CN113777653A - 一种合成孔径式浅层地震剖面勘探方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地球物理工程勘察技术领域，特别涉及一种合成孔径式浅层地震剖面勘探方法和系统。其中方法包括以下步骤：S1.将多个水听器等间距排列组成水听器阵，将一个换能器和一组水听器阵采用拖曳式放置在航行物上，在浅海的勘探区域设计出多条测线；S2.地震数据采集：包括采集激发参数和接收参数；换能器触发的脉冲形成多个等间距的炮点，航行物沿着多条测线依次航行至完成整个勘探区域的地震数据采集；S3.数据处理：所有测线数据进行去噪预处理，并对地震数据进行合成孔径成像处理，获得多个地震反射波叠加数据体，最后合成三维数据体。采用了大功率换能器和多水听器阵系统，通过成像技术，有效的改进了成像垂向和横向分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理工程勘察技术领域，特别涉及一种合成孔径式浅层地震剖面勘探方法和系统。
背景技术
浅层地震剖面探测是一种有效的地球物理方法，也是工程地质勘察不可或缺的技术手段。它基于水声学原理，以连续走航方式探测海底以下浅地层特征和地质构造。通过使用浅层地震剖面仪，浅层地震剖面探测方法能刻画小于0.1米的薄层，以及地表以下50m范围内泥质地层情况，为海洋工程施工，海底资源勘探，海底路由调查、管道铺设、海上风电牧场设计，航道工程，水库、河道清淤等提供必要的高分辨率地质资料。
由于其具有配置灵活、作业方便、分辨率高等优点，在海洋地质科学研究、海底资源调查、海洋工程等方面得到了广泛应用，成为海洋地球物理调查的必备设备。
目前，浅层地震剖面仪器经常被用于工程地质勘察中，该仪器有很好的地层穿透能力，能给出地表以下50m范围内地层剖面的分层情况，但是分辨率，特别是横向分辨率较低，无法清晰的刻画小探测目标，严重制约了浅层地震剖面探测方法的应用效果。
声学探测仪器通常装备有信号发射震源，信号接收器，和导航定位系统，系统记录地震反射信号，再通过成像技术转化成地层显示图。在这些技术中，成像的效果取决于分辨率。分辨率包括横向和垂直分辨率。垂直分辨率是指能分辨的最薄地层，在物理上定义为四分之一波长。短波长对应较高的频率。由于能量在地层中的吸收，频率越高，声学信号的穿透能力越差。越深的地方，高频成分损失越大，垂向分辨率越差。横向分辨率由波传播的菲涅尔带决定，也与深度成正比，越深的地方，横向分辨率越差。如主频3.5千赫兹的波形，在30米的深度，横向分辨率大致为2.8米。
合成孔径声纳成像技术能部分克服这些声学探测仪器的缺陷。合成孔径技术采用多个水听器接收阵合成，取代传统的单一水听器，从而提高了分辨率和信噪比。同时，跟多波束和旁测声纳相比，合成孔径浅剖和普通浅剖都有着相对更低的频率和更宽的带宽。传统浅剖仅有单一位置水听器阵。水听器接收的是某一反射角的信号。而合成孔径声纳采用的是多水听器排列阵，可以接收不同角度的反射角的信号。对同一目标的多角度分析，不但提高了分辨率，而且还能了解土体的物理的特性。所以合成孔径声纳更适用于海洋工程勘探调查。
发明内容
本发明提供一种合成孔径式浅层地震剖面勘探方法和系统，旨在解决现有技术的不足。
本发明提供一种合成孔径式浅层地震剖面勘探方法，包括以下步骤：
S1.将多个水听器等间距排列组成水听器阵，将一个换能器和一组水听器阵采用拖曳式放置在航行物上，在浅海的勘探区域设计出多条测线，多条测线之间等间隔分布；
S2.地震数据采集：包括采集激发参数和接收参数，激发参数为换能器沿测线连续触发脉冲，接收参数为水听器阵接收的反射波；换能器触发的脉冲形成多个等间距的炮点，多个炮点轨迹形成炮线，水听器阵的方向与炮线的方向垂直正交，航行物沿着多条测线依次航行至完成整个勘探区域的地震数据采集；
S3.数据处理：所有测线数据进行去噪预处理，并对地震数据进行合成孔径成像处理，获得多个地震反射波叠加数据体，最后合成三维数据体并显示出地下探测目标的平面分布范围和三维形态。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中，换能器沿测线方向连续触发脉冲时，航行物的航速上不超过4节。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中，接收参数具体为一组水听器阵内每个水听器接收的反射射线信号。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中，炮线相对于测线的偏离范围在两个侧线间距长度的±1/2内。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3包括：
