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1、可控震源和相关器原理,目录,可控震源系统（VIBROSEIS)的基本概念可控震源系统的理论MATLAB 仿真和现场试验实例进一步的课题震动器概论噪声编辑叠加附录,可控震源系统（VIBROSEIS)的基本概念,应用于可控震源工作的信号,地震勘探应用的震源可以分为两类；一种是持续时间很短的高功率信号；如爆炸和冲击震源；另一种是低功率持续时间较长的信号：例如VIBROSEIS系统应用的可控震源。可控震源具有的重要特征是震源的有限带宽。顺便说，可控震源仅仅产生那些我们实际需要的频率成分反之应用脉冲型震源，如由爆炸产生的某些频率成分在采集过程中可能成为无用的干扰。由下图可见；应用炸药的爆炸震源时域响应可
2、以Dirac脉冲表示，为很短时间发生的高功率信号，振幅谱具有很宽的频率范围；同样的是，带宽限制的信号有平坦振幅谱，但是只有有限的频带（例如10 60 Hz）。,应用于可控震源工作的信号,可控震源系统的构成,概括来说可控震源系统由3个部分构成：扫描信号发生器；发送扫描信号入地的震动器；相关器将长扫描信号压缩为短的反射脉冲；T为直接和反射脉冲间的传播时间直接脉冲=等于零时间脉冲；相当于爆炸震源中的时断信号。实际上，我们应当面对多个反射体，当反射时间小于扫描长度时，检波器接收的是重叠的多个扫描信号。,可控震源系统的构成,可控震源系统的构成,噪声对可控震源记录的影响,如前所述，信号的振幅由于应用相关器
3、而增加，压缩扫描信号为脉冲。事实上，相关器只是系统有不同的延迟，无法改变任何通过它的噪声总体水平。然而，相关器是很有用的设备，对于提高信号的峰值振幅和噪声平均水平之比是有益的。如果需要增加信号的峰值振幅，可以增加扫描信号的长度或者增加震源车的数量。为了改善性能，数据采集系统必须包括矩形带通滤波器，除相关器之外，用于消除那些不属于震源频谱通带确定的频率。,噪声对可控震源记录的影响,可控震源系统能够恢复隐藏在噪声内的反射信号,相关 CORRELATION,扫描信号发生器应用数字扫描信号发生器，最终的信号可以叫做参考扫描信号，可选择的参数有：起始频率、终止频率和扫描长度其典型值如下：起始频率 f1：
4、4 20 Hz；终止频率 f2：40 100 Hz：扫描长度 T：8 20 S；,线性扫描信号X(n)的波形；f1=5 Hz;f2=40 Hz;fs=2000 Hz;扫描长度=2秒；总样点数=4096；,相关 CORRELATION,线性扫描信号X(n)的自相关函数波形,线性扫描信号X(n)的自相关函数波形 采样点30725120,线性扫描信号的自相关函数,相关 CORRELATION,扫描信号幅度为常数，频率通常随时间增加而线性增加；当前新型震动器的电子设备，包含很大的数字扫描信号库，操作员可以很容易选择任意形式的扫描信号，而且也不限于线性扫描信号。扫描信号的起始和终止要求为锥形，除了避免引
5、起Gibbs现象外，震源车系统的惯性也不能响应信号的突变相关器相关器的功能是处理发送信号和接收信号的互相关。相关的基本操作是评估两个波形之间的相似程度，例如函数x(t)和y(t)之间的互相关函数的时域表达式为：为x(t)和y(t)之间的延迟,相关 CORRELATION,左图为两个离散序列x(k),y(k)互相关的例子x(k)固定y(k)向右滑动;R0=y0 x0+y1x1+y2x2R1=y0 x1+y1x2+y2x3R2=y0 x2+y1x3+y2x4,相关 CORRELATION,x(k)=检波器接收信号，相当于采集长度。y(k)=发送参考扫描信号，相当于扫描长度。R(k)=x(k)和y(
