一種用於產生並處理可控震源的掃描信號的方法

2023-04-28 15:13:51

一種用於產生並處理可控震源的掃描信號的方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於產生並處理可控震源的掃描信號的方法，應用於地震勘探【技術領域】，包括以下步驟：產生第一偽隨機序列；基於預先確定的可控震源的最大掃描時間以及採樣周期來對所述第一偽隨機序列進行處理從而得到第二偽隨機序列；對第二偽隨機序列進行帶通濾波以輸出指定頻帶的偽隨機掃描信號；採用信號加窗技術對所述偽隨機掃描信號進行優化處理以獲得減小吉布斯效應的偽隨機掃描信號。本發明充分利用偽隨機序列良好的自相關特性，並且通過頻譜整形濾波技術和信號加窗技術對可控震源產生的偽隨機掃描信號進行優化處理，可以有效提高可控震源地震勘探的解析度和信噪比。
【專利說明】一種用於產生並處理可控震源的掃描信號的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及地球物理勘探【技術領域】，具體地說，涉及一種處理可控震源的掃描信 號的方法。

【背景技術】
[0002] 在地震勘探過程中，震源是地震勘查技術的重要組成部分，其產生信號質量的好 壞直接影響地震勘查的效果。在陸地地震勘探中，作為主要震源的炸藥震源由於對環境的 破壞和汙染等弊端，非炸藥震源中的可控震源已經成為代替炸藥震源的主要震源。
[0003] 可控震源的激發信號的質量影響勘探解析度，而激發信號質量與掃描方式有關。 可控震源地震勘探的掃描方式分線性掃描和非線性掃描。但傳統線性掃描信號和非線性掃 描信號的自相關函數具有明顯的旁瓣，嚴重影響地震記錄的解析度。
[0004] 基於上述情況，亟需一種能產生自相關性良好的掃描信號的方法用以有效提高可 控震源地震勘探的解析度。


【發明內容】

[0005] 為解決上述問題，本發明提供了一種可以產生自相關性良好的掃描信號的方法用 以有效提高可控震源地震勘探的解析度。
[0006] 根據本發明的一個實施例，提供了一種用於產生並處理可控震源的掃描信號的方 法，其特徵在於，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、產生第一偽隨機序列；
[0008] 步驟二、基於預先確定的可控震源的最大掃描時間以及採樣周期來對所述第一偽 隨機序列進行處理從而得到第二偽隨機序列，其中所述第二偽隨機序列的階數η以及長度 由最大掃描時間和採樣周期來決定；
[0009] 步驟三、對第二偽隨機序列進行帶通濾波以輸出指定頻帶的偽隨機掃描信號；
[0010] 步驟四、採用信號加窗技術對所述偽隨機掃描信號進行優化處理以獲得減小吉布 斯效應的偽隨機掃描信號。
[0011] 根據本發明的一個實施例，在步驟一中，基於η階移位寄存器產生具有最長周期Ρ 的第一偽隨機序列，其中周期P = 2η-1。
[0012] 根據本發明的一個實施例，所述偽隨機序列的階數η的確定滿足以下條件：
[0013] 2n-l > T/dt
[0014] 其中，2n_l為偽隨機序列周期，η為偽隨機序列的階數，T為最大掃描時間，dt為採 樣周期。
[0015] 根據本發明的一個實施例，在步驟二中，通過以下子步驟來預先確定可控震源的 最大掃描時間T :
[0016] 估計可控震源產生的地震波從地表到達最深勘探目的層的雙程旅行時間，將最大 掃描時間設置為大於所述雙程旅行時間。
[0017] 根據本發明的一個實施例，在步驟二中，通過最大掃描時間與採樣周期的比率得 到採樣長度T/dt，並將該採樣長度作為需要截取第一偽隨機序列的長度。
[0018] 根據本發明的一個實施例，產生所述第一偽隨機序列的移位時鐘周期與所述採樣 周期相等。
[0019] 根據本發明的一個實施例，在步驟二中，通過FIR帶通濾波器對初始偽隨機掃描 信號進行整形濾波以獲得指定頻帶的偽隨機掃描信號。
[0020] 根據本發明的一個實施例，在步驟三中，所述信號加窗技術包括選擇主瓣窄且高、 旁瓣幅度小、正負交替基本上相等的窗函數。
[0021] 根據本發明的一個實施例，所述窗函數包括漢寧窗函數。
[0022] 本發明帶來了以下有益效果：
[0023] 本發明充分利用偽隨機序列良好的自相關特性，並且通過頻譜整形濾波技術和加 窗技術對可控震源產生的偽隨機掃描信號進行優化處理，可以有效提高可控震源地震勘探 的解析度和信噪比。
[0024] 本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變 得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利 要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要的附圖做簡單的介紹：
