压缩感测海洋拖缆系统的制作方法

文档序号:22557107发布日期:2020-10-17 02:41阅读:210来源:国知局
压缩感测海洋拖缆系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2017年10月4日提交的序列号为62/568,141的美国临时申请和于2017年10月9日提交的序列号为62/570,026的美国临时申请的权益,其全部内容通过引用整体并入本文。



背景技术:

本节提供背景信息以促进对本公开的各个方面的更好理解。应该理解的是,应从这一角度来阅读本文件这一节中的陈述,而不是对现有技术的承认。地震勘测用于确定地层的各种特征,例如各种矿物质的存在或缺乏。地震勘测可用于确定地层中是否存在碳氢化合物沉积。可以通过使用地震源来产生脉冲以进行地震勘测,该脉冲行进到地层中,从而从地层回响和/或反射。然后通过地震传感器和记录系统检测并记录回响和/或反射。由此得到的数据可以被分析并用于确定地层的特征。其可以以视觉形式显示或以数字数据形式保存。

一种类型的地震勘测在陆地上进行,被称为陆地地震勘测。在陆地地震勘测中,将脉冲引入地层中,并将地震传感器放置成与地层接触(在地层上和/或地层中)。传感器可以是水听器、地震检波器或其他能够检测脉冲的回响和/或反射的常规类型的传感器。可以使用大量散布的相互连接的传感器,这些传感器又与(多个)记录装置连接。陆地勘测中遇到的一些问题是雷击、动物破坏(例如老鼠咀嚼电缆)以及由这些元素引起的其他劣化。散布的传感器可以通过无线通信、有线通信或其组合的方式连接。传感器也可以处于所谓的“盲”配置,其中传感器或传感器组连接到独立于中央记录单元的记录装置,并在各种时间以各种方式被清除。

另一种类型的勘测是海洋地震勘测,在其中包括拖曳式海洋地震勘测。在拖曳式海洋地震勘测中,船拖曳一系列地震拖缆。地震拖缆是在其上和/或在其中集成有地震传感器的电缆。与陆地勘测一样,海洋地震勘测也将脉冲引入到地层中。脉冲可以由气枪或海洋振动器产生。(多个)脉冲可以穿过水并进入地层,在那里它们回响和/或反射。回响和/或反射通过水返回,并由拖缆上的地震传感器检测到并可以被记录下来。由此得到的数据可以被分析并用于确定地层的特征。可以以可视形式显示或以数据形式保存。也可以使用位于海床上的地震传感器。

尽管在所有地震勘探中都可能具有相关性,但获取多分量地震数据是有价值的,因为这样可以促进许多数据处理方面,例如去鬼波(deghosting)、噪声消除以及其他衰减和处理技术。也就是说,设备的成本与其商业实用性有关。可以将多分量数据视为针对多个方向的方向性粒子运动数据、压力数据、旋转数据或其组合。



技术实现要素:

在一个实施方式中,提供了一种海洋地震拖缆。海洋地震拖缆可以包括形成为纵向延伸的管状形状的外蒙皮,该外蒙皮的内表面限定了包含凝胶物质的内部容积部。地震拖缆还可包括与外蒙皮相关联的多个水听器和多个微机电系统(“mems”)传感器,其中,所述多个mems传感器在地震拖缆中沿拖缆的轴向方向不均匀地间隔开,使得在地震拖缆中,在地震拖缆的连续的100米的轴向长度上定位有不超过100个mems传感器。海洋地震拖缆可以进一步包括电子芯,该电子芯轴向延伸通过外蒙皮的内部部分,其中,所述多个mems传感器与电子芯电连通。海洋地震拖缆还可包括轴向延伸通过外蒙皮的内部部分的加强构件芯。

在一些实施方式中,所述多个mems传感器中的至少两个可以以彼此之间的0.39米或更小的间距彼此相邻放置。在另一种实施方式中,所述多个mems传感器可以以彼此之间0.5米或更小的间距彼此相邻放置。所述多个mems传感器可在地震拖缆的连续100米的长度上包括不超过80个mems传感器。所述多个mems传感器可以在地震拖缆的连续100米长度上以大于空间奈奎斯特间隔的平均间距间隔开。所述多个mems传感器中的一个或多个相邻的mems传感器可在其之间包括1至4米之间的平均间距。平均间距可能大于大约1.78米。传感器可以在轴向方向上相对于彼此不规则地间隔开。海洋地震拖缆可以进一步包括附接到外蒙皮的第一侧的第一传感器和附接到外蒙皮的第二侧的第二传感器。所述多个传感器可以包括三分量(“3c”)mems传感器。海洋地震拖缆可以进一步包括一个或多个地震拖缆取向检测装置,配置为确定地震拖缆的至少一部分的相对位置。

在另一个实施方式中,提供了一种用于执行地震勘测的方法。该方法可以包括拖曳具有形成为纵向延伸的管状形状的外蒙皮的海洋地震拖缆,该外蒙皮的内表面限定包含凝胶物质的内部容积部。该方法还可以包括使用与外蒙皮相关联的多个水听器和多个传感器来获取地震数据,其中,在地震拖缆中,对于连续每100米长的地震拖缆,所述多个传感器包括预定最大数量的传感器,其中,多个传感器在地震拖缆的连续100米长度上以大于空间奈奎斯特间隔的平均间距轴向沿拖缆不均匀地彼此间隔开。该方法可以进一步包括将地震数据传送到轴向延伸通过外蒙皮的内部的电子系统,其中所述多个传感器与电子系统电连通。

在一些实施方式中,传感器的预定数量可以不超过80。所述多个mems传感器中的至少两个可以沿着拖缆在轴向方向上彼此相邻放置,并且在它们之间具有0.39米或更小的间距。所述多个传感器可以包括三分量(“3c”)传感器。

在一个实施方式中,提供了一种海洋地震拖缆。海洋地震拖缆可以包括形成为纵向延伸的管状形状的外蒙皮,该外蒙皮的内表面限定了包含凝胶物质的内部容积部。地震拖缆还可包括与外蒙皮相关联的多个水听器和多个粒子运动传感器,其中,所述多个粒子运动传感器在地震拖缆中沿拖缆的轴向方向不均匀地间隔开,使得在地震拖缆中,在地震拖缆的连续的100米的轴向长度上定位有不超过100个粒子运动传感器。粒子运动传感器可以以大于12.5米的距离重复的模式不均匀地分布在地震拖缆的连续100米轴向长度上。海洋地震拖缆可以进一步包括电子芯,该电子芯轴向延伸通过外蒙皮的内部,其中,所述多个粒子运动传感器与电子芯电连通。海洋地震拖缆还可包括轴向延伸通过外蒙皮的内部的加强构件芯。

在一些实施方式中,粒子运动传感器可以以大于50米的距离重复的模式不均匀地分布在地震拖缆的连续100米轴向长度上。

提供本概述是为了介绍一些概念,这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征,也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

参考以下附图描述本公开的实施例。

图1a是根据本公开的第一实施方式的拖曳地震拖缆的阵列的地震勘测船的一般性图示;

图1b是示出采用本公开的实施例的拖缆电缆的一部分的示意性截面图;

图2示出了根据本发明的自适应波束形成器的总体块图;

图3是根据本公开内容的方面的结合多分量地震电缆和特征的海洋地震勘测系统的示意图;

图4示出了根据本公开的一个或多个方面的设置解耦浮动地震传感器单元的地震拖缆的一部分;

图5示出了根据本公开的一个或多个方面的设置有传感器间隔器装置的地震传感器单元的非限制性示例;

图6是根据本公开的一个或多个方面的沿着地震传感器单元的纵向轴线的端视图,该地震传感器单元设置有并耦联至传感器间隔器装置;

图7是根据本公开的一个或多个方面的沿着具有内部地震传感器单元的地震电缆的纵向轴线的端视图,该内部地震传感器单元设置有并耦联至传感器间隔器装置和电缆加强构件;

图8是根据本公开的一个或多个方面的沿着具有内部地震传感器单元的地震电缆的纵向轴线的端视图,该内部地震传感器单元设置有传感器间隔器装置和电缆加强构件并与其解耦;

图9示出了根据本公开的一个或多个方面的结合地震传感器单元的地震拖缆的一部分,该地震传感器单元设置有传感器间隔器装置;

图10示出了描述受凝胶流变学影响的拖缆平台噪声传播特性的两张图;

图11示出了根据本公开的一个或多个方面的示例性拖缆部段,其中包括传感器;

图12示出了根据本公开的一个或多个方面的示例性拖缆部段,其中包括传感器;

图13示出了根据本公开的一个或多个方面的稀疏阵列的示例;

