CN1205084A - 源分离的高保真度震动源地震探矿法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在产生地震勘测结果中分离大地响应对多个震动器(V_a-V_d)中各震动器到地震检波器(G₁－G₅)震动能量的影响的方法。根据公开的方法,除在多次频率扫描上同时进行折射和反射震动的地震检波器测量外,还进行了源产生的实际震动的测量。采用离散傅里叶变换的方法,首先将源(V_a－V_d)和地震检波器(G₁－G₅)的震动变换为频域表示。然后,产生每个频率的记录频域源震动的逆矩阵。当扫描的次数与震动器(V_a－V_d)数目相等时,逆矩阵仅仅是源测量结果的乘法反演;如果扫描的次数大于震动器(V_a－V_d)数目,逆矩阵是原始矩阵的广义反演。将频率的逆矩阵应用到该频率的记录地震检波器震动,可导出勘测中每条震动器－地震检波器路径的大地响应的传递函数(ha－hd)。可以用加权因子减低扫描特性差的影响,加权因子可以基于逆矩阵的最大与最小本征值之比。利用导出的传递函数(ha－hd),通过在频率上把最小相位滤波器用于分离的震动器－地震检波器传递函数,可导出大地反射率函数。

Description

源分离的高保真度震动源地震探矿法

根据美国法典第35编第120条，本申请要求1995年9月29日提交的题目为“地震震动信号源分离的方法和装置”的第08／556302号未审定申请的优先权。本申请还与1995年5月5日提交的第08／435940号未审定申请，现在为第5550786号美国专利有关。

本发明涉及地质勘探领域，尤其涉及地震勘测中记录的震动信号的分析。

众所周知，在石油和天然气勘探领域中，常常对大地进行地震勘测，以确定勘测区下面是否可能有石油储油层。在通常意义上，传统的地震勘测是在大地一处或多处产生已知的声能或震动能，在离开能量产生位置的地方检测这一能量。所产生的能量从源位置传播到在大地中，并被地下的地层所折射以及被地层之间的界面所反射。测量能量从源传播到接收器所需的时间可以指示能量传播路径的长度，由此可导出各地质形成的深度。

人们还熟知，通常可以采用不同类型的震动源能量和震动源设备。一种重要的陆上地震勘测法采用地震震动器源。在这种勘测中，将多个震动器放在勘测区中所需的位置上，同时对大地施加强震动。通常，震动器为一辆其底板与大地接触的大型卡车或其它车辆。每个震动器中液压起重器与重型(例如，两吨量级)的反作用质量块一起工作，产生的震动通过底板进入到大地中，由与震动器阵列相隔一定距离的地震检波器阵列进行检测。1991年3月19日颁发的第5000285号美国专利描述了传统的安装在卡车上的地震震动器的一个例子，该专利已转让给大西洋里奇菲尔德公司，这里引作参考。这种测量在大地中产生的震动能量通常是变频的，以便能够确定从源到检测器的传播时间，这也是众所周知的。通常，在下限(如5Hz)与上限(如150Hz)之间，或是采用固定幅度或是采用与频率有关的幅度“包络”，震动随时间线性变化。根据这种变频的产生能量的每一序列通常被称为“扫描”或是“线性调频脉冲”。

地震勘测是费时的任务，所花费的时间主要与产生和记录震动能量所需的时间直接有关，这也是众所周知的。照此，许多的现代震动地震勘测是这样进行的，从多个源位置同时向大地施加能量，以致每一个地震检波器将检测来自多个源的被折射和反射的能量复合。然后在位于勘测区中的记录站，在时间窗口上记录下检测到的复合能量，提供每个地震检波器位置的扫描的地震记录。在这种同时激励多个源的勘测中，对地震检波器的地震记录的处理必须把检测到的能量从多个源中的每个源分离出来，以便提供有关能量经地下路径从每个源到地震检波器的信息。

根据复合记录能够轻易地确定多个源中每个源的贡献，用这种方法，通过对源能量进行编码通常有助于根据源的复合记录的分离。这种编码的一个例子被称作0°-180°编码，在第4159463号美国专利中对此作了描述。在这个例子中，两次同时激励两个震动源，在大地中产生两次震动扫描。在第二次扫描中，两个源中每个源的能量与第一次扫描中相等，不同的是第一个源的能量的相位相对第一次扫描相差180°。将两次扫描的两个记录相加将隔离第二个源的贡献(180°的相位差消除第一个源的贡献)；两个记录相加前让记录中的一个记录相移180°，那么将隔离第一个源的贡献。第4715020号美国专利描述了一种更通用的对两个以上的多个震动源进行相位编码的方法，根据这种方法，再次扫描的次数等于同时激励的震动器的数目。

根据另一种已知的相位编码方案，选择给定扫描中每个源的相移，以致通过对多次扫描记录的相移和求和可以隔离每个源的贡献。根据这个例子，下表列出在1至4次扫描中四个震动A、B、C、D的相移(这种相移以度表示，相对第一次扫描中震动器A的相位而言)：

震动器A  　     B 　       C     　   D扫描1        0      　90         90         180扫描2       90         0        180          90扫描3       90       180          0          90扫描4      180        90         90           0

根据这种方法，通过使扫描2的记录相移-90°、扫描3的记录相移-90°、扫描4的记录相移180°，以及将四条记录加在一起，可隔离震动器A的贡献；在这种情况下，经求和的记录是震动器A记录的四倍，所有其它贡献相互抵消。同样，为了分辨震动器B，在求和前，使扫描1和4的记录相移-90°，扫描3的记录相移180°。通过相移与相加的组合，从而隔离四个震动源中每个源的贡献，同样可确定其它源的贡献。

作为进一步的背景，第4545039号美国专利描述了一种利用震动脉冲的伪随机选择的震动地震勘测技术。根据这种方法，由每个震动器产生不同的非相关的扫描，对每条记录进行多次相关(对应每个震动器／编码采用一次)，在这之后，将对应于每个震动器的分离的记录叠加起来，以分离每个源对记录的贡献。

根据这些技术中的每种技术，通过确定地震记录中出现源震动的时间，可确认从源到地震检波器的传播时间。这种确定可通过检查地震记录，识别其中频率-变量的源震动的贡献来进行。这种识别可以通过时域中源震动波形与地震检波器检测到震动(分离之后)的互相关以自动方式来进行。相关图的幅度最大值(源和接收器震动的最大相关度的指示)出现在对应于震动传播时间的相关时间滞后处。在对源震动和检测震动进行傅里叶变换运算后，在频域中也能够进行这种相关。在频域中，将源频谱的复共轭乘以检测震动的频域表示，这个乘积的逆变换产生时域的相关输出。

作为进一步的背景，第3332511号美国专利描述了一种获得震动地震勘测的方法和系统，这里，通过测量震动器附近的大地位置上产生的源震动获得相关运算中使用的源信号。然而，将源能量与检测到地震记录进行相关的传统技术通常采用源能量波形(即“导频”信号)的理想表示作为相关算子，而不是利用相关中震动器实际产生的震动的测量结果。这是因为实际震动通常富含谐波，在相关结果主瓣的两侧产生旁瓣假信号；这些旁瓣的假信号使相关结果大大模糊，因而对勘测准确度产生不利影响。于是，阻碍了在现有技术中采用实际震动器测量作为震动地震勘测中的相关算子。

除了上述的谐波以外还观测到，实际的源能量波形被产生震动的液压机械系统中的非线性度、被震动系统通过震动系统底板弯曲与大地耦合的非线性度、以及被其它非线性因素而畸变，偏离理想的输入波形。源能量相对导频信号的这些畸变在实际传递到大地中时极大地增加了用传统相关技术精确确定能量从源到接收器的过渡时间的难度。有些非线性度的频率依变性使检测到的地震记录与导频波形之间的相关性在一些频率上更差，进一步增加了这一难度。考虑到检测到的每条地震记录还包含来自所关心的源以外的其它源的能量，在同时激励多个源的震动地震勘测中，这种相关结果的不精确度尤其会带来麻烦。

