专利名称：生成用于地震振动器阵列的扩展频谱驱动器信号的方法
技术领域：
本发明总体上涉及地球物理勘探并且特别涉及用于地球物理勘探的振动的地震 震源。更特别地，本发明涉及将振动器用于地震数据采集的方法。
背景技术：
在被陆地覆盖的地球区域上以及被水覆盖的地球区域中的地球物理勘探中使用 包括振动器的地震能量源。由这种源生成的声能向下行进到地球中，从地下中的反射界 面反射，并且被地球的表面或水表面上或附近的地震接收器(典型地为水中地震检波器 (hydrophone)或地震检波器)检测。一般来说，地震振动器包括基板，其与水或陆地表面、反应质量块(reactive mass)以及液压设备或引起反应质量块和基板振动的其它设备耦合。该振动通常以被称为 “扫频”或“啁啾(chirp)”的模式通过某一频率范围传导。由地震接收器检测到的信号与 由布置在基板附近的传感器检测到的信号交叉相关。交叉相关的结果是在接近于已使用脉 冲类型的地震能量源的情况下由地震接收器已检测到的信号的地震信号。通过使用振动器 将地震能量输入到地下而提供的优点是能量随着时间而分布，以使得与通过使用诸如炸药 或空气枪之类的脉冲源所引起的环境影响相比对环境的影响降低了。期望在地震勘测中使用地震振动器不仅仅因为使用振动器的可能的环境利益。通 过具有可以生成任意类型的地震信号的地震能量源，使用比传统扫频或啁啾更“智能”的地 震能量信号可能存在实质利益。这种地震能量源将能够生成具有更多背景噪声特性的信 号，并且因此更不容易受到来自噪声的干扰，并且同时降低它们的环境影响。使用用于这种复杂信号方案的振动器来操作海洋振动器的实际限制尤其是本领 域已知的海洋振动器的结构。为了生成地震频率范围内的任意信号，有必要具有高效率的 震源，以使得该震源在所感兴趣的整个地震频率范围内可控制。独立可控的若干振动器结 合更复杂的信号发生技术将使得有可能根据若干独立地震能量源生成地震信号，同时具有 非常低的交叉相关，由此使得有可能增加采集地震数据的效率。本领域已知的液压海洋振 动器通常具有比所感兴趣的普通地震频率的上限还高的谐振频率。这意味着，振动器的能 量效率主要在低频处相对较低，但是在整个地震频率范围都一般低。就信号类型和频率组 分来说，液压海洋振动器可能难以控制。传统的海洋地震振动器还遭受强的谐波失真，其进 一步限制了更复杂驱动器信号(driver signal)的使用。可以通过检查低频振动器的阻抗 来了解这样的振动器特性。振动器将经历的总阻抗可以表示如下Zr = Rr+jXr(等式 1)其中&是总阻抗，Rr是辐射阻抗，并且\是电抗阻抗。在海洋振动器的能量传递分析中，包括振动器和水的系统可以被近似为带有折流 顶的活塞(baffled piston)。带有折流顶的活塞的辐射阻抗R,可以被表示为Rr = JIa2P C1CR1 (χ)(等式 2)
并且电抗阻抗可以被表示为Xr = JI a2 P C1CX1 (χ)(等式 3)其中
. . , 4 πα 2ωα , ^wr ,,= =——(等式 4)
λ c代(χ)= J1(X)(等式 5)
；cX1 (χ) = - sin(x cos α) sin Wa (等式 6)其中P ^是水的密度，ω是角频率，k是波数，a是活塞的半径，c是声速，λ是波 长，并且J1是一阶贝塞耳函数。将泰勒级数展开应用于上述等式，得到下面的表达式糊細A⑷二-+(等式 8)
7t 3 J ‘ J 'J - /对于低频，当χ = 2ka远小于1时，可以用泰勒级数展开的第一项来近似总阻抗表 达式的实部和虚部。当波长远大于活塞半径时，对于低频的表达式变成代⑶—(等式9)
QJrn不⑷(等式10) 3π由此断定，对于低频来说，与电抗阻抗X相比辐射阻抗R小，这表明低效率信号生 成。因此，存在对可以生成复杂信号的高效海洋振动器的需要，并且存在改进操作地震数据 采集的时间效率的需要，以便提供更经济的操作并且最小化海洋地震勘测的环境影响。还存在对可以提高效率的地震振动器驱动器信号的需要，可以利用该地震振动器 驱动器信号从基本上同时操作的多个地震振动器恢复与由脉冲地震震源生成的信号等同 的信号。
发明内容