图14示出了根据本公开的一个或多个方面的示例性拖缆部段,其中包括传感器;和

图15示出了根据本公开的一个或多个方面的用于处理从海洋地震拖缆接收到的数据的系统。

各个附图中相同的参考符号可以指示相同的元素。

具体实施方式

以下描述涉及多个实施例,并且旨在提供对实施例的理解。该描述绝不以任何方式不适当地限制任何当前或后续相关权利要求的范围。

图1a示出了拖曳穿过水体的拖缆和声源的地震船。地震船0拉动至少一个地震源1和至少一个地震拖缆2。拖缆2通过引入电缆3固定到船0,引入电缆3附接到位于船上的电缆存储卷盘4。尾部浮标5通过一长段绳索或类似材料附接到电缆的远端。尾部浮标可以可选地设置有用于定位拖缆电缆的端部的声学、电磁或视觉装置。

如图1b所示,拖缆电缆2的每个部段都包含地震领域中众所周知的多个水听器6。水听器通过传输线(未示出)与位于船上的远程记录装置互连。相邻的水听器通过线连接,以形成可生成单个输出的组。替代地,将每个水听器设置为生成单独的输出gi,然后在以下所述的过程中对其进行滤波。拖缆电缆的每个部段还可以包括各种传感器,例如下面在图11-13中讨论的mems传感器。

另外,拖缆电缆包括加强构件7,该加强构件设计成吸收在拖曳时施加到电缆上的拉应力。感测和加强部件被细长管形式的塑料外套8包围。外套优选地填充有轻质压载流体,以使该部段呈中性或略带正浮力。当充满流体时,外套的内部基本上处于大气压下。外套的圆柱形形式由多个未示出的隔板保持。

当拖缆电缆被拖曳穿过水体时,发射气枪1,并且由此产生的声能行进穿过水层和海底下面的地层。在各个反射点或平面上,一部分声能被反射。水听器6的电缆接收直接波场以及横穿拖缆的任何反射或折射波场。在大多数情况下,接收到的波场会受到来自各种来源的噪声的严重污染。

为了衰减所接收信号中的不期望的噪声,水听器6可以以3.125米的间隔间隔开。即使实验数据表明,使用较小的采样间隔(例如2.25米)可以实现更好的噪声衰减,但是最佳间距仍受到许多限制,例如数据传输和记录的可用带宽或制造成本。用于水听器分离的上述值是从湿的(煤油填充的)拖缆得出的,对于其他类型的拖缆(例如,固体和半固体拖缆),可能需要修改采样间隔。

结合如下所述的适当的噪声滤波方法,以上选择的采样间距导致减少了不期望的噪声,特别是相干噪声,例如凸起波噪声、膨胀噪声和错流噪声。

现在参考图2,示出了用作滤波器以减少单个传感器记录的噪声的自适应波束形成器的总体块图。假设存在位于rk处的k个传感器,其中k=1,...,k。每个传感器k使用a/d转换器记录信号gk(n),其中n=1,...,n。字母“n”用作离散时间样本的索引。采样间隔是δt。使用延迟τk将信号gk(n)朝向大致的“信号方向”进行波束转向。这是预期地震信号到达的大致方向。波束转向的信道xk(n)由本地多信道自适应滤波器处理以产生输出信号:

[1]

其中wikv(t)是自适应滤波器的可调系数,hi(n)是在输出端应用的窗口,m是本地多信道自适应滤波器的数量(或输出窗口的数量),并且l=l1+l2+1是每个信号的系数数量。在此以及下文中,字母下方的横杠表示矢量(小写字母)或矩阵(大写字母)

可以使用时间t时的点击输入矢量x(n)将方程[1]重写为标量积上的(窗口式)和:

[2]

x(n)[x1(n+l1),...,x1(n-l2)

x2(n+l1),...,x2(n-l2),

xk(n+l1),...,xk(n-l2)]t

点击权重矢量wi定义为

[3]

使用定义[2]和[3],方程[1]变为

[4]

方程[1]和[4]描述了一旦指定了m个点击加权矢量wi,如何找到波束形成器或滤波器组的输出。计算这些矢量作为优化问题的解,如下所述。

优化问题定义为

[5]

受以下约束

[6]

ctwi=f

其中i=1,2,...,m和j。

[7]

[8]

kl是滤波器系数的总数量,||.||表示l2范数。该成本函数是波束形成器的输出功率(方程[5]中的第一项)和由输入功率加权的波束形成器的所谓的“白噪声增益”(方程[5]中的第二项)的线性组合。这两项的相对权重由δ2项调整。在成本函数中包括波束形成器的“白噪声增益”旨在在存在信号建模不确定性(有时称为扰动)以及信号与噪声之间的数值相关性的情况下提高波束形成器的鲁棒性。

方程[6]描述了对优化问题的可接收解的q线性约束。在此,klxq矩阵c是约束矩阵,q矢量f是响应矢量。线性约束的实际设计在下面讨论。

优化的可行解取决于对窗口函数hi(n)施加以下两个约束:

[9]

对于n=1,2,...,n和

[10]

hi(n)hj(n)=0

对于j<>i-1,i,i+1。第一个约束在所有本地滤波器(wi)都相同的情况下确保滤波器组等效于单个滤波器情况。第二个约束确保窗口具有紧凑的支撑。

使用第二个条件(方程[10])和近似[11]可以在很大程度上解耦优化问题。

[11]

方程[11]的近似要求:在相邻窗口重叠的时间区域中应用于相同的输入数据时,相邻滤波器产生相似的结果,而不是要求相邻滤波器逐点相似。因此,该近似类似于要求两个函数的积分必须接近,而不是要求函数本身接近。

通过这种近似,成本函数的第一项j1变为

[12]

其中

[13]

成本函数中的第二项可以重写为:

[14]

其中“tr”表示矩阵的迹。

结合方程(5)、(12)、(14),并重新组织各项,总成本函数可以写成:

[15]

其中,i表示kl×kl单位矩阵。可以针对受约束[6]的m个时间窗口中的每一个解决解耦优化问题。使用拉格朗日乘数法,每个窗口中的最佳点击权重为

[16]

其中

[17]

可以将修改后的局部相关矩阵的第二项视为以δ2作为正则化参数的正则项。在阵列信号处理文献中,已建议在窄带波束形成的情况下,在存在扰动的情况下,通过添加缩放的单位矩阵来对相关矩阵进行正则化,以提高鲁棒性。在此,成本函数[5]从一开始就包括正则化项,导致了宽带自适应波束成形的一般化。因此,滤波器响应随信号频率变化。

当到波束形成器的输入数据的特征是在空间和时间上不相关的(或白色)噪声时,相关矩阵φi和修改的相关矩阵与单位矩阵成比例。在这种情况下,最佳权重矢量变为

[18]

权重矢量wq称为最佳波束形成器问题的静态解,对应的响应称为静态响应。注意,静态解完全取决于约束矩阵c和响应矢量f

随着规则化参数δ2的增加,即使对于一般的噪声场,最优权重矢量wi也接近静态权重矢量wq。在这种情况下,修改后的相关矩阵φi接近单位矩阵(参见[17])。因此,正则化参数δ2在完全取决于接收到的数据的解和与数据无关的解之间对最优解进行加权。对于δ2=1,就其对应的相关矩阵具有相等的迹值的意义而言,两个解被等同地加权。在扰动较高的情况下,即关于地震采集几何的假设不能完全成立,找到具有较高正则化水平的波束形成器响应可以提供更鲁棒的结果。本发明的另一方面涉及施加在波束形成器上的线性约束(方程[6])的设计。

可以施加在波束形成器上的一种线性约束是设计为保留从目标方向入射的地震信号,同时抑制从其他方向入射的干扰的线性约束。如图2所示的转向延迟τk定义了单个“视线方向”。沿该方向入射的信号是同相的,对于这些信号,系统可以视为单个fir(有限脉冲响应)滤波器。该等效处理器的系数值等于自适应处理器中对应系数的总和。每个局部波束形成器wi包括处理来自每个信道的数据的自适应滤波器wi1,wi2,...,wik,以及求和单元。各个滤波器wi1,wi2,...,wik的总和被约束以给出weq,这是沿视线方向入射的信号(例如沿视线方向的单位脉冲)的期望响应:

[19]

对于i=1,...,m,且wik根据以下被分隔

[20]

线性约束方程[6]可重写为矩阵方程

[21]

ctwi=weq=f,

其中kl×l矩阵

[22]

c=[i,i,…,i]t,

是约束矩阵,而i是l×l单位矩阵。

为了在视线方向上产生无失真的响应,可以选择weq作为单位脉冲,例如

[23]

weq=[0,0,...,0,1,0,...,0]t.