作为进一步的背景，现已观察到，在地震勘测中，震动源的激励常常是不重复的。例如，多个震动源中的一个在给定的扫描期间可以不激励，或者激励中伴有大量噪声。如果在扫描时间在现场中检测到，这种失败会需要重新进行一次扫描；然而，如果在勘测期间在现场中未检测到，那么这种情况会损害该扫描的地震记录，相应地降低勘测中所获得的数据量。

即使在根据这些传统技术进行相对多个源的相关，勘测的分辨率通常被限于把多个震动源当作单个源来对待。照此，空间分辨率通常是相当粗的，不能提供地下地质的高分辨率描述。

作为进一步的背景，1987年2月24日颁发的第4646274号美国专利，现已转让给大西洋里奇菲尔德公司，描述了在研制相位畸变校正用的逆滤波器中采用震动地震动源产生的地面力的实际测量结果。

本发明的目的是提供一种计及非线性和与频率有关效应的分析震动地震记录的改进方法。

本发明的进一步目的是提供一种能够计及其中一个震动源已经失败或是噪声的扫描的方法。

本发明的进一步目的是提供一种能够对包含多个同时激发震动源引起的谐波效应的震动地震记录进行处理的方法。

本发明的进一步目的是提供一种能够提高勘测分辨率以致对震动源分别进行处理，而不是将分辨率限于震动源阵列的方法。

对本领域专业人员而言，参看以下说明并结合附图，本发明的其它目的和优点是显而易见的。

本发明可以被引入到同时激励多个震动源进行震动地震勘测的方法和系统中。根据源和扫描当中所选的编码方案，利用多个源进行多次扫描。在震动器以及与其隔开一段距离的位置上同时测量源震动被地质结构和界面反射和折射后的震动。对应每一次扫描，每个地震检波器产生一个记录，该记录是源震动被每个源与地震检波器之间路径反射和折射的复合。本发明根据震动器上实际测得的源震动，在每一个感兴趣的频率下，通过产生一个逆矩阵算符，在频域中对地震记录进行分析。在该频率下将逆矩阵算符用于每一个记录，产生该频率下每条源-地震检波器路径的传递函数；然后，对于记录中的每一个感兴趣频率重复这一过程。本方法产生每个震动源的每个地震检波器位置的传递函数，将每个源的能量路径与阵列中的其它源相分离。该传递函数代表在源-地震检波器路径上大地对源震动的响应。本方法便于计及理想源波形与实际源震动之间的非线性和谐波畸变，并能够计及扫描中一个震动器是噪声或缺少一个震动器的扫描。根据本发明的另一个实施例，在每次扫描中切断一个源，以方便分离。根据本发明的又一个实施例，可以采用对扫描动作的测量来降低或消除勘测中动作差扫描的贡献。根据本发明的再一个实施例，进行多于震动器数目的多次扫描，在确定大地对源震动的响应中以提供更健全的解决办法。

根据本发明的另一方面，通过将被分离记录震动的矩阵表示除以在特定震动器上测得的信号的矩阵表示，进行分离检测记录的相关。然后应用最小相位滤波器产生沿指定震动器-检测器路径上大地反射率的表示。

图1是依照本发明较佳实施例在大地上进行震动地震勘测的大地截面的示意图。

图2是依照本发明较佳实施例用于执行本方法的计算机系统的示意图。

图3是表明依照本发明较佳实施例进行震动地震勘测的方法的流程图。

图4是说明依照本发明第一替代实施例，在图1所示的勘测中分离多个震动器中每一个与地震检波器中每一个之间的每条路径的大地响应的方法的流程图。

图5是说明依照本发明第二替代实施例在图1所示的勘测中分离多个震动器中每一个与地震检波器中每一个之间的每条路径的大地响应的方法的流程图。

图6a和6b是说明根据本发明较佳实施例从分离过程结果产生地震勘测的另外两种方法的流程图。

图7a和7b分别是根据传统相位分离技术和根据本发明较佳实施例产生的一示范勘测的地震轨迹。

图8是说明根据本发明另一实施例从分离过程结果中产生地震勘测的方法的流程图。

图9是根据图8中所示的本发明实施例说明本方法所使用的逆过程的详细流程图。

图10是说明根据本发明的较佳实施例，在分离过程前进行的将记录数据变换到频域的另一替代方法的详细流程图。

首先参考图1，图中示出依照本发明的较佳实例正在进行两维(2-D)震动地震勘测的大地截面。以下的描述将针对大地的陆上勘测，当然应当明白，本发明也可用于海中地震勘测。

在图1所示的示范勘测中，将四个震动器V_A至V_D放在大地表明S。震动器V是一般的震动源，如安装在卡车上的这种震动器。传统震动器V的例子有1991年3月19日颁发的第5000285号美国专利中所描述的，该专利已转让给大西洋里奇菲尔德公司，这里引作参考；另一方面可以采用其它的震动地震勘测性能传统震动器。此外，也可以采用以编码方式产生地震能量的其它类型的致动器代替震动器V。在这个示范勘测中，震动器V_A至V_D相互靠近，但是隔开一段短距离。相邻震动器V之间的距离根据勘测设计而定，但是通常在40英尺的量级上。此外，在图1所示的两维示范勘测中，示出的震动器V_A至V_D是相互共线的。为了三维测量，震动器V可以按照非共线方式放在勘测区中。此外，无论是两维勘测还是三维勘测，对于图1所示位置中的震动器V进行所需次数的扫描后，将震动器V移动到勘测区的不同位置，以同样的方式激励。

在本发明的这个实施例中，敏感器5与每个震动器V以及震动分离系统10相连接；敏感器5检测震动器V的运动或力，给震动分离系统10产生一个对应于其有关的震动器V传给大地的实际源能量的信号。每个敏感器5可以是一个安装在震动器V反作用质量块或底板上或是直接与大地表面邻接的加速度计、测量震动器V激发腔体中压差的传感器、附着在震动器V底板上的负载单元、或是测量震动器V实际输出的其它传统传感器。由敏感器5进行的测量通常是实际震动的最小相位相对值，因此代表了由有关震动器V传给大地的实际源震动。

还是如图1的勘测所示，在与震动器V间隔一定距离的勘测区中，在大地表面S上设置地震检波器G₁至G₅。地震检波器G具有传统的结构，与传统震动地震勘测中通常采用的一样；另一方面，当然根据具体的勘测位置(陆上或海上)和能量类型，可以采用其它的传统检测器代替地震检波器G。此外，在震动地震勘测中，通常采用5个以上的多个地震检波器G；为简便起见，图1中仅仅示出5个地震检波器G。另外，图中示出的这5个地震检波器G相互共线，地震检波器G也可以按照非共线的排列结构而排列，或者根据勘测设计和所需结果，地震检波器G按照行列阵列的形式排列。地震检波器G直接的间隔可以很小，如在15至40英尺的量级。震动器V与地震检波器G组之间的距离根据具体勘测情况以及震动器V通过勘测区的滚降而改变。确实，在某些地震检波器G以阵列排列的勘测中，在勘测中震动器V实际上可以几次位于地震检波器阵列的区域中。

正如图1所示，震动能量从每个震动器V传播到在勘测区中的地震检波器G。每个地震检波器G实际接收到的震动由于受到与震动器V与地震检波器G之间震动路径地质特性相对应的传递函数h的影响，将依赖于每个震动器V给出的输入震动信号。通过震动能量被地质结构的折射和反射将可确定这一传递函数h。以地震检波器G₁为例，如图1所示，各个传递函数h_A至h_D是由大地给出的，对应于一端为震动器V_A至V_D、另一端为地震检波器G₁的四条不同路径。因此，传递函数h_A对应于震动器V₁与地震检波器G₁之间路径上的大地响应，它包括大地上层(如层2)中的折射效应和地下各层之间界面(如2、4层之间的界面I)的反射效应。大地的这两种物理效应引起地震检波器G₁接收到的震动能量延迟以及与震动器V_A传给大地的震动能量有所改变。因此，传递函数h_A对应于当与源震动波形卷积时(在时域中)或者当与源震动频谱相乘时(在频域中)产生地震检波器G₁记录信号的函数，正如本领域众所周知的。