一种用于生成地下勘测的地震能量的方法包括在要被勘测的地下区域上方操作 第一地震振动器；以及基本上与操作所述第一地震振动器同时在所述区域上方操作至少第 二地震振动器。所述第一和第二振动器每个都具有所选择的不同频率响应。所述第一和第 二振动器每个都由相同的直接序列扩展频谱信号操作，其中为每个振动器选择对于直接序 列扩展频谱信号中的每个逻辑值的不同数目的调制操作。根据本发明的另一个方面，一种用于地下地震勘测的方法包括在要勘测的地下区 域上方操作多个地震振动器，每个所述地震振动器具有所选择的不同频率响应。在所述区 域上方的间隔位置处布置的多个地震接收器中的每一个处检测来源于所述多个振动器的 地震信号。每个振动器都由相同的直接序列扩展频谱驱动器信号操作。对用于每个振动器 的驱动器信号中的每个逻辑值选择不同数目的调制操作。根据所检测的地震信号来确定来 源于多个振动器中的每一个的地震能量。
根据下面的描述和权利要求，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
图1示出使用多个地震能量源传导的示例海洋地震勘测。图IA示出地震振动器信号发生器的示例实施方式。图IB示出与地震接收器耦合的示例信号检测设备。图2示出传统液压地震振动器的示例结构。图3示出电地震振动器的示例结构。图4示出另一个示例振动器的横截面。图5示出另一个示例振动器的横截面。图6示出具有两个谐振的模拟振幅频谱。图7是一种类型的直接序列扩展频谱信号的示例自相关函数。图8是直接序列扩展频谱(DSSS)代码的示例。图9是使用根据图8编码的信号而驱动的地震震源的频率组分的图。图10是使用双相调制的示例扩展频谱代码。图11是使用根据图10编码的信号而驱动的地震震源的频率组分的图。图12A和图12B分别示出DSSS信号和低频振动器对DSSS驱动器信号的响应。图13A和图13B分别示出DSSS信号和比图12B中所示的更高频率振动器对DSSS 驱动器信号的响应。图14A和图14B分别示出在图12A、12B、13A和13B中所示的组合的DSSS信号和 两个振动器的输出。图15示出图13A和14A中的信号的和的自相关。图16示出每一个都在水中的不同深度处操作的三个振动器震源的示例频谱。图17示出每个码片(chip)使用一个双相调制操作的255码片DSSS驱动器信号 的示例的自相关函数。图18示出使用参考图17所述的255码片DSSS驱动器信号而操作的振动器的频 率组分。图19示出图17的相同255码片DSSS驱动器信号的相同示例的自相关函数，其中 每个码片使用两个双相调制操作。图20示出使用参考图19所述的驱动器信号而操作的振动器的频率组分。图21示出参考图17所述的驱动器信号与参考图19所述的驱动器信号之间的交 叉相关。
具体实施例方式本发明涉及用于使用多个地震振动器的方法。与根据本发明的方法一起使用的地 震振动器中的每一个都优选地在所选地震频率范围内具有至少两个谐振频率，并且阵列中 的每个振动器都优选地具有不同于其他振动器的频率范围。下面的描述首先包括在海洋地震勘测中可以与根据本发明的方法一起有利地使 用的特定类型的地震振动器的描述。这样的描述之后是解释可以用来增加频率范围并且使得能够使用相同的基础驱动器信号来检测来自由地震传感器检测的信号的等同脉冲地震 能量的特定类型的驱动器信号。参考海洋地震振动器描述了本发明，但是应该了解本发明 的原理可以等同地应用于在地表面上操作的地震振动器，并且因此本发明在范围上不限于 和海洋振动器一起使用。在图1中示意性地示出使用多个海洋振动器地震能量源的海洋地震勘测的示例。 示出沿着诸如湖或大海之类的水体W的表面移动的地震勘测记录船RV。地震勘测记录船 RV通常包括在RS处示出并且为了方便起见被称为“记录系统”的装置，其在所选的时间致 动一个或多个地震振动器10、确定地震采集系统的各个部件的大地位置，并且记录由多个 地震接收器R中的每一个检测的信号。通常沿着由记录船RV (和/或由另一个船)在水W中以所选模式牵引的一个或多 个拖缆(streamer cable) S来在间隔的位置处布置地震接收器R。该模式由某个牵引装置 TE保持，所述牵引装置TE包括被称为“水雷扫除器(paravane)，，的设备，其提供横向力来 将该牵引装置TE的部件扩展到相对于记录船RV的所选横向位置处。牵引装置TE、水雷扫 除器P以及拖缆S的配置被提供以说明根据本发明的一些方面的采集地震信号的原理，并 且其不打算以任何方式来限制可以使用的记录设备的类型、它们在水中的布置方式或者这 种部件的数目和类型。记录船RV可以牵引地震振动器10。在图1的示例中，震源船SV可以将附加地震 振动器10牵引到相对于记录船RV的所选相对位置。提供由震源船SV牵引的附加振动器 10的目的是增加由地震接收器R检测的信号提供的地下的覆盖范围。如图1中所示的这种 附加振动器10的数目以及它们的相对位置不打算限制本发明的范围。此外，任一或所有振 动器10可以是每一个都具有不同频率响应范围的多个邻接定位的地震振动器。