6、k)的相关信号，相当于记录长度等于x(k)-y(k)+1个采样,如上图所示，在相关处理过程，检波器信号和参考扫描信号之间的相关结果，每次移动一个采样点计算一次，一直移动到等于记录长度而终止，我们通常把记录长度比作听时间。,X(k),y(k),相关 CORRELATION,a为检波器接收的信号是不同反射的和；b为参考扫描信号，我们开始移动并且对于接收信号进行互相关计算，在移动值等于第一个反射的传播时间时；互相关处理发出脉冲表明已经检测到扫描的存在，为以后的反射作同样的处理；因此，如我们在e所见到的是，相关对于相关前的检波器信号提供了较大的信噪比改进，还能看到不同频率的波形之间很少或者没有相关；互
7、相关将滤除所有不在扫描内的频率。自相关以下提供的例子计算自相关函数，实际上也是两个完全一致波形之间的互相关。图（6）指出：不同频率的波形之间很少或者没有相关；因而，扫描的自相关函数在移动值大时只有小的数值。在移动值为零时，自相关函数将呈现峰值也表示扫描信号的能量。,相关 CORRELATION,互相关：接收信号与发送扫描的互相关以下图说明：,相关 CORRELATION,可控震源系统的理论,由可控震源产生的原始地震数据u(t)是参考扫描信号和大地响应e(t)的卷积；e(t)可看做反射系数的尖峰信号序列在频率域上式可写作：富氏变换可以振幅谱和相位谱表示,处理未相关的原始数据消除扫描信号的作用，我
8、们将sw(t)和u(t)作互相关得到相关后的地震数据频率域表达式为：sw(t)和u(t)在频率域的互相关为U()和SW()共轭的乘S()为相关后地震道的频率响应是大地响应的频率域形式而且有相同的相位，相当于输入扫描信号的功率谱在通带内为常数，S()经过反富氏变换后得到最终的地震道时域数据,相关的频率域算法,S(n),应用实FFT计算相关,设 x(n)与 y(n)是长度分别为 N 和 M 的实序列，y(n)为参考信号；x(n)为地震道信号，定义分别为：现在要计算 x(n)与 y(n)的互相关函数：L为相关输出长度等于听时间。应用FFT计算频率域相关算法的步骤如下：A,选择FFT长度N1应当满足条
9、件：N1 L+M为了满足基-2FFT算法，还必须使N1为 2 的整数幂，即N1=2m,应用实FFT计算相关,B,将 x(n)与 y(n)补零延长，构造周期为 N1的序列，其主值为：C,计算Rxy(k),当x(n),y(n)均为实数时，rxy(n)亦为实数，这样，由于 X(k),Y(k),Rxy(k)的共轭对称性，有：0当为实数时，亦为实数，这样，由于 X(k),Y(k),Rxy(k)的共轭对称性，有：,应用实FFT计算相关,取 Rxy(k)的 N1点反变换，它的前 L 点即为所求的 rxy(n)：,利用 rxy(n)为实数的特点，逆 FFT 可用正向 FFT 代替，因此有,应用MATLAB合成
10、可控震源记录和处理的例子；相关后波形的峰值表示反射已到达,非锥形和锥形的合成扫描信号，锥形的自相关函数显示旁瓣显著减小,图解可控震源系统时域和频域的记录和处理信号,图解可控震源系统时域和频域的记录和处理信号；最终地震信号 和大地响应具有相同的相位谱。,MATLAB 仿真和现场试验实例,应用MATLAB生成的VIBROSEIS仿真地震信号,应用MATLAB生成的VIBROSEIS仿真地震信号,应用MATLAB生成的VIBROSEIS仿真地震信号,应用MATLAB生成的12道时移扫描信号,应用MATLAB生成的12道时移扫描信号（时间轴放大应用MATLAB生成的12道时移扫描信号时间轴放大,12道
