CN115308800B - 一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法及处理终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法及处理终端，该方法包括：利用海底深度信息建立约束插值函数zr＝z(xr,yr)；其中，xr,yr,zr分别为海底地震仪的横坐标，纵坐标以及竖坐标；将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；建立目标函数并将目标函数转化为关于xr,yr,vrms三个变量的函数；求解目标函数Φ的最小化问题，从而求取海底地震仪的坐标值。本发明提出一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法，解决传统的海底地震仪的定位方法海底深度信息约束不够强，海底地形复杂时，求解的海底地震仪OBS仍然精度不够的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及海底地震仪定位的技术领域，具体涉及一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法及处理终端。
背景技术
海底地震仪OBS(Ocean Bottom Sei smometer)是一种放置于海底的地震数据采集系统，可用于记录天然地震事件和人工地震勘探，广泛应用于油气勘探、地球深部结构探测等领域。由于仪器位于海底，可以同时接收P波和S波信号，且环境噪音低，实现高信噪比、高分辨率和高精度的海底地震数据采集。
在海面将与沉耦架连接的沉浮式OBS按计划点位投放，由沉耦架的重力作用使有浮力的OBS在海水中自由下落至海底进行数据记录，待完成计划任务后进行回收，回收时在船舶上发送声学指令，OBS的水声换能器接收到声学释放指令，对熔断钢丝进行电化学熔断，OBS与沉耦架脱离，OBS即利用自身的浮力漂浮至海面进行回收。
一般情况下，OBS都是采用自由落体的方式投放到海底。由于海洋海浪和洋流的影响，OBS在沉到海底时的位置会与刚放入海水时的位置发生一定的偏差。在海底较深或海水流速较快时，会造成较大的OBS位置偏差从而严重影响后续地震数据处理结果以及地震剖面解释的质量和可靠性。因此，通过一定方法，在地震资料处理前，对OBS在海底的位置进行精确定位，是非常有必要的。
现有的OBS定位方法中，主要是利用海面不同炮点到海底OBS的直达波旅行时来确定OBS在海底的位置。理论上，至少需要不共线的三个炮点所对应的数据可以确定OBS坐标。然而，在实际处理中，用不同三个炮点组合计算的OBS坐标结果有所不同，即结果定位结果不唯一。这一方面是由于旅行时的拾取，炮点的位置，水速等会有误差，另一方面的原因是在于利用直达波旅行时求解OBS坐标时的约束较弱，在海底地形复杂时，存在多解性。更重要的是，在采集系统为近似二维的测线时，由于所有炮点都几乎共线，深度z与垂直测线方向y的偏移量很难区分，即可能出现三维空间中很多点都能较好拟合直达波走时的情况。在海底深度较大或洋流速度较快，导致y方向偏移量较大的情况下，OBS定位结果会出现很大误差，进而对后续的地震资料的精确处理造成重大影响。
在利用直达波的定位方法中，会加入海底深度信息作为约束，缓解上述问题，但该约束有时候并不够强，尤其是在采集系统近似直线，且海底地形复杂时，求解的海底地震仪OBS仍然精度不够。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提出一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法及处理终端，解决传统的海底地震仪的定位方法海底深度信息约束不够强，海底地形复杂时，求解的海底地震仪OBS仍然精度不够的技术问题。
为此，本发明的公开了一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法，所述方法包括：获取多个炮点的反射波的走时；
利用海底深度信息建立约束插值函数zr＝z(xr,yr)；其中，xr,yr,zr分别为海底地震仪的横坐标，纵坐标以及竖坐标；
在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；
建立目标函数并将目标函数转化为关于xr,yr,vrms三个变量的函数；其中，i为炮点的标号，为观测到的第i炮点的反射波的走时；为与计算预测的第i炮点的反射波的走时；
求解目标函数Φ的最小化问题以找到xr,yr,vrms的最优值，根据xr,yr以及所述约束插值函数求取海底地震仪的坐标值。
优选地，所述在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；包括：