在一些示例中，如将参考图16进一步解释的那样，每一个都具有不同频率响应范 围的多个振动器都可以在对应于每一个这样的振动器的频率范围的深度处利用该振动器 来操作。图2示出传统液压海洋振动器的示例。在35处示出液压给油，且在36处示出油 返回。活塞(基板)31生成声压波并且被布置在钟形罩(bell housing)(反应质量块)38 内部。在活塞31和钟形罩38之间布置空气32。利用伺服阀34来调节活塞31的运动。加 速计33用来提供反馈或引导信号。隔离底座(isolation mount)被安装在钟形罩38上以 降低用于部署振动器的处理系统(未示出)中的振动。因为振动器的严格设计，这种振动 器的第一谐振频率通常在地震频带的上限之上，并且这种振动器在典型地震频率处将具有 低的效率。图3示出根据本发明可以使用的不同类型的海洋振动器的示例。海洋振动器10 包括安装在框架16内的振动器震源20。支架14连接到该框架16的顶部，并且包括可以被 用来将振动器10部署在水中的孔24。图4示出振动器示例的部分横截面，其包括驱动器8，所述驱动器可以是磁 致伸缩(magnetostrictive)的驱动器，并且在一些示例中可以以由铽(terbium)、 镝(dysprosium)和铁制成的合金形成。这样的合金可以具有分子式Tb (0. 3)Dy (0. 7) Fe(l. 9)，这样的分子式在商业上被称为铽镝铁磁致伸缩合金(Terfenol-D)。尽管本文所述 的特定示例振动器仅示出单个驱动器，但是其中使用多个驱动器的实施方式也在本发明的范围内。本示例还包括连接到驱动器8的每个末端13处的外部驱动器弹簧3。在特定实施 方式中，驱动器弹簧3可以具有椭圆形。在其中驱动器8包括铽镝铁磁致伸缩合金的本示 例中，驱动器8还包括磁性电路(未特别示出)，当将电流施加于该磁性电路时，其将生成磁 场。该磁场将使得铽镝铁磁致伸缩合金材料拉伸。通过改变电流的幅度以及由此改变磁场 的幅度，驱动器8的长度改变了。通常，利用永磁体来将偏磁场施加于铽镝铁磁致伸缩合金 材料，并且通过将改变的电流施加于在铽镝铁磁致伸缩合金材料周围形成的电线圈(未示 出)来生成磁场的改变。驱动器8长度的改变引起外部驱动器弹簧3尺寸的相应变化。图4示出包括内部弹簧4的附加振动器部件，其具有附接到其上的质量块 (maSS)7。如下面进一步讨论的那样，可以包括具有附接到其上的质量块7的内部驱动器弹 簧4以提供所感兴趣的地震频率范围内的第二系统谐振频率。尽管仅包括外部弹簧3的振 动器系统通常将显示第二谐振频率，但是对于具有适合于在海洋地球物理勘探中使用的大 小的系统来说，在这种情况下第二谐振频率将比所感兴趣的地震频率范围内的频率(通常 从OHz到300Hz)高得多。在图4中示出的安装支架28在其上端和下端固定连接到上端和下端板18(如图 3所示)。驱动器8在其纵向中心位置固定连接到安装支架28以保持驱动器8的稳定基准 点。驱动器杆末端13相对于安装支架28的移动不受约束。图4中示出的示例还包括外壳2，外部弹簧3通过传输元件5与该外壳2连接。壳 2的形状通常被称作弯曲伸张的(flextensional)。在特定实施方式中，外壳2包括两个侧 部，它们可以基本上是彼此的镜像，并且包括两个端梁1，其中通过铰链6将该壳2的侧部铰 链式地连接到所示端梁1。图4示出外壳2的一个侧部，被表示为壳侧部2a。当完全组装 时，通过铰链6将基本上包括壳侧部2a的镜像的第二壳侧部(图3中未示出)铰链式地连 接到端梁1，以便完成包围组装驱动器8、外部弹簧3以及内部弹簧4的弯曲伸张的壳。图5示出安装在海洋振动器10中的图4中的组件的横截面。参考图3，海洋振动器10还包括顶端和底端板18。组装的包括两个壳侧部和两个 端梁1的外壳2密封附接到顶端和底端板18。尽管外壳2与顶端和底端板18密封接合，但 是当海洋振动器10处于操作中时，外壳2将实现相对于末端板18的移动，所以末端板18 和外壳2之间的连接将是柔性连接，例如这可能通过柔性膜22(未详细示出)提供。图6示出振动器示例的有限元模拟的结果。第一谐振频率11基本上由外部弹簧3 和驱动器的交互产生。第二谐振频率12基本上由内部驱动器弹簧4与其添加质量块7和 驱动器8之间的交互产生。在图中示出的外部驱动器弹簧3和内部驱动器弹簧4可以是不同于所示出的类型 的弹簧。例如，弹簧可以是螺旋弹簧或者基本上以类似方式执行的其它类型的弹簧。本质 上，弹簧3和4是偏置设备，其提供与该偏置设备的位移量有关的力。类似地，外部弹簧3 和内部弹簧4可能使用隔板、密封汽缸(cylinder)或液压汽缸中的活塞以实现基本上相同 的结果。通过将谐振引入到地震频谱的较低端，可以更高效地生成低频声能。基本上消除 谐振处阻抗的虚部(电抗部)，并且声源能够将声能高效地传送到水中。在构造海洋振动 器的任何特定实施方式中，本领域技术人员公知可以使用有限元分析来确定第一和第二谐 振频率。在任何这种分析中，以下操作原理是相关的。如果外壳近似为活塞，则对于低频来说，质量负荷(mass load)或作用于该壳的等效流体质量可以被表示为
