CN1664617B - 用于组合记录在海洋地震拖缆中的压力传感器信号和质点运动传感器的信号的方法 - Google Patents

Abstract

组合位于海洋地震拖缆中的压力传感器和质点运动传感器的信号，以产生具有大致相同宽度带宽的压力传感器数据和质点运动数据。根据所记录的压力信号计算出运动信号有噪声的低频部分且将其与无噪声的运动信号合并。因此，可以组合两种宽度的带宽数据组以计算出全部的向上传播及向下传播波场。

Description

用于组合记录在海洋地震拖缆中的压力传感器信号和质点运动传感器的信号的方法

技术领域

本发明通常涉及地球物理探测领域。尤其是，本发明涉及海洋地震探测领域。具体地说，本发明是一种用于组合海洋地震拖揽中的压力传感器和质点运动传感器的信号的系统。

背景技术

在地震探测中，通过下述方式而获得地球物理资料，即从声源将声能施加到地表并且检测由地下地层中不同层间的分界面所反射的地震能量。当分界面以上的地层和分界面以下的地层之间存在声阻抗上的差异时，就会反射地震波场。当在海洋地震探测中采用牵引拖缆时，地震拖缆典型地在水深约六到九米之间被牵引在探测船之后，但是也可以更浅或更深地牵引。在所述拖缆电缆中包含水下地震检波器，以用于检测地震信号。水下地震检波器是一种水下压力斜坡传感器，其将压力波转换为电或光信号，典型地将所述电或光信号记录以用于信号处理，以及估算该信号以测定地表下面的特性。

在典型的地球物理探测格局中，在一艘船的后面牵引了多条拖揽电缆。一个或多个地震声源也通常被牵引在该船后面。所述地震声源将地震能量或波传送到地表，而所述波由地表中的反射物反射并由拖揽中的传感器记录，所述地震源典型地是一个气枪阵列，但也可能是一种水枪阵列或所述领域普通技术人员所熟知的其他类型的能量源。防水雷器典型地用于在牵引时将电缆保持在所期望的水平位置。替换地，所述地震电缆大体上保持在水域中的一个固定位置，漂浮在选定深度或是位于水域底部，无论在哪种情况下，都可以将声源牵引在船后以在不同位置产生声能，或者也可以是将所述能量源保持在一个固定位置。

在反射波到达拖揽电缆之后，波继续传播到水面处的水/空气分界面，在该界面处波向下反射且被拖揽电缆中的水下地震检波器再一次检测到。水面是个好的反射物，并且水面处反射系数的大小几乎是1，且与压力信号符号相反。因而在表面处反射的波与向上传播波相比相位改变了180度。由接收器记录的向下传播波通常称作是表面反射或″虚反射″信号。由于这种表面反射，水表面的作用就象一个在所记录的信号中创建了频谱槽的过滤器，这使得很难记录所选带宽以外的数据。由于表面反射的影响，记录信号中的一些频率被增强了而一些频率被减弱了。

最大衰减发生在检测水下地震检波器和水面之间的传播距离等于二分之一波长时的频率处。最大增强将发生在检测水下地震检波器和水面之间的传播距离是四分之一波长时的频率处。声波的波长等于速度除以频率，水中声波的速度约为1500米/秒。相应地，结果频谱槽的频谱频率中的位置可以容易地测定。例如，对位于7米深度的地震拖揽，以及垂直入射波，最大衰减将发生在约107Hz频率处，而最大增强将发生在约54Hz频率处。

常规上不是在比约九米更深处牵引拖揽电缆，因为在由水下地震检波器所检测到的信号频谱中频谱槽的位置大体上减小了记录数据的实用性。常规上也不会在小于六米的深度牵引拖揽，这是因为与在地震拖揽数据中所引发的噪声相关的表面的显著增大。

常规上也这样来完成海洋地震作业，其中将传感器设置在水底。这种操作典型地称为″海底地震″操作。在海底地震作业中，将压力传感器(水下地震检波器)和质点运动传感器(地震检波传感器，地震加速度检波器)都设置在海底以记录地震数据。

如地震检测传感器这样的质点运动传感器具有方向敏感性，而如水下地震检波器这样的压力传感器则不存在方向敏感性。相应地，由靠拢在一起而设置的地震检测传感器和水下地震检波器所检测到的向上传播波场信号是同相位的，而要记录的向下传播波场信号则是180度异相位的。已经提出了多种技术来利用相位差异来减少由表面反射所引起的频谱槽，并且如果所述记录是在海底做出的还可减弱水媒倍增(water borne multiples)。值得注意的是，同时设置地震检测传感器和水下地震检波器的一种替代方式是具有空间密度上足够多的传感器，以便可以对由水下地震检波器和地震检测传感器所记录的相应波场进行内插或外推以在相同的位置产生两个波场。

由Ruehle申请的美国专利4,486,865中描述了一种系统，其通过组合压力和速度检测器的输出端而抑制虚反射。所述检测器是成对的，在每对中有一个压力检测器和一个速度检测器。据称有一个过滤器来改变至少一个所述检测器的频率组成，以便在组合所述输出端时可以抵消虚反射。

