专利名称：振荡器扫描成形方法
背景技术：
在地震数据采集中，地震波被用来确定地下岩石地理形成的性质，取向和位置。20世纪50年代晚期，Conoco公司率先开发了新型地球物理勘探技术，现在一般公知为震动源勘探。震动源勘探采用地震振荡器，该地震振荡器被用来发生受控波列，其传播通过地震探测器探测的地球。振荡器操作员选择激发(扫描)区间，和随后的周期，在该周期内振荡器没有被激发。反射信号在振荡器被激发时和没有激发时接收。通常，激发采用连续变频正弦振动，在扫描周期内该振动应用至地球表面(或水体内)，该扫描周期持续约2到20秒甚至更长。
多种类型的扫描都时可能的，每种都采用一定程度的振幅减弱(amplitude taper)，在扫描开始和末端应用振幅减弱以确保扫描振幅在其端点(endpoints)平滑地趋向0。扫描的频率可随时间线性或非线性地变化。标准信号是线性扫描。线性扫描是正弦信号，其具有基本恒定的振幅包络线，其中信号频率随时间线性变化，在给定频率范围内要么单调增加要么单调减少，并产生恒定扫描速率。非线性扫描是正弦信号，其中频率随时间非线性变化。
近来，开发出所公知的“成形扫描”的新型信号，用于震动源勘测。成形扫描技术公开于授予Anderson的美国专利5347494中。使用成形扫描的一个益处是扫描被设计为具有一定自相关脉冲长度和脉冲响应谱，其促进随后的数据处理活动。
在震动源中，振动源发生的数据与参考扫描关联以产生关联的记录。参考扫描信号通常是理想信号，其是由程序化的振荡器施加的。相关的记录和传统的地震记录相似，如同从爆炸性或冲击性地震源接收的那样。
地震领域公知，振动发生的地震信号的不必要的副产品是“副瓣能量”。副瓣是关联过程的副产品且加长并使所需的关联地震小波(seismic wavelet)复杂。看起来，副瓣显得像地震小波中央三瓣一侧的小振动。副瓣能量恶化数据质量并不利地影响在处理中评估和控制地震小波的能力。因此，有必要发生振荡器关联数据，其具有简单的小波形状和最小的副瓣能量。这样的数据将降低地震信号失真并增强地震分辨率。
为了试图解决副瓣问题，19977年第25卷《地球物理勘探》第613-620页Rietsch著的“具有规定功率谱的震动源信号”中，提出了扫描的瞬时相位函数和用于扫描的功率谱密度之间的关系，该扫描有恒定振幅包络线。该关系是基于扫描功率谱和扫描改变频率的速率成反比的事实。Rietsch提出一种为扫描确定合适的相函数(phasefunction)的方法，该扫描具有某个预定功率谱，注意该方法可以用于设计具有自相关函数的扫描，该自相关函数具有较低的副瓣。具有预定功率谱的扫描理论上可以用该关系设计；然而，此时的振荡器电子控制系统不能精确复制或跟随用户定义的扫描。
Rietsch之后，基于先进微处理器技术的新一代振荡器控制仪器的出现允许对振荡器输出力(振幅和相位)精确控制。该改进使得用户定义的扫描被更精确地复制并被振荡器跟随。例如，Andersen在整体以参考的方式并入此处的美国专利5347494中，加入Rietsch的方法以便通过反馈环产生改进的具有最小副瓣能量的小波形状，其补偿非恒定振幅包络线(减弱)的影响。Andersen进一步提出一定的功率谱，其产生显著的三瓣小波。Rietsch和Andersen采用这样的方法，该方法中扫描的相函数和其功率谱关联。
近期开发的级联扫描技术一定程度上有上述的副瓣问题。在这些技术中，振荡器的输出的多个扫描(段)是首位相连连接的，并且在级联扫描的末端用单个听周期(listen period)记录。这与传统方法相比，显著降低所需的记录数据的现场时间(field time)。然后，该记录的级联扫描数据和级联的参考扫描序列关联。由于扫描的级联，关联的数据示出重复性(段)结构。作为该结构的结果，一个段中第一个转折(breaks)的副瓣可延伸至先前段，从而掩盖弱发射并因此恶化数据质量。
在本领域内需要有效且高效的方法以增强震动源数据的质量。这样的方法产生具有最小副瓣能量的小波，解决级联扫描数据中的副瓣问题，并当级联的扫描被用在由两个或更多振动源同时发出振动时提供成形的数据。
发明内容
本发明提供用于产生具有最小副瓣能量的地震小波形状的方法。该方法形成扫描瞬时频率，以便获得自相关小波，其基本是具有最小副瓣能量的三瓣小波。该瞬时频率f(t)是时间t的非线性函数，且可表示为n阶多项式。该多项式是通过改变其系数和阶数直到得到所需的自相关小波而形成的。本发明的该方法可用于设计级联扫描，而且，可应用至由两个或更多同时源执行的级联扫描。