除了大地根据源震动产生的这些反射和折射效应以外，传递函数h还包括检测点(即敏感器5置于特定震动器V上的位置)与大地表面之间存在的相应震动V的动力学效应。例如，如果敏感器5作为测量震动器V_A激发腔体中差压的传感器，传递函数h_A还将包括通过监测差压测量源震动中不准确度的效应。由于这些动力学通常是最小相位效应，然而，如下所述，在接下来的滤波和处理中能够轻易地去除这些不准确性。

正如将要详细描述的，在震动勘测中利用同时进行多次扫描提供勘测所需时间的缩短，但是，对于进行的每一次扫描，导致每个地震检波器G记录一条根据每个震动器V提供震动能量的复合地震记录。地震检波器G记录的地震记录被存入震动分离系统10，由其进行分析。

现在参考图2，根据本发明的较佳实施例，用于分析震动器V和地震检波器G所记录地震震动的震动分离系统10，从每个地震检波器G中分离出每个震动器V对记录的地震信号的贡献。如图2所示，本发明较佳实施例的系统包括震动分离系统计算机24。系统计算机24可以用任何普通个人计算机或工作站来实现，较佳地采用基于UNIX的工作站，如Sun Microsystems公司提供的SPARC工作站，或是以独立方式或是作为网络配置的一部分来实现。根据本发明的较佳实施例，系统计算机24主要在图形显示器27上或是另外通过打印机28给出输出；进一步在另外实施例中，系统计算机24可以将以下所述的分析结果存在磁盘存储器29中，供以后使用和进一步分析。给系统计算机24设置键盘26和点操作装置(例如，鼠标器、跟踪球等)25，以便能够进行交互操作。系统计算机24能够与磁盘存储装置，包括网络上的外部硬盘存储器和软磁盘驱动器进行通讯。正如图2所示，震动分离系统10既可以位于远离勘测区的数据中心，另一方面(较佳地)也可以位于勘测现场，提供对勘测结果的实时分析。

如图2所示，设置记录单元21、23，记录勘测的震动信号。在这个例子中，记录单元21接收震动器V上加速度计的时域电信号，而记录单元23接收地震检波器G的时域电信号。记录单元21、23与磁盘存储器30(如果需要，或者通过系统计算机)通讯，将震动器V和地震检波器G的电信号转变为数字数据，存储在磁盘存储器30上。照此，记录单元21、23具有本领域人员熟知的普通结构。在本发明的这个实施例中，系统计算机24能够从一个或多个磁盘存储装置30中对代表检测到震动的存储数据进行检索。虽然图2示出磁盘存储器30直接与系统计算机24连接，也可以设想，磁盘存储装置30可以通过局域网或是通过遥控进行存取。此外，虽然磁盘存储装置29、30是作为分别的装置示出的，当然在适当的时候也可采用单个的磁盘存储装置来存储任何的和所有的测量数据。

现在参考图3并结合图1和2，将详细描述根据本发明较佳实施例进行震动地震勘测和分析其结果的方法。图3的方法将针对图1所示的震动器V和地震检波器G单一布局而描述，当然将会明白，对于整个勘测区上的震动器V和地震检波器G的多种布局通常可以重复应用和执行图3所述的方法。照此，图3所示方法中数据处理部分既可以实时(即在进行下一位置的勘测前对每个布局的信息进行处理)进行也可以在完成整个勘测区的数据获取后接下来进行批处理操作。

根据本发明的较佳实施例，过程32通过同时激励震动器V进行第一次扫描而开始勘测，在这一步中，每个震动器V使大地在一段频率范围下震动。根据所需勘测类型，可以由任何已知技术确定震动器V扫描的特定频率。典型地，频率上扫描或下扫描将产生震动波形V(t)，在线性情况下为： $V\left(t\right)=A\left(t\right)\sin \left(2\mathrm{\π}\right(\frac{{\mathrm{SRt}}^2}{2}+f_{0}t)+\mathrm{\φ})$ 式中：SR是从起始频率开始频率随时间的扫描率(正的SR为上扫描，负的SR为下扫描)；A(t)是震动的幅度包络函数(通常为常量)。相位角φ对应于上述的分离特定几个震动器V震动贡献的震动相位编码。当然，在进行勘测中也可以采用非线性扫描(即源震动的频率随时间变化不是线性的)。另一方面，可以采用伪随机频率扫描(即每个震动器V震动的瞬时频率以伪随机方式变化)，对于共振会引起附近结构破坏的都市和郊区区域的勘测尤其如此。

因此，过程32以传统方式按照所需方法激励震动器V扫描。在过程34中，由勘测中震动器V的敏感器5还有每个地震检波器G二者在时域中记录震动。记录单元21、23在适当的时候(或是在下一次扫描前或是在完成所有扫描后)将记录的震动信号传送到震动分离系统10中的磁盘存储器30，完成过程34。正如本领域众所周知，存储的震动信号将是时域中敏感器5和地震检波器G接收的模拟震动的一系列数字取样值。

然后进行决断35，确定勘测中在震动器V对地震检波器G的特定位置上是否要进行附加扫描，在这种情况下，在过程36中以传统方式调节下一次扫描的扫描编码。然后，对于其余扫描重复过程32、34。根据本发明的第一实施例，进行扫描的次数(即经过过程32、34的次数)等于勘测中震动器V的数目。对于图1的例子而言，这里采用四个震动器V_A至V_D，进行四次扫描。

完成所需次数的扫描，震动分离系统10，具体是指系统计算机24在过程38中根据震动器V记录的信号以及地震检波器G记录的信号，对记录的震动信号进行傅里叶变换，将存储的时域表示变换为频域的数字表示。过程38中采用的傅里叶变换技术是传统技术，通常称为离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)。然后把过程38的结果存入震动分离系统10的存储器，或是在系统计算机24的随机存取存储器中或是在磁盘存储器30中。

在一定的情况下，根据扫描编码，也可以对信号数据进行压缩，以便于进一步处理。现在参考图10，过程38’不仅将记录的信号变换到频域而且还对信号数据进行压缩，现在将说明这种压缩。过程38’是过程38的另一个实施例，在对多次扫描进行相互相位编码的情况中，它是特别有用的。

过程38’从过程138由系统计算机24从存储器中检索震动器V的导频信号开始；由于在这种情况中对扫描进行相位编码，对于一次次扫描，除了相移外，加到震动器V上的导频信号是互相相同的。然后，对于单个记录信号R_i进行过程140，该信号或是一个地震检波器G记录的信号或是一个震动器V上敏感器5监测的信号，将记录信号R_i与过程138中检索到的导频信号进行相关。根据传统技术进行过程140相关。然后在过程142中用系统计算机24框出所需“监听”时间内的这些相关结果，以便可以放弃关心范围以外时间的数据。然后，在过程144中，系统计算机24对框出的记录信号R_i的相关结果进行DFT或FFT，将这些相关结果变换到频域中。决断145确定是否继续对附加记录信号R_i进行处理(包括地震检波器G记录的信号以及震动器V上敏感器5记录的这些信号二者)；如果是，增加指数i并控制返回到相关过程140。完成过程144对每条记录信号R_i的相关和框出结果的FFT后，完成过程38’。

于是，根据以下所述的方法，任选过程38’能够大大地降低系统计算机24处理的数据量。过程38’的结果是导频信号和测量记录之间相关性的FFT，仅限于关心的时间窗口。此外，在过程之前进行这个压缩，因此，大大地提高了这里所述分离方法的效率。

本领域的专业人员将会看到，任选过程38’可以根据系统计算机24的配置以及扫描编码的类型以不同的方法对信号数据进行变换和压缩。例如，可以在频域中而不是在时域中进行过程140、142的相关和框出，在这种情况下，可以在完成过程144后进行过程140、142。对于本领域的专业人员而言从这一描述中显然易见，也可以进行其它类型的传统处理。