由Moldovenu申请的美国专利5,621,700中也描述了一种用于减弱虚反射和水层反射的方法，其在海底电缆中利用至少一个包含压力传感器和速度传感器的传感器对。

由Sanders等申请的美国专利4,935,903中描述了一种海洋地震反射探测系统，其利用压力传感器-质点速度传感器对(例如，水下地震检波器-地震检波传感器对)或者替换地利用垂直-空间压力传感器来检测在水中传播的地震波。所述系统通过添加虚反射数据而引起原始反射数据的增强以供叠前处理使用。

由Barr申请的美国专利4,979,150中提供了一种用于海洋地震探测的方法，据称是通过对在水中位置上大致彼此接近的压力传感器和质点速度传感器的输出端施加一个比例系数，来减弱由水柱反射而引起的相干噪声。如在该专利中所描述的，所述传感器可以位于海底，虽说最好是在海底，但也可位于底层上面的水中的位置。

与本发明具有共同发明人和指定给本发明受让人的于2002年8月30日提交发明名称为″用于多元海洋地球物理数据采集的装置及方法″的共同待审美国专利申请10/233,266，其中描述了一种用在拖揽电缆中的质点运动传感器以及一种用于补偿及组合质点运动传感器和共同设置的压力梯度传感器的输出信号。

如所引用的专利中显示的，这在技术上已经是公知的，即可以合并压力和质点运动信号以便得出向上传播及向下传播的波场。对于海底记录来说，可以接着组合向上传播及向下传播波场，以便消除表面反射效应以及减弱地震信号中的水媒倍增(water borne multiples)。然而对于所牵引的拖揽操作，由于质点运动信号中的高噪声等级而认为质点运动信号限制了实用性。然而，如果可以为所牵引的拖揽操作提供质点运动信号，则可以从所述数据中消除表面反射效应。

与本发明具有共同发明人和指定给本发明受让人的于2003年7月16日提交发明名称为″利用运动传感器和压力传感器数据进行地震探测的方法″的共同待审美国专利申请10/233,266，其中描述了一种通过组合在水柱中测出的向上传播及向下传播波场而减弱倍增(multiples)的方法，其中所述波场是从如水下地震检波器这样的压力传感器与如地震检波传感器这样的动作传感器的组合中计算出的。然而，该方法假定了压力和动作两种数据都具有相同的带宽。

然而，由于拖揽中振动所引起的噪声的原因，很难在运动传感器数据中获得与在压力传感器数据中相同的带宽，所述噪声由质点运动传感器来检测。然而所述噪声主要限于低频。减少所述噪声的一种方法是将几个传感器串联或者并联。然而这种方法并不总是能降低足够的噪声以产生出适宜于进一步用于地震处理的信-噪比。

因而，需要一种方法以获得其在低频具有满意的信-噪比的有效质点运动信号。尤其是，需要一种方法以便为位于所牵引的海洋地震拖缆中的质点运动传感器及压力传感器产生一个与所记录的压力信号具有大致相同带宽的质点运动信号。

发明内容

本发明是一种用于组合位于海洋地震拖缆中的压力传感器和质点运动传感器的信号的方法。因此，利用海洋地震拖缆的深度及水中的声波速度，在低频区根据压力传感器信号而计算出质点质点运动传感器信号。

在本发明的进一步实施例中，一种完全三维的数学解法考虑到了这样的事实，即从地表处返回的能量以一定范围的入射角到达接收器，而不是仅在同轴的方向上或给定的方向上，比如垂直方向。

附图说明

参考以下的详细描述及附图，可以更容易地理解本发明及其优点，其中：

图1是一个方法的示意图，该方法用于获得可被本发明的方法采用的海洋地震数据；

图2是一个流程图，其示出了本发明方法实施例的处理步骤，该方法用于组合如水下地震检波器这样的压力传感器及如地震检波传感器这样的质点运动传感器的信号，所述传感器位于海洋地震拖缆中；

图3是在13m深度处记录的一段水下地震检波器信号。

图4是与图2中的水下地震检波器信号同时记录的一段相应的地震检波传感器信号图；

图5是分别从图2和3中的水下地震检波器及地震检波传感器信号的一段振幅频谱图；

图6是水下地震检波器信号以及图5中逐渐减弱的地震检波传感器信号的一段振幅频谱图；

图7是如图5中所示的水下地震检波器信号和逐渐减弱的地震检波传感器信号的一段振幅频谱图，并且还有一个所计算的、逐渐减弱的地震检波传感器信号振幅频谱图。

图8是水下地震检波器信号以及图7中合并的地震检波传感器信号的一段振幅频谱图；以及

图9是通过将水下地震检波器信号与图7中的地震检波传感器信号相加而产生的向上传播波场的一段振幅频谱图。

虽然本发明将结合优选实施例一起描述，但是很显然本发明并不局限于此。相反，本发明覆盖了可包含在如附加权利要求所定义的本发明范围内的所有替换、改进、以及等价体。

具体实施方式

图1图示了用于获得本发明方法中可使用的海洋地震数据的方法的简图(未按比例绘制)。地震船101位于地表103上面的水域102中。在水底104之下，地表103包含所考虑的地下岩层，如位于上边界106和下边界107之间的地层105。地震船101在水表面108上移动且包含地震采集控制设备，通常标记为109。所述地震采集控制设备109包括导航控制，地震源控制、地震传感器控制、以及记录装置、地震采集技术中已知的所有类型。