因此，本方法包括下列步骤，首先，形成导引扫描(pilot sweep)的瞬时频率；且，然后，自相关。具有合适的瞬时频率的导引扫描将具有最小副瓣能量的自相关小波。在本发明的一个实施例中，成形步骤包括计算导引扫描的瞬时频率；衰减导引扫描的瞬时频率于减弱区域；计算导引扫描的瞬时相位；并计算成形的导引扫描。而且在本实施例中，关联步骤包括计算成形扫描的自相关函数和所需的自相关小波之间的误差，并确定计算的误差是否落在预定阈值之下。
因此，上面所述的本发明的特征能被详细地理解的方式，可通过参考本发明的实施例而获得，本发明更具体的说明，简单总结如上，本发明的实施例在本说明书中说明并图示于附图中。注意，然而，说明书和附图只说明本发明的某些实施例，而并非限制本发明的范畴，因为本发明允许其它等价有效的实施例。
图1描绘流程图，其示出本发明一个基本方法的实施例。
图2描绘本发明方法的一个实施例的流程图，其中计算的和所需的自相关小波之间的差被最小化。
图3A是成形的4秒扫描起点处瞬时频率的曲线。
图3B是成形的4秒扫描终点处瞬时频率的曲线。
图4描绘在用50Hz Ricker自相关小波扫描成形中误差的形成。
图5A是线性扫描的瞬时频率的曲线。
图5B是线性扫描的自相关小波。
图5C是成形的扫描的瞬时频率的曲线。
图5D是成形的扫描的自相关小波。
图6A是级联的线性扫描的原始数据的第一部分。
图6B是和图6A中同一振荡器点的级联的成形的扫描的原始数据的第一部分。
图7A是用线性扫描关联之后的图6A的地震数据。
图7B是用成形的扫描关联之后的图6A的地震数据。
图8A是线性扫描的关联的扫描数据的最后一部分。
图8B是成形的扫描的关联的扫描数据的最后一部分。
图9A是用两个同时源采集的级联的成形扫描的原始数据。
图9B是图9A中级联扫描数据中分开和压缩的左源的数据。
图9C是图9A中级联扫描数据中分开和压缩的右源的数据。
具体实施例方式
成形扫描技术的目的是提供形成振荡器扫描的方法以生成在关联后具有最小副瓣能量的简单的小波形。除了减弱区域，用于驱动振荡器的导引扫描是恒定振幅的扫描。时间采集中最常用的扫描是用恒定扫描速率(线性瞬时频率)的线性扫描。然而，非线性扫描也常被采用，且通过在扫描中改变扫描速率而产生。这样做时，谱含量和自相关小波可在维持恒定振幅包络线的同时被修改。非线性扫描通常被用来补偿信号衰减，该信号衰减通常发生在信号通过地质组成时。然而，无论扫描是线性的或非线性的，这些扫描的自相关小波是多重瓣小波，且一般地只有缓慢衰减的副瓣。
与现有技术不同，本发明的方法不用导引扫描的相函数和其功率谱之间的关系最小化副瓣能量。而是，在本发明的方法中，导引扫描的瞬时频率是通过优化过程成形的，以便获得自相关小波，其看起来是具有最小副瓣能量的三瓣小波。
图1描绘本发明方法的流程图。一般地，在步骤10中，导引扫描的瞬时频率是通过应用一种算法成形的。然后，该导引扫描被自相关。在这样做时，所产生的自相关小波降低了副瓣能量。
图2描绘图1中所示方法的一个实施例。参考图2，选择具有阶数n的多项式，n的量级约为10(步骤100)。在步骤102中，导引扫描的瞬时频率f(t)被计算。瞬时频率f(t)是时间t的非线性函数，其被表达为n阶多项式f(t)Σi=0nai(t-τ)i,...(1)]]>其中系数ai，时间漂移τ，和阶数n是用来形成扫描的参数。参数的初始值可以是τ＝T/2 (2)a0＝(f1+f0)/2＝fc(3)其中T是扫描长度，且f0和f1是线性扫描的起始和结束频率，否则它们将用在勘测区域(survey area)。a1的初始值可以是a1＝(f1-f0)/T (4)如同公知的那样，其是线性扫描的扫描速率。其它系数(i＞1)的初始值是ai＝10-(i-2)对于2≤i≤n其足够小以避免多项式计算中的数值不稳定性。
此外，优选获得这样的瞬时频率函数1)对于0≤t≤T是正的，和2)其中f随时间单调增加。然而两个要求一般在扫描中所有时间点上都不能实现。特别对于非常高阶的多项式，等式1中的f(t)倾向于在多项式支点(support)的两端即，在减弱的区域内取极大的正值或极大的负值。
因此，为了实现上述特性，瞬时频率函数必须在导引扫描的减弱的区域内衰减(步骤104)。这是通过计算等式1和另一个线性频率函数d(t)中多项式的加权和 其中du和dd是向上减弱(up-taper)和向下减弱(down-taper)的区域内线性频率函数。wu和wd是相应的加权函数，fmin和fmax是用户规定的频率限，而ttaper是本实施例中采用的减弱长度，其在向上减弱区域和向下减弱区域相等。等式5用线性衰减函数d(1)提供衰减的瞬时频率。其它实施例可不使用线性函数，而采用二次函数。