根据本发明的较佳实施例，在过程40中，根据过程38中产生的记录震动的频域表示，进行震动器V到地震检波器G每条路径的大地响应的分离。这个分离既利用地震检波器G的记录震动又利用震动器V检测的震动；这与包括相位编码分离的传统分离技术不同，它们是根据导频信号(即输入震动的理想表示)分离的。这使得本发明能够更准确地确定大地对震动的响应，在分离过程中计及了寄生噪声、非线性、耦合不完善、底板弯曲以及有关各个震动器的工作问题。此外，根据本发明较佳实施例的分离方法逐个频率地而不是象传统分离技术那样以与频率无关的方式确定每条路径上的大地响应。结果，本发明在分离过程中能够处理与频率有关的效应，包括谐波耦合以及其它动作。

现在参考图4并结合图1，对于多个震动器V与一个地震检波器G之间的多个大地响应路径，进一步详细描述分离过程40；当然应当明白，对于勘测区中的每个地震检波器G，也可以进行这一过程。如图1所示，每一个震动器V_A至V_D产生震动，通过各条物理路径传给地震检波器G₁。每条路径对应于一个响应，或传递函数h_A至h_D分别对应于地震检波器G₁与震动器V_A至V_D之间的路径。不管采用的震动扫描类型，传递函数h当然表示大地对震动能量响应的贡献，包括反射和折射，因此在产生区域地震勘测以及确定地下界面位置和各种地质形成中是有用信息。

对于四个源V_A至V_D的四次一组震动扫描，可以考虑把地震检波器G₁记录的频域表示作为DFT中每个频率的一个方程式系，表示为： 式中R_n是第n次扫描地震检波器G在规定频率下记录的复合频域表示系数，A_n是第n次扫描震动器V_A测量的在规定频率下的源震动系数，B_n是第n次扫描震动器V_B测量的在规定频率下的源震动系数，以此类推。当然，在这个系中每个系数是复数。由于对于每一次扫描，在过程34中已经记录了震动器V上震动，对于每一次扫描已经获得地震检波器G₁上地震记录，因此它们是已知的，上述系具有四个未知数的四个方程式，由此可以确定规定频率的传递函数h_A至h_D的解。

可以用矩阵形式将上述的系表示为：

通过确定含有源震动表示A_n、B_n、C_n、D_n的矩阵[S]的逆矩阵，可以求出规定频率下的传递函数h的解：

以下的描述将源震动表示的逆矩阵称为[S^-1]。

如上所述，在扫描中通常利用相位编码。在这种情况下，每个源震动表示A_n、B_n、C_n、D_n为复数。以上述的传统相位编码为例，理想的输入波形(即扫描的波形是严格地由震动器V产生的)将具有下表所给出的相位关系(以度表示)：

震动器A             B             C            D扫描1        0             90            90          180扫描2       90              0           180           90扫描3       90            180             0           90扫描4      180             90            90            0

在这种理想情况下，矩阵[S]由下式表示，式中i是虚数指示(即-1的平方根，对应于90°相移)：

它的逆矩阵[S^-1]由下式表示：

然而，已经观察到，由一般的震动器传给大地的实际震动能量略微偏离理想的输入波形。这是由于震动器V工作中的非线性使所需波形从控制信号到实际震动的不良转换、震动器V与大地的不良耦合、底板弯曲以及震动器V中的声耦合造成的。此外，已经观察到，传统的震动器V在一次次扫描中其输出不是完全重复的。当采用理想波形的相位矩阵时，这些效应中每一种都会把误差引入到分离和分析过程中。

于是，如上所述，根据本发明的这个实施例，过程40中采用的矩阵[S]及其逆矩阵[S^-1]是基于震动器V的实际震动测量结果，例如用图1中敏感器(加速度计)5以及可用于测量震动器V实际工作的这类其它传统传感器获得的。此外，由于许多畸变效应(尤其是谐波效应)与震动的频率有关，依照本发明较佳实施例的方法，利用在震动器V和地震检波器G二者上测得的复数频域系数，分别根据范围内的离散频率进行工作。

参考图4，照此分离过程40从过程42开始，在过程42中，确定第一频率f_K下的逆复数矩阵[S^-1]。系统计算机24通过从存储器检索震动器V在频率f_K下的频域震动测量结果的幅度和相位，确定这个频率f_K下的逆矩阵，接着利用传统的数值分析技术确定原始矩阵[S]的行列式和余因子，产生逆矩阵[S^-1]的系数。从以下，逆矩阵[S^-1]是基于过程32中震动器V在产生震动能量中的实际动作。

例如，如果在第一次扫描中震动器V_A完全未能工作，如果震动器V_D在第四次扫描中具有相位和幅度误差，对于给定的频率f_K，对于上述相位编码的四次一组扫描，矩阵[S]将以下式出现：

对于这个例子，在过程42中确定的频率f_K的逆矩阵[S^-1]将产生下式：

如上所注明的以及如下将要说明的，可以利用逆矩阵[S^-1]方便地确定频率f_K下震动器V_A至V_D到地震检波器G₁的每条路径的大地响应。

根据本发明的较佳实施例，接着进行过程45，从过程42建立逆矩阵[S^-1]的质量值。对于这里所述的分离过程30而言，过程45是任选的，相信对分辨这样的频率是有用的，即在这些频率下，解是如此不稳定以致对这里所述的频域处理打折扣。例如，在扫描范围以外的频率上，频率响应是乎是不可靠的，因为在这些频率上谐波效应是很严重的。在这里所述的过程45的例子中，确定质量值，作为频率f_K下传递或响应函数的结果能够与之相乘的加权因子(动作好的操作接收最大加权因子1)。另一方面，可以用质量因子导出施加到分离最终结果的滤波器，或作为现场质量控制测量，以致如果质量值太低，可以重新进行一次或多次扫描。

如图4所示，通过计算频率f_K下的矩阵[S]的本征值λ，也称为特征值，过程44起动过程45。正如本领域人员所熟知的，根据本发明的这一实施例，复数矩阵，如矩阵[S]的本征值本身就是复数。已经观察到，对于矩阵[S]特性差的这些情况，即当矩阵[S]的本征值λ中的一个或多个很小时的情况，大地响应函数h的确定是不可靠的。因此，根据本发明这个实施例，决断43是确定质量值QV，该值与矩阵[S]本征值的大小有关，尤其与最小本征值的大小有关。例如，质量值QV可以定义为下式： $\mathrm{QV}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{{\mathrm{\λ}}_{\min }}$ 式中：λ_max和λ_min是矩阵[S]的本征值集的最大和最小绝对值；在这个例子中，质量值QV相当于矩阵[S]的条件数。于是，当矩阵[S]特性差时，QV高。当然，另一方面，可以采用质量值QV的另一种定义来测量解的稳定性和准确度；例如，质量值QV可以对应于矩阵[S]条件数的函数或本征值的另一个函数。因此，根据本发明的较佳实施例，决断43通过将质量值QV与极限进行比较确定对于频率f_K而言矩阵[S]是否特性很差。如果QV超过极限，那么在过程46a中产生矩阵[S]在频率f_K下的缩小加权因子；例如，加权因子可以是质量值QV的倒数。另一方面，如果矩阵[S]特性很好(即它的质量值QV小于规定极限)，那么它的加权因子可以保持为1(过程46b)。

根据本发明的较佳实施例，过程45(如果进行的话)之后，接下来进行过程47，确定勘测区中震动器V_A至V_D到地震检波器G的所有路径的传递函数h_A至h_D(在这个例子中)。可以依照不同替代技术进行过程47，现在将对此进行描述。

如上所讨论的，以地震检波器G₁为例，下面的矩阵方程式对应于给勘测区施加源能量：

　　　　　　　　[R]=[S]·[h]式中[R]是四次扫描时地震检波器G₁的地震记录集合，[S]是在四次扫描中由震动器V_A至V_D施加的源能量矩阵，[h]是传递函数矩阵。照此，由于通过过程34的测量，[R]和[S]是已知的，在过程42中找出逆矩阵[S^-1]，通过下列矩阵相乘，可以由过程47求解频率f_K下的传递函数[h]：

　　　　　　　　[h]=[S^-1]·[R]

通过上述的系统计算机24能够方便地进行这个矩阵相乘，对于本专业人员而言将是显而易见的。

然后进行决断48，决定是否通过分离过程40继续对增大的频率进行分析。如果是，控制进到过程49，在这个过程中，将频率指数k增大到测量震动频域表示的下一个离散频率。当然，如果没有另外的频率要分析，控制进到图3的过程50。