地震采集控制设备109使得由地震船101牵引在水域102中的地震声源110在所选时间启动。所述地震声源110可以是本领域中已知的所有类型的地震采集，包括气枪或水枪，或者尤其是一组气枪。地震拖揽111也由地震船101牵引在水域102中以记录起源于地震声源110的声音波场和由外界环境中分界面所反射的声波场。虽然为了说明的目的，此处只显示了一条地震拖揽111，但是一般在地震船101后面都牵引着多条地震拖揽111。地震拖揽111包含传感器以检测起源于地震声源110的反射波场。通常，地震拖揽111包含压力传感器，如水下地震检波器112，但是双传感器地震拖揽111也包含水质点运动传感器，如地震检波传感器113。水下地震检波器112和地震检波传感器113典型地沿着地震拖揽111每隔一定间隔成对或成几对设置。然而，传感器112、113的类型或他们在地震拖揽111中的位置并不是用于限制本发明的。

每次启动地震声源110时，声音波场呈球状扩展波阵面向上及向下传播。此处将通过垂直于所述波阵面的射线路径来说明波阵面的传播。由射线路径114表示的向上传播波场将在水面108处的水-空气分界面反射回来，然后向下传播，如射线路径115，其中，通过地震拖揽111中的水下地震检波器112和地震检波传感器113来检测所述波场。令人遗憾的是，如射线路径115的在水面108处的这种反射并不包含有关所关注的地下岩层的有用信息。

在射线路径116中的向下传播波场将在水底104处的地-水分界面反射回来，然后向上传播，如射线路径117，其中，通过水下地震检波器112和地震检波传感器113来检测所述波场。如射线路径117中的这种在水底104处的反射包含着关于水底104的信息。射线路径117是一个一次反射的实施例，其在地下地球中具有一个反射。如射线路径116中所示的向下传播波场可以如射线路径118所示的那样经过水底104而传播，且在比如105这样的地层的如107所示的层边界处反射回来，然后向上传播，如射线路径119中所示。因此，射线路径119所示的向上传播波场可以被水下地震检波器112和地震检波传感器113检测出来。这种在层边界107处返回的反射包含了关于所关注的地层105的有用信息，且也是一个一次反射的示例，具有在地下地层处的一次反射。

令人遗憾的是，声波场将继续在如水底104、水面108、以及地层分界面106、107这样的分界面处反射回来并进行组合反射。例如，射线路径117中的向上传播波场将在水面108处反射回来，在射线路径120中继续向下传播，在水底104处反射回来，并在射线路径121中再次继续向上传播，其中所述波场可通过水下地震检波器112和地震检波传感器113来检测。射线路径121是一个多次反射的实施例，也简称为“多反射″，其具有在分界面处的多次反射。同样地，射线路径119中的向上传播波场将在水面108处反射回来，继续在射线路径122中向下传播，在层边界106处反射回来且在射线路径123中再次继续向上传播，其中所述波场可以通过水下地震检波器112和地震检波传感器113来检测。射线路径123是另一个多次反射的实施例，也具有在地下地球中的多次反射。所述多次反射包含了关于所关注地层的冗余信息，且通常要在进一步处理之前从地震数据中去除。

本发明是一种用于组合位于地震拖揽中的压力传感器(典型地是水下地震检波器)和质点运动传感器(典型地是地震检波传感器或地震加速度检波器)的信号的方法。接着利用所述组合的信号产生向下及向上传播波场，其有益于进一步的地震处理，如海洋地震数据中的多反射衰减。由于所牵引拖揽中振动的原因所记录的质点运动信号经常被低频噪声干扰，因此，组合信号的信-噪比将很小。如果压力传感器信号的频谱在给定的频率范围内具有满意的信-噪比(且在这个频率范围内没有槽)并且压力和质点运动传感器的深度是已知的，那么可以在这个频率范围内根据压力传感器信号而计算出质点运动信号。如果传感器的深度未知，可以根据表面反射所引起的频谱槽频率来计算出所述深度，这在本领域中有一种公知的方法。

因为其具有低信-噪比，因而典型地需要替换所述质点运动信号的低频部分。这个低频部分被称为’频率范围’。用于计算所述质点运动信号的压力传感器信号的相应部分在该频率范围内典型地具有好的信-噪比。因此，最好是这样选择压力传感器的深度，以便由表面反射所引起的压力传感器信号中的第一个频谱槽的频率高于所述频率范围。

由于所牵引拖揽的振动会将大量的噪声添加到质点运动传感器的信号中，因此本发明的方法对牵引海洋地震拖缆尤其有用。因而，将根据所牵引的拖揽来说明本发明的方法。

本发明方法使用这样的压力传感器，即其响应介质中的压力变化，而所述压力传感器耦合于该介质中。所述介质典型地是水。仅为了清楚而利用水下地震检波器来说明本发明的方法，但这不意味着限制本发明。

