CN1266195A - 一种提高测量地震检波器精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计量和检查石油物勘探仪器的方法,步骤是根据检波器线圈质量m、选配激励电流I₀和初始值；据：(1)式,令b₀=A₀,b₁=－B_tw_o,b₂=w₀ ,得到:(2)式,对t选择8～30个不同的值;用修正的阻尼系数最小二乘法(Modified Damped Least Squares,MDLS)进行处理,得到b₀,b₁,b₂的真值,进而提高测量精度。优点在于不必寻找A₁、A₂和T特殊点,避免伴生噪声直接干扰,提高测量精度,适用于动圈式,还可用于涡流和超级地震检波器,有较好的实时性,可结合通用设备;有一定的判别能力,如果最小二乘残差的和大于特定的值,可提示操作问题。

Description

一种提高测量地震检波器精度的方法

本发明属于计量和检查石油地球物理勘探仪器的方法，具体是一种提高测量地震检波器精度的方法。

地震检波器(Geophone)是石油地球物理勘探中用量最大的一种振动速度传感器，可分为动圈式、涡流和超级地震检波器。地震检波器性能的好坏直接影响地震资料的可信度和准确性，所以对地震检波器的性能需要做检测。地震检波器的技术性能是依靠地震检波器测试仪来完成的，这种仪器普遍采用直流激励式方法对地震检波器的阻尼系数、自然频率、灵敏度参数进行检测，由于国内、外检波器和检波器测试仪的产品、产地、型号和品种品种多，性能和标准差异大，造成同一只地震检波器用不同的测试仪测试，得到不同的参数测试结果的现象，这种现象的产生根源是对测试仪自身的准确性无法进行检定，既其量值不可溯源。中国专利98102097.6提供了一种地震检波器测试仪的计量检定方法和实用设备，解决统一地震检波器测试仪的可靠溯源问题。

但是，由于使用直流激励的原理和传统的方法测量，不可避免的要受到噪声的干扰，在较高的信噪比时精度提不高。较低信噪比是重复性差，导致测量误差。如直流激励法检波器测试仪的工作原理是给被检测的检波器施加一个直流电流激励信号，测试被检测检波器断电后的衰减振荡输出曲线，根据直流激励电流和被检测检波器响应信号的A₁、A₂、T和动圈质量M，计算出B_l、f_n、S的标准值，以上各参数为：

A₁-检波器响应第一峰值(V)；

A₂-检波器响应第二峰值(V)；

M-检波器动圈质量；

I-直流激励电流，根据U₀求出；

T-检波器响应第一个过零时间(s)；

B_l-检波器阻尼系数；

f_n-检波器自然频率；

S-检波器灵敏度。

然而，这种计算仅仅是理论的演示，而在实际测量时不可避免地带有伴生噪音，如温度的变化会增加噪音，受噪音的影响，A₁、A₂、T是测不准确的，这就直接导致了B_l、f_n、S误差，事实表明，测试仪实际是识别一条响应曲线，其识别方法是通过A₁、A₂、和T来完成，从而确定检波器的其它参数，这固然有其简便的优点，但显而易见，测量精度会受到影响。近年，随着地震仪器的A/D转换器的品位提高，产生了超级地震检波器的概念，高分辨率人工地震勘探的需要，又要求高质量的检波器，而在检测时，现有仪器中的信噪分离手段和处理方法不能使测量信号中的有用信息从噪声中分离出来，限制了测量的使用。

本发明目的在于提供一种可以克服上述缺点，通过抗噪声参数识别、计算处理测量信号来提高测量地震检波器精度的方法。

本发明采用如下步骤实现：

a.确定检波器线圈质量m、选配激励电流I₀；

b.选择初始值：响应信号初始幅值A₀＝50～300mV，

              检波器阻尼B_l＝0.6，

              检波器自然角频率w₀＝2πf，其中f＝24Hz，

              时间t；

c.根据公式：

令b₀＝A₀，b₁＝-B_lw₀， 得到：

d.对式(1)中t选择8～30个不同的值；

e.用修正的阻尼系数最小二乘法(Modified Damped Least Squares，MDLS)进行数据处理，得到b₀，b₁，b₂的真值。

f.通过

(3)求出f；

g.通过

(4)求出Bt；

h.由于

即

通过

求出S。

本发明还通过如下步骤实现实现：

步骤d选择的8～30个不同的值分布均匀并在前3/4周期内，采集对应的测量数据点；

步骤e的最小二乘法可采用的数学流程为：

(1)设置常系数：ε₁＝0.5e-6、ε₂＝0.5e-14、ε₃＝0.5e-3；阻尼因子λ＝1e-2，修正因子β＝1e-14，参比量g_e＝0.3e-5，待求参数个数n＝(n＝3)，样点数m＝(8≤m≤30)；矩阵Γ＝{0.1，-0.1，0.01，-0.01}，并设待求矩阵初值b＝{500，-30，50}。