[0026] 圖1為本發明的方法步驟圖；
[0027] 圖2為本發明的一個實施例採用的時間域地質模型圖；
[0028] 圖3a為本發明的針對圖2的一個實施例採用的部分採樣點的14階m序列圖；
[0029] 圖3b為圖3a所示帶通濾波後的14階m序列自相關函數圖；
[0030] 圖4a為未加窗函數的帶通濾波後的14階m序列圖；
[0031] 圖4b為圖4a所示m序列未加窗函數的頻譜特徵圖；
[0032] 圖4c為圖4b所示m序列未加窗函數的自相關函數圖；
[0033] 圖5a為圖4a所示加漢寧窗後的帶通濾波後的14階m序列圖；
[0034] 圖5b為圖5a所示m序列加漢寧窗後的頻譜特徵圖；
[0035] 圖5c為圖5b所示m序列加漢寧窗後的自相關函數圖；
[0036] 圖6a為針對圖2基於常規線性掃描信號的地震波正演模擬單炮記錄圖；
[0037] 圖6b為針對圖2基於偽隨機掃描信號的地震波正演模擬單炮記錄圖。

【具體實施方式】
[0038] 以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用 技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明 的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合， 所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
[0039] 另外，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系 統中執行，並且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同於此處 的順序執行所示出或描述的步驟。
[0040] 在地震勘探過程中，可控震源是一種至今研製最成功的非炸藥震源，在國際上已 經成為地震勘探中代替炸藥震源的一種主要震源。可控震源信號的激發是地震勘探的第一 個環節，激發信號的質量好壞直接影響勘探的解析度。目前可控震源的掃描信號包括：線性 掃描信號、非線性掃描信號和偽隨機掃描信號。
[0041] 其中，偽隨機掃描信號通過偽隨機序列產生。偽隨機序列具有良好的隨機性，其相 關函數接近白噪聲的相關函數函數），即有窄的高峰或寬的功率譜密度。基於偽隨機序 列的掃描方式稱為偽隨機掃描。由於偽隨機序列信號具有周期性，在進行相關處理時很容 易同步，具有很好的自相關特性。同時，偽隨機序列的周期可以通過改變所使用的移位寄存 器的級數來實現，其帶寬則可通過改變時鐘頻率來改變，可有窄的高峰或寬的功率譜密度。 所以偽隨機序列是一個很好的掃描信號。此外，在各種勘探及測量環境中，總會受到大氣噪 聲和人為的幹擾，以及接收系統的熱噪聲等，使用偽隨機信號易於從其它信號或幹擾中分 離出來，從而檢測出有用的信號，可以獲得較高的解析度。另外，偽隨機序列的偽隨機性使 它易於實現相關接收或匹配接收，具有較強的抗幹擾能力，在地震勘探中具有良好的研究 價值和應用前景。所以本發明中採用偽隨機掃描信號。
[0042] 如圖1為本發明的方法步驟圖。
[0043] 首先，在步驟S001中產生第一偽隨機序列。偽隨機序列一般僅有兩個電平，其產 生可以有不同的方法。最常採用的為移位寄存器（移存器）生成方法。在本發明的一個實 施例中即採用該種生成方法。
[0044] 移存器為反饋邏輯線路，包括η個串接的雙態存儲器（寄存器）、一個移位時鐘發 生器以及若干個模2加法器。每個雙態存儲器稱為移存器的一級，每一級只能有兩種不同 狀態，一般用〇和1表示。移位時鐘到來時使每一級的存數（即狀態）向下一級移動，成為 下一級的新存數。通常移位寄存器的最後一級作為輸出。
[0045] 由η級線性移位寄存器所產生的序列，其最長周期是P = 2η_1。具有這種最長周 期的線性移位寄存器序列稱為最長線性移位寄存器序列或m序列。m序列是同樣級數的線 性移位寄存器所能產生的最長序列。m序列具有隨機特性，特別是它的自相關函數具有優良 的性質。與隨機序列相比，當周期長度P足夠大時，m序列與隨機序列的性質十分相似，是 一種偽噪聲特性較好的偽隨機序列，並且容易產生，因此將m序列作為構造偽隨機掃描信 號的基本序列。
[0046] 選定m序列作為構造偽隨機掃描信號的基本序列後，需要對其階數η進行確定。在 步驟S002中，首先估算出可控震源發出的地震波從地表到達最深勘探目的層的雙程旅行 時間。由於在測量過程中測量儀器及地質條件的限制，計算出的雙程旅行時間不是精確數 值，只能為估算值。