本发明的方法使用这样的质点运动传感器，即其响应水质点中的运动，而所述运动传感器耦合于水中。通常，质点运动传感器可以响应质点位移、质点速度、或介质中质点加速度。在本发明中，最好是质点速度传感器。因此，如果采用响应位移的运动传感器，则最好是对位移信号进行微分以通过本领域中公知的计算方法将其转换为速度信号。如果采用响应加速度的运动传感器(典型地称为地震加速度检波器)，则最好是对加速度信号进行积分以通过本领域中公知的计算方法将其转换成速度信号。

在本发明的替换实施例中，在地震电缆中采用了多元运动传感器。仅为了清楚的目的而利用地震检波传感器来说明本发明的这个实施例，但这并不意味着限制本发明。在一个三元地震检波传感器的具体实施例中，增加一个地震检波传感器以在垂直方向上检测质点速度。这个地震检波传感器被称作垂直地震检波传感器。在相对于彼此且相对于垂直固定的地震检波传感器均正交的方向上增加两个地震检波传感器，以便检测水平运动。典型地，定位一个三元地震检波传感器以检测垂直方向的运动、在直线方向的运动、以及在正交线方向的运动。在这三个方向安置这些地震检波传感器使得检测入射信号的传播方向成为可能。它同时使得对地震电缆的颤动或其他机械活动的检测成为可能。为了清楚的目的而利用垂直地震检波传感器来说明本发明的方法，但这不意味着限制本分明。

虽然需要对输出信号进行积分以得到速度，但是地震加速度检波器仍可作为使用地震检波传感器的一种替换而用作粒质点运动传感器。某些地震加速度检波器产生一个输出信号，该输出信号表明地震加速度检波器的方向相对于所选方向的变化。相应地，利用两个地震加速度检波器的设置(用在直线方向已知的场合)或三个地震加速度检波器的设置(如果直线方向未知)，可以计算出传感器方向而不必将地震加速度检波器保持在一个特定的方向。

通过参考图2的流程图中的表述而说明本发明的方法。此处利用水下地震检波器作为压力传感器以及采用垂直地震检波传感器作为质点运动传感器而说明本发明的方法，但这不意味着限制本发明。在以下参考图3-9讨论的实施例中，在长为1300m深度位于13m处的牵引地震拖揽中每隔0.7m设置水下地震检波器和地震检波传感器系统，所述牵引地震拖缆在13m深度处具有一个地震声源。在地震声源和水下地震检波器/地震检波传感器系统之间的水平距离约为1300m。这些特定的实施例仅是用于说明的目的，而不是为了限制本发明。

图2图示了一个流程图，其说明了在本发明方法的实施例中的处理步骤，以用于根据水下地震检波器信号来计算出地震检波传感器信号，然后组合来自于位于海洋地震拖缆中的水下地震检波器和地震检波传感器的信号。

在下面选择讨论中，空间-时间域中的信号用小写字母表示，而在频波-数字域中的相同信号用相应的大写字母(大写字母)表示。

在本发明的优选实施例中，(空间)是一个矢量且等于(x，y)、其中x是沿着拖揽的方向而y是正交线的方向。在其他实施例中，y可以保持恒定，以便单独分析每个电缆。选择这个方案的一个可能的原因是在明显不同的深度处设置电缆。同时，在其他实施例中、x也可以保持恒定，以便分别地分析每个传感器。如果每个电缆内传感器的深度明显不同，那么后者典型地是较佳的选项。

在本发明的优选实施例中，

(波数)是一个矢量且等于(k_x，k_y)，其中k_x是x轴方向的波数而k_y是在y轴方向的波数。在其他实施例中，k_y可以不予考虑以便单独地分析每个电缆。在这种情况下，选定了对每个电缆的正交线传播的固定方向。这个方向可以是垂直的或任一其他方向。选择这个方案的可能原因是在明显不同的深度处设置所述电缆。同样地，在其他实施例中，k_x和k_y都可以不予考虑，以便分别地分析每个传感器且仅采用每个所记录的轨迹的频谱。如果每个电缆内传感器的深度明显不同，则后者典型是一个较佳的方案。在这种情况下，所述转换数据将位于f-x域中

以下讨论采用了海洋地震探测中针对深度位于几百米到几千米的目标的实施例，即所谓的深度地震探测。然而，本发明也适用对较深目标及较浅目标的探测。

在图2的步骤21，将一组水下地震检波器数据和一组相应的地震检波传感器数据从空间-时间域转换到频率-波数域，分别产生一个转换水下地震检波器信号和一个转换地震检波传感器信号所述转换最好是一个傅里叶变换，但这并不是限制本发明。

本发明的方法可以在多种变换域中进行，其将波场分隔成角度分量(angular components)，包括但不限于是波数或减速(slowness)。本发明的方法不是仅限于频率-波数域或傅里叶变换。为了说明性的目的而在下面仅采用了所述频率-波数域及傅里叶变换。