假设炮点位于海面(xs,ys,zs),海底地震仪位于海底(xr,yr,zr),海底的反射点坐标为O(xo,yo,zo)；以水平面为镜面找到海底地震仪对称点R'(xr,yr,-zr)，则反射波的路径在走时上等价于路径SOR’；即反射波的走时为
在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标；
将海底的反射点的坐标用炮点坐标S(xs,ys,zs)，以及海底深度信息z(xr,yr)以及海底地震仪水平坐标(xr,yr)表示；
根据海底深度信息建立约束插值函数zr＝z(xr,yr)；将反射波走时tR转化为三个未知变量的函数，即tR＝t(xr,yr,vrms)。
优选地，所述目标函数转化为关于xr,yr,vrms三个变量的函数，包括：计算预测的第i炮点的反射波的走时
将代入得Φ＝Φ(xr,yr,vrms)；即目标函数Φ是一个关于xr,yr,vrms三个变量的函数。
优选地，所述求解目标函数Φ的最小化问题以找到xr,yr,vrms的最优值，根据xr,yr以及约束插值函数求取海底地震仪的坐标值包括：
设置迭代初始值(x0,y0,v0)，其中x0,y0为海面投放时海底地震仪的横坐标、纵坐标，v0为海水初始速度；
对目标函数Φ进行迭代求解，当目标函数Φ小于预设值或迭代次数到达预设值时则停止迭代；
计算各炮点数据中计算预测的反射波的走时与实际值的反射波的走时的吻合度，若吻合度小于预设值，则更改迭代初始值(x0,y0,v0)，并重复上述迭代求解步骤；若吻合度大于预设值，则根据此时求得的xr,yr,vrms获取海底地震仪的坐标值。
优选地，所述对目标函数Φ进行迭代求解，包括：
采用牛顿迭代法来求解该最优化问题，迭代公式为
[xr,yr,vrms](k+1)＝[xr,yr,vrms](k)-H-1J；
此处，k为迭代次数，H和J分别为目标函数的海森矩阵和雅克比矩阵：
其中
其中与项可由海底深度的约束插值函数zr＝z(xr,yr)来获得。
优选地，所述其中与项可由海底深度的约束插值函数zr＝z(xr,yr)来获得，包括：通过网格有限差分的方式来数值求解与即对于给定的横纵坐标(xr,yr)，
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种处理终端，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，所述处理终端执行时，实现上述的一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法。
本发明通过在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；求解目标函数Φ的最小化问题以找到xr,yr,vrms的最优值，根据xr,yr以及所述约束插值函数求取海底地震仪的坐标值。从而本发明所提出的OBS定位方法，利用了一次海面反射波走时，该走时在地震数据资料中信噪比高，易于拾取。相比于直达波，反射波路径更长，且与海底有两次接触，增加了求解OBS坐标过程中的约束条件，能够很大程度上解决用直达波走时求解OBS坐标时的多解问题，尤其是在海底地形复杂，且采集系统近似二维测线时。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，标示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法的流程图；
图2为本发明一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法的求解目标函数的流程图；
图3为本发明一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法的一次海面反射波示意图；
图4为本发明实施例2的处理终端的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一种该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明的公开了一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法，参考图1-3，该方法包括：
步骤100，获取多个炮点的反射波的走时；
具体的，一次反射波是指地震波从海面炮点激发往下传播，经海底反射向上，再经海面镜面反射向下传播被位于海底的OBS接收(如图1所示)。由于声波在水层中的传播速度变化不大，当入射角度接近垂直时，其传播路径的弯曲可被近似忽略，当做直线来处理。因此，对于近偏移距炮点激发的一次反射波，我们可以把传播路径看做三段折线。
步骤200，利用海底深度信息建立约束插值函数zr＝z(xr,yr)；其中，xr,yr,zr分别为海底地震仪的横坐标，纵坐标以及竖坐标；