权利要求
1.一种生成用于地下勘测的地震能量的方法，包括 在要被勘测的地下区域上方操作第一地震振动器；以及基本上与操作所述第一地震振动器同时地在所述区域上方操作至少第二地震振动器， 所述第一和第二振动器每个都具有所选择的不同频率响应范围，所述第一和第二振动器每 个都由相同的直接序列扩展频谱驱动器信号操作，其中为每个振动器选择对于直接序列扩 展频谱信号中的每个逻辑值的不同数目的调制操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中选择每个调制操作的数目以对应于每个振动器的 频率响应范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述直接序列扩展频谱信号包括最大长度序列代 码、Gold序列代码以及Kasami序列代码中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中每个振动器具有所选频带中的至少两个谐振频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述地下区域包括水体，并且其中每个振动器的 致动时间对应于一深度，在所述水体中的所述深度处操作每个振动器以使得所述第一和至 少第二振动器用作振动器阵列。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在一水深度处操作每个振动器以使得表面虚反射 放大在所选频率范围内的每个振动器的向下的输出。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述调制操作包括双相调制。
8.一种用于地下地震勘测的方法，包括在要勘测的地下区域上方操作多个地震振动器，每个所述地震振动器都具有所选择的 不同频率响应范围；以及在所述区域上方的间隔位置处布置的多个地震接收器中的每一个处检测来源于所述 多个振动器的地震信号；其中每个振动器都由相同的直接序列扩展频谱驱动器信号操作； 其中为每个振动器选择对于驱动器信号中的每个逻辑值的不同数目的调制操作；以及 在所检测的地震信号中确定来源于多个振动器中的每一个的地震能量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中选择每个调制操作的数目以对应于每个振动器的 频率响应范围。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述直接序列扩展频谱信号包括最大长度序列 代码、Gold序列代码以及Kasami序列代码中的至少一个。
11.根据权利要求8所述的方法，其中每个振动器具有所选频带中的至少两个谐振频率。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述地下区域包括水体，并且其中每个振动器的 致动时间对应于一深度，在所述水体中的所述深度处操作每个振动器以使得所述第一和至 少第二振动器用作振动器阵列。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在一水深度处操作每个振动器以使得表面虚反 射放大在所选频率范围内的每个振动器的向下的输出。
全文摘要
本发明涉及生成用于地震振动器阵列的扩展频谱驱动器信号的方法。一种生成用于地下勘测的地震能量的方法，包括在要被勘测的地下区域上方操作第一地震振动器；以及基本上与操作所述第一地震振动器同时地在所述区域上方操作至少第二地震振动器。所述第一和第二振动器每个都具有所选择的不同频率响应。所述第一和第二振动器每个都由相同的直接序列扩展频谱信号操作，其中为每个振动器选择对于直接序列扩展频谱信号中的每个逻辑值的不同数目的调制操作。
文档编号G01V1/38GK101995584SQ20101025423
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者S·R·L·滕汉恩 申请人:Pgs地球物理公司