CN1301350A - 海洋地震探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种进行海洋地震勘探的方法和系统,包括:在要勘探的区域上方的水中拖引至少一根包括沿其以不大于500cm的平均间隔分布的多个水听器的地震拖缆;把声信号向下穿过水且指入下面的大地;用水听器接收从水下面大地中的岩层反射的地震信号;分别数字化每个水听器的输出;及滤波所述输出以减小在所述输出中存在的噪声和产生一个具有减小噪声含量的信号,其中滤波过程使用至少一个邻近水听器的数字化输出作为进一步的输入。把滤波应用于组形成之前的单独传感器记录,并因而能够用20米或更小的相干长度检测和减小相干噪声。它减小诸如拖缆或膨胀噪声之类的噪声。

Description

海洋地震探测系统和方法

本发明涉及海洋地震勘探，更具体地说，涉及在海洋地震勘探中使用的噪声减小方法和设备。

为了进行3D海洋地震勘探，每个一般几千米长并且包含沿其长度分布的水听器和有关电子设备的阵列的多个地震拖缆以约5节拖在一艘地震勘探船后面，该地震勘探船也拖有一个或多个一般为气枪的地震源。由地震源产生的志信号向下穿过水指入下面的大地，在那里他们由各种岩层反射。反射信号由拖缆中的水听器接收、数字化及然后传送到地震勘探船，在那里他们被记录和至少被部分处理，最终为了建立被勘测区域中的地层的表示。

一般拖有高达12根拖缆，每根拖缆几千米长。拖缆由一般可以为100-200米长的段组成；每段包括在可以填充有油、泡沫、或较多固体物质的外皮内的水听器。应力钢丝和垫片形成拖缆的内部骨架。

由在拖缆中的水听器接收的信号一定受到来自各种源的噪声的污染。船的摆动，特别是在强浪中，在应力钢丝中引起振动，应力钢丝与连接器和油填充表皮相互作用，产生沿拖缆传播的膨胀波(或呼吸波)。该压力变化由水听器检测，添加噪声及污染检测的地震信号。由于拖缆穿过水运动，所以边界层扰动引起在外表皮壁处的压力波动，这再次耦合到水听器上。

膨胀波也可以由在拖缆周围由波浪作用引起的椭圆水运动下的横流分离引起。

当前，用来减小这种噪声的主要技术之一包括把相邻水听器组硬连线在一起，以求和其相应模拟输出信号：一般，一组包含八个均匀间隔的水听器，并且诸组的中心一般以6.25米的间隔隔开。这样一种布置公开在我们的美国专利No.5,351,218中，该专利也描述了如何把相邻组对选择性地连接在一起，以形成其组中心以12.5米间隔隔开的十六个相邻水听器的组。

由于在每组中的各个水听器相当靠近地隔开，一般刚好不到90cm远，所以假定在给定组中的所有水听器基本上接收相同的地震信号。地震信号因此通过该组的水听器的模拟输出信号的求和加强，而影响每个水听器的噪声，如果它是随机不相关的，则往往通过求和过程抵消。八个或十六个水听器组因而能认为等效于具有6.25或12.5米间隔的单独水听器，八个或十六个的增益与组内的各个水听器有关，并且提供随机噪声的很好剔除。

然而，影响水听器的显著噪声源是在勘探区域由波浪和波涛造成的水表面的运动。由波浪或波涛造成的噪声，下文将简单称作“波涛噪声”，相对于先有技术的八个或十六个水听器组不是真正随机的，从而在每组中的水听器模拟输出信号的求和在减小噪声方面不是非常有效。而且，波涛噪声的重要性随波浪或波涛高度增大到当天气引起高度超过一定级，一般2至4米，的程度，而急剧增大，信噪比降低得如此之多，以致于勘探不得不暂停，直到天气变好。这种“天气停工时间”可能基本上添加到勘探的整个成本上。

美国专利No.4,821,241描述了一种把自适应信号处理应用于膨胀波的衰减的方法。这里提出与拖缆中的水听器共同定位应力传感器。应力传感器响应施加到绳缆上的机械应力，但基本上不响应在液体介质中传播的声波。来自应力传感器的信号输出与来自对应共同定位水听器的信号输出相结合，以抵消由膨胀波造成的寄生信号。