11、时移扫描信号相关后的数据,12道时移扫描信号相关后的数据时间轴放大,48道系统锤击试验（1 ms）,48道系统锤击试验（0.5 ms）,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 650周；扫描长度 8 秒；输出功率 5%,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 650周；扫描长度 8 秒；输出功率 5%,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 650周；扫描长度 8 秒；输出功率 50%,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 6100周；扫描长度 8 秒；输出功率 50%,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 6100周；扫描长度 8 秒；输出功率 5
12、0%,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 6150周；扫描长度 8 秒；输出功率 75%,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 6200周；扫描长度 8 秒；输出功率 75%；采样率 1ms,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 10400周；扫描长度 8 秒；输出功率 50%；采样率 1ms,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 6200周；扫描长度 6 秒；输出功率 75%；采样率 0.5ms,KZ03型可控震源与48道系统联机试验扫描频率 6200周；扫描长度 3 秒；输出功率 75%；采样率 0.25ms,进一步的课题,震动器概论,典型震动器技
13、术指标(M26HD/632B):类型：P波：低姿态；重量：4,082 kg;9,000lb;活塞面积：133.4 cm2峰值输出力：276,000 N;62,000lb F;可用冲程：7.62 cm;额定频率范围：7250 Hz;基板重量：1,560 kg;3440 lb;地面压力：29,257 kg;64,500 lb;平衡和隔离：气囊；,震动器概论,震动器工作原理方框图,震动器概论,当仪器车通过震源同步系统向震源车发送起爆指令，并经过确认后，同时启动仪器车和震源车的扫描信号发生器，在震源车上扫描信号控制并且驱动液压系统的伺服阀，使高压油流交替进入震动器液压缸的上腔和下腔，推动活塞和与之相连
14、基板震动，在震动期间震源车的一部分重量通过隔震气囊压在基板上，而基板始终紧贴大地使地面随着震动，震动器是一个类似锁相环的闭环控制系统，基板上的加速度传感器经过积分后形成位移信号与扫描信号进行相位比较使基板震动与扫描信号保持固定的相位移；LVDT 线性可变差动变压器检测基板的位移反馈至伺服驱动电路使基板保持恒定的振幅。目前石油地震勘探应用的主流震源峰值输出力为28吨；最大为34吨活塞最大行程约为38毫米。当扫描频率为10 11 Hz行程为38毫米时；可以达到最大 峰值输出力（为什么？）。,震动器概论,假定震动器基板和地面接触是刚性的，基板的垂直加速度在板上是相同的，并且假定反作用质量的运动与活塞
15、轴在一条直线上，这样地面力可以由两个位于基板和反作用质量的加速度计以及它们的质量来评估：由于地面力和扫描信号比较会产生一定的失真，因此震动器系统的QC可以采用地面力和扫描信号的相关函数加以评估。,震动器概论,左图是安装在震源车上的数字伺服驱动器（DSD）依赖于4个传感器控制基板和反作用质量的运动；并且完成震动器地面力的实时QC。DSD是SERCEL产品VE432的1个部件。VE432由数字扫描发生器（DPG）和DSD构成。,震动器概论,地面力和扫描信号的互相关函数波形,震动器概论,震动器的实时QC,依赖于对地面力信号和扫描信号互相关函数的评估；互相关噪声和主瓣宽度与主要的峰值宽度之比依赖于间隔