具体地，由于海水的掩盖，海底地形起伏难以直接观察。船舰在航行途中运用了回声测深仪，能够快速地测出海底深度，结合精确定位，得以揭示海底地形真相。而在本实施例中，建立海底的深度信息，而海底的深度信息通常为通常为一个数据列表，通过此数据列表即可知道xr,yr,zr分别为海底地震仪的横坐标，纵坐标以及竖坐标三者之间的关系。
步骤300，在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；
步骤400，建立目标函数并将目标函数转化为关于xr,yr,vrms三个变量的函数；其中，i为炮点的标号，为观测到的第i炮点的反射波的走时；为与计算预测的第i炮点的反射波的走时；
步骤500，求解目标函数Φ的最小化问题以找到xr,yr,vrms的最优值，根据xr,yr以及所述约束插值函数求取海底地震仪的坐标值。
本发明通过在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；求解目标函数Φ的最小化问题以找到xr,yr,vrms的最优值，根据xr,yr以及所述约束插值函数求取海底地震仪的坐标值。从而本发明所提出的OBS定位方法，利用了一次海面反射波走时，该走时在地震数据资料中信噪比高，易于拾取。相比于直达波，反射波路径更长，且与海底有两次接触，增加了求解OBS坐标过程中的约束条件，能够很大程度上解决用直达波走时求解OBS坐标时的多解问题，尤其是在海底地形复杂，且采集系统近似二维测线时。
优选地，步骤200，在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；包括：
步骤210，假设炮点位于海面(xs,ys,zs),海底地震仪位于海底(xr,yr,zr),海底的反射点坐标为O(xo,yo,zo)；以水平面为镜面找到海底地震仪对称点R'(xr,yr,zr)，则反射波的路径在走时上等价于路径SOR’；即反射波的走时为
步骤220，在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标；
具体地，由于海底的复杂性，O点的位置不易通过解析式获得，我们利用费马最小时间原理来求解，即在预设集合范围内搜索走时tSO+tOR'的极小值，该极小值对应的O点位置为实际反射点。在本领域中，预设的O点的位置集合可以设置为一些不同的坐标点，通过不断求解这些坐标点所对应的tSO+tOR'的走时，从而筛选中走时最短的坐标点作为O点的坐标位置。
步骤230，将海底的反射点的坐标用炮点坐标S(xs,ys,zs)，以及海底深度信息z(xr,yr)以及海底地震仪水平坐标(xr,yr)表示；
步骤240，根据海底深度信息建立约束插值函数zr＝z(xr,yr)；将反射波走时tR转化为三个未知变量的函数，即tR＝t(xr,yr,vrms)。
具体地，在给定炮点坐标S(xs,ys,zs)以及海底深度信息时zr＝z(xr,yr)时，反射波走时tR只与OBS水平坐标(xr,yr)，海水均方根速度vrms以及O点的位置(xo,yo,zo)有关。而O点的位置又已经由炮点坐标S(xs,ys,zs)，以及海底深度信息z(xr,yr)以及OBS水平坐标(xr,yr)约束，则反射波走时tR只是三个未知变量的函数，即：tR＝t(xr,yr,vrms)。
优选地，目标函数转化为关于xr,yr,vrms三个变量的函数，包括：计算预测的第i炮点的反射波的走时
将代入得Φ＝Φ(xr,yr,vrms)；即目标函数Φ是一个关于xr,yr,vrms三个变量的函数。
具体地，构建目标函数其中，i为炮点的标号，与分别为观测到的与计算预测的第i炮地震信号的海面一次反射波走时。本方法中，我们将近偏移距的n炮数据一起输入算法计算。式(4)中，为常数，而为变量(xr,yr,vrms)的函数，因此，Φ也为(xr,yr,vrms)的函数，即Φ＝Φ(xr,yr,vrms)；理论上，当这三个变量取到最优解时，与应无限接近，即Φ接近0。因此，我们可以通过求解Φ的最小化问题来找到xr,yr,vrms的最优值。
优选地，步骤500，求解目标函数Φ的最小化问题以找到xr,yr,vrms的最优值，根据xr,yr以及约束插值函数求取海底地震仪的坐标值包括：
步骤510，设置迭代初始值(x0,y0,v0)，其中x0,y0为海面投放时海底地震仪的横坐标、纵坐标，v0为海水初始速度；
具体地，海底地震仪从海面沉放，自由落体至海底，由于投放位置和落地位置相对比较接近，可用其作为所求位置的初始值；初始时，v0可以选1500m/s。
步骤520，对目标函数Φ进行迭代求解，当目标函数Φ小于预设值或迭代次数到达预设值时则停止迭代；
步骤530，计算各炮点数据中计算预测的反射波的走时与实际值的反射波的走时的吻合度，若吻合度小于预设值，则更改迭代初始值(x0,y0,v0)，并重复上述迭代求解步骤；若吻合度大于预设值，则根据此时求得的xr,yr,vrms获取海底地震仪的坐标值。