然后,静态响应就变成了固定权重波束形成器的静态响应,其中所有元素的权重相等。在频率-波数域中,这对应于在f方向上恒定的同步函数。因此,为了增加正则化参数δ2的值,波束形成器保存不仅从视线方向而且从相邻方向入射的信号。

现在参考图3,提供了描绘根据本公开的实施例的海洋地震勘测系统10的图。在所示的地震勘测系统10中,勘测船12在船12的后面拖曳一个或多个多分量地震电缆14(即,地震拖缆)。地震拖缆14可以是数千米长,并且可以包含各种支撑电缆以及可以用于支撑沿着拖缆14的电力和通信的布线和/或电路。通常,每个拖缆14包括主电缆,记录地震信号的地震传感器单元16安装在该主电缆中。地震传感器可以包括水听器、地震检波器、加速度计、微机电系统(mems)传感器、或至少在竖直方向并且可能在一个或两个水平方向上测量表面的平移运动(例如位移、速度和/或加速度)的任何其他类型的传感器。这样的传感器称为平移勘测传感器,因为它们测量平移(或矢量)运动。每个地震传感器可以是单分量(1c)、二分量(2c)或三分量(3c)传感器。1c传感器具有一个感应元件,用于沿单个方向感应波场;2c传感器具有两个传感元件,用于沿两个方向(可以彼此大体正交,在设计、制造和/或放置公差范围内)感应波场;3c传感器具有三个感应元件,用于沿三个方向(通常可以相互正交)感应波场。对于多分量地震传感器的情况,传感器能够检测压力波场和粒子运动的至少一个分量,该至少一个分量与靠近多分量地震传感器的声信号相关联。粒子运动的示例包括粒子位移的一个或多个分量,粒子速度的一个或多个分量(直线(x),交叉线(y)和竖直(z)分量(例如,参见轴18))和粒子加速的一个或多个分量。

取决于本公开的特定实施例,地震传感器可以包括水听器、地震检波器、粒子位移传感器、粒子速度传感器、加速度计、压力梯度传感器或其组合。例如,根据本公开的一些实施例,特定的多分量地震传感器布置可以包括用于测量压力的水听器和三个正交对准的加速度计,以测量地震传感器附近的粒子速度和/或加速度的三个对应的正交分量。注意,多分量地震传感器组件可以被实现为可以基本上位于同一地点的多个装置。特定的地震传感器可以包括压力梯度传感器,其构成另一种类型的粒子运动传感器。每个压力梯度传感器测量相对于特定方向的特定点处的压力波场的变化。例如,压力梯度传感器中的一个可以获取指示在特定点处压力波场相对于交线方向的偏导数的地震数据,而压力梯度传感器中另一个可以获取在特定点指示相对于进线方向的压力数据的地震数据。

海洋地震勘测(即,数据采集)系统10包括地震源20,该地震源可以由连接到勘测船12的一个或多个地震源元件(例如气枪)形成。替代地,在本公开的其他实施例中,地震源20可以独立于勘测船12操作,因为地震源可以联接至其他船或浮标,仅作为几个示例。

当地震拖缆14在勘测船12后方被拖曳时,地震源20产生通常被称为“炮弹”的声信号22,并且将其向下引导通过水柱24进入水底表面30下方的地层26和28。声信号22从各个地下地质地层(例如图3中所示的地层32)反射。

在一些实施例中,入射声信号22产生对应的反射声信号或压力波34,其由地震传感器单元16感测。注意,由地震传感器单元16接收和感测到的压力波包括在没有反射的情况下传播到传感器单元16的“上行”压力波,以及由于来自空气-水边界36的压力波34的反射而产生的“下行”压力波。

在一些实施例中,地震传感器单元16生成称为“迹线”的信号(例如,数字信号),其指示所获取的压力波场的和粒子运动的测量值(如果传感器是粒子运动传感器)。根据本公开的一些实施例,迹线被记录并且可以由部署在勘测船12上的信号处理单元38至少部分地处理。

在一些实施例中,地震采集的目的是建立勘测区域的图像,以用于识别地下地质地层32。对表示的后续分析可揭示地下地质地层中烃类沉积物的可能位置。取决于本公开的特定实施例,可以在地震勘测船12上执行表示的分析的部分,诸如通过信号处理单元38。

在一些实施例中,海洋地震电缆的构造可以包括长管状主体。主体可以包括外蒙皮,其包围一个或多个加强构件、地震传感器、支撑该蒙皮的间隔器、填充材料和在各个部件(例如,处理器和传感器)之间传输功率和信息的电布线。通常,填充材料通常具有使整个拖缆保持中性浮力的密度。

在海洋地震电缆中,电缆的内部工作以各种方式得到支撑。应当理解,拖缆内部的支撑结构有助于传感器的测量能力,因为传感器非常敏感并且噪声是重要的考虑和问题。一种结构可能足以支撑传感器和相关的布线,但会给读数带来不可接受的噪声量。相反,就噪声和其他信号检测方面而言,支撑结构是可以接受的,但不能充分提供结构支撑。此外,可以适当地支撑传感器并提供适当的噪声属性,但是硬件的成本可能太昂贵而不能在商业上可行。地震拖缆的支撑结构的细微点可关于拖缆中的传感器性能以及产品成本而产生较大的影响。

图4示出了承载根据本公开的方面的传感器单元16的地震拖缆14的一部分,该传感器单元在拖缆中解耦并且“浮动”。拖缆14包括外蒙皮40,该外蒙皮限定了外表面42和内表面44,该外蒙皮形成为纵向延伸的管状形状。外蒙皮40的内表面44限定内部容积部46。至少一个加强构件48(例如,kevlar,dupont的注册商标)例如在平行于纵向延伸的管状形状的方向上纵向延伸通过内部容积部46。在图4中,一对间隔开的加强构件48在内部容积部46内纵向延伸。例如,加强构件48可以间隔开并且距离彼此以大约180度定位。根据本公开的方面的传感器单元16设置在内部容积部46中。内部容积部46填充有填充材料54,以支撑传感器单元和外蒙皮以及其他部件,例如电线56。填充材料54可以是气体、液体、凝胶或泡沫,其可以提供感测性能属性并支撑外蒙皮内的内部硬件。填充材料(例如,凝胶或泡沫)可用于减少加速度计与拖缆蒙皮和/或加强构件的耦联(解耦)。应当注意,各种凝胶或泡沫材料是众所周知的,并且可以商业购买。在所描绘的示例中,间隔器58也布置在内部容积部中以支撑外蒙皮。间隔器58的非限制性示例例如在美国专利公开号2009/0323468、2011/0273957和2018/0136348中描述,其教导通过引用并入。

在一些实施例中,所描绘的传感器单元16包括传感器50(例如加速度计)和设置在纵向延伸的传感器壳体52中并由其承载的传感器电子器件49。地震传感器50可以包括至少一个基于微机电系统(mems)的传感器加速度计,这由于其尺寸、低功耗和低成本而可能是有利的。传感器壳体52包括在纵向上彼此分离的第一端51和第二端53。根据一个实施例,传感器壳体52的长度大于大约100mm。根据一个实施例,传感器壳体大于约150mm。根据一个实施例,传感器壳体在纵向方向上延伸约200mm或更长。当以此方式配置时,传感器可以是梯度传感器。加速度计可以是两轴或三轴加速度计。纵向传感器壳体可以由例如金属或聚合物构成。传感器壳体52的横截面可以是圆形或非圆形的。纵向传感器壳体52可具有例如平坦的外表面60,在其上可附接浮标或浮力元件61。例如,在图4中,具有浮力元件61的传感器单元16可以在填充材料54中处于基本上中性的浮力。通过使传感器单元16相对于填充材料(例如,传感器单元和具有相同密度的填充剂)处于中性浮力,传感器50与填充材料54耦联。例如,当传感器与机械加强构件解耦时,这可能是期望的。在一些实施例中,传感器单元16可以不包括浮力元件61。应当认识到,传感器50,即传感器单元16的安装配置可以与填充材料54、外蒙皮40材料和加强构件48的材料的选择结合地进行选择,因为这些部件影响噪声特征。

现在参考图5至图9,示出了传感器单元16的实施例,其包括纵向传感器壳体52,该纵向传感器壳体52布置与间隔器装置62共定位的传感器,使得传感器壳体52延伸穿过间隔器装置62的中心并从其相对侧延伸。传感器壳体52可以被布置成使得其从间隔器装置的相对侧延伸基本相等的距离(即,对称的)。传感器壳体52可以是间隔器装置62的一体的部分,或者可以是单独的独立元件。传感器壳体52可以与传感器间隔器装置62和地震电缆声学地耦联,例如参见图6和图7,或者可以与传感器间隔器装置62和地震电缆声学地解耦,例如参见图8。