等式5保证瞬时频率函数fs(t)从fmin开始并在fmax结束。然而，不保证fs(t)是真正的单调函数。因此，等式5被重复使用直到获得瞬时频率的单调行为(步骤105)。采用本发明的等式1和5为成形的4秒扫描确定瞬时频率。在成形扫描的减弱区域内获得的结果可从图3中看到。扫描的减弱区域是0.2秒长。被标为“原始多项式”的曲线是根据等式1的瞬时频率。被标为“衰减的多项式”的曲线是重复应用等式5后的瞬时频率，且fmin＝3Hz和fmax＝150Hz。
一旦达到单调行为，计算瞬时相(步骤106)。该瞬时相Φ(t)是瞬时频率fs(t)的积分φ=2π∫0tfs(t)dt...(6)]]>数值计算等式6中的积分。然后，计算成形的扫描(步骤108)，给出
S(t)＝A(t)·sin[φ(t)+φ0](7)其中A(t)是振幅包络线，而Φ0是初始相位。
计算S(t)的自相关(步骤110)并和理想的自相关小波比较。计算并保存误差，计算的和理想的自相关小波之间的差的平方和(步骤114)。一旦计算出误差，做出误差是否落在阈值之下(或在随后的迭代中不减少)的确定(步骤114)。如果确定的答案为是，误差在阈值之下(或在随后的迭代中不减少)，停止该过程(步骤116)。如果误差不在阈值之下，执行该过程的附加迭代。
该错处采用优化过程，如Levenberg-Marquart方法(Press，Teukolsky，Vetterling，Flannery，数值方法，剑桥大学出版社)以继续最小化计算的和理想的自相关小波之间的差。本领域的技术人员可不用Levenberg-Marquart方法，而选择任何其它适于最小化误差的优化算法。优化过程涉及重复步骤100-110。在迭代过程中，步骤100的多项式的阶数被增加，例如，1(n+1)(步骤118)。此外，在步骤110，确定自相关函数的导数并用来评估新参数(步骤120)。
最后，新的多项式(n+1)(步骤118)和新的参数(步骤120)被用来计算另一个，进一步优化的瞬时频率(步骤102-114)。
图4示出本发明的扫描过程中具有理想的自相关小波的误差的形成，该自相关小波是50Hz Ricker小波。在该例子中，当多项式的阶数接近60时，误差基本停止降低。
例1图5A-D比较瞬时频率函数和传统线性10-100Hz扫描的自相关小波(图5A和5B)和用本发明的方法成形的具有50Hz的中央频率的扫描(图5C和5D)。两种扫描的持续时间是4秒，且减弱长度是0.2秒。用在等式5中用于成形扫描的起始频率和结束频率fmin和fmax分别是3Hz和150Hz。在向上减弱的末端(t＝0.2秒)，成形扫描的频率约为15Hz，且在向下减弱的起点处(t＝3.8秒)，成形扫描的频率约为110Hz。成形扫描的自相关中副瓣能量水平约为60dB，其在三瓣小波的主瓣之下。
例2图6A和6B示出用于同一地质模型的用线性扫描的原始级联的扫描数据的第一部分(图6A)，和通过本发明的方法成形的扫描(图6B)。该数据包含5阶谐波失真，长度为5段加一个听周期，其中每个段和听周期约4秒长。各段的起始相位为0，144，288，72和216度。
图7A和7B显示和线性扫描(图7A)及成形扫描(图7B)关联的相关数据(图6A和6B)。采用成形的扫描的数据质量的提高是显然的。线性扫描数据和成形扫描数据相比看起来“噪杂”。成形扫描数据中的第一个转折的开始比线性扫描数据中的第一个转折的开始定义得更明确也更好，且可用于改进统计。而且，线性扫描数据中的高能量水平副瓣掩盖弱反射，该弱反射在成形的扫描数据(箭头标记)中清楚可见。
图8A和8B示出线性(图8A)和成形(图8B)的扫描相关的数据的最后部分。线性扫描数据中看到的具有向外移动的双曲线的高振幅噪声是随后段中相偏移的第一转折的副瓣能量，该高振幅噪声覆盖后进入的反射(可从图8A看到)。该影响通常明显并影响一秒或两秒相关数据。然而，当使用成形扫描时，由于副瓣的强抑制而导致该影响很小(图8B)。
例3图9A-C示出级联的成形扫描数据，它们是用两个同时源采集的。当使用单个源或振荡器组时，成形扫描的结果类似图7B和8B中示出的结果，可由用于数据采集的线性扫描并在数据处理中应用成形滤波获得。成形滤波转换测量的地力为理想的小波。然而，这工作得作用如何决定于地力测量得如何，该测量的地力代表输入至地层的实际地力。而且，这样的采集后数据成形对相关的级联扫描数据不起作用，这是由于第一转折的副瓣从下一段蠕变而来。