美国专利No.5,251,183描述了另一种把自适应信号处理应用于膨胀波的衰减的方法。在该专利中提出使用固定在拖缆的引入段与水听器之间的加速表。记录内射和互射加速表及水听器信号。该方法利用内射和互射自适应处理环路。互射自适应处理环路从内射加速表信号和互射水听器信号导出互射综合权重。内射自适应处理环路通过把互射综合权重与内射加速表信号相结合把内射水听器信号中的膨胀波噪声模型化。通过从内射地震检测器信号上减去内射膨胀波模型实现膨胀波噪声衰减。

其他类型的噪声，如当拖缆经受横流时产生的横流噪声，具有与这种膨胀波噪声类似的特性。当地震勘探船和拖缆在地震勘探期间正在转向时，横流噪声是一个特别重要的问题。在船正在转向时，横流噪声的级一般在转向期间是如此之大，以致于完全停止地震数据记录。先有技术的地震数据信号处理方法也不能适当地衰减这些类型的噪声。

因此本发明的目的在于，提供用来在海洋地震勘探中减小诸如膨胀噪声之类的噪声的影响的方法和设备。

根据本发明的一个方面，提供有一种地震探测系统，该系统包括：一根拖缆，用来接收从水体下面的岩层反射的地震信号，拖缆包括沿其以不大于500cm的平均间隔分布的多个水听器；模数转换器装置，接收和数字化水听器的模拟信号，以便为每个水听器产生一个分离的数字化信号；及一个滤波器，与至少一个邻近水听器的数字化信号一起接收数字化信号作为输入，并且产生一个具有减小噪声含量的信号。

根据本发明的另一个方面，提供有一种进行海洋地震勘探的方法，该方法包括：

-在要勘探的区域上方的水中拖引至少一根包括沿其以不大于500cm的平均间隔分布的多个水听器的地震拖缆；

-把声信号向下穿过水且指入下面的大地；

-用水听器接收从水下面大地中的岩层反射的地震信号；

-分别数字化每个水听器的输出；及

-滤波所述输出以减小在所述输出中存在的噪声并且产生一个具有减小噪声含量的信号，所述滤波步骤使用至少一个邻近水听器的数字化输出作为进一步的输入。

本发明基于这样的发现，主要噪声分量一般具有在低频范围内小于20米的相干长度。通过以显著低于该距离的间隔抽样波场以避免或至少减小混淆、和应用适当的噪声滤波技术，有可能比通过已知的组形成方法更有效地减小在记录拖缆数据中的噪声量。噪声的相干长度由包括拖缆设计、构造、拖引和天气条件的各种参数确定。

具体地说，本发明提出以小于500cm的平均抽样距离抽样波场。这种抽样密度不可能通过常规“组形成”探测数据实现，其中相邻水听器的输出连线在一起。这种已知技术平均在噪声相干长度上的测量，因而使它不适用于常规的相干噪声滤波方法。

本发明提供一种能把由单个水听器所测量的地震信号转换成相同信号的噪声减小形式的系统。这种噪声减小信号或者在所谓的“预叠置”域中适用于以后的处理步骤，或者在通常称作“叠置”的过程中该信号能与其他水听器的噪声减小信号相结合。

术语“相邻”水听器是指包括直接相邻的水听器，而且还有其中使用邻近(但不直接相邻)水听器的输入的情形。

最好，水听器间隔位于200cm至330cm的范围内，并且例如可以是约205cm至210cm、或约305cm至315cm。

最好把时空滤波用来衰减来自接收信号的噪声。一般有可能在地震勘探中按照频率、传播方向和(视在)速度广泛地区分噪声和地震信号。

按照本发明的另一个方面，滤波器起射束形成器的作用，即按照输入信号的空间和/或时间谱含量分辨其响应。

希望滤波器是一个自适应滤波器，是一个在预定组约束下适应其滤波器权重或系数的滤波器更好。

在一个具体最佳实施例中，滤波器包括具有K个通道的M个空间和/或时间局部多通道自适应滤波器，每个通道具有长度L0对于大多数用途，数值M、K和L等于或大于二。

用于地震信号噪声衰减的滤波器组的使用在国际专利申请NoWO97/25632中已经描述。然而，本发明为了计算适应滤波器组系数不需要定义基准通道。换句话说，无噪声估计进入适应过程。因此，本方法能应用于噪声污染的地震信号，其中没有可得到噪声的独立测量或估计。