上面的方法采用传统相位编码方案，在该方案中，在每次扫描期间，在过程32中对每个震动器V进行激励。由于本发明的这个实施例考虑了在一定的扫描中失去震动器或震动器不工作，根据本发明的另一替代实施例，在过程32中每一次扫描期间有意地关闭一个震动器V或者不激励它。根据本发明的这个替代实施例，不必进行相位编码(即所有的震动是相互同相的)。于是，在本发明的这个替代实施例中，理想源震动矩阵[S](对于所有频率)则为：当然，再次进行震动器V的震动测量，以计及非重复能力的问题、非线性、谐波耦合等等。在理想情况下，对于这个例子，在过程42中确定的频率f_K的逆矩阵[S^-1]则为：

再说，矩阵[S^-1]的实际值将依赖于震动器V上测得的震动。除了采用不同的编码方案外，根据本发明这个实施例的方法，其余的部分按照如上所述的过程进行。

现在参考图5，将描述依照本发明另一替代实施例的分离过程40’。过程40’与上述的过程40类似，是确定震动器V_A至V_D到地震检波器G的所有路径的传递函数h。然而，根据过程40’，通过对基于该过程的方程式系的过指定并结合利用震动源上测得的实际震动，可增大确定大地响应的可靠性。

在消除记录地震震动中噪声影响中，由本发明这个替代实施例获得的这个可靠性增加是特别有用的。众所周知，勘测中地震检波器G经常检测到与震动器V产生的震动能量无关的震动，或者会产生与任何震动无关的信号；这种无关震动或寄生信号通常被称为噪声，显然，它们降低了准确区分和分析所产生震动能量的勘测能力。

因此，在通常意义上，可以考虑下式表示的多次扫描中第n次扫描的单个地震检波器G记录的复合地震记录R_n：

如前所述，R_n是第n次扫描的地震检波器G记录的复合频域表示，A_n是第n次扫描的震动器V_A的源震动数据，B_n是第n次扫描的震动器V_B的源震动数据，以此类推。此外，在这个方程式中有一个N_n项，表示噪声对扫描的贡献。由此可见，对于大地响应或传递函数h，由于存在该噪声项N_n，上式所表示的方程式系的解将变得复杂化。因此，降低记录的地震记录中噪声影响，提高震动地震勘测的准确度和分辨率是有用的。

根据过程40’，该过程是上式分离过程的另一替代实施例，降低记录的地震记录中噪声影响。现已观察到，震动地震勘测中记录的噪声最主要的是所谓的随机噪声；换句话说，一次扫描中记录的噪声通常与以后各次扫描中记录的噪声不相关。正如现在说明的，过程40’利用记录的噪声的随机性消除它在多次扫描中的影响。

首先，根据本发明的这个实施例，在过程32(图3)中必须进行多于勘测中震动器V个数的多次扫描。换句话说，必须对地震记录R_n的方程式系进行过指定。较佳地以某种方式，如上述的相位编码，对每个震动器V_A至V_D的能量进行编码；多出的这次扫描(即四个震动器的第五次扫描)可以简单地重复以前进行的一次扫描，或者代之以相位编码方案预计进行的第五次扫描。在图1所示的勘测中，激励四个震动器V_A至V_D，由下式表示五次扫描的过指定： 式中N_n项对应于方程式系中的记录噪声。假设噪声项N_n是随机的，在关心的频率上∑N_n=0，记录R_n表示为以下的系组：或者，这里矩阵[S]对应于震动器V_A至V_D的源震动矩阵：

　　　　　　　　　　　[R]=[S]·[h]

然而，由于扫描次数大于震动器-地震检波器路径的数目(即矩阵[S]代表一个过指定的系)，矩阵[S]不是正方矩阵。于是，必须经过几个步骤才能进行传递函数[h]的上述矩阵方程式的解。例如，可以在以上方程式的两边乘以转置矩阵[S^T]，得到下列方程式：

　　　　　　　　　　　[S^T][R]=[S^TS]·[h]

因此，利用矩阵[S]的“广义逆”可以求每条震动器路径的传递函数[h]的解，表示为：

　　　　　　　[h]=[S^TS]^-1·[S^T][R]

这些关系用在图5所示的分离过程40’中，现在将对此进行描述。分离过程40’从过程52开始，在这个过程中，系统计算机24对震动器V在频率f_K下测得的震动的幅度和相位信息(即矩阵[S])进行检索；过程52进一步包括从矩阵[S]确定转置矩阵[S^T]。众所周知，通过每个矩阵元的位置指数倒转(即行变成列)可以简单地进行过程52中转置矩阵[S^T]的确定，由系统计算机24能够方便地进行转置矩阵的确定。较佳地，只要系统计算机24编制的程序在接下来的步骤中能以转置方式检索矩阵[S]的复数系数，在过程52中不必增加对转置矩阵[S^T]的矩阵元的存储。

接着进行过程54，在这个过程中，系统计算机24产生频率f_K下的逆矩阵[S^TS]^-1。较佳地，过程54首先进行矩阵相乘[S^T]·[S]，然后在系统计算机24的能力范围内通过一般的数值步骤，确定逆矩阵[S^TS]^-1，如上所述，它涉及乘积矩阵[S^TS]的行列式和余因子的计算。如果需要那么可以进行任选过程56，它与上述的分离过程40中过程45相类似，是确定频率f_K下勘测中进行的扫描正则性的加权因子指数(即“动作是如何好”)。正如针对过程45所述的，可以用这个加权因子调节这些频率下的勘测结果，这里，噪声、非线性、谐波或其它现象对该频率f_K下的结果带来一定疑问。

过程54或过程56之后，根据具体情况，分离过程40’确定各个震动器V与地震检波器G₁之间每条路径的大地响应，按照传递函数矩阵[h]给出的。这是在过程57中进行的，在该过程中，通过系统计算机24进行一般数值矩阵乘法运算，将复数逆矩阵[S^TS]^-1加在每次扫描的地震检波器G₁的记录上(即加到乘积矩阵上[S^T][R])。于是，过程57的结果是，通过分离过程40’确定地震检波器G₁对应于每条震动器-地震检波器路径的传递函数[h]集合。

当然，虽然以上所述的分离过程40’仅针对一个地震检波器G₁，但是应当明白，对于勘测区中的每个地震检波器G在频率f_K下都可进行过程40’。

过程57之后，进行决断58，确定是否继续根据分离过程40’对增大的频率进行分离。如果是，频率指数k增大到频域数据中对应震动器V和地震检波器G检测到震动数据的下一个离散频率。然后对于该频率重复过程40’。一旦完成对所有的所需频率的分离(即决断58返回到“否”)，控制进入到过程50，进行勘测数据的进一步处理。

回过来参考图3，完成分离过程40或是40’，现在可以利用地震勘测中产生的每条震动器-地震检波器路径的分离的大地响应函数进行过程50。根据每条路径找出的传递函数和大地响应产生地震勘测结果的具体方法是本领域常用方法，根据地质专家的需要选择特定过程。

现在参考图6a和6b，详细描述根据上述的分离过程40、40’结果进行地震勘测的过程50的另外两个实施例。图6a和6b所示的过程50a和50b相互分别等同，图6a所示过程50a是在频域中进行的，图6b所示的过程50b是在时域中进行的。从以下的描述中显而易见，过程50a、50b在系统计算机24的能力之内。

首先参考图6a，先进行过程62，在这一步中选择分析用的特定地震检波器G_n；然后，过程64选择第一震动器V_i，因此选择了过程50a第一步中分析用的震动器V_i与地震检波器G_n之间的路径。然后进行过程66，在这个过程中，由系统计算机24从存储器中检索与震动器V_i与地震检波器G_n之间路径相对应的传递函数h_in的系数，作为频域表示中的每个频率点。照此，检索过程66对传递函数h_in复数系数的频域谱进行检索。如上所述，传递函数h_in中的这些系数也可以包括上述过程45产生的加权因子或者被这些加权因子修改，以致如果监测到的源震动系数矩阵特征不好可以对特定频率下的系数进行某个程度的折算。