在一些实施例中,传感器间隔器装置62具有圆形轮廓,使得当定位在外蒙皮40的内部容积部内时,外表面64(即,外半径)与蒙皮40的内表面44(即内半径)基本相似。在所示的示例中,传感器间隔器装置62的外半径64具有总体上标记为65(图6),特别是具体标记为65-1、65-2等的部分,这些部分彼此径向分开以接触内半径44(图7),以将传感器间隔器装置支撑在蒙皮40内。相对部分65在径向上彼此分开,例如在大约120度至180度的范围内。例如,参考图6,外半径部分65-1在大约120度至180度的范围内彼此分离,而外半径部分65-2在大约120度至180度的范围内彼此分离。传感器间隔器装置62包括纵向延伸的通道66或凹槽,其可沿着外半径64敞开到外蒙皮的内表面。通道66限定了纵向延伸的通路,(多个)加强构件48和诸如布线56的内部部件可以穿过该通路。传感器间隔器装置62可以具有集成或装配至其的传感器壳体52,该传感器壳体52从传感器间隔器装置62的相对侧延伸并且在其中承载地震传感器50,例如mems加速度计。传感器壳体52可以例如与传感器间隔器装置62的中心纵向轴线68(图5)同轴地延伸。传感器间隔器装置62不限于图5-9中所示的配置。

在一些实施例中,例如如图6-8所示,传感器壳体52可定位为通过中央通路70,该中央通路70沿着纵向轴线纵向延伸穿过传感器间隔器装置62。当传感器壳体和间隔器装置是分立的部件并且传感器壳体延伸穿过间隔器装置中的中央通路或开口时,传感器壳体可以是大体上非圆形的形状以匹配非圆形的中央通路70,因此以防止传感器壳体在中央通路70内旋转。在图6-8所示的示例中,传感器间隔器装置62形成为两个部段62-1和62-2,这两个部段在对应的闩锁端63-1和63-2处连接在一起。在一些实施例中,间隔器装置被构造为单个部件,并且在一些实施例中,间隔器装置可以由两个以上的部段构成。传感器间隔器装置不限于图示的构造。

在一些实施例中,应当理解,取决于期望的测量,mems传感器可以是1c、2c或3c传感器。mems传感器可以具有彼此成直角或成其他构造的轴线。定向加速度计的一种方法是,使其轴线垂直于传感器外壳的表面,其中轴线与拖缆电缆对齐,而另一轴线与和拖缆对齐并垂直于所述表面的轴线成直角。

图6和图7是感测单元16的示例的纵向端视图,其中传感器壳体52和所承载的传感器耦联至传感器间隔器装置62。在图7中,传感器壳体52和所承载的传感器通过间隔器装置62锚定到拖缆电缆14的机械骨架,即加强构件48。传感器壳体52与传感器支撑装置62的相对部段或侧面物理接触并接合,从而将传感器壳体52和加速度计与传感器支撑装置刚性地连接。在图7中,两个加强构件48延伸穿过拖缆14的内部并穿过由传感器间隔器装置62限定的通道66(图6)。传感器间隔器装置62和加强构件48之间的连接是紧密连接,从而将传感器间隔器装置锚定到加强构件,并且在图7的实施例中将传感器50刚性地连接到加强构件的运动或振动。该配置还将拖缆蒙皮40的运动连接(耦联)到传感器50。在拖缆14的内部,诸如凝胶之类的填充材料54可以围绕该装置,从而对这种设计的支撑方面以及感测性能做出积极的贡献。尽管可以使用凝胶,但是应当理解,可以使用其他材料。

现在参考图8,拖缆14的纵向端视图示出了感测单元16,其中传感器壳体52和传感器50与间隔器装置62位于同一位置,并且例如通过诸如解耦泡沫54之类的减震材料与间隔器装置和地震电缆14解耦。可以在拖缆的不同部段中使用不同类型的填充材料54。传感器壳体52延伸穿过间隔器装置62的中央通路70,但是不与间隔器装置直接物理接触,而是位于布置在中央通路70中的泡沫54内。在所示的示例中,浮力元件61附接到传感器壳体52以向传感器壳体52提供中性浮力。使用浮力元件61和/或选择填充材料使得传感器单元是中性浮力的,将传感器50耦联到周围的填充材料。

在图7和图8中,传感器50可以基本上在拖缆14的纵向轴线上居中;然而,传感器50可以偏心定位。偏心传感器50将更易于接收某种形式的噪声,并且通过有意且更清楚地记录该噪声(例如,噪声整形),可以更容易地对其进行滤波。

图9示出了根据本公开的实施例的结合有传感器单元16的地震电缆14的一部分。另外参考图5至图8,传感器间隔器装置62设置在蒙皮40的内部容积部46中,其外半径64接近或接触蒙皮的内半径44。承载传感器50的纵向传感器壳体52延伸穿过传感器支撑装置62的中心通路70。至少一个且在图8中,两个隔开的加强构件48延伸穿过外蒙皮40的纵向内部容积部46,并穿过传感器间隔器装置62的通道66。传感器壳体52和传感器50可以与传感器支撑装置62和加强构件48耦联或解耦。内部容积部可以包括填充材料54,例如气体、液体、凝胶或泡沫。

应当理解的是,不同的传感器单元配置(例如,解耦和浮动、与间隔器装置解耦和共同定位、以及耦联到共同定位的间隔器装置)可以取决于操作需要在同一拖缆电缆或甚至同一拖缆电缆部段内使用。尽管各个附图示出了拖缆中的各个传感器单元,但是每个拖缆部段可以包括两个或更多个传感器单元,它们可以沿着电缆均匀地或不均匀地间隔开。

应当理解,噪声是任何地震勘测中的问题。噪声可以通过各种技术在数据处理中去除,但是也可以通过选择特定的传感器安装设计被控制(例如,整形)。这可以通过解释来说明,实际上,单个拖缆部段可以具有许多(有时是数百个)单独的传感器。大量传感器有助于提供可以被更轻松地处理以消除噪声的数据。过滤噪声所需的大量传感器会对拖缆的成本产生负面影响。散布的每个额外传感器都增加了系统的成本,这是由于传感器及其包装的成本、电力和通信开销(即,向传感器供电并记录其数据所需的其他部件)的成本、和处理来自此额外传感器的数据的成本。如果将传感器与噪声隔离,则可以使用更少的传感器,从而具有可接受的结果。本文描述的设计有助于降低噪声水平(例如,解耦)并整形所感测或接收到的噪声,从而使得噪声特性在随后的处理阶段更易于过滤掉。

现在参考图10-13,提供了针对压缩感测海洋拖缆系统的本公开的实施例。应当注意,下面描述的任何实施例可以全部或部分地与图1-9中提供的一些或全部实施例结合使用。更具体地,这些实施例涉及使用拖曳的海洋拖缆进行海洋拖曳拖缆地震勘探,该拖曳的海洋拖缆具有以有利的间距分配的一个或多个传感器(例如,微机电系统传感器(“mems”))。

例如,再次参考图3-4,每个拖缆14可包括主电缆,记录地震信号的地震传感器单元16安装在该主电缆中。地震传感器可以包括粒子运动传感器、水听器、地震检波器、加速度计、微机电系统(mems)传感器、或至少在竖直方向并且可能在一个或两个水平方向上测量表面的平移运动(例如位移、速度和/或加速度)的任何其他类型的传感器。传感器的具体布置和间距在下文中进一步详细讨论。

本文中包括的实施例可以至少部分地利用单传感器q-marine和多测量isometrix技术(可从本公开的受让人获得),同时通过应用压缩感测理论来降低成本。通过将加速度传感器和优化的凝胶流变学引入经现场验证的q-marine平台,本文包括的实施例将以低成本传递高质量的地震数据。

如上所述,在一些实施例中,可以采用压缩感测理论技术,其使得能够使用更少的传感器来生成3d去鬼波数据,从而降低成本。为了使布局能够与标准处理工作流一起使用,本文中包括的实施例可以利用定制的相干信号和噪声回归(csnr)方法来对由非均匀采样的加速度计记录的数据进行规范化和噪声衰减。

在一些实施例中,本公开可以全部或部分地利用压缩感测系统,其中一些可以包括但不限于来自本公开的受让人的isometrixcs系统。

在一些实施例中,本文包括的压缩感测技术可以在现有平台上构建,并且还可以在凝胶平台中引入压缩感测技术以进行有效的低成本设计。通过将最新的加速度计测量结果与强大且经济高效的固体凝胶平台相结合,新型压缩传感拖缆以低成本提供了最高质量的地震数据。

在一些实施例中,并且如下面进一步详细讨论的,本文中包括的压缩感测系统可以使用加速度计技术,其中在三个正交方向上测量粒子运动以传递沿着y和z拖缆轴线的加速度。附加地和/或可替代地,如上所述,该加速度计技术可以与水听器耦联。这可以帮助传递压力波场及其导数的量度,以允许波场的精确的3d接收器侧去鬼波并填充接收器鬼波凹口,从而提供真正的多测量宽带数据。