16、，带宽，扫描信号应用的变化函数。互相关波形应当分别对称于零时间峰值振幅，其对称程度依靠地面力和扫描信号一致的程度。检查3个要点以鉴别相关波形的对称：检查时标上零时刻峰值振幅的位置，依赖于扫描信号和地面力信号开始时初始的同步。检查正负侧峰值振幅的相对电平应当是相等的，除非扫描信号和地面力信号之间存在相移。检查正负侧相关噪声的相对电平，负时间一侧有较高电平时；通常说明地面力信号存在谐波失真。不言而喻，扫描信号和地面力信号应当是完全同一类型。,SN388的可控震源系统,可控震源系统的信号特性,互相关的结果和爆炸震源得到的反射脉冲一致。用可控震源有效输入到大地的是扫描信号的自相关。反射脉冲是大地响应和
17、扫描信号自相关函数的卷积。可控震源反射基本上是对称的自相关函数，由于大地滤波器的最小相位特性和震动器的不完善而有所改变。扫描频率的选择是成本和我们要求的并且由大地滤波器允许保持适当的最大带宽之间的折衷。自相关函数的零延迟值表示扫描信号的能量。扫描信号频谱越宽，自相关波形越窄。扫描信号的相对带宽（）越小，自相关函数的旁瓣越大。如果扫描信号两端逐渐缩减，则扫描信号自相关函数的旁瓣可以减小。,噪声编辑,应用可控震源系统进行地震勘探时，往往会产生各种噪声干扰，特别是突发的脉冲，或脉冲串噪声有很大的幅度，而且还有宽的频谱，这样将对于以后的相关处理数据造成失真和 干扰。噪声编辑的目的是在相关叠加前，消除这
18、些噪声，从而提高记录的信噪比。噪声编辑常用的方法包括：钳位，充零，以及钳位和充零相结合的方法，编辑的核心是噪声检测；基本方法是将输入地震数据和系统设定的门槛相比较，超过门槛值时将进行编辑，而且在编辑过程中不断修正设定的门槛值，以下将分别介绍几种编辑方法：,噪声编辑,超过某一规定A值的噪声将被钳位，这种方法消除了部分噪声但是保留了噪声基本频率，而且钳位后波形的尖角引入了高频分量。,A,钳位型噪声编辑方法,噪声编辑,B,充零型噪声编辑方法 超过门槛值的信号将以零值取代，当噪声能量远大于信的数据是无效的，因此应当去掉全部能量。但是在充零将测试突变而引入了高频成分。,噪声编辑,噪声编辑,C,改进的充零
19、型噪声编辑方法：渐变的充零方法消除了高频分量，但是引入了低频分量。包络渐变的充零方法是以1个小于1并且线性减小到零的数和大于门槛值的输入数据相乘，这种方法减小了噪声幅度，但是仍然保留了噪声的基本频率分量。过零充零方法是当信号超过门槛值时，检查前面信号最后的过零位置并且从此开始充零，充零一直保持到信号恢复到门槛值以下后的第一个过零位置。这样可以避免引入额外的高低频分量。以上各种编辑方法；要求噪声周期结束后经过一定延迟才恢复信号，在充零过程中保证噪声已经结束，但是这种延迟会损失一定的有效数据。,噪声编辑,噪声门槛值的确定：A,振幅检测方法假设地震信号是平均值为零的高斯过程，任意时刻的幅值为：,噪声
20、编辑,如果概率值很小，出现的可能性很小，可以认为 时的数据为噪声，通常这种根据振幅值统计特性的噪声检测方法称为振幅检测法。概率分布完全由均方差决定，若选择幅值出现的概率小于5%为噪声，则可以得出门槛值x1=2x。B,斜率检测方法应用振幅检测方法无法检测出幅度小的尖脉冲，尖脉冲往往表现为振幅的突跳，突跳点通常有很大的斜率，实际上离散系统两个相邻采样点的幅度差即为斜率,噪声编辑,门槛值修正方法在各窗口中，门槛值是相对于窗口中最大采样点修正。门槛值修正在噪声编辑过程结束时进行，采用12分贝的范围参数。最大样点在D区内：如果 门槛值3 分贝范围参数最大样点；则门槛值减小3分贝。最大样点在C区内：如果