在过程68中，频域系数h_in与第一次扫描j中震动器V_i监测到的源震动的频域系数I_j相乘。过程68中这个相乘仅仅是传递函数h_in中每个系数与扫描j监测到系数I_j集合中相同频率系数的点-点相乘。然后，过程70进行h_in·I_j这个乘积的逆离散傅里叶变换，将这个结果变换到时域中。因此，过程70的结果是利用它们之间路径的传递函数h_in，与地震检波器G_n上实际检测到的唯一基于震动器V_i源震动的震动相对应的震动的时域表示；因此，这个结果是实际检测到震动的理想表示，这里，将震动器V_i的贡献从其它震动器V的贡献中分离出来。

然后进行过程72，通过这个过程，扫描j中用于驱动震动器V_i的导频信号与乘积h_in·I_j的时域表示互相关。因此，过程72的结果是震动能量到达地震检波器G_n的时基指示，由此可导出反射界面的深度。当然，众所周知，通过将多条记录叠加(在这当中信号将得到加强，而随机噪声趋于抵消)可以消除随机噪声对这种时基记录的影响。于是，决断71确定是否继续对地震检波器G_n进行震动器V_i的附加扫描数据的分析；如果是，那么增大扫描指数(过程73)控制进行到过程68，在这个过程中，再次进行下一次扫描的传递函数h_in与源震动I_j的乘积，重复以上的过程。

对于勘测中震动器V_i的所有次扫描，完成频域相乘(过程68)、逆DFT(过程70)和互相关(过程72)后，在过程74中系统计算机24将震动器V_i与地震检波器G_n之间能量的互相关记录叠加。因此，产生的叠加记录适合在传统地震勘测方法中使用，指示震动器V_i与地震检波器G_n之间产生的源震动的延时。

如图6a所示，对于从每个震动器V_i到地震检波器G_n的能量可以重复这一过程，通过决断75确定是否对地震检波器G_n进行增加的震动器V_i的分析；如果是，增大震动器指数i(过程76)，控制进行到过程66，重复对下一个震动器V_i的分析。如果对于地震检波器G_n已经进行了所有震动器V的分析，那么决断77类似地确定是否以上述方式对增加的地震检波器G进行分析；如果是，那么增大地震检波器指数n(过程78)，控制返回到过程64，在这个过程中，对于下一个地震检波器G_n敏感到其产生能量的所有震动器V，重复上述过程。

对勘测中所有震动器V和所有地震检波器G，在完成过程50a后，然后进行过程80，通过这个过程，按照所需方式安排地震勘测，就象通常对震动地震勘测那样。例如，过程80可以包括共深度点(CDP)收拢、正常时差(NMO)操作等，它们给出更便于地质专家使用形成的勘测数据。然后完成图3所示的勘测方法。

在上述的过程50a中，该方法中绝大部分是针对频域系数进行的。这种类型的运算尤其适合于对于装入数字信号处理器(DSP)的现代系统计算机24，因此，这种计算机特别地适于进行频域运算和逆DFT运算。然而，许多常规的系统计算机较为适合于时域运算，如卷积运算。图6b所示的过程50b较为适合于这种类型的计算机。在图6a和6b中，用相同标号表示过程50a中与过程50b中相同的步骤。

在图6b所示的过程50b中，与先前一样进行过程62、64、66，从而由系统计算机24从存储器中检索所有频率下分析用的对应震动器V_i与地质检波器G_n路径的h_in传递函数系数。在过程66中检索到的系数已经被上述过程45产生的加权因子修改，对系统中特性差的这些频率上的系数进行折算。然后在过程82中，系统计算机24进行传递函数系数h_in的逆DFT，产生一系列时域系数δ_in，代表大地对震动地震能量的时域脉冲响应。

对于第一次扫描j，进行过程84，在这一步中，将脉冲响应序列δ_in与扫描j中震动器Vi监测到的源震动的时域记录I_j(t)进行卷积。正如以上针对图3所讨论的，在过程34中记录敏感器5监测到源震动，作为时域信号，然后通过过程38的DFT，将其转换到频域中。因此，如果把过程50b当作分析过程，保留过程34的源震动的时域记录，供过程84之用是较佳的。当然，如果未保留时域表示(但是已经存储了频域转换表示)，在进行过程84的卷积前，通过逆DFT运算可获得时域信号I_j(t)。众所周知，脉冲响应序列δ_in(t)与扫描j中震动器V_i的源震动I_j(t)的时域卷积将产生一个对应于震动器V_i对第j次扫描中地震检波器G_n记录震动的分离贡献的时域表示。

根据图6b所示的过程50b，然后将过程84的卷积乘积与第j次扫描中用于驱动震动器Vi的导频信号进行互相关。以在过程50a中所述的方式进行这个互相关，产生震动能量到达地震检波器Gn的时基指示，在推导反射界面深度中它是有用的。

与图6a所示过程50a的情况一样，对于一对震动器-地震检波器V_i，G_n进行的每一次扫描，重复过程68、70、72，接着将互相关记录叠加，去除随机噪声的影响，结束过程50b。然后，对于勘测中所关心的每一个震动器V和每一个地震检波器G进行上述过程，接着根据所需格式、收拢和时差校正安排过程80中的勘测。

根据过程50a、50b中任一过程，从每个地震检波器G记录的复合震动中分离各震动器V的贡献，从而对地震勘测作出准确判定。具体说，根据本发明这个实施例的分离震动信号的能力大大改善了勘测的分辨率，因为，能够对各个震动器与地震检波器之间的路径进行分析，而不再象现有技术的通常情况那样，限于对整个源阵列与每个地震检波器之间路径的广义分析。当然，分辨率的提高将会改善地震勘测的准确度及其对比较小但是很重要的地质特征的灵敏度。

现在参考图7a和7b，介绍震动地震勘测的一个例子。图7a示出从排成一行距震动器位置V_A不同距离的地震检波器上记录的一系列轨迹。在图7a中，每一条垂直轨迹对应于一个地震检波器的记录，图中以常规方式显示，图中时轴从图的上部到下部，自震动器位置V_A的距离从右到左增大。图7a所示的例子表明在同时使四个震动器V工作并根据本发明背景中所给出的表进行相位编码的勘测中对震动器V_A的能量贡献。然后采用相对该相位编码技术的相位分离的传统方法产生图7a的曲线。

现在参考图7b，该图示出图7a的勘测中震动器V_A的贡献，这里，根据本发明的较佳实施例进行震动器V_A贡献的分离。然后，在每个频率下对每个地震检波器，通过将(震动器V_A)传递函数h_A与震动器V_A测得的源震动相乘，接着对其结果进行逆DFT产生时域轨迹，产生图7b所示的轨迹。

将图7a与图7b进行比较，表明通过上述的本发明较佳实施例得到的改善。首先，图7b区域88b所示的首次到达时间比图7a区域88a所示的首次到达时间规则和一致得多，因此，当利用近表面层中折射波的速度进行静态校正时，改善了计及近表面层厚度偏差的能量。图7a、7b中区域90a、90b分别对应正在发生反射情况(即检测到地下界面的时间和距离)的勘测部分；比较图7a、7b，表明在这个情况上区域90b的保真度大大高于区域90a的保真度，方便了反射情况的分析和识别。此外，对图7a与7b之间区域91a与91b、92a与92b分别进行比较，表明本发明的较佳实施例通过降低更深勘测部分的高频噪声而改善勘测结果。

根据本发明的另一实施例，可以执行过程50，通过1995年5月5日提交的S．N．08／435940申请中所述的逆过程，应用频域传递函数[h]，该申请已转让给美孚石油公司，美孚石油公司允许这里引作参考。

根据这个方法，频域中的每个传递函数h_v-g(f)(这里V和g表示指定震动器-地震检波器路径的震动器和地震检波器指数)对应于反射率函数E乘以最小相位函数M。最小相位函数M加入了大地的一些影响(例如，风化的近表面层)以及在产生输入震动能量中的震动器V的阻抗。