在图2的步骤22，在仪器传递函数中分别对来自于步骤21中的所转换的水下地震检波器信号和所转换的地震检波传感器信号和作相对差异的校正(relative differences)，所述仪器传递函数与时间域中的仪器脉冲响应相对应。这些校正可以是对水下地震检波器数据的幅值和相位进行校正以便匹配地震检波传感器数据，或者在替换实施例中对地震检波传感器数据进行校正以便匹配水下地震检波器数据，或者在进一步替换实施例中将这两个数据组校正到一个公共的基数(common basis)上。在仪器脉冲响应中相对差异的校正在本领域中是公知的。最后，与在水中声阻抗的相反数相等的幅值比例最好是施加到地震检波传感器数据，以便校正压力和质点速度幅值中的相对差异。这在本领域中也是公知的。

图2的步骤23中，对步骤22中的校正地震检波传感器信号进一步进行入射角的修正。虽然水下地震检波器记录了全部波场，而垂直地震检波传感器则仅记录波场的垂直部分。仅对于垂直传播即入射角φ＝0的信号来说，它等于整个波场。对于任一其他的φ值，地震检波传感器信号需要按照以下公式计算：

$G_{\mathrm{total}}(f,\stackrel{\‾}{k})=\frac{G_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\‾}{k})}{\cos \mathrm{\φ}}---\left(1\right)$

其中，是整个波场，且cos(φ)由以下公式给出：

$\cos \left(\mathrm{\φ}\right)=\sqrt{1-{\sin }^2\left(\mathrm{\φ}\right)}$

$=\sqrt{1-\frac{v^2\·{\left|k\right|}^2}{f^2}},---\left(2\right)$

且v是水中的声速。

在本领域中水中的声速是已知的，接近1500m/sec。因此，如果v是已知的，那么等式(2)给出了入射角φ、波数值k及频率f之间的直接联系。如果由于某种原因v是未知的，那么其可以通过本领域中公知的方法来计算。同样地，从等式(2)中可以看出，当k值由以下公式给定时cos(φ)是实数且不等于0：

$0\≤\left|k\right|\≤\frac{f}{v}.---\left(3\right)$

图3和4中显示了已经施加了上述校正的单个曲线记录的实施例。图3是在深度13m处记录的水下地震检波器信号的一段幅值-时间曲线。图4是一段与图3中水下地震检波器信号同时记录的相应地震检波传感器信号的幅值-时间曲线。图5中显示的是水下地震检波器信号和地震检波传感器信号的相应的振幅频谱(显示为幅值-频率曲线)。实线51是水下地震检波器信号的频谱，而虚线52是地震检波传感器信号的频谱。与图3和图4相比在地震检波传感器数据中可以看见较高的的噪声等级。同样，从图5中可以看出地震检波传感器信号中的噪声主要限于低频53。

在图2的步骤24中，根据所记录的水下地震检波器信号而计算出地震检波传感器信号的低频部分。因而，对于f₁≤f≤f₂，即对于频率范围[f₁，f₂]，由

中产生数据组

下面详细描述这个过程。

可以根据水下地震检波器信号和地震检波传感器信号向上传播及向下传播的部分来表示这两个信号，其中，水下地震检波器信号(压力波场)由以下等式给出：

$h_{\mathrm{signal}}(\stackrel{\‾}{x},t)=h\↑(\stackrel{\‾}{x},t)+h\↓(\stackrel{\‾}{x},t).---\left(4\right)$

其中

是水下地震检波器信号的向上传播部分，而

是水下地震检波器信号

的向下传播部分。同样地，地震检波传感器信号(速度波场)由下以等式给出：

$g_{\mathrm{signal}}(\stackrel{\‾}{x},t)=g\↑(\stackrel{\‾}{x},t)+g\↓(\stackrel{\‾}{x},t),---\left(5\right)$

其中

是地震检波传感器信号的向上传播部分，而

是地震检波传感器信号的向下传播部分。

假定水下地震检波器信号和地震检波传感器信号的向上传播部分相同。即：

$h\↑(\stackrel{\‾}{x},t)=g\↑(\stackrel{\‾}{x},t).---\left(6\right)$

那么，将等式(6)代入等式(5)，得出：

$g_{\mathrm{signal}}(\stackrel{\‾}{x},t)=h\↑(\stackrel{\‾}{x},t)+h\↓(\stackrel{\‾}{x},t),---\left(7\right)$

设τ是表面反射时间滞后，即在波场径直向上传播到达与从该表面相应的反射回来之间的时间滞后。利用等式(2)给出的cos(φ)的定义，所述时间滞后τ由以下公式给出：

$\mathrm{\τ}=\frac{2\·D\·\left|\cos \mathrm{\φ}\right|}{v}$

，

$=\frac{2\·D\·\sqrt{1-\frac{v^2\·{\left|k\right|}^2}{f^2}}}{v}---\left(8\right)$

其中D是水下地震检波器和地震检波传感器的深度。深度D可以采用本领域中已知的所有方式设定，如通过深度传感器或计算。假定对于压力信号，海表面处的反射系数是c，因此，-c是质点速度信号的反射系数。c的绝对值非常接近于1。同样，如在本领域中所公知的，反射系数是入射角的函数，且在海面不总是平面的情况下，也是频率的函数。然而，这些相对于本发明的方法而言影响是次要的，因此未作进一步的讨论。另一个公知的但不包含在下面讨论中的次要影响是在所记录的直达波和所记录的相应表面反射之间在几何传播上的差异。因此，利用τ，可以由以下公式给出水下地震检波器信号的向下传播部分