在一些实施例中,并且为了即使在具有挑战性的拖曳环境中也实现高数据质量,加速度计配置和凝胶流变学(例如,凝胶的物理性质)可以是新平台设计的核心要素。根据本公开的设计和实施例,通过利用单传感器技术并使用具有足够流变性的凝胶,可以对噪声传播特性进行整形以减少噪声。

例如,图10示出了凝胶如何在粒子运动传感器上传递可接受的噪声。更具体地说,此图示出了拖缆平台噪声传播特性如何受到凝胶流变学的影响。左侧的图显示了在低频时的一个水平的噪声衰减,而右侧的图显示了高达高频的噪声能量。

在一些实施例中,为了获得多传感器拖缆的全部益处,可能需要高质量的粒子运动测量。由于粒子运动传感器对拖缆传播的振动极其敏感,因此这可能是挑战。例如,拖曳处于轴向张力的长拖缆不可避免地会产生振动。这些振动的波长可能比地震信号的波长小得多,并且在衰减之前,它们可能沿着拖缆行进很长的距离。振动的幅度可能比感兴趣的信号强几个数量级。示例性振动通常可包括可能由电缆随时间发生的旋转运动引起的扭转振动、可能由拖缆的压缩和伸长引起的纵向振动以及可能由于拖缆的动态弯曲而引起的横向振动。如将在下面更详细地讨论的,已经观察到从多个粒子运动传感器接收到的数据中的最大波数(即,声信号、扭转振动、纵向振动和横向振动),数据中的最大波数对应于横向振动噪声的最大波数。

经典的奈奎斯特采样理论规定了均匀的传感器分布,每个获取的最短波长至少要进行两次单传感器测量,无论该波长是与信号还是噪声相关联。该均匀分布通常可以称为奈奎斯特间隔,意味着在确保无混叠测量的同时可能的最多的均匀间隔(传感器之间的距离)的传感器。在上述单个传感器拖缆中,不超过3.125米的水听器均匀间隔,可以确保对整个波场进行无混叠的宽带压力测量,覆盖信号和噪声。与模拟组的情况一样,这有助于后续数字预处理和原始测量的噪声衰减,而无需进行粗略的空间采样。

在一些实施例中,并且还参考图11至图14,本文所述的地震拖缆系统可以利用专门构建的3轴mems加速度计来测量声波的粒子加速度,该声波可以代替空间压力梯度。这种高精度、低噪声、低功耗、微型的加速度计可能具有从dc到几khz的稳定平坦频率响应。它具有130db的动态范围,具有出色的矢量保真度,可以捕获从地表下反射的低幅交叉线压力梯度到电缆的高幅振动噪声等所有信息。此外,dc测量值能够实现到重力矢量的旋转。

但是,虽然最大的3.125m均匀水听器间隔捕获了压力测量的噪声分量,但缓慢传播的振动噪声可能需要几十厘米的奈奎斯特间隔。加速度计的采样密度要高十倍,将使拖缆变得非常昂贵和复杂。因此,本文包括的实施例提供了根据压缩感测理论的原理的加速度计布局,从而允许比经典的奈奎斯特理论所要求的少得多的加速度计。

如本文中所使用的,压缩感测的概念是基于这样的事实,即实际的测量往往具有结构;它们很少具有带有随机相位的带限白噪声,为此设计了经典的奈奎斯特采样。相反,压缩感测中的数据恢复算法假定数据中的结构具有稀疏表示。就拖缆振动噪声而言,确实如此。例如,电缆可能无法同时经历每个传感器周围所有可能的振动移出速度;相反,它在本地会经历一些不同的噪声模式。

因此,再次参考图11-14,可以使用混合策略来优化非均匀加速度计布局。通常,经典采样定理的传感器间距取决于数据中存在的最大波数,即奈奎斯特波数。如将在下面更详细地讨论的,采样间隔可以取决于通过非均匀采样得到的声信号的有效波数宽度和横向振动噪声。如上所述,当将传感器间距限制为均匀时,记录无混叠噪声所需的传感器数量可能变大,因此是不合理的。奈奎斯特-香农采样定理最简单的形式要求采样率大于奈奎斯特率,即数据中最大波数的两倍。这样,用于均匀采样的传感器间距不能大于双面波数宽度的倒数。在一些实施方式中,数据的最大波数可以是横向振动噪声的最大波数。如上所述,这通常可以称为奈奎斯特间隔。从声信号的角度来看,对于在进线方向上水平传播的声信号,对于例如150hz的最大频率和例如1500m/s的最小表观速度,信号的双面波数宽度为0.2m-1。这意味着在均匀采样时传感器间距不应大于5米,以记录无混叠信号锥中的所有信息。如果假定声信号稀疏或牺牲了声信号的表观速度较慢的部分,则传感器间距可能会更大。从噪声角度来看,应根据最慢噪声模式的相速度选择采样间距。在横向振动噪声、纵向振动噪声和扭转振动噪声中,横向噪声的表观速度最慢。在一些实施例中,横向振动噪声的双面波数-宽度对于固体海洋地震传感器可能需要例如0.625米的传感器间距,对于凝胶填充的海洋地震传感器可能需要例如0.3676米的传感器间距。以这种方式,即使在允许某些混叠的情况下,填充凝胶的拖缆所需的传感器的数量可以是100米部段为例如272个传感器和/或对于固体海洋地震拖缆的100米部段为例如160个传感器。

在一些实施例中,非均匀的布局可以包括至少部分地基于声信号的有效波数宽度和横向振动噪声来间隔多个mems传感器。如上所述,已经观察到数据(即,声信号、横向振动、扭转振动和纵向振动)中的最大波数对应于横向振动噪声的最大波数。在一些实施例中,可以从gabor波数-宽度确定有效波数-宽度。例如,具有傅立叶变换的信号s(x)的gabor波数-宽度w可以定义为通过零阶矩归一化的其频谱的二阶矩的平方根,如下面在方程24中示出:

[24]

其中n阶矩的定义如以下方程25所示:

[25]

在一些实施例中,零阶矩可以对应于平均功率,并且二阶矩可以是频谱扩展的量度。gabor波数宽度的定义特别适用于具有低通频谱且位于零波数附近的单分量信号。例如,当信号是多分量且单个分量具有带通频谱时,那么gabor波数-宽度会高估信号频谱的实际扩展。在一些实施例中,作为gabor波数-宽度的单分量信号的有效波数-宽度ki,e围绕其质心ki计算,如方程26所示:

[26]

积分范围可以覆盖信号分量的能量i。

本质上,可以假设不同分量的光谱在波数中占据不相交的谱带。在一些实施例中,可以从数据估计质心ki。在一些实施例中,多分量信号的有效波数-宽度可以被定义为各个分量的有效波数-宽度的总和,如以下方程27所示:

[27]

在一些实施例中,当数据由声信号和横向振动噪声组成时,有效波数-宽度可以是声信号(例如,信号锥)的宽度与横向振动的有效波数-宽度之和,并且噪声在+x和-x方向上传播。在一些实施例中并且对于宽频率范围,横向振动噪声的估计有效波数-宽度可以大约为0.03m-1,并且当考虑负波数时,横向振动噪声的有效波数-宽度可以大约为0.06m-1。在一些实施例中,采样间隔可以取决于声信号的有效波数宽度和横向振动噪声,而不是取决于奈奎斯特-香农采样的双面波数-宽度。

在一些实施例中,可以通过取决于通过非均匀采样获得的横向振动噪声和声信号的有效波数-宽度来增加采样间距。例如,考虑具有傅立叶变换的信号s(x),如方程28所示:

[28]

在一些实施例中,泊松求和方程可以将信号s(x)的周期求和链接到其傅立叶变换(k)的样本,如方程29中所示:

[29]

其中c>0是求和的周期。在一些实施例中,方程29可以是有效的,而与信号s(x)的空间和波数无关。

在某些实施例中,可以假设信号s(x)在空间中已经渐缩,以使其振幅在观察区间[-c/2,c/2]的边界处平滑地减小到零。可以假设波数域中的大部分能量都被限制在区间[-k/2,k/2]中,其中k是有效的双面波数-宽度。这样,方程29的无限求和变为有限,泊松求和方程可以简化为方程30:

[30]

其中整数eee是空间-波数-宽度乘积。尽管方程30假定为偶数eee,但对于奇数eee进行的唯一修改将是将求和范围从-(p-1)/2更改为(p-1)/2。

在一些实施例中,方程30可以在区间[-c/2,c/2]上定义连续域信号s(x)。矩阵符号可以将离散接收器阵列上的连续域信号的样本表示为x=[x1,k,xm]t,如方程31所示:

[31]