(2)将b代入响应方程，结合测量数据求响应方程的残差向量r和最小二乘误差Q。

(3)计算矩阵

，e_i为第i个样点电压幅变，b_g为b阵中第I个元素。

(4)计算矩阵g＝A^Tr，H＝A^TA。给H阵对角线上乘一常数(1+λ)，令其等于B。

(5)判断阵B的奇异性；B非奇异，转入(8)；

(6)挑选矩阵g最大元素 ，确定相应的l；

(7)若|g_l|≤ε₁，转入(13)，否则构造矩阵P_lxn，其中第1个元素P_l＝-g_l，其余为0，转入线性搜索部分；

(8)令矩阵P＝-B^-1g。若g^TP≥0转入(6)，否则令α＝1；

(9)取矩阵

，计算相应的残差向量

和最小二乘残差

(10)判断 ，成立取 ，不成立取

，转入(9)，

(11)令矩阵

，若

中至少有一个能满足，转入(13)，不满足；

(12)取

转入(3)；

(13)每次将矩阵b中任一元素b_i(1≤i≤n)修正成(1+γ_κ)b_j，γ_κ为Γ阵中的第κ个元素，保持其它元素不变，可得到4n个矩阵b的修正矩阵，确定出最小二乘残乘

最小的

。

(14)若 转入(12)，否则输出b₀，b₁，b₂真值。

本发明采用的线性搜索程序如下：

(51)取中间量

(52)令 ，计算相应的

(53)若

，令 ，h＝2h，转入(52)，否则；

(54)取

，并判断

成立与否；

(55)若

成立，令

，并计算相应的

。若 ，取h＝α，转入(54)，若 ，取λ＝4λ，转入(11)；

(56)若

不成立，取

并计算相应的

，若

，取λ＝4λ，转入(14)；否则，转入(54)。

本发明优点在于不必寻找A₁、A₂、和T特殊点，避免伴生噪声直接干扰，提高测量精度，通过计算机仿真测试证明有很强的抗噪能力。理论和实践证明，本发明不仅适用于动圈式，还可用于涡流和超级地震检波器。如：被测信号的伴生噪声服从N(0，σ²)高斯分布，信号经5V双极性16位A/D量化，自然频率f_n＝10Hz，上截止频率f₁＝180Hz，阻尼ξ＝0.7，灵敏度D＝200的涡流检波器识别结果如下表。

σ	0.1	0.2	0.5	1	2	5
							D	199.869	199.835	199.671	199.376	199.050	197.587
Fn	10.001	10.003	9.998	9.994	9.976	9.930
							F1	180.064	179.988	180.131	180.852	181.744	184.190
ξ	0.700	0.699	0.698	0.697	0.695	0.690

本发明有较好的实时性，可结合通用设备；有一定的判别能力，如果最小二乘残差的和大于特定的值，可提示操作问题。

本发明实施例如下：

本发明采用如下步骤实现：

a.由标定或查表的方法确定检波器线圈质量m、选配激励电流I₀；

b.选择初始值：响应信号初始幅值A₀＝50～300mV，

              检波器阻尼B_l＝0.6，

              检波器自然角频率w₀＝2πf，其中f＝24Hz，

              时间t；

c.根据检波器的振动公式：

，t≥0时，

先给定初始值，令b₀＝A₀，b₁＝-B_lw₀，

，得到： $e\left(t\right)=b_0{e}^{b_{1}l}\sin \left(b_{2}t\right)\left(2\right)$

d.测量时对式(1)中t任选8～30个不同的值，最好在振动的前3/4周期内均布；

e.用修正的阻尼系数最小二乘法(Modified Damped Least Squares，MDLS)进行数据处理，采用的数学流程为：

(1)设置常系数：ε₁＝0.5e-6、ε₂＝0.5e-14、ε₃＝0.5e-3；阻尼因子λ＝1e-2，修正因子β＝1e-14，参比量g_e＝0.3e-5，待求参数个数n＝(n＝3)，样点数m＝(8≤m≤30)；矩阵Γ＝{0.1，-0.1，0.01，-0.01}，并设待求矩阵初值b＝{500，-30，50}。

