试确定采用0.8s。

按照本发明的方法确定的线性扫描信号参数为：扫描信号的频率范围为3-60Hz，扫描长度为16s，斜坡长度为0.8s，可控震源驱动幅度为75％。按照上述线性扫描信号进行扫描，结果如图5-a、图5-b、图5-c和图5-d所示，其中。如图5-a表示震源重锤位移情况，位于纵坐标±2in的两根水平线为可使用的最大重锤位移，本例中位移曲线未超出震源极限；图5-b表示震源液压系统供压情况。位于纵坐标±3500psi的两根水平线为可使用的最大供压，本例中液压系统供压曲线未超出震源极限；图5-c表示震源液压系统流量情况，位于纵坐标450gpm的水平线为可使用的最大阀流量，纵坐标120gpm的水平线为可使用的最大泵流量，本例中流量曲线未超出震源极限；图5-d表示震源阀位移情况，位于纵坐标±0.13in的水平线为可使用的最大阀位移，本例中阀位移未超出震源极限。

验证案例

为进一步说明本发明的效果，下面以内蒙四子王旗典型草原地表为例对比对比常规线性扫描信号和优化后线性扫描信号。

首先对该地表以生产中最常使用的线性扫描信号进行测试。线性扫描参数为起始频率3Hz，截止频率96Hz，扫描长度16s，斜坡长度1s，结果如图6-a、6-b、6-c和6-d所示。从中可以看出，上述线性扫描信号的激发能量对不同频率是平均分配，采用该种扫描方式，不同地表类型条件下激发能量在平板驱动捕获体振动过程中被消耗的频率范围有差异，同时实际输入深层地下介质的有效能量占比较低。

本发明结合草原地表共振频率和优势频带重新对线性扫描信号进行了设计，在草原地表条件下，单频激发频率-能量统计及共振频率特性分析结果为10-45Hz(如图4)。根据近地表受迫振动原理对扫描信号频带优化选择，优化设计后扫描信号频带范围3-60Hz。其扫描长度、斜坡长度和驱动幅度等其它参数仍采用原生产用扫描信号参数不变。此次得到线性扫描结果如图7-a、7-b、7-c和7-d所示，该方案是结合草原地表共振频率和优势频带分布设计的非线性扫描信号，与设计的线形扫描信号相比，加强了目标频带能量，减少了能量在近地表损失，提高了可控震源激发能量下传效率和对不同地表类型的适应性。

两种不同扫描方式的地震记录相关子波对比如图8所示，从该图中首先可以看到，本发明的优化后的线性扫描下地震记录子波能量明显强于常规线性扫描，说明基于受迫振动特性同时对扫描信号时频特性和幅频特性两方面进行优化，可以有效增加可控震源激发能量的下传效率。同时由于改进后的线性扫描增强能量的目标频带涵盖有效波频带范围，既可以增加地震资料中有效信号的能量以提高信噪比，同时可以拓宽有效波频带提高分辨率。

本发明能够同时优化扫描信号的时频特性和幅频特性，一方面提高了扫描信号中受迫振动系统优势频带和有效信号频带能量，根据受迫振动系统“驱动频率等于共振频率时，系统振幅最大”的特点，将扫描时间内有限的激发能量向地下输入，以提高能量传输效率和接收记录的信噪比；另一方面舍弃扫描信号频带范围外能量，保证了扫描时长相比生产中线性扫描不变，保证了施工效率。该方法可以适应不同地表类型设计相应的扫描信号，相比以往的使用同一扫描信号生产，具有更强的科学性、准确性、方便性和适应性。且本发明能有效地缓解震源施工中的得到地震资料信噪比差的问题，更贴近生产实际应用。

Claims (5)

1.一种基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：

1)获取可控震源扫描激发时近地表受迫振动系统振动特性信息，所述振动特性信息用频率-能量数据进行表征；

2)根据近地表受迫振动系统振动特性信息确定共振频率及优势频带；

3)根据共振频率、优势频带及有效信号频率分布范围确定近地表加强频带范围，所述的近地表加强频带范围覆盖共振频率、优势频带和有效信号频带；

4)确定斜坡长度，完成基于受迫振动的可控震源线性扫描信号设计；确定斜坡长度时，当起始频率低至第一设定范围时，增加斜坡长度以保证可控震源在低频段出力不超出自身振动系统性能极限；当起始频率高至第二设定范围时，测试不同的斜坡长度以保证振幅谱曲线光滑。

2.根据权利要求1所述的基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，其特征在于，所述的步骤1)中的振动特性信息采用单频扫描方式得到：统计各单频激发地震记录中距震源最近或偏移距最小接收道的直达波初至的振幅属性，建立单频扫描频率与统计振幅属性之间的拟合曲线，该拟合曲线就是所要得到频率-能量数据。

3.根据权利要求1所述的基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，其特征在于，所述的步骤1)中的振动特性信息采用炮资料方式得到：利用初至拾取对单炮记录进行线性动校正，将初至波校正至同一时刻；分析不同单炮线性动校正地震记录中震源附近直达波初至信息分析的振幅谱，所述振幅谱为频率-能量数据；所述震源附近指接收排列中距震源一定偏移距范围内接收道，所述直达波初至信息是指覆盖初至波在内1个完整周期波形地震记录。

4.根据权利要求1所述的基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，其特征在于，所述步骤3)在确定近地表加强频带范围时还需要考虑该近地表加强频带范围的起止频率范围至少达到设定倍频程。

5.根据权利要求4所述的基于受迫振动的震源线性扫描信号设计方法，其特征在于，所述的设定倍频程为4倍频程。