其中s可以是测量的m维矢量,f=p-1/2exp(j2πxkt)是m×p维傅里叶矩阵,而是傅里叶系数的p维矢量。

在一些实施例中,可以在具有kp=p/x的均匀波数网格上计算傅立叶系数,并且]是波数的矢量。到目前为止,仅假设s在空间上渐缩,并且波数近似限于k/2。现在假设s在波数方面也很稀疏。换句话说,p维傅立叶系数矢量的一些系数实际上为零。如果非零傅立叶系数的数量为n<p,并且对应的波数用表示,则方程31等效于方程32:

[32]

由于波数坐标可以以δk=1/x处于等间隔,具有n个非零傅立叶系数的信号的有效波数-宽度为ke=n/x。在一些实施例中,由方程32定义的线性变换可以将傅立叶系数的n维矢量映射到测量的m维矢量。如果将不同的傅立叶系数矢量映射到不同的测量矢量,则该变换为单射或一对一的转换。在符号上,如果则s1(x)≠s2(x)。等同地,如果s1(x)=s2(x),则单射变换是期望的,因为这样存在可以从给定的s(x)唯一地恢复的操作。恢复之后,可以使用方程29中所示的泊松求和方程来计算其域[-x/2,x/2]中任何位置的连续域信号。

相反,非单射变换可以将多个傅立叶系数矢量映射到同一测量。在符号上,可能导致s1(x)=s2(x)。在信号处理中,这种现象称为混叠。换句话说,当在接收器阵列x上采样时,两个不同的连续域信号是无法区分的。因此,除非可以获得其他一些先验信息,否则仅凭测量就不足以恢复数据。

线性代数的一个经典定理是,当且仅当采样傅立叶矩阵f(x,k′)的列是线性独立的时,与接收器阵列x和波数支持k′相关联的方程32的线性变换是单射的。线性独立性的必要条件是f(x,k′)的列应多于行。因此,下面的方程33示出了避免混叠的必要条件:

[33]

m≥n=xke

由于δxav=x/m是区间[-x/2,x/2]内m个接收器的平均接收器间隔,因此避免混叠的必要条件也可以写为以下方程34所示:

[34]

δxave≤1/ke

在一些实施例中,方程34的不方程可以提供平均传感器间距的上限。相反,统一采样约束下的传感器间距要求取决于双面波数-宽度,如方程35所示:

[35]

δxu≤1/(2k)

结合方程34和35,无混叠采样的平均传感器间距应满足1/(2k)≤δxave≤1/ke。在最坏的情况下,如奈奎斯特-香农插值定理所规定,当数据稀疏时,平均传感器间距为1/(2k)。但是,对于横向振动的情况,可以获取平均传感器间距接近1/ke(其大于1/(2k))的非混叠信号。为了获得此好处,可能需要从其非均匀样本中恢复连续域信号。

在一些实施例中,相干信号和噪声回归(csnr)算法的输入可以包括在已知接收器位置处的数据的样本、未知量的统计信息和包括声信号和振动噪声的相干信号的频谱支持。csnr算法的一个显着特征是显式使用幅度矢量的概率先验,这与早期的迹线插值算法中使用的基于频谱的先验完全不同。如将在下面更详细地讨论并且通过使用贝叶斯估计框架,可以在给定一组基本矢量的情况下得出振幅矢量的最大后验估计。例如,先验的选择可能导致不同的插值方法,诸如压缩感测中的凸弛豫或正则化最小二乘回归。尽管先前提出的基于频谱的约束减少了插值参数的数量,但概率密度先验通过充当附加测量来稳定插值器。关于已知接收器位置的数据样本,考虑方程36所示的线性模型:

[36]d(t,x)=s(t,x)+w(t,x)

其中d(t,x)是在时间t、接收器位置x的测量值,s(t,x)是相干信号,w(t,x)是累加噪声。

在该模型中,相干信号s(t,x)由声信号和相干振动噪声组成,而非相干噪声n(t,x)表示校准和建模误差、扰动以及任何其他宽带噪声,如方程37中相干信号的傅立叶展开所示。

[37]

其中整数p=「xk]是空间-波数-宽度乘积,x是空间-宽度,k是双面波数-宽度,是在频率f和波数kp=p/x时的缩放傅立叶变换系数。

当从接收器阵列接收到一组测量值时,傅立叶表示可以采用方程38中所示的矩阵形式:

[38]

其中d,是测量值的fx域表示和非相干噪声,是相干信号的fk域表示,测量核f=p-1/2exp(j2πxkt)是傅立叶逆矩阵,而是具有元素p/x的均匀间隔波数的矢量。

在一些实施例中,由于地震信号和振动噪声均具有紧凑的波数支持,因此在任何给定频率f下,仅对应傅立叶系数的子集为非零:

[39]

其中是完整波数矢量k的子集。

降维矢量k′是信号锥、振动噪声分散曲线以及在频率f处振动噪声的波数-宽度的函数。然而,为了简明起见,省略了频率依赖性。可以假设接收器阵列x已按照上一节中的规定进行设计,因此矩阵f(x,k′)在所有感兴趣的频率上具有完整的列秩。

方程39中所示的回归问题对应于使用测量值d(x,f)以及有关声信号、振动噪声和非相干噪声w(x,f)的任何其他信息来估计系数一旦这些傅立叶系数的估计在频率f下可用,就可以使用方程40中所示的插值规则,在该频率下的任何所需输出网格处计算测量值的相干部分:

[40]

然后可以通过傅立叶逆变换来计算信号的时间-空间域表达,如方程41所示:

[41]sest(y,t)=∫ej2πftsest(y,f)dk

如将在下面更详细地讨论的,可以使用统计估计技术来估计振幅矢量例如,可以假设在每个频率f处,累加噪声w(x)和振幅矢量是随机过程w(x)的实现,而(的概率密度函数分别为pw(w)和可以省略变量的频率相关性以简化符号。w(x)和可以被假定为彼此独立,并且在不同频率处的随机过程也可以独立。

可将非相干噪声建模为具有联合概率密度函数的多元复杂正态过程,如以下方程42所示:

[42]

其中cw=e[wwh]是复协方差矩阵,|cw|是协方差矩阵的行列式。方程42中的多元正态分布的均值为零。之所以说其是圆对称的,是因为随机变量w和eew对于任何具有相同的分布。

对于傅立叶系数的分布,可能有几种选择。为了便于讨论,可以使用广义正态分布,因为它具有对不同现象进行建模的灵活性。具有广义正态分布的随机变量x的概率密度函数具有以下形式,如方程43所示:

[43]

其中是完整的伽玛函数,μ是平均值,σ2是方差,τ>0是形状参数。广义正态分布的两个重要特例可以通过以下获得:设置τ=1,这给出拉普拉斯分布;和τ=2,这给出复数正态分布。

可以进一步假设傅立叶系数均值为零并且独立分布。因此,傅立叶系数矢量的联合概率密度函数是各个密度函数的乘积,如方程44所示:

[44]

其中协方差矩阵是对角矩阵。

在一些实施例中,方法最大似然估计(mle)找到一个未知参数的值作为最大化其似然函数的值。似然函数与概率密度函数(pdf)密切相关。随机变量x的pdfpx(x;θ)是采样点x的函数,并用变量θ进行参数化;似然函数是变量θ的函数,并且是以随机变量x的固定实现被计算的。换句话说,对于pdfpx(x;θ):x是变量且θ是固定的;对于似然函数:θ是变量,x是固定的。

对于方程39中所示的线性模型,在给定测量矢量d的实现的情况下,傅立叶系数矢量的似然函数为

[45]

最大似然估计方法发现参数矢量的值作为使似然函数最大化的值,如方程46中所示:

[46]

当指数函数最小时,指数函数具有最大值。因此,“ml”估计值是解决问题的方法,如方程47所示:

[47]

取二次函数相对于的梯度,我们得到正态方程:

[48]

替代地,可以使用本领域已知的完全正交分解来求解方程48。通过将带有列枢轴的qr因式分解应用于获得方程49。

[49]

其中,q是n×n正交矩阵,r是n×m上三角,并且p是m×m置换矩阵。

然后,通过应用减少的qr因式分解而不枢转rh,可以得出方程50:

[50]

rh=z1t1

其中z1是具有单一列的m×n矩阵,t1是n×m上三角矩阵。

在一些实施例中,方程51的矩阵分解可以是完全正交分解。

[51]

使用方程52,可以通过首先经由向后替换求解的以下方程组来计算ml解,如方程53所示:

[52]

[53]

然后将方程53乘以q:

[54]

在一些实施例中,最大后验(map)估计方法找到未知参数的值作为最大化其后验分布的值。在贝叶斯推断中,后验分布是指在观察到相关量之后要估计的参数的概率密度函数。例如,对于方程39中所示的线性模型,将进行任何测量之前的分布称为先验pdf,将获取测量d之后的分布称为后验pdf。

的后验pdf可以通过使用贝叶斯定理来计算,该定理指出后验pdf是先验pdf和条件pdf乘积通过测量pd(d)的pdf规范化,如以下方程55所示:

[55]