如上讨论的，根据本发明的较佳实施例，由敏感器5测得直接来自震动器V的与大地表面中产生的有效力有关的最小相位信号。照这样，在这个分析过程中采用实际信号代替现有技术通常采用的理论导频信号。正如这里引用的1996年8月27日颁发的第5550786号美国专利中所述，以不必知道实际施加的力的方法进行震动运动的记录和对记录地震数据的处理。唯一重要的因素是测量量直接与施加的实际力成正比。用这种方式，能够通过除法消除实际力。

根据本发明的这个实施例发现，震动器V上敏感器5测得的运动与通过频域中最小相位传递函数传到大地中的实际输出力或信号有关。因此，在频域中，测得的输出力信号S对应于震动器真实输出U与最小相位传递函数T的乘积：

　　　　　　　　　　　　　S=U·T式中：·代表频域中的相乘。传递函数T是真实的震动器输出U与测得的震动器运动U关联的最小相位、因果、线性的系。在这个方程式中最小相位传递函数T和实际输出源的力U都是未知的。

在频域中用实际源的力U的时间导数与大地反射率E的卷积表示地震检波器G检测到的地震记录R，如下式所示：

　　　　　　　　　　　　　R=jω·U·E式中：R代表测得的地震数据，jω代表时间导数，E代表大地反射率函数。

通过利用最小相位带通滤波器的反向滤波，能够方便地计算R／S比。这个比值从下式的方程式中消除未知的U、源输出力： $\frac{R}{S}=\frac{\mathrm{j\ω}\·U\·E}{U\·T}=\frac{\mathrm{j\ω}}{T}\·E$ 由此可见，从该方程式中消除了未知的实际震动力U。通过反向滤波过程保存总能量，也需要比例因子。

现在用R／S表示地震图，与最小相位函数jω／T进行卷积(在时域中)，该图构成大地反射率E的所需答复。最小相位函数的特点是它们的导数和它们的倒数也是最小相位。用最小相位的反卷积能够对地震图进一步进行处理，以获得E，频域中大地的反射率脉冲响应。本质上，R／S地震图是频带限制的脉冲地震图。它是与大地响应有关的因果和最小相位。这种方法的准确度高，因为已经不依赖于实际的、还是未知的源震动运动。

参考以上所讨论的方法，主要是针对过程47，系统计算机24进行矩阵运算，提供[R]／[S]；换句话说，这个比是[S^-1]·[R]，或者传递函数[h]。如上所述，传递函数[h]是在每个频率f_K下从震动器V敏感器5测量结果的源震动逆矩阵[S^-1]与基于地震检波器G记录的震动的矩阵[R]的乘积：

                        [h]=[S^-1]·[R]

在这个例子中，对于频率f_K下震动器V_A至V_D与地震检波器G₁之间所有四条路径，这个乘积产生频率上的传递函数h的矩阵[h]。实际上，对记录R进行分离，提供每个地震检波器对于各个震动器V的轨迹。当然，如上所述，对于勘测中所关心的每一个地震检波器G可进行类似的操作。

现在参考图8和9，详细描述根据本发明的这个替代实施例由系统计算机24进行过程50”，这里，对每个地震检波器G的分离传递函数h集合，通过上述矩阵反演确定反射率E。如图8所示，过程50”从过程100开始，通过从存储器进行检索，系统计算机24(在过程40中)产生记录数据。如上所述，这个数据包括在所有感兴趣的频率上震动器V_A至V_D与地震检波器G₁之间所有四条路径的传递函数矩阵[h]。可以将根据每条路径和每个频率的质量值QV产生的加权因子加到这个检索数据中，从而对扫描频率特性差的贡献进行折算。

过程52对应于对地震检波器G测得的信号进行除法和逆运算过程。过程52代表本发明和传统处理之间存在明显区别。在传统处理中，检索数据与导频信号相关，该导频是对实际传给大地表面的震动的响应所假设的理想波形。然而，如上所述，诸如耦合不良、非线性、底板弯曲等畸变效应会导致偏离这种理想情况的畸变。在本发明中，正如将要对图9所述的，逆过程102取消了以前关于注入到大地中震动器力所作的这些假设。

现在参看图9，详细描述根据本发明这个实施例的逆过程102的操作。过程102从过程120开始，在这一步中，辨认首次通过该过程的感兴趣的地震检波器G_n；在过程122中，系统计算机24从存储器中检索频率上地震检波器G_n的特定传递函数[h]。如上所述，利用以前确定的分离传递函数h对应地震检波器G记录的信号R除以震动器V测得的震动S，但是，这里是在分离特定震动器V对复合记录R的贡献后进行这种除法。过程124指明将要进行这个逆通过的特定震动器V_i，因而限定这个逆通过中所关心的震动器V_i到地震检波器G_n的特定路径。

一旦确定路径，对于感兴趣的所有频率，过程126选择震动器V_i对整个记录矩阵[D]贡献的传递函数h_i。一旦确定频率上的传递函数h_i，在过程127中，应用球形发散滤波器校正每条轨迹中在以后时间上信号幅度的衰减(即使得信号对应于统计静止过程)。然后，过程128将最小相位滤波器应用到频率上的传递函数h_i(例如，用最小相位滤波器的时域反卷积)，因此消除其中的最小相位函数jω／T的影响并隔离震动器V_i与地震检波器G_n之间路径的大地反射率E。这个滤波可以通过频域的除法或是通过时域的反卷积来完成，与具体的系统计算机24有关。

然后，以嵌套顺序以及指数增大步骤130、132进行决断129、131，对于勘测中震动器V_i与地震检波器G_n的每一种组合，进行反演和最小相位滤波。结果，对于勘测中所关心的每条路径，提供一反射率记录E。

在过程104中，产生勘测中每条路径的模型轨迹。这个模型轨迹基本是一条用尖峰信号记录原始数据相位和幅度的轨迹。后来利用产生的这种模型轨迹可去除任何在本发明预处理中引入的相位误差。

在过程106中，根据过程104的除法过程结果进行接收器反卷积。在较佳实施例中，这个接收器反卷积具有公共接收器收拢格式。在本发明中采用了Wiener-Levinson尖峰信号群反卷积，然而，可以采用任何采用公共接收器收拢格式去除各个接收器之间偏差带来的影响的反卷积。

过程108对过程106的数据进行接收器静力学校正。在较佳实施例中，不变的源位置收拢去除接收器静力学(即内群静力学)。然后，在过程110中利用不变源位置，用可变接收器收拢去除地面滚动，进行F-K滤波。在较佳实施例中，对于静力学校正和F-K滤波的采用相同收拢。在过程112中，对已经过校正的数据进行散粒反卷积。这个反卷积也具有Wiener-Levinson尖峰信号群反卷积类型。然而，象以前进行接收器反卷积一样，任何具有去除散粒噪声的公共散粒收拢类型的反卷积都是可以接受的。然后，过程114对已经承受接收器和散粒反卷积和静力学校正的数据进行零相位尖峰信号反卷积。这个反卷积是降低单色噪声的光谱白噪声化反卷积。这群尖峰信号反卷积对滤除最小相位大地的高频和短时间周期以及阻抗效应是适用的；这些最小相位效应包括震动器V上监测点之间存在的相应震动器V的动力学、大地表面的风化层效应、以及特定反射效应。然后把经过滤波的传递函数应用到尖峰信号反卷积过程，如Robinson和Treitel在地球物理学第29卷第3册(1964年6月)“数字滤波原理”以及Peacock和Treitel在地球物理学第34卷第2册(1969年4月)“预计反卷积：理论与实践”中所述，这两册都由Robinson＆Treitel Reader(SSC，1969)重印，对应于震动能量沿特定路径双程时间的时域表示(即反射序列)。

然后在过程116中进行模型相移，利用过程104中为每条路径产生的模型轨迹，记录原始相位和幅度，去除任何通过以前的处理步骤可能引入的相位误差。

因此，现已描述了本发明对高分辨率震动源数据进行记录和预处理的方法，它包括对测得信号的逆变换、接收器和散粒群反卷积、静力学校正、噪声的F-K滤波、零相位尖峰信号反卷积和模型相移等步骤。如前所述，利用与测得震动器运动提供信号有关的有效震动器信号对数据进行处理。该数据除以频域中实际传输的信号。然后通过正常收集和叠加过程(即图8中过程118)，象通常进行震动器地震勘测一样，进行这一过程，产生地下地质和岩层位置和深度的截面估计结果。