[0047] 然後根據該雙程旅行時間確定最大掃描時間，其中最大掃描時間設置為大於雙程 旅行時間。m序列的長度由移位時鐘周期和反饋路徑共同決定，其中m序列的移位時鐘周 期根據地震勘探中數據採集系統的採樣周期來設定。移位時鐘周期與採樣周期相等。要求 m序列截短後的部分信號來產生掃描信號，確保其隨機性和自相關性良好，生成的m序列的 長度必須超過最大掃描時間T。因此，m序列的階數η必須滿足：
[0048] 2n-l > T/dt (1)
[0049] 其中，2n_l為偽隨機序列周期，n為偽隨機序列的階數，T為最大掃描時間，dt為採 樣周期。
[0050] 由於η必須為正整數，生成η階對應的m序列的周期長度一般大於要求的最大掃 描時間。此時，需要根據最大掃描時間與採樣周期的比率得到採樣長度T/dt。該採樣長度 作為需要截短第一偽隨機序列的長度。由於m序列的移位時鐘周期與採樣周期相等，即在 m序列中每個數據的時間長度與採樣周期相等。該採樣長度下的偽隨機序列的長度剛好為 整數值。按採樣長度對第一偽隨機序列進行截短後即可得到第二偽隨機序列。通常，m序 列的階數η越高，掃描信號的自相關性也就越好。自相關函數的旁瓣和噪聲也越小。但是 階數越高，系統佔用的資源越大，所以要選擇適當階數的m序列。
[0051] 在步驟S003中，對第二偽隨機掃描信號進行濾波以輸出指定頻帶的偽隨機掃描 信號。在該步驟中，通過實際的地質勘探確定掃描信號通過的上下截止頻率進而確定該掃 描信號的帶寬。該過程通過FIR(有限長單位衝激響應）濾波器實現。通過設計上下截止 頻率和幅度可調的FIR濾波器對m序列進行頻譜整形濾波，將其通帶頻率設置在設定的頻 帶範圍內。
[0052] 在步驟S004中，通過信號加窗技術對指定頻帶的偽隨機掃描信號進行優化處理 以改善其中的吉布斯效應，並得到最終所需的偽隨機掃描信號。在頻譜分析中，加窗是提高 信號分析精度的一個重要措施。對窗函數的基本要求是：時域可以改善截斷處的不連續狀 態；頻域窗譜的主瓣窄而高，以提高解析度；旁瓣幅值應小，正負交替接近相等，以減小洩 露和假頻。其中，主瓣為緊鄰峰值左右兩側的波形，兩側分別為一個，主瓣外側即為旁瓣。基 於本發明的要求，在選擇窗函數時，為了獲得頻帶限制（尤其是低頻端）、自相關性良好的 信號，應該使用主瓣窄而高、旁瓣幅度小、正負交替接近相等的窗函數，如在本發明的一個 實施例中採用漢寧窗。
[0053] 以下通過一個具體的實施例來對本發明所述的方法進行詳細說明和驗證。
[0054] 如圖2所示為本實施例採用的時間域地質模型，對應實際地震勘探施工中的一條 二維地震剖面。X軸方向標註的數字為模型寬度，單位為米；縱軸表示深度，單位為千米；圖 中不同灰度部分代表不同的地層，各層對應的數值表示該層的速度，單位為米/秒。
[0055] 假設米集系統米樣間隔為0. 5ms，系統最大掃描時間為5s，則掃描信號的米樣長 度為10001個採樣點。根據m序列階數與周期長度的關係P = 2n-l，通過計算得到：當m序 列階數η = 13時，m序列的周期長度P = 8191，不滿足信號採樣長度的要求；而當m序列的 階數η = 14時，m序列的周期長度P = 16383,大於10001個採樣點。所以，要生成滿足時 間採樣長度要求的偽隨機掃描信號，m序列的階數η要滿足如下要求：η > 14。在本實施例 中基於14階m序列生成偽隨機掃描信號。
[0056] 如圖3a所示為14階m序列的前120個採樣點，可以看出m序列只有兩個電平（-1 和1)，代表兩種不同的狀態。同時兩個電平具有很好的隨機特性，是一種白噪聲特性很好的 偽隨機序列。
[0057] 圖3b為圖3a所示14階m序列的自相關函數的中間主瓣部分，從圖中可以看出m 序列的自相關函數的主峰值高度遠遠大於副峰的高度，適合作為地震勘探可控震源的信號 源。
[0058] 根據時間採樣長度（本實施例為10001個採樣點），將圖3a所示的m序列進行截 短，得到滿足最大掃描時間要求的m序列。由於m序列的隨機特性，截短後的m序列依然保 持了原始m序列的隨機性和自相關特性，並將截短後的m序列作為構造偽隨機掃描信號的 基本序列。
[0059] 如圖4a所示為經過FIR帶通濾波後的掃描信號。濾波器參數選擇為 (lhz-5hz-100hz_120hz)，其設定頻帶範圍為 5hz_100hz，lhz_5hz 和 100hz_120hz 分別為下 截止頻率和上截止頻率的過渡頻帶。圖4b為該掃描信號的頻譜，可以看出，經過頻譜整形 濾波後的掃描信號的頻譜基本滿足可控震源的頻帶要求。圖4c為該掃描信號的未加窗函 數的自相關函數圖。由圖4c可知，經過FIR帶通濾波後的掃描信號的自相關性依然可以滿 足可控震源信號的要求。