具体地，目标函数Φ是一个关于xr,yr,vrms三个变量的函数。理论上，当这三个变量取到最优解时，与应相等，即Φ等于0。因此，我们可以通过求解Φ的最小化问题来找到xr,yr,vrms的最优值。而吻合度的具体值可以根据实际情况进行选择。
优选地，对目标函数Φ进行迭代求解，包括：
采用牛顿迭代法来求解该最优化问题，迭代公式为
[xr,yr,vrms](k+1)＝[xr,yr,vrms](k)-H-1J；
此处，k为迭代次数，H和J分别为目标函数的海森矩阵和雅克比矩阵：
其中
其中与项可由海底深度的约束插值函数zr＝z(xr,yr)来获得。
该方法运用牛顿迭代法求解最优化问题，同时拟合所有炮点的走时，相比于三点法，搜索法等方法，高效稳定，计算量小，且运行流程简洁直观，可以批量处理、满足地震资料批量处理的要求。
优选地，由于海底的深度信息通常为一个数据列表，并非一个简单的解析表达式，我们通过网格有限差分的方式来数值求解与其中与项可由海底深度的约束插值函数zr＝z(xr,yr)来获得，包括：通过网格有限差分的方式来数值求解与即对于给定的横纵坐标(xr,yr)，
实施例2
本实施例提供了一种处理终端601，包括处理器602以及用于存储处理器602可执行程序的存储器603，处理器602执行存储器603存储的程序时，处理终端601实现上述实施例1的利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法，如下：步骤100，获取多个炮点的反射波的走时；
步骤200，利用海底深度信息建立约束插值函数zr＝z(xr,yr)；其中，xr,yr,zr分别为海底地震仪的横坐标，纵坐标以及竖坐标；
步骤300，在预设集合范围内搜索反射波的走时的的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数；
步骤400，建立目标函数并将目标函数转化为关于xr,yr,vrms三个变量的函数；其中，i为炮点的标号，为观测到的第i炮点的反射波的走时；为与计算预测的第i炮点的反射波的走时；
步骤500，求解目标函数Φ的最小化问题以找到xr,yr,vrms的最优值，根据xr,yr以及所述约束插值函数求取海底地震仪的坐标值。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取多个炮点的反射波的走时；
利用海底深度信息建立约束插值函数 ；
其中，分别为海底地震仪的横坐标，纵坐标以及竖坐标；
在预设集合范围内搜索反射波的走时的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标，并将所述反射波的走时转化为关于海底地震仪的横坐标、纵坐标以及海水均方根速度的函数：
假设炮点位于海面, 海底地震仪位于海底,海底的反射点坐标为；以水平面为镜面找到海底地震仪对称点，则反射波的路径在走时上等价于路径 SOR’；
即反射波的走时为：
；
在预设集合范围内搜索反射波的走时的极小值，所述极小值对应的海底的反射点坐标为实际反射点坐标；
将海底的反射点的坐标用炮点坐标，以及海底深度信息以及海底地震仪水平坐标表示；
根据海底深度信息建立约束插值函数；
将反射波走时转化为三个未知变量的函数，即；
所述将反射波走时转化为三个未知变量的函数，包括计算预测的第i炮点的反射波的走时：
将带入得，即目标函数Φ是一个关于三个变量的函数；
求解目标函数Φ的最小化问题以找到的最优值，根据以及约束插值函数求取海底地震仪的坐标值包括：
设置迭代初始值，其中为海面投放时海底地震仪的横坐标、纵坐标，为海水初始速度；
对目标函数Φ进行迭代求解，当目标函数Φ小于预设值或迭代次数到达预设值时则停止迭代；
计算各炮点数据中计算预测的反射波的走时与实际值的反射波的走时的吻合度，若吻合度小于预设值，则更改迭代初始值，并重复上述迭代求解步骤；若吻合度大于预设值，则根据此时求得的获取海底地震仪的坐标值。
2.根据权利要求 1 所述的一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法，其特征在于，所述对目标函数Φ进行迭代求解，包括：
采用牛顿迭代法来求解最优化问题，迭代公式为：
；
此处，k 为迭代次数，H 和J 分别为目标函数的海森矩阵和雅克比矩阵：
；
；
；
；
。
3.根据权利要求 2 所述的一种利用海底反射波走时和地形数据定位海底地震仪的方法，其特征在于，其中与可由海底深度的约束插值函数来获得，包括：通过网格有限差分的方式来数值求解与；
即对于给定的横纵坐标：
；
。
4.一种处理终端，其特征在于，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，所述处理终端执行如权利要求1至3中任一项所述的方法。
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