21、门槛值3 分贝最大样点门槛值3 分贝范围参数；则不修正。最大样点在B区内：如果 门槛值最大样点门槛值3 分贝；则门槛值增加3分贝。最大样点在B区内：如果最大样点门槛值；VP的第一次采集完成后，则门槛值增加3分贝。,叠加,基本原理可控震源数据采集中减小噪声的基本方法是在同一物理点对不同震次采集的数据进行垂直叠加，国内外常用的叠加方法有3种：即直接垂直叠加，整体加权叠加和分段加权叠加。讨论具体方法之前先作以下假设：,叠加,直接垂直叠加：直接垂直叠加是将M个记录直接求算术平均值；总体加权叠加在现场的条件下，实际上每个震次噪声的平均功率是不同的，采用直接叠加方法效果不好，我们以图说明加权的必要性；,叠
22、加,直接垂直叠加效果图,叠加,叠加,最佳加权叠加-逆功率规格化对于加权叠加方法而言，如何得到最佳的加权系数是至关重要的，我们采用最小二乘法求取加权系数：,叠加,附录,为了提高可控震源地震勘探的工作效率。1996年安曼石油公司发明了一种称为滑动扫描的工作方法。它采用多组震源同时振动，并且不要求必须在前一炮振动完成后，后一炮才开始振动，而仅仅要求 2 次振动之间相隔的时间至少大于听时间。后图 是滑动扫描与常规扫描（包括交替扫描）工作的时序图。由于滑动扫描各炮的振动是相互重叠的，因此得到的记录也是重叠的，为了将各炮的记录分开，在进行相关处理时，它根据辅助道中的时断信号，对原始记录按不同的时间与各自的
23、扫描信号相关，从而将各炮的听记录分开。,滑动扫描的工作原理,滑动扫描的工作原理,滑动扫描的工作原理,为了方便，假定在滑动扫描中震源各次振动采用相同的扫描信号sw(n)，并假定第 1 次振动开始的时刻为零，第 2 次振动开始的时刻为 L，第 3 次振动开始的时刻为 2L，等等。在分析中，只讨论前 3 次振动。按上述假定，这 3 组扫描信号分别为：,滑动扫描的工作原理,Force 2 震动器控制系统,Force 2 系统概述：Force 2 震动器控制系统由一个通用编码器和多个震动器译码器单元组成；通用编码器和地震数据记录系统以及IBM-PC接口，计算机上的震源控制软件用于控制Force 2系统工
24、作。震源控制程序可以加载和存储所有震动器的参数，显示和存储所有PSS报告，并且完成震动器一致性数据分析。通用编码器能使记录系统和震动器控制单元同步工作。震动器译码器单元能接收和同步来自通用编码器的无线信号，并且为伺服液压震动器提供全部控制，根据用户选择的限度控制震动器的力和相位。,Force 2 震动器控制系统,Force 2 系统工作：记录系统通常启动编码器。编码器送出无线启动码到各个译码器，以后编码器发送TB信号到记录系统，在准确的时间编码器和所有的译码器开始扫描。系统的启动时间精度为25,可以选择4种不同的启动码用于避免同一区域同一频率间的相互干扰。可以提供多种不同类型扫描信号。编码器面
25、板上有5种BNC输出1，真参考信号：此信号应当连接到记录系统并且用于相关运算，此信号和震动器未经滤波的加速度计信号为同一相位，真参考信号在TB到达时启动，并且当连接到震动器质量控制系统如SSC Bird Dog II unit时也能使用。2，有线参考信号：此信号是延迟的真参考信号。它用于完成有线一致性测试。此一延迟容许此信号直接和在震动器上的震动器输出信号比较。3，无线参考信号：此信号是延迟的有线参考信号。此一延迟和为了,Force 2 震动器控制系统,调制解调无线一致性信号的一路无线电台的延迟相同。4，无线Sim信号：此一信号是选择已经发送并经由震动器译码单元无线电台返回的震动器一致性信号。通常此信号是被选择震动器的Sim地面力信号。5，TB 信号：当扫描启动时，这个信号出现，它可以用于触发示波器和其他记录系统。,