$h\↓(\stackrel{\‾}{x},t)=c\·h\↑(\stackrel{\‾}{x},t-\mathrm{\τ}).---\left(9\right)$

同样地，地震检波传感器信号的向下传播部分可由以下公式给出：

$g\↓(\stackrel{\‾}{x},t)=-c\·h\↑(\stackrel{\‾}{x},t-\mathrm{\τ})---\left(10\right)$

分别将等式(9)和(10)给出的

和代入等式(4)和(7)，得出：

$h_{\mathrm{signal}}(\stackrel{\‾}{x},t)=h\↑(\stackrel{\‾}{x},t)+c\·h\↑(\stackrel{\‾}{x},t-\mathrm{\τ}).---\left(11\right)$

以及

$g_{\mathrm{signal}}(\stackrel{\‾}{x},t)=h\↑(\stackrel{\‾}{x},t)-c\·h\↑(\stackrel{\‾}{x},t-\mathrm{\τ}).---\left(12\right)$

接下来，将根据等式(11)和(12)中水下地震检波器信号和地震检波传感器信号的向上传播和向下传播部分所表示的水下地震检波器信号和地震检波传感器信号转换到频率-波数域。最好是所述转换是傅里叶变换，但这并不是对本发明的限制。通过以下公式将等式(11)变换到频率-波数域：

$H_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\‾}{k})=H\↑(f,\stackrel{\‾}{k})+c\·H\↑(f,\stackrel{\‾}{k})\·\exp (-i2\mathrm{\πf\τ})$

$=H\↑(f,\stackrel{\‾}{k})[1+c\·\exp (-i2\mathrm{\πf\τ})].---\left(13\right)$

针对水下地震检波器信号的向上传播部分解等式(13)，得：

$H\↑(f,\stackrel{\‾}{k})=\frac{H_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\‾}{k})}{1+c\·\exp (-i2\mathrm{\πf\τ})}.---\left(14\right)$

如上所述，将等式(12)变换到频率-波数域，得：

$G_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\‾}{k})=H\↑(f,\stackrel{\‾}{k})-c\·H\↑(f,\stackrel{\‾}{k})\·\exp (-i2\mathrm{\πf\τ})$

$=H\↑(f,\stackrel{\‾}{k})[1-c\·\exp (-i2\mathrm{\πf\τ})].---\left(15\right)$

现在，可以在频率-波数域中，根据水下地震检波器信号而计算出地震检波传感器信号

将由等式(14)给定的代入等式(15)，产生根据水下地震检波器信号而计算出的地震检波传感器信号，得到：

$G_{\mathrm{calculated}}(f,\stackrel{\‾}{k})=H_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\‾}{k})\·\frac{1-c\·\exp (-i2\mathrm{\πf\τ})}{1+c\·\exp (-i2\mathrm{\πf\τ})}.---\left(16\right)$

其中，频率f由f₁≤f≤f₂给定，波数k如等式(3)中所示。等式(16)可用于根据所记录的低频水下地震检波器信号而计算出地震检波传感器信号，其中所记录的地震检波传感器信号的信-噪比在低频区不满足处理需要。

如果右侧的分母不为0，那么等式(16)是恒等的。假定刚好c＝-1，那么当

1＝exp(-i2πfτ)，(17)

时分母为0，即对于f-0，1/τ，2/τ，...。因而，f₁必须大于0。典型的值是3Hz。为了避免时间域中的人为成分，本领域中公知的，将适当的衰减施加到所计算的地震检波传感器信号频谱的低频部分。

如等式(8)中可以看出：

$\frac{1}{\mathrm{\τ}}=\frac{v}{2\·D\·\left|\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\right|},---\left(18\right)$

当φ＝0，即垂直传播信号时其具有最小值。这意味着f₂必须小于v/2D。假定地震检波传感器信号太嘈杂而不能用在频率低于f_noise之下，则f_noise＜f₂＜v/2D。

最好是，f₂与f_noise之间的差异足够大到以致于可以用所测量到的地震检波传感器信号来比较和校正由(16)中计算出的地震检波传感器信号。交错频率的范围最好是将所计算的地震检波传感器信号的部分与所测量的部分合并。典型地，f₂比f_noise大出5-10Hz。为了保持水下地震检波器信号的一个好的信-噪比，f₂应当明显低于v/2D，且最好是不大于v/2D的75％。

在图3-5中显示的数据实施例中，传感器的深度D是13m。假定1500m/s的水流速度v在约v/2D或约58Hz时在水下地震检波器频谱中产生了第一个槽。这表示f₂应当小于约v/2D的75％或约43Hz。

在图2的步骤25中，地震检波传感器信号的所计算及记录的部分合并成一个数据组。为了避免数据中的人为成分，尤其是在时间域中，最好是利用衰减区完成所述合并。即使选定了一个较窄的频率区，实际上这个衰减区仍将是f_noise和f₂之间的频率。