根据本发明的一个方面，这样约束滤波器组的系数，从而其响应与具有规定探视方向的射束形成器的响应相对应。

该方法能在存储数据上或在得到的原始地震数据上进行。因而原始地震数据可以根据该方法在数据探测现场滤波。这保证可从数据探测现场得到“清洗的”的信号，并且可以从现场以这种形式直接下载这种信号。这减少为离场分析必须发送的数据量，并且减少为了离场分析与噪声数据的累计足够量有关的成本和存储问题。该方法能应用于单传感器记录，即应用于在把两个或多个地震传感器的信号相结合的任何组形成之前的记录。

熟悉本专业的技术人员由如下详细描述和附图将理解和懂得本发明、最佳实施例及其变例的这些和其他特征。

图1A是按照本发明的第一种实施拖有一阵列地震拖缆的地震勘探船的一般说明；

图1B是示意剖视图，表明采用本发明一个实施例的拖缆的一部分；及

图2是按照本发明的自适应射束形成器的一般方块图。

图1A表示拖有一个穿过水体的声源和拖缆的地震船。地震船10拖拉至少一个声源11和至少一根地震拖缆12。拖缆12由连接到位于船上的绳缆存储卷轴14上的引入绳缆13固定到船10上。一个尾浮标15由长展开绳子或类似材料连接到绳缆的远端上。尾浮标可以选择性地装有一个用来定位拖缆端部的声、电磁或可见装置。

如图1B中所示，拖缆12的每一段包含在地震技术中熟知的多个水听器21。水听器由一根传送线(未表示)互连到位于船上的远程记录装置上。相邻水听器不连线成产生单个输出的组。而是，每个水听器设置成产生以后在下面描述的过程中滤波的分离输出g_i。

另外，拖缆包含设计成吸收在拖拉时施加到绳缆上的拉应力的应力件22。检测和强度元件由一个细长管形式的塑料护套23围绕着。护套最好填充有轻重量的平衡流体，以使该段有零或稍正的浮力。当充满流体时，护套的内部基本上为大气压。护套的圆柱形式由多个未表示的隔壁保持。

由于拖缆穿过水体拖拉，所以气枪11发射，并且如此产生的声能穿过水层和洋底下面的岩层传播。在各个反射点或反射平面处，反射部分声能。水听器21绳缆接收通过拖缆的直接波场和任何反射或衍射波场。接收的波场在大多数情况下由来自各种源的噪声严重污染。

为了衰减在接收信号中的有害噪声，水听器21可以以3.125米的间隔隔开。即使试验数据建议用2.25米的抽样间隔能实现较好的噪声衰减，最佳间隔也受到多种限制，如用于数据传送的可用带宽和记录或制造成本。用于水听器分离的以上值从湿(煤油填充的)拖缆导出，并且抽样间隔的修正对于其他类型的拖缆，如固体和半固体拖缆，可能是必需的。

在关于下述例子与适当噪声滤波方法的结合中，以上选择的抽样间隔导致有害噪声的减小，特别是相干噪声，如膨胀波噪声、波涛噪声、及横流噪声。

现在参照图2，这里表示一种用作减小单传感器记录的噪声的自适应射束形成器的一般方块图。假定存在K个传感器位于r_k处，k=1,…,K。每个传感器K使用一个A/D转换器记录信号g_k(n),n=1,…,N。字母‘n’用作分立时间样本的下标。抽样间隔是Δt。使用指向一般“信号方向”的延迟τ_k射束控制信号g_k(n)。这是期望地震信号从其到达的一般方向。射束控制通道x_k(n)由局部多通道自适应滤波器处理以产生输出信号：[1]         $y\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{V=-L_1}{\overset{L_2}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(n\right)w_{\mathrm{ikv}}{X}_k(n-v)$