而且，采集后数据成形对原始级联扫描数据完全失效，该原始级联扫描数据是用两个或多个同时源而采集的。同时源将首先被分开，且在成形滤波被用来完成数据成形之前不压缩扫描(保持原始数据)。如果应用一定的相旋转方案，源分离是可能的，但将显著减缓产生过程。因此，多重源数据的采集后成形被认为是不可行的。
另一方面，采集前成形-成形扫描的展开(deployment)-不受同时源的数目影响，如可从图9A-C中看到的那样。图9A示出来自由两个同时源用成形扫描采集的级联扫描的原始数据。图9B示出来自左源的成形扫描数据，该左源已被分开并经相关压缩。图9C示出来自右源的相应数据。
根据本发明的方法，上面提出的等式是可用来成形扫描的瞬时频率，以获得具有最小副瓣能量的三瓣自相关小波的等式的说明性例子。然而，这些等式不能被认为限制本发明的范畴。本领域的技术人员将认识到，用于执行成形瞬时频率的具体等式有关便利和个人偏好，其派生形式将可能更有效。
权利要求
1.一种减少代表导引扫描的自相关的小波副瓣能量的方法，其包括成形所述导引扫描的瞬时频率；以及自相关所述导引扫描。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述成形步骤包括计算所述导引扫描的所述瞬时频率。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述瞬时频率由n阶多项式表示。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述n阶多项式约大于10。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述导引扫描的瞬时频率由下式计算f(t)=Σi=0nai(t-τ)i---(1).]]>
6.如权利要求5所述的方法，其中所述初始参数是τ＝T/2 (2)a0＝(f1+f0)/2＝fc(3)。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述成形步骤进一步包括在减弱区域内衰减导引扫描的瞬时频率。
8.如权利要求7所述的方法，其中在减弱区域内导引扫描的瞬时频率是由下式衰减 (5)。
9.如权利要求8所述的方法，其包括在减弱区域内重复应用等式5直到导引扫描的瞬时频率行为单调为止的进一步步骤。
10.如权利要求2所述的方法，其中所述成形步骤进一步包括计算导引扫描的瞬时相位。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述导引扫描的瞬时相位是由下式计算的φ=2π∫0tfs(t)dt---(6).]]>
12.如权利要求2所述的方法，其中所述成形步骤进一步包括计算成形的导引扫描。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述成形的导引扫描是由下式计算的S(t)＝A(t)·sin[φ(t)+φ0](7)。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述成形步骤包括计算所述导引扫描的瞬时频率；在所述减弱区域内衰减所述导引扫描的瞬时频率；计算所述导引扫描的瞬时相位；以及计算成形的导引扫描。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述衰减步骤之后，继续衰减直到所述瞬时频率在减弱区域内行为单调为止。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述自相关步骤进一步包括计算出计算的和理想的自相关小波之间的误差。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述自相关步骤进一步包括确定所述计算的误差是否落在阈值之下。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括如果所述计算的误差不落在阈值之下就增加所述多项式的阶数。
19.如权利要求1所述的方法，进一步包括计算导引扫描的自相关函数的导数。
全文摘要
本发明涉及发生成形扫描，及用于用成形的导引扫描采集震动源数据的改进的方法。
文档编号G01V1/37GK1678925SQ03820971
公开日2005年10月5日 申请日期2003年8月21日 优先权日2002年9月4日
发明者雷纳·莫尔格 申请人:维斯特恩格科地震控股有限公司