通过使用非相干噪声和傅立叶系数的独立性,我们可以编写后验pdf,如方程56所示:

[56]

因此,傅立叶系数矢量的map估计是后验分布方程55的模。由于方程59的分母是一个常数,因此map估计是使方程57中所示的分子最大化的值:

[57]

将方程42和46代入方程57,则使得map估计是方程58中所示的凸成本函数的极小值:

[58]

方程58可以是具有lτ罚分项的l2成本函数,其中τ是广义正态分布的形状参数。下面讨论选择形状参数τ为一和二的特例。

通过将广义正态分布的形状参数选择为τ=1,可以获得方程59的零均值拉普拉斯分布

[59]

因此,用于map估计的成本函数变为方程60:

[60]

方程60可以是凸成本函数,其出现在许多问题中,例如稀疏近似、压缩感测和去噪。尽管l1范数的非光滑性阻止了解析解,但仍存在许多数值方法可以有效地计算解。这些算法中的一些算法包括梯度投影(gp)、同伦、迭代收缩阈值(its)、近端梯度(pg)和增强拉格朗日乘数(alm)方法。可替代地,诸如正交匹配追踪(omp)和最小角度回归(lars)之类的启发式方法提供了近似的解。

与正态分布相比,拉普拉斯分布的突出特征是它的厚尾。分布的厚尾允许矢量的某些项偶尔出现较大的值,而将其他项逼近零。拉普拉斯分布的这种性质促进了稀疏解。

尽管某些应用程序搜索稀疏解,但在其他一些应用程序中,该解的稀疏性已经事先知道。这些问题之一就是对来自一组非均匀接收器的声信号和相干振动噪声进行插值。在这种情况下,我们不必显式搜索其中p>>n的p维空间内的n-稀疏解。因为在每个频率f处,我们已经知道了声信号的信号锥、横向振动的分散波数和横向噪声的有效波数-宽度,它们决定了n个傅立叶系数中的哪个非零。对于这种情况,可能具有可以有效实施的解析解。

例如,通过将广义正态分布的形状参数选择为τ=2,可以获得方程61的多元复正态分布:

[61]

将方程42和方程61代入方程58,可以证明后验分布的正态的,均值如方程62所示:

[62]

和协方差:

[63]

由于正态分布的模是均值,因此map估计器是方程64的后验分布的均值:

[64]

伍德伯里的恒等式为map估计器提供了另一种表达式,如方程65所示:

[65]

需求逆的矩阵在方程64中为n维,在方程65中为m维,在计算上,在m>n时使用等式64且在反之为真时使用等式65更为有利。存在几种推荐的方法以从方程64或65计算类似于ml估计计算,可以使用完整正交分解。可替代地,可以使用具有稍微更少的计算负荷的cholesky因式分解。

分析map估计器的限制形式是提供有用信息的。如果先验的协方差为零cs=0,则map估计器将成为先验的均值(在此讨论中假定为零)。这等效于具有独立于数据的确定性先验。另一方面,当先验信息不充分时,它们具有无限协方差在这种情况下,估计器与先验无关,并且等效于ml估计器,如方程66中所示:

[66]

正常先验的选择使我们能够得出估计器性能的分析表达式。估计器的均方误差(mse)可以定义为估计误差的方差,如方程67所示:

[67]

其中估计器是随机变量,而是真值。

估计理论中众所周知的恒等式是,均方误差是估计器的方差和估计器的平方偏差的和,如方程68所示:

[68]

其中方差等效于方程69中所示的协方差矩阵的迹:

[69]

偏差是的期望值与真值之差,如方程70所示:

[70]

mse的第一个组成部分是估计器的方差(精度),而另一个则测量其偏差(准确度)。为了使mse较小,方差和偏差的组合值应是小的。例如,为了计算map和ml估计器的mse,可以将测量模型代入方程64和方程66:

[71]

估计器的期望值可能是:

[72]

估计器的协方差矩阵可以是:

[73]

使用方程70和方程72,可以找到map和ml估计器的偏差,如方程74所示:

[74]

因此,ml估计器具有零偏差,因此是无偏差的。另一方面,map估计器的偏差取决于傅立叶系数的真值,因此是有偏差的。以这种方式,可以根据方程75中所示的ml估计器的协方差矩阵来写map估计器的协方差矩阵:

[75]

这意味着map估计器的方差比ml估计器小:

[76]

其中表达式cmap<cml表示矩阵cml-cmap是正定的。

因此,ml估计器的偏差较小;但是,map估计器的方差较小。尽管具有无偏差估计器可能很诱人,但方程68显示,要获得较小的mse,可能有必要使估计器方差和偏差的组合值较小。这带来了这样的可能性,即通过允许估计器中的小偏差,可以显着减小估计器方差。当傅立叶矩阵f的列几乎共线时,尤其如此。在这种情况下,因为矩阵几乎是奇异的,并且等式73中给出的ml估计器的协方差矩阵非常大,所以ml估计器是不合格的。如上所述,这在存在空间混叠或间隔很近的接收器的情况下发生。另一方面,只要先验的协方差矩阵是可逆的,则map估计器将始终保持稳定。

通过具有较小的估计器协方差,map估计器可以传递较小的均方误差。先验的协方差控制偏差和均方误差之间的权衡。如果先验太强,则估计将有太大偏差,而非常弱的先验可能不足以减少均方误差。因此,先验的适当选择是map估计的重要部分。

在一些实施例中,海洋地震拖缆每100米的部段可以包括56个mems。在此,优化的稀疏传感器布局至少具有1.78米的平均间距。在该特定示例中,已将16个mems传感器放置在间距为6.25米的均匀网格上,而其他40个mems传感器已伪随机放置。因此,在一些实施例中,多个mems传感器中的至少两个可以彼此相邻放置,对于固体拖缆,它们之间的间隔为0.625米或更小;对于填充凝胶的拖缆,它们之间的间隔为0.39米或更小。所述多个mems传感器中的一个或多个相邻的mems传感器可在其之间包括1至4米之间的平均间距。例如,如上所述,平均间距可以大约为1.78米(例如100米/56个传感器)。在一些实施方式中,平均间距可以是大约3.125米(例如100米/32个传感器)。在另一个示例中,平均间距可以是大约1.25米(例如100米/80个传感器)。海洋地震拖缆可以进一步包括电子芯,该电子芯轴向延伸通过外蒙皮的内部部分,其中,所述多个传感器(例如,粒子运动传感器、mems传感器等)与电子芯电连通。应当注意,电子芯或系统可以位于沿着地震拖缆或在地震拖缆内的任何合适的位置。该电子芯可以包括但不限于本文参考图1-15讨论的那些。尽管已经讨论了具有56个传感器的示例,但是应当理解,在本公开的范围内可以使用任何数量的传感器。例如,在此讨论的这种稀疏阵列布置中的传感器的数量可以在每100米拖缆大约32个传感器到100个传感器的范围内。在优选实施例中,传感器的数量可以包括56至80个传感器。在一些实施例中,传感器的数量可以在大约56至大约80个传感器的范围内。

如上所述,在一些实施例中,海洋地震拖缆可以包括形成为纵向延伸的管状形状的外蒙皮,其中,该外蒙皮的内表面限定了内部容积部,该内部容积部包含诸如图8所示的填充材料之类的凝胶物质。海洋地震拖缆还可以包括与外蒙皮相关联的多个水听器和多个传感器,其中在地震拖缆中,对于每连续100米长的地震拖缆,所述多个传感器包括预定的最小数量的传感器(例如,如图11-15所示)。

在一些实施例中,海洋地震拖缆还可包括延伸穿过地震拖缆的内部部分的电子系统(例如,轴向地和/或在外蒙皮之内),其中所述多个传感器与电子系统电连通。同样,该电子系统可以包括图1-15中任何一个所讨论的方面。

在一些实施例中,预定的最小数量的传感器可以包括多个传感器,该多个传感器具有传感器子集,该子集的传感器比所述多个传感器中的一个或多个其余传感器更紧密地间隔开。传感器子集可以进一步包括附接到外蒙皮的第一侧的第一传感器和附接到外蒙皮的第二侧的第二传感器。所述多个传感器可以包括三分量(“3c”)传感器。海洋地震拖缆可以包括一个或多个地震拖缆取向检测装置,其被配置为确定地震拖缆的至少一部分的相对位置。

在一些实施例中,可以假设加速度计噪声具有稀疏表示,同时允许地震信号的粒子加速度存在于频率-波数域中所谓的信号锥内的任何地方和每个地方。因此,信号分量实际上可能会被过采样,因为对于所有地震信号波长,平均加速度计间距可能短于奈奎斯特所要求的间距。此外,优化的非均匀加速度计布局还可被约束为具有沿着设定距离(例如,如图11所示的每6.25m)的传感器,其实际上可以与水听器(对系统输出的真实测量)共定位。