其中W_ikv(t)是自适应滤波器的可调节系数，h_i(n)是在输出端处施加的窗口，M是局部多通道自适应滤波器的数量(或输出窗口的数量)，及L=L₁+L₂+1是每条通道系数的数量。这里和下面，在字母下的条指示向量(小写字母)或矩阵(大写字母)。

公式[1]能重写为对标量乘积的(窗口)求和，方法是使用在时间t定义为如下的分支输入(tap-input)向量x(n)：

  x(n)≡[x₁(n+L₁)，…，x₁(n-L₂)[2]    x₂(n+L₁)，…，x₂(n-L₂)，x_K(n+L₁)，…，x_K(nL₂)]^T和定义为如下的分支权重(tap-weight)向量w_i $w_i\≡\[w_{i1(-L_1)},...,w_{i1L_2},w_{i2(-L_1)},...,w_{i2L_2}$ [3]     $w_{\mathrm{ik}(-L_1)},...,w_{i{\mathrm{KL}}_2}{\]}^T$ 使用定义[2]和[3]，公式[1]成为[4]     $y\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(n\right)w_i^T{x}_k\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(n\right)x^T\left(n\right)w_i.$

公式[1]和[4]描述一旦M分支权重向量w_i已经规定如何找到射束形成器或滤波器组输出。作为下面描述的优化问题的解计算这些向量。优化问题定义为[5]     $\underset{w_1,...,w_M}{\min }J=\underset{w_1,...,w_M}{\min }\{J_1+\frac{{\mathrm{\δ}}^2}{\mathrm{KL}}{J}_2\}$ 受到约束[6]    C^Tw_i=f其中i=1,2，…M和[7]     $J_1=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2(n$ 及[8]     $J_2=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|w_i\left|\right|}^2\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(n\right){\left|\right|x\left(n\right)\left|\right|}^2$

KL是滤波器系数的总量，并且||.||指示L₂范数。该成本函数是射束形成器的输出功率(公式[5]中的第一项)、和由输入功率加权的射束形成器的所谓“白噪声增益”(公式[5]中的第二项)的线性组合。两项的相对权重由δ²项调节。在成本函数中包括射束形成器的“白噪声增益”打算增大在信号模型化不确定性(有时叫做扰动)的存在中的射束形成器强度、和在信号与噪声之间的数值相关。

公式[6]描述对于对优化问题的允许解的Q线性约束。这里，KLxQ矩阵C是约束矩阵，而Q向量f是响应向量。下面讨论线性约束的实际设计。

优化的可能解取决于把如下两种约束施加到窗口函数h_i(n)上：[9]     $\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(n\right)=1$ 对于n=1,2,…N，和[10]    h_i(n)h_j(n)=0

对于j＜＞i-1、i、和i+1。第一约束保证如果所有的局部滤波器(w_i)都相同，则滤波器组等效于单个滤波器情形。第二约束保证窗口具有紧凑的支持。

优化问题使用第二条件(公式[10])能分离到很大程度，并且近似

∑∑    ∑h_i(n)h_j(n)w^T _ix(n)x^T(n)w_j≈

n i j=i-1,i+1[11]∑∑    ∑h_i(n)h_j(n)w^T _ix(n)x^T(n)w_in    i j=i-1,i+1

公式[11]的近似要求相邻滤波器应用于其中相邻窗口重叠的时域中的相同输入数据上时产生类似的结果，而不是要求相邻滤波器在点对点基础上相似。因而，该近似类似于要求两个函数的积分而不是函数本身是精密的。

借助于这种近似，成本函数的第一项J₁成为

与[13]     ${\mathrm{\Φ}}_i=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{h}_i\left(n\right)x\left(n\right)x^T\left(n\right)$ 在成本函数中的第二项能重写为：[14]     $J_2=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left|w_i{|}^2\mathrm{tr}\right\{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(n\right)x\left(n\right)x^T\left(n\right)\},$