(2)将b代入响应方程，结合测量数据求响应方程的残差向量r和最小二乘误差Q。

(3)计算矩阵

，e_i为第i个样点电压幅变，b_g为b阵中第I个元素。

(4)计算矩阵g＝A^Tr，H＝A^TA。给H阵对角线上乘一常数(1+λ)，令其等于B。

(5)判断阵B的奇异性；B非奇异，转入(8)；

(6)挑选矩阵g最大元素 ，确定相应的l；

(7)若|g_l|≤ε_l，转入(13)，否则构造矩阵P_lxn，其中第1个元素P_l＝-g_l，其余为0，转入线性搜索部分；

(8)令矩阵P＝-B^-1g。若g^TP≥0转入(6)，否则令α＝1；

(9)取矩阵

，计算相应的残差向量

和最小二乘残差

；

(10)判断 ，成立取

，不成立取

，转入(9)，

(11)令矩阵 若 中至少有一个能满足，转入(13)，不满足；

(12)取 ，转入(3)；

(13)每次将矩阵b中任一元素b_i(1≤i≤n)修正成(1+γ_κ)b_j，γ_κ为Γ阵中的第κ个元素，保持其它元素不变，可得到4n个矩阵b的修正矩阵，确定出最小二乘残乘

最小的

。

(14)若 转入(12)，否则输出b₀，b₁，b₂真值。

以上的线性搜索程序如下，主要作用是寻优控制。

(51)取中间量

(52)令 计算相应的

(53)若

令 h＝2h，转入(52)，否则；

(54)取

并判断

成立与否；

(55)若

成立，令

，并计算相应的 。若 ，取h＝α，转入(54)，若

取λ＝4λ，转入(11)；

(56)若 不成立，取 并计算相应的

，若 ，取λ＝4λ，转入(14)；否则，转入(54)。

f.得到b₀，b₁，b₂真值后，通过

求出f_n；

g.再通过 (4)求出B_l；

h.由于

即 通过

求出S。

Claims (4)

1.一种提高测量地震检波器精度的方法，其特征在于采用如下步骤：

a.确定检波器线圈质量m、选配激励电流I₀；

b.选定初始值：响应信号初始幅值A₀＝50～300mV，

              检波器阻尼B_l＝0.6，

              检波器自然角频率w₀＝2πf，其中f＝24Hz，

              时间t；

c.根据公式：

令b₀＝A₀，b₁＝-B_lw₀，

得到：

d.对式(1)中t选择8～30个不同的值；

e.用修正的阻尼系数最小二乘法(Modified Damped Least Squares，MDLS)进行数据处理，得到b₀，b₁，b₂的真值。

f.通过

(3)求出f；

g.通过

(4)求出Bt；

h.由于

即

通过

求出S。

2.根据权利要求1所述的提高测量地震检波器精度的方法，其特征在于步骤步骤d选择的8～30个不同的测量数据值分布均匀并在式(1)前3/4周期内。

3.根据权利要求1所述的提高测量地震检波器精度的方法，其特征在于步骤e的最小二乘法可采用的数学程式为：

(1)设置常系数：ε₁＝0.5e-6、ε₂＝0.5e-14、ε₃＝0.5e-3；阻尼因子λ＝1e-2，修正因子β＝1e-14，参比量g_e＝0.3e-5，待求参数个数n＝(n＝3)，样点数m＝(8≤m≤30)；矩阵Γ＝{0.1，-0.1，0.01，-0.01}，并设待求矩阵初值b＝{500，-30，50}。

(2)将b代入响应方程，结合测量数据求响应方程的残差向量r和最小二乘误差Q。

(3)计算矩阵 ，e_i为第i个样点电压幅变，b_g为b阵中第I个元素。

(4)计算矩阵g＝A^Tr，H＝A^TA。给H阵对角线上乘一常数(1+λ)，令其等于B。

(5)判断阵B的奇异性；B非奇异，转入(8)；

(6)挑选矩阵g最大元素

，确定相应的l；

(7)若|g_l|≤ε_l，转入(13)，否则构造矩阵P_lxn，其中第1个元素P_l＝-g_l，其余为0，转入线性搜索部分；

(8)令矩阵P＝-B^-1g。若g^TP≥0转入(6)，否则令α＝1；

(9)取矩阵

，计算相应的残差向量

和最小二乘残差

(10)判断

，成立取

，不成立取 ，转入(9)，

(11)令矩阵 ，若 中至少有一个能满足，转入(13)，不满足；

(12)取 转入(3)；

(13)每次将矩阵b中任一元素b_i(1≤i≤n)修正成(1+γ_κ)b_j，γ_κ为Γ阵中的第κ个元素，保持其它元素不变，可得到4n个矩阵b的修正矩阵，确定出最小二乘残乘

最小的

(14)若 转入(12)，否则输出b₀，b₁，b₂真值。

4.根据权利要求1、3所述的提高测量地震检波器精度的方法，其特征在于数学程式中的线性搜索程序如下：

(51)取中间量

(52)令

，计算相应的

(53)若

令 h＝2h，转入(52)，否则；

(54)取

，并判断

成立与否；

(55)若

成立，令

，并计算相应的

。若 ，取h＝α，转入(54)，若

，取λ＝4λ，转入(11)；

(56)若 不成立，取

，并计算相应的

，若

，取λ＝4λ，转入(14)；否则，转入(54)。