根据上述替代实施例中的任何一个，本发明勘测区中每个地震检波器提供了允许分离震动勘测中同时激励的各个震动器的大地响应的重要能力。这种经过改善的分离是以允许同时激励多个震动器的方法进行的，因此提高了勘测工作的总体效率。这种经过改善的分离考虑了震动器工作中的非线性、震动器与大地的不良耦合、震动器的非重复能力以及其它的不理想特性，因此提高了勘测结的准确度和勘测的分辨率。通过采用本发明，一个或多个震动器工作的间歇故障或噪声不会迫使重复一次扫描。参考本说明书，对于本领域普通专业人员而言，本发明的其它好处和优点是显而易见的。

虽然这里针对本发明的较佳实施例对其进行了描述，当然可以预料到，参考本说明书及其附图能够对这些实施例进行改进和替代，对于本领域普通专业人员而言是显而易见的，这些改进和替代能够获得本发明的优点和好处。预期这些改进和替代将落在权利要求中所述的本发明的范围内。

Claims (21)

1．一种进行震动地震勘测的方法，其特征在于包括如下步骤：

激励大地表面上的多个震动器，使大地在多个频率扫描上震动，多个频率扫描的次数至少等于多个震动器的个数；

在激励步骤中，测量多个震动器原位或附近的源震动；

将测得的源震动的表示存入计算机存储器；

检测大地表面多个检测位置上的场震动，检测位置与多个震动器位置间隔一段距离，限定多条震动器-检波器路径，每条路径与多个震动器中的一个和多个检测位置中的一个有关；

将测得的场震动的表示存入计算机存储器；

对于多条震动器-检测器路径中的每条路径，根据该震动器-检测器路径的检测位置测得的由该震动器-检测器路径的震动器产生的场震动的表示和从相关震动器测得的源震动的表示，确定多个频率上的大地响应传递函数；

通过计算机执行多步运算操作，确定多条震动器-检测器路径中每条路径的大地反射率函数，计算机运算操作步骤包括：

在多个频率上对有关该震动器-检测器路径的大地响应传递函数进行检索；以及

用最小相位滤波器对检索的大地响应传递函数进行滤波，得到该震动器-检测器路径的大地反射率函数。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于：进一步包括：

对多个震动器中的每一个和检测位置中的每一个，重复进行分隔和滤波的步骤。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于：确定大地响应传递函数的步骤包括：

从计算机存储器中检索所存储的测得源震动和测得场震动的表示；

计算机将所存储的测得源震动和测得场震动的表示变换为频域表示；以及

对于多条震动器-检测器路径中的每条路径，计算机进行多步运算操作，包括：

定义一个频率上测得源震动的频域表示的第一矩阵和该频率上检测震动的频域表示的第二矩阵；

确定第一矩阵的逆矩阵；

将第二矩阵乘以第一矩阵的逆矩阵，得出该频率的大地响应传递函数；以及

对多个频率重复定义、确定和相乘的步骤。

4．如权利要求3所述的方法，其特征在于进一步包括：在多个频率的每个频率上，

确定第一矩阵逆矩阵的本征值；以及

确定与确定步骤中本征值相对应的加权因子。

5．如权利要求4所述的方法，其特征在于：加权因子对应于确定步骤中本征值的最大值与最小值之比。

6．如权利要求3所述的方法，其特征在于：激励步骤包括：

在数目与多个震动器数目相等的多个频率扫描上激励多个震动器；

确定第一矩阵逆矩阵的步骤确定第一矩阵的乘法逆元素。

7．如权利要求3所述的方法，其特征在于：激励步骤包括：

在数目大于多个震动器数目的多个频率扫描上激励多个震动器；

确定第一矩阵逆矩阵的步骤确定第一矩阵的广义逆矩阵。

8．如权利要求1所述的方法，其特征在于：激励步骤包括：

以第一相位关系在第一频率扫描下同时激励多个震动器中的每一个；以及

以不同于第一相位关系的第二相位关系在第二频率扫描下同时激励多个震动器中的每一个。

9．如权利要求1所述的方法，其特征在于：在多个扫描中每一个期间，选择多个震动器中的一个不激励。

10．一种根据以前获得的震动地震测量结果，包括同时在多个扫描下激励的大地表面震动器原位或附近的源震动测量结果和离开震动器的检测器位置上检测到的震动的测量结果，进行地震勘测的方法，以前获得的震动地震测量结果以数字形式存在计算机存储器中，其特征在于所述的方法包括：

通过计算机运行下列步骤，确定多个震动器中一个与多个检测位置中一个之间的每个地震路径的大地响应传递函数，通过计算机实现下列步骤：

从计算机存储器中检索所存储的测得源震动和得到场震动的表示；

将所存储的测得源震动和得到场震动的表示变换为频域表示；

定义一个频率上测得场震动的频域表示的第一矩阵和该频率上检测到震动的频域表示的第二矩阵；

确定第一矩阵的逆矩阵；

将第二矩阵乘以第一矩阵的逆矩阵，得出该频率上的大地响应传递函数；以及

对多个频率重复定义、确定和相乘的步骤；以及

对多个频率，用最小相位滤波器对大地响应传递函数进行滤波。

11．如权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括：

对于多个震动器中一个与多个检测位置中一个的每一对，在多个频率中的每一频率下，

确定第一矩阵逆矩阵的本征值；以及

确定与所述确定步骤中本征值相对应的加权因子。

12．如权利要求11所述的方法，其特征在于：加权因子对应于所述确定步骤中本征值的最大值与本征值的最小值之比。

13．如权利要求10所述的方法，其特征在于：

多个频率扫描的次数等于多个震动器的个数；

所述的确定第一矩阵逆矩阵的步骤确定第一矩阵的乘法逆元素。

14．如权利要求10所述的方法，其特征在于：

多个频率扫描的次数大于多个震动器的个数；

所述的确定第一矩阵逆矩阵的步骤确定第一矩阵的广义逆矩阵。

15．如权利要求14所述的方法，其特征在于：利用大地响应传递函数和测得的源震动的频域表示进行组合步骤。

16．如权利要求15所述的方法，其特征在于：利用大地响应传递函数和测得的源震动的时域表示进行组合步骤。

17．一种使一个检测位置同时接收的由多个震动器产生的震动信号多次扫描的大地响应相互分离的装置，其特征在于包括：

存储多个震动器中每一个原位或附近记录的源震动的表示的存储器；

存储检测位置上检测到震动的表示的存储器；

一台与所述存储器耦合的计算机，以运行下列步骤的方式编制程序，所述运行步骤包括：

检索所存储的得到源震动和测得场震动的表示；

将所存储的得到源震动和测得场震动的表示变换为频域表示；

定义一个频率上测得场震动的频域表示的第一矩阵和该频率上检测到震动的频域表示的第二矩阵；

确定第一矩阵的逆矩阵；

将第二矩阵乘以第一矩阵的逆矩阵，得出该频率上的大地响应传递函数；

对多个频率，重复定义、确定和相乘的步骤；以及

将最小相位滤波器应用于重复步骤的结果；以及

与所述计算机耦合的输出装置，用于显示基于大地响应传递函数的地震勘测信息。

18．如权利要求17所述的装置，其特征在于：在多个频率中的每个频率下还对所述计算机编程，执行下列步骤：

确定第一矩阵逆矩阵的本征值；以及

确定与所述确定步骤中本征值相对应的加权因子。

19．如权利要求18所述的装置，其特征在于：加权因子对应于所述确定步骤中本征值的最大值与本征值的最小值之比。

20．如权利要求18所述的装置，其特征在于：多个频率扫描的次数等于多个震动器的个数；

所述的确定第一矩阵逆矩阵的步骤确定第一矩阵的乘法逆元素。

21．如权利要求18所述的装置，其特征在于：在激励步骤中多个频率扫描的次数大于多个震动器的个数；

所述的确定第一矩阵逆矩阵的步骤确定第一矩阵的广义逆矩阵。

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