用“tr”指示矩阵的轨迹。

把公式(5)、(12)、(14)相结合，并且重新组织诸项，总成本函数能写为：[15]     $J=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^T\{{\mathrm{\Φ}}_i+\frac{{\mathrm{\δ}}^2}{\mathrm{KL}}\mathrm{tr}\left({\mathrm{\Φ}}_i\right)I\}{w}_i,$

其中L指示KLxKL纯量矩阵。对于受到约束[6]的M个时间窗口的每一个能解决分离优化问题。使用拉格朗日乘子法，由下式给出在每个窗口中的最佳分支权重[16]     $w_i^{*}=\widetilde{{\mathrm{\Φ}}_i}C_{-1}{\left(C^T\widetilde{{\mathrm{\Φ}}_i}C_{-1}\right)}^{-1}f,$ 与[17]     $\widetilde{{\mathrm{\Φ}}_i}={\mathrm{\Φ}}_i+\frac{{\mathrm{\δ}}^2}{\mathrm{KL}}\mathrm{tr}\left({\mathrm{\Φ}}_i\right)I,$

修正相关矩阵φ_i~的第二项能考虑为调整项，以δ²作为调整参数。在阵列信号处理文献中，在窄带射束形成的上下文中，已经建议借助于标量化纯量矩阵的添加调整相关矩阵以增大扰动存在的强度。这里，成本函数[5]包括从开始引导至对于宽带自适应射束形成的一般化的调整项。因此，滤波器响应作为信号频率的函数而变化。

当至射束形成器的输入数据的特征在于时空不相关的(或白)噪声时，相关矩阵φ_i和修正相关矩阵φ_i~都成为与纯量矩阵成比例。在这种情况下，最佳权重向量成为[18]    W_i ^*≡W_q=C(C^TC)^-1f。权重向量W_q叫做对于最佳射束形成器问题的静态解，并且对应的响应称作静态响应。注意静态解完全取决于约束矩阵C和响应向量f。

即使对于一般的噪声场，当增大调整参数δ²时，最佳权重向量W_i也近似于静态权重向量W_q。在这种情况下，修正相关矩阵φ_i~近似于纯量矩阵(cf.(17))。调整参数δ²因此加权在完全取决于接收数据的解、与独立于数据的解之间的最佳解。对于δ²=1，在其对应相关矩阵具有同样轨迹值的意义上，等同的加权两个解。在其中扰动较高、即关于地震探测几何条件的假定不准确地保持的情形下，求出具有较高级调整的射束响应能给出更健全的结果。

本发明的另一个方面涉及要施加于射束形成器的线性约束(公式[6])。

能施加于射束形成器的一种类型的线性约束是设计成保存从目标方向入射的地震信号的那些，同时抑制从其他方向入射的干扰。诸如图2中所示的那些之类的控制延迟τ_k限定单个“探视方向”。在该方向上入射的信号同相，并且对于这些信号，系统能认为是单个FIR(有限脉冲响应)滤波器。用于该等效处理器的系数值等于自适应处理器中对应系数之和。每个局部射束形成器w_i包括处理来自每个通道的数据的自适应滤波器w_i1、w_i2、…、w_ik及一个求和单元。约束各个滤波器w_i1、w_i2、…、w_ik之和以给出w_eq。w_eq是用于在探视方向入射的信号，例如在探视方向的单元脉冲，的希望响应：[19]     $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ik}}=w_{\mathrm{eq}},$ 对于i=1,2,…M，并且根据下式划分w_ik[20]    wi=[w₁ ^T,w₂ ^T,…,w_K ^T]^T线性约束公式[6]能重写为矩阵公式[21]     C^Tw_i=w_eq=f,其中KLxL矩阵[22]    C=[I,I,…,I^T,是约束矩阵，并且I是LxL纯量矩阵。对于在探视方向的无失真响应，w_eq能选择作为单元脉冲，例如[23]     w_eq=[0,0,…,0,1,0,…,0]^T。