以下是在合并两个数据组之前对两个数据组施加权重的一种方法。本领域中公知的还有其它计算权重的方法，因此，这不是对本发明的一个限制。按照以下公式计算权重w(f)：

$w\left(f\right)=\frac{f-f_{\mathrm{noise}}}{f_2-f_{\mathrm{noise}}},\mathrm{for}{f}_{\mathrm{noise}}\≤f\≤f_2.---\left(19\right)$

因此，当f＝f_noise时，w(f)＝0，而当f＝f₂时，w(f)＝1。则所合并的全部地震检波传感器数据将是：

$G_{\mathrm{constructed}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{k})=\left\{\begin{array}{ccc}{G}_{\mathrm{calculated}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{k}),& \mathrm{for}& f\&le;f_{\mathrm{noise}},\\ [1-w\left(f\right)]\&CenterDot;G_{\mathrm{calculated}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{k})+w\left(f\right)\&CenterDot;G_{\mathrm{total}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{k}),& \mathrm{for}& f_{\mathrm{noise}}<f\&le;f_2\\ G_{\mathrm{total}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{k}),& \mathrm{for}& f>f_2.\end{array}\right.---\left(20\right)$

本领域中公知的有多种计算权重以便合并信号的方法，而上面采用的仅是一个例子。替换地，有可能分别对两个数据组的幅值及相位谱进行合并。在这个替换的实施例中，实际权重函数很复杂。

在图6-9中所示的如下实施例中，图5中的数据用于说明图2中步骤24和25的方法。从图5中，可以估算出f_noise约为20Hz。为了得到间距以便合并，将f₂设置成25Hz。图6是一段图5中的水下地震检波器信号和地震检波传感器信号的振幅频谱图。实线61是水下地震检波器信号的频谱，而虚线62是地震检波传感器信号的频谱。图5中地震检波传感器信号的幅值按照线性函数在20到25Hz之间逐渐减弱，且在20Hz以下设置为0(参考标记为63)以给出图6中地震检波传感器信号61的幅值。图7包括一个在3-25Hz频率范围内根据等式(11)利用水下地震检波器信号而计算的地震检波传感器信号73。实线71是水下地震检波器信号的频谱，而虚线72是来自图6中的地震检波传感器信号的频谱。

图8图示了所记录的水下地震检波器数据81和所合并的(构造的)地震检波传感器数据82的振幅频谱。已经利用等式(20)合并了地震检波传感器信号82。可以看出，现在水下地震检波器数据和地震检波传感器数据组基本上具有相同的带宽。

在图2的步骤26中，将由地震检波传感器数据组构造的全部带宽和由水下地震检波器数据组记录的全部带宽相加或相减以分别计算出向上传播及向下传播波场的全部带宽。这可以由以下公式给出：

$u(\stackrel{\&OverBar;}{x},t)=\frac{h_{\mathrm{signal}}(\stackrel{\&OverBar;}{x},t)+g_{\mathrm{constructed}}(\stackrel{\&OverBar;}{x},t)}{2}$ 和(21)

$d(\stackrel{\&OverBar;}{x},t)=\frac{h_{\mathrm{signal}}(\stackrel{\&OverBar;}{x},t)-g_{\mathrm{constructed}}(\stackrel{\&OverBar;}{x},t)}{2}.$ (22)

其中，u(x，t)和d(x，t)分别是向上传播及向下传播波场。所述间距也可通过以下公式在频率域中得出：

$U(f,\stackrel{\&OverBar;}{x})=\frac{H_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{x})+G_{\mathrm{constructed}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{x})}{2}$ 和(23)

$D(f,\stackrel{\&OverBar;}{x})=\frac{H_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{x})-G_{\mathrm{constructed}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{x})}{2}.$ (24)

在利用等式(23)将图8中水下地震检波器81的数据及地震检波传感器82的数据相加之后，在图9中显示了向上传播波场的振幅频谱。从图9中可以看出，在接收器一端消除了表面反射的影响。在约125Hz附近的槽91是在地震源一侧的表面反射槽，所述地震源深度约为6m。

应当理解的是，上述内容仅是本发明特定实施例的详细说明，而在不脱离本发明范围的情况下，根据此处的公开，对所公开的实施例可以做出多种变化、改进、以及替换。因此上述说明不意味着限制本发明的范围。更确切地说，本发明的范围仅由附加权利要求及其等价体而确定。

Claims (22)

1.一种用于组合记录在海洋地震拖缆中的压力传感器信号和质点运动传感器信号以减小组合的压力传感器信号和质点运动传感器信号中噪声的方法，所记录的压力信号具有包括第一频率范围和第二频率范围的带宽，该第一频率范围处于比第二频率范围的频率低的频率，并且所记录的质点运动传感器信号具有至少包括第二频率范围的带宽，该方法包括：

从所记录的压力传感器信号计算第一频率范围的质点运动传感器信号，其中在频率-波数域中，由下述公式根据所记录的压力信号

计算出模拟质点运动信号的低频部分

$G_{\mathrm{calculated}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{k})=H_{\mathrm{signal}}(f,\stackrel{\&OverBar;}{k})\&CenterDot;\frac{1-c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}{1+c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}$