[0060] 由圖4a、圖4b和圖4c也可以看出，信號經過帶通濾波器處理後，仍然存在吉布斯 效應，即信號的振幅波動範圍較大。通過信號加窗技術處理手段，能夠進一步對信號進行優 化。為了獲得頻帶限制（尤其是低頻端）、自相關性良好的信號，應該使用旁瓣幅度小的窗 函數，本實施例中米用的窗函數為漢寧窗。圖5a為圖4a中的信號經過加窗處理後的信號， 圖5b為圖4b中的信號加窗後的頻譜特徵，經對比可以發現，經加窗處理後信號的吉布斯效 應得到了一定的改善。圖5c為信號加窗後的自相關特徵，同圖4c進行對比可以看出，經過 加窗處理後，信號自相關旁瓣得到了進一步的壓制，有利於進一步提高地震記錄的信噪比。
[0061] 為了進一步驗證基於本發明所得到的偽隨機掃描信號的特性要優於常規線性掃 描信號，利用有限差分數值模擬方法，分別基於本發明所產生的掃描信號和常規掃描信號， 針對圖2所示地質模型進行地震波場數值模擬。圖6a為基於常規線性掃描信號的地震波 正演模擬單炮記錄，圖6b為基於本發明所產生的偽隨機掃描信號的地震波正演模擬單炮 記錄。對比兩者可以發現，圖6b中的雜亂細條紋較圖6a少，即本發明所產生的偽隨機掃描 信號的地震記錄信噪比更高，能夠為構造成像和地震資料解釋提供更好的數據基礎。
[0062] 雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採 用的實施方式，並非用以限定本發明。任何本發明所屬【技術領域】內的技術人員，在不脫離本 發明所公開的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化， 但本發明的專利保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。
【權利要求】
1. 一種用於產生並處理可控震源的掃描信號的方法，其特徵在於，包括以下步驟： 步驟一、產生第一偽隨機序列； 步驟二、基於預先確定的可控震源的最大掃描時間以及採樣周期來對所述第一偽隨機 序列進行處理從而得到第二偽隨機序列，其中所述第二偽隨機序列的階數η以及長度由最 大掃描時間和採樣周期來決定； 步驟三、對第二偽隨機序列進行帶通濾波以輸出指定頻帶的偽隨機掃描信號； 步驟四、採用信號加窗技術對所述偽隨機掃描信號進行優化處理以獲得減小吉布斯效 應的偽隨機掃描信號。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟一中，基於η階移位寄存器產生具有 最長周期Ρ的第一偽隨機序列，其中周期P = 2η-1。
3. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述偽隨機序列的階數η的確定滿足以下條 件： 2n-l > T/dt 其中，2n-l為偽隨機序列周期，η為偽隨機序列的階數，T為最大掃描時間，dt為採樣周 期。
4. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在步驟二中，通過以下子步驟來預先確定可 控震源的最大掃描時間T : 估計可控震源產生的地震波從地表到達最深勘探目的層的雙程旅行時間，將最大掃描 時間設置為大於所述雙程旅行時間。
5. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，在步驟二中，通過最大掃描時間與採樣周期 的比率得到採樣長度T/dt，並將該採樣長度作為需要截取第一偽隨機序列的長度。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，產生所述第一偽隨機序列的移位時鐘周期 與所述採樣周期相等。
7. 如權利要求6所述的方法，其特徵在於，在步驟二中，通過FIR帶通濾波器對初始偽 隨機掃描信號進行整形濾波以獲得指定頻帶的偽隨機掃描信號。
8. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，在步驟三中，所述信號加窗技術包括選擇主 瓣窄且高、旁瓣幅度小、正負交替基本上相等的窗函數。
9. 如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述窗函數包括漢寧窗函數。
【文檔編號】G01V1/04GK104217099SQ201410345384
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】楊麗, 胡華鋒, 佘德平, 蔡瑞, 張瑤, 薛昭 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院