S31.所有测线数据进行预处理，包括涌浪静校正、带通滤波、频率域二维滤波处理；
S32.对去噪后的单一测线地震数据进行两个方向的合成孔径成像处理，两个方向分别为沿测线方向和沿水听器阵方向，并获得一条测线的地震反射波叠加数据体；
S33.对所有测线执行步骤S32的处理步骤，获得第三个维度-水平横向的数据信息；
S34.合并处理后的二维测线成三维数据体，显示地下探测目标的平面分布范围和三维形态。
本发明还提供一种合成孔径式浅层地震剖面勘探系统，包括一个宽带调频的换能器和一组水听器阵，所述水听器阵内部设有多个水听器，多个水听器等间距分布，所述换能器和水听器阵拖曳式地连接在航行物上，在浅海的勘探区域设计出多条等间隔的测线，所述航行物在每条测线上航行，且所述换能器在测线上等间隔地激发地震波并产生入射射线，所述水听器阵接收反射射线地震波。
作为本发明的进一步改进，所述水听器阵包括羽状的外壳，所述多个水听器设置在羽状外壳构成的内部腔体内。
作为本发明的进一步改进，所述水听器阵分为多节水听器阵结构，每节水听器阵结构之间折叠连接。
作为本发明的进一步改进，所述换能器和水听器阵上均装有超短基线定位系统。
作为本发明的进一步改进，所述换能器频率范围包含有低频和高频成分，所述换能器通过控制声学能量、振幅及相位特征产生一个脉冲。
本发明的有益效果是：应用于海洋地球物理勘察方法和设备，尤其对于在没有原位测试的情况下有效地获得精细地层和确定埋深大于10米的小目标体。解决了现有浅层剖面仪的一些缺陷，采用了大功率换能器和多水听器阵系统，通过成像技术，在不损失穿透深度的情况下，有效的改进了成像垂向和横向分辨率。
附图说明
图1是本发明中换能器和水听器阵的位置示意图；
图2是本发明中水听器阵的外观结构图；
图3是本发明中水听器阵的结构剖视图；
图4是本发明中多个水听器间隔分布的结构示意图；
图5是本发明中测线设计和炮点位置图；
图6是本发明中数据处理的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1至图6所示，本发明的一种合成孔径式浅层地震剖面勘探方法，包括以下步骤：
1）高清晰浅层地震剖面探测系统的设计：
执行该勘探方法，本发明提供一种高清晰合成孔径式浅层地震剖面探测系统，如图1至图4所示，其采用一个宽带调频的换能器和一组水听器阵，水听器阵内部设有多个水听器，多个水听器等间距分布，换能器和水听器阵拖曳式地连接在航行物上，在浅海的勘探区域设计出多条等间隔的测线，航行物在每条测线上航行，且换能器在测线上等间隔地激发地震波并产生入射射线，水听器阵接收反射射线地震波。换能器和水听器阵上均装有超短基线定位系统USBL。航行物优选为勘探船。
换能器频率范围包含有低频和高频成分，例如从0.5到10千赫兹，通过控制声学能量、振幅及相位特征产生一个脉冲。波形处理后，此脉冲能产生一个全波形子波。水听器接收阵（简称水听器阵）接收反射波。
如图2至图4所示，所述水听器阵阵外观设计为羽状的外壳，多个水听器设置在羽状外壳构成的内部腔体内。且水听器阵可分为多节水听器阵结构，每节水听器阵之间可折叠连接。
如图4所示，水听器阵由多个水听器组成。长度为L1米，如用折叠式，单节水听器阵长度L2米，L1=2*L2，内有n个水听器，间距为S1米。水听器间隔由设计的探测深度决定。例如接收阵长度为5米，内有100个水听器，间距0.05米。
2）高清晰浅层地震剖面探测系统的数据采集。
根据目标体的大小和埋深，设计采集和测线布置方案。系统采集参数包括接收参数和激发参数，如图4所示，接收参数为1水听器阵、内有n个水听器，间距为S1米，每个水听器接收反射射线信号。如图5所示，激发参数为沿测线连续触发脉冲（放炮），炮点为等间距，炮点间距S2米，例如0.25米或0.5米。水听器阵与炮线垂直正交，炮线方向称为纵向，水听器阵方向称为横向，如图3中测线间距为S3米，例如12.5、25米。
如图1所示，换能器和水听器阵采用拖曳式放置，例如船尾拖曳。换能器靠近水听器阵但保持有一定距离，水听器阵距离海底H米，例如2米。水听器和换能器上装有超短基线定位系统（USBL）。通过USBL对水听器阵和换能器准确定位。
如图1，换能器沿测线方向连续放炮激发地震波，船速原则上不超过4节。如图3所示，炮线与设计测线应基本吻合，左右偏离测线不超过1/2测线间距S3。