参考图13和14,提供了描绘传统阵列和稀疏阵列布置的比较的示意图。在图13中,示意图描绘了均匀的奈奎斯特(所有三角形)间距和非周期性稀疏(仅阴影三角形)接收器布局。如图所示,阴影三角形的稀疏布局可以具有56个传感器。根据传统的奈奎斯特间距,所有三角形(亮和阴影)一起与密集的均匀网格重合,间距为6.25/17米,作为示例,假设具有某些噪声特征。换句话说,要遵循经典的奈奎斯特采样定理以获取未混叠的信号和相干噪声,就需要至少在图13所示的每个三角形位置(亮和暗)放置地震传感器。类似地,图14示出了线上方的一系列三角形(白色和阴影)。线上方的三角形一起示出了满足传统奈奎斯采样间距所需的间距,例如,假设各种噪声特征。但是,这将导致海洋地震拖缆的每100米部段有272个传感器。图14也通过代表稀疏阵列布置的亮阴影三角形(线上方)和暗阴影三角形(线下方)示出了稀疏传感器配置。在图14中,暗阴影三角形(线下方)显示了不规则的稀疏布局。稀疏布局沿拖缆的长度以12.5m重复。亮阴影三角形(线上方)形成不规则的稀疏布局。该布局在拖缆上每隔100m或更长的长度(即拖缆部段长度)重复。布局可以在各种长度上重复,但是重复模式的长度可能始终为12.5m或更长。例如并且在一些实施方式中,传感器(例如,粒子运动传感器、mems传感器等)可以以大于50m的距离重复的模式不均匀地分布在拖缆的连续100m长度上。应当理解,图13-14仅旨在示出沿着拖缆的传感器的轴向间距,而不是传感器的横向或径向间距。根据另一实施例,本文所讨论的稀疏阵列布置中的传感器的数量可以在每100米连续拖缆长度约32个传感器至100个传感器的范围内。在实施例中,传感器的数量可以包括56至80个传感器。在一些实施例中,传感器的数量可以在大约56至大约80个传感器的范围内。应当理解,图13-14中的图示是基于均匀间隔的基础网格。然而,实际上,当定义稀疏阵列的间隔时,不需要将该间隔基于均匀间隔的基础网格,例如,简单地从均匀间隔的基础网格移除传感器。

在一些实施例中,用于周期性布局的传感器覆盖整个部段,而用于非周期性布局的传感器避免该部段的开始和结束。非周期性布局的这种设计选择的基本原理至少部分是基于对噪声特性的先验知识。例如,在拖曳的拖缆中,连接器处的噪声最强,将这些传感器静音并对其进行插值通常比尝试从那些传感器中消除噪声提供更高的数据质量。因此,可以将传感器分配到该部段的内部,而不是将传感器放置在可能会使传感器静音的位置上

本公开的实施例可以基于成熟的水听器技术来构建,同时在设计加速度计传感器布局时接受压缩感测理论。在一些实施例中,为了使布局能够与标准处理工作流一起使用,本公开可以包括定制的相干信号和噪声回归(csnr)方法来对由非均匀采样的加速度计记录的数据进行规范化和噪声衰减。csnr是基于物理的并且信号盲。它使用电缆的已知物理特性来指导噪声衰减,并且不对地震信号做任何假设;地表下反射梯度可能存在于信号锥内的任何地方和每个地方。这种保守的方法是信号安全的,同时为宽带3d去鬼波等后续处理提供有效的梯度噪声衰减。csnr在任何所需的均匀(嵌入式)网格出输出噪声衰减的加速度计数据。本公开的实施例可以用于使用本文包括的新的优化的稀疏加速度计布局来促进交叉线波场重构。

例如并且如上所述,传感器的不均匀间隔可能导致传统的、基于均匀间距的采样的挑战。本文包括的实施例可以将来自一组不均匀间距的传感器的地震数据解释为统计估计问题。噪声回归(csnr)算法的输入可以是在已知接收器位置处的数据的样本、未知量的统计信息和包括声信号和振动噪声的相干信号的频谱支持。该方法可以计算傅立叶系数的最大似然和最大后验估计,然后该方法可以使用线性回归来计算在任何期望位置处的信号和振动噪声。这种插值方法通常可以称为相干信号和噪声回归(csnr)算法,其特定版本在频率和空间域中实施为fx-csnr算法。

本文包括的实施例可以提供一种用于执行地震勘测的方法。该方法可以包括拖曳具有形成为纵向延伸的管状形状的外蒙皮的海洋地震拖缆,该外蒙皮的内表面限定包含凝胶物质的内部容积部。该方法还可以包括:使用与外蒙皮相关联的多个水听器和多个传感器来获取地震数据,其中,在地震拖缆中,对于每连续100米长的地震拖缆,实施多个传感器包括预定的最小数量的传感器。该方法可以进一步包括将地震数据传送到轴向延伸通过外蒙皮的内部部分的电子系统,其中所述多个传感器与电子系统电连通。

现在参考图15,提供了与本文讨论的海洋地震拖缆相关联的数据处理系统的示例。数据量和预处理要求可能需要在船上安装大量硬件。本文所述的地震拖缆无需大量机载硬件就能满足那些要求,并且可以针对操作要求扩展。

在一些实施例中,记录系统可以被设计用于高数据量和速度。单传感器数据的记录可以近实时地对采集到的数据进行高级预处理,包括识别不良传感器以及将加速度计传感器旋转为水平和垂直分量。记录系统可以通过勘探地球物理学家协会(seg-d)拍摄记录磁带而以真实的连续记录的原始格式或经预处理且经噪声衰减的预处理格式输送数据。数据也可以通过网络安装的投递箱直接传递到任何处理系统。

在一些实施例中,可以通过具有内置警报和设备注塑功能的视觉用户界面来控制和监视海中设备。整个仪器室可以通过单个配置系统进行控制。这样可确保没有数据意外,并能够简化下游处理。网络基础设施、存储器、处理服务器、磁带和前端显示服务器使用标准的现成部件,以提高可靠性并降低成本。

附图中的块图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可行实现的架构、功能和操作。就这一点而言,流程图或块图中的每个块可以代表代码的模块、段或部分,代码包括用于实现指定的(多个)逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意,在一些替代实施方式中,块中指出的功能可以不按图中指出的顺序发生。例如,取决于所涉及的功能,实际上可以基本上同时执行连续示出的两个块,或者有时可以以相反的顺序执行这些块。还应注意,块图和/或流程图说明的每个块以及块图和/或流程图说明中的块的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统来实现、或由专用硬件和计算机指令的组合实现。

前述概述了几个实施例的特征,使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的各方面。本领域技术人员应当理解,他们可以容易地将本公开用作设计或修改其他过程和结构的基础,以实现与本文介绍的实施例相同的目的和/或实现相同的优点。本领域技术人员还应该认识到,这样的等同构造不脱离本公开的精神和范围,并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下,它们可以进行各种改变、替换和变更。本发明的范围应仅由所附权利要求的语言确定。权利要求中的术语“包括”旨在表示“至少包括”,使得权利要求中所列举的元素列表是一个开放的组。除非明确排除,术语“一”、“一个”和其他单数术语旨在包括其复数形式。

本文所使用的术语仅出于描述特定示例实施例的目的,而不旨在限制本公开。还应理解,在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时,指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在,但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。

所附权利要求书中的对应的结构、材料、动作以及设备或步骤加上功能元件的等效物旨在包括与特别要求保护的其他要求保护的元素结合使用以执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了本公开的描述,但是其并不旨在是穷举的或将本公开限于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和精神的情况下,许多修改和变型对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本公开的原理和实际应用,并使本领域的其他普通技术人员能够理解本公开的各种实施例,这些实施例具有适于预期的特定用途的各种修改。

尽管上面已经详细描述了一些示例实施例,但是本领域技术人员将容易理解,在实质上不脱离本文描述的海洋地震拖缆的情况下,示例实施例中的许多修改是可能的。因此,这样的修改旨在被包括在如所附权利要求所限定的本公开的范围内。在权利要求中,装置加功能的条款旨在覆盖这里描述的执行所叙述的功能的结构,不仅覆盖结构上的等同物,而且还覆盖等同的结构。因此,尽管钉子和螺钉可能不是结构上的等同物,因为钉子采用圆柱形表面将木质零件固定在一起,而螺钉采用螺旋表面,但是在紧固木制零件的环境中,钉子和螺钉可能是等同结构。申请人的明确意图是不援引35u.s.c.§112的第6段对此处任何权利要求的任何限制,但权利要求明确使用“用于……的装置”和相关功能的限制除外。

这样已经详细地并且通过参考其实施例描述了本申请的公开,将显而易见的是,在不脱离所附权利要求书中限定的本公开的范围的情况下,可以进行修改和变型。

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