其中，f是频率，是波数，k_x是在x轴方向的波数，而k_y是在y轴方向的波数，c是海面的反射系数，τ是直达波和表面反射之间的时间滞后，由此产生第一频率范围中的模拟质点运动传感器信号；

将仅处于第一频率范围的模拟质点运动传感器信号与处于第二频率范围的所记录的质点运动传感器信号合并以产生具有与所记录的压力传感器信号的带宽相同带宽的合并的质点运动传感器信号；以及

将所记录的压力传感器信号与合并的质点运动传感器信号组合用于进一步处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中：压力传感器包括水下地震检波器。

3.如权利要求1所述的方法，其中：质点运动传感器包括地震检波传感器。

4.如权利要求1所述的方法，其中：质点运动传感器包括地震加速度检波器。

5.如权利要求1所述的方法，其中：质点运动传感器包括测量不止一种质点运动波场成份的传感器。

6.如权利要求1所述的方法，其中：质点运动传感器和压力传感器是共同设置的。

7.如权利要求1所述的方法，其中：对质点运动传感器和压力传感器定位，以便来自传感器的所记录的信号在相同的位置上用于计算相应的数据组。

8.如权利要求1所述的方法，其中：对所记录的压力传感器信号和所记录的质点运动信号作仪器脉冲响应相对差异方面的校正。

9.如权利要求1所述的方法，其中：对所记录的压力传感器信号和所记录的质点运动信号的相对幅值作压力和质点运动幅值相对差异方面的校正。

10.如权利要求1所述的方法，其中：在频率-波数域(f，k_x，k_y)内关于入射角差异影响来补偿包含有多条拖缆的所记录的质点运动信号。

11.如权利要求1所述的方法，其中：在频率-波数域(f，k_x)内关于入射角差异影响来补偿包含有一条拖缆的所记录的质点运动信号，对于每条拖缆分别保持y轴方向的波数k_y恒定。

12.如权利要求1所述的方法，其中：在频率域内关于入射角差异影响来补偿包括一个或一组传感器的所记录的质点运动信号，对于每个传感器分别保持x轴及y轴方向的波数k_x及k_y恒定。

13.如权利要求1所述的方法，其中：时间滞后τ由以下等式给出：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{2\&CenterDot;D\&CenterDot;\sqrt{1-\frac{V^2\&CenterDot;{\left|K\right|}^2}{f^2}}}{V}$

其中，D是压力传感器及质点运动传感器的深度，k是波数，且v是水中的声速。

14.如权利要求1所述的方法，其中：将所模拟的质点运动信号与所记录的质点运动信号进行合并，以产生一个高信噪比宽带宽的质点运动信号。

15.如权利要求14所述的方法，其中：在信号以一个交错的频率间隔衰减的过程中完成合并。

16.如权利要求15所述的方法，其中：通过单独合并幅值及相位谱而执行信号的衰减。

17.如权利要求1所述的方法，其中：按照以下公式，在频率-波数域(f，k_x，k_y)中利用所记录的压力信号H_signal(f，k_x，k_y)计算所模拟的质点运动信号的低频部分G_calculated(f，k_x，k_y)，所记录的压力信号H_signal(f，k_x，k_y)包含从多个拖缆中而来的数据，

$G_{\mathrm{calculated}}(f,k_x,k_y)=H_{\mathrm{signal}}(f,k_x,k_y)\&CenterDot;\frac{1-c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}{1+c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}$

18.如权利要求1所述的方法，其中：按照以下公式，在频率-波数域(f，k_x)中利用所记录的压力信号H_signal(f，k_x)计算所模拟的质点运动信号的低频部分G_calculated(f，k_x)，所记录的压力信号H_signal(f，k_x)包含从单个拖缆中而来的数据，

$G_{\mathrm{calculated}}(f,k_x)=H_{\mathrm{signal}}(f,k_x)\&CenterDot;\frac{1-c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}{1+c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}$

其中对于每个拖揽来说，k_y保持恒定。

19.如权利要求1所述的方法，其中：按照以下公式，在频率(f)域中利用所记录的压力信号H_signal(f)计算出模拟质点运动信号的低频部分G_calculated(f)，所记录的压力信号H_signal(f)包括从一个或一组传感器中而来的数据，

$G_{\mathrm{calculated}}(f,)=H_{\mathrm{signal}}\left(f\right)\&CenterDot;\frac{1-c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}{1+c\&CenterDot;\exp (-i2\mathrm{\&pi;f\&tau;})}$

其中，对于每个传感器k_x保持恒定，对于每个传感器k_y保持恒定。

20.如权利要求1所述的方法，其中：将具有相同带宽的所记录的压力信号和所合并的质点运动信号进行组合，以计算全部的向上传播波场和向下传播波场。

21.如权利要求1所述的方法，其中：第一频率范围包括所记录的压力传感器信号的带宽内的低频。

22.如权利要求1所述的方法，其中：第一频率范围是其中质点运动传感器信号具有低信噪比的频率范围。

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