如图3所示，按照设计参数进行数据采集，完成一条测线的地震数据采集,，如测线1；勘探船掉头采集下一条测线，如测线2，直至把整个勘探区域覆盖，完成整个勘探区域的地震数据采集。
3）高清晰浅层地震剖面探测系统数据处理。
先对所有测线数据进行预处理，包括涌浪静校正，带通滤波，频率域二维滤波等。如图6，去噪后的单一测线地震数据进行两个方向的合成孔径成像处理 - 沿测线方向（纵向）和沿水听器阵方向（横向），即可获得一条纵向二维地震反射波叠加数据体，如测线1。水平沿测线方向为一个维度；垂直的深度方向为另一维度。然后再用相同方式对所有测线进行处理，获得第三个维度-水平横向的数据信息。最后合并处理后的二维测线成三维数据体，并显示出地下探测目标的平面分布范围和三维形态。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种合成孔径式浅层地震剖面勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将多个水听器等间距排列组成水听器阵，将一个换能器和一组水听器阵采用拖曳式放置在航行物上，在浅海的勘探区域设计出多条测线，多条测线之间等间隔分布；
S2.地震数据采集：包括采集激发参数和接收参数，激发参数为换能器沿测线连续触发脉冲，接收参数为水听器阵接收的反射波；换能器触发的脉冲形成多个等间距的炮点，多个炮点轨迹形成炮线，水听器阵的方向与炮线的方向垂直正交，航行物沿着多条测线依次航行至完成整个勘探区域的地震数据采集；
S3.数据处理：所有测线数据进行去噪预处理，并对地震数据进行合成孔径成像处理，获得多个地震反射波叠加数据体，最后合成三维数据体并显示出地下探测目标的平面分布范围和三维形态。
2.根据权利要求1所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探方法，其特征在于，所述步骤S2中，换能器沿测线方向连续触发脉冲时，航行物的航速上不超过4节。
3.根据权利要求1所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探方法，其特征在于，所述步骤S2中，接收参数具体为一组水听器阵内每个水听器接收的反射射线信号。
4.根据权利要求1所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探方法，其特征在于，所述步骤S2中，炮线相对于测线的偏离范围在两个侧线间距长度的±1/2内。
5.根据权利要求1所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31.所有测线数据进行预处理，包括涌浪静校正、带通滤波、频率域二维滤波处理；
S32.对去噪后的单一测线地震数据进行两个方向的合成孔径成像处理，两个方向分别为沿测线方向和沿水听器阵方向，并获得一条测线的地震反射波叠加数据体；
S33.对所有测线执行步骤S32的处理步骤，获得第三个维度-水平横向的数据信息；
S34.合并处理后的二维测线成三维数据体，显示地下探测目标的平面分布范围和三维形态。
6.一种合成孔径式浅层地震剖面勘探系统，其特征在于，包括一个宽带调频的换能器和一组水听器阵，所述水听器阵内部设有多个水听器，多个水听器等间距分布，所述换能器和水听器阵拖曳式地连接在航行物上，在浅海的勘探区域设计出多条等间隔的测线，所述航行物在每条测线上航行，且所述换能器在测线上等间隔地激发地震波并产生入射射线，所述水听器阵接收反射射线地震波。
7.根据权利要求6所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探系统，其特征在于，所述水听器阵包括羽状的外壳，所述多个水听器设置在羽状外壳构成的内部腔体内。
8.根据权利要求7所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探系统，其特征在于，所述水听器阵分为多节水听器阵结构，每节水听器阵结构之间折叠连接。
9.根据权利要求6所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探系统，其特征在于，所述换能器和水听器阵上均装有超短基线定位系统。
10.根据权利要求6所述的合成孔径式浅层地震剖面勘探系统，其特征在于，所述换能器频率范围包含有低频和高频成分，所述换能器通过控制声学能量、振幅及相位特征产生一个脉冲。
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