静态响应然后成为对于所有元件具有单独相等权重的固定权重射束形成器的响应。在频率波数域中，这对应于在f方向是常数的同步函数。因此，为了增大调整参数δ²的值，射束形成器不仅保存从探视方向入射的信号，而且保存从相邻方向入射的信号。

尽管决不限制本发明方法和系统，但示范处理参数可以包括使用3.125米间隔的七条输入轨迹、11点滤波器长度、83点窗口长度、使用正交镜象滤波器技术的16毫秒重新抽样、对于较高子带的标准FK分解、及0.2调整因数。

本发明方法和系统可以在种种另外的实施例中实施。水听器可以沿拖缆以均匀或非均匀间隔分布，并且拖缆可以是湿的、固体的、或半固体的。尽管模数转换装置最好靠近水听器布置，但他们能可选择地布置在较远处，或者甚至能布置在地震勘探船上。对于水听器的每一个能产生和记录滤波输出信号。这一般通过滤波由每个水听器产生的数字化信号以及由该水听器任一侧的最近N个水听器产生的数字化信号实现(N是大于或等于1的整数，如3)。另外，滤波过程能联系数字组形成使用。在该类型的实施例中，例如，水听器间隔可以是3.125米，而输出轨迹的空间分离可以是12.5米。在该类型的实施例中，滤波过程一般使用来自定位在希望输出轨迹的位置处的水听器的数字化信号、与来自在该具体水听器任一侧最近水听器的1与4之间的数字化信号。尽管当水听器隔开间隔是均匀时(即对于中心水听器的位置产生一条输出轨迹)滤波一般利用奇数个数字化信号(三个或多个)，但滤波过程也能用来产生位于偶数个数字化信号中心处的“同步”轨迹。

如在上段中讨论的那样，使用探视方向约束和调整，有可能保存从探视方向附近的方向入射的信号。

Claims (9)

1．一种地震探测系统，包括：一根拖缆，用来接收从水体下面的岩层反射的地震信号，拖缆包括沿其以不大于500cm的平均分离间隔分布的多个水听器；模数转换器装置，接收和数字化水听器的模拟信号，以便为每个水听器产生一个分离的数字化信号；及一个滤波器，与至少一个邻近水听器的数字化信号一起接收数字化信号作为输入，并且产生一个具有减小噪声含量的信号。

2．根据权利要求1所述的系统，其中平均水听器间隔位于200cm至330cm的范围内。

3．根据权利要求1所述的系统，其中滤波器的响应按照输入信号的空间和/或时间谱含量而变化。

4．根据权利要求1所述的系统，其中滤波器是自适应的。

5．根据权利要求1所述的系统，其中滤波器是一个滤波器组。

6．一种进行海洋地震勘探的方法，该方法包括：

-在要勘探的区域上方的水中拖引至少一根包括沿其以不大于500cm的平均间隔分布的多个水听器的地震拖缆；

-把声信号向下穿过水且指入下面的大地；

-用水听器接收从水下面大地中的岩层反射的地震信号；

-分别数字化每个水听器的输出；及

-滤波所述输出以减小在所述输出中存在的噪声以便产生一个具有减小噪声含量的信号，所述滤波步骤使用至少一个邻近水听器的数字化输出作为进一步的输入。

7．根据权利要求6所述的方法，其中所述滤波基本上衰减在所述输出中存在的膨胀噪声。

8．根据权利要求6所述的方法，其中所述滤波基本上衰减在所述输出中存在的横流噪声。

9．一种处理海洋地震数据的方法，这些数据是通过以下方式获得的：在要勘探的区域上方的水中拖引至少一根包括沿其以不大于500cm的间隔分布的一般均匀隔开的多个水听器的地震拖缆、把声信号向下穿过水且指入下面的大地、及用水听器接收从水下面大地中的岩层反射的地震信号获得的，该方法包括分别数字化每个水听器的输出、和滤波这个输出以减小在所述输出中存在的噪声和产生一个具有减小噪声含量的信号，所述滤波步骤使用至少一个邻近水听器的数字化输出作为进一步的输入。

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