专利名称：向地震数据中添加信号的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及地震测量，更具体地说，是涉及向地震数据中添加信号。
背景技术：
地震探查被广泛应用于定位与/或测量地下的地质构成，以寻找碳氢化合物矿藏。由于许多有商业价值的碳氢化合物矿藏都位于水体之下，因此就有各种类型的海洋地震测量方法被开发出来。在典型的海上地震测量中，一组海洋地震拖缆被牵引在一条测量船后面经过一片测量区域。地震拖缆可能长达数千米，并含有大量传感器，比如水下测声仪及相关的电子设备，它们分布在各条地震拖缆上。测量船还牵引着一个或多个地震源，比如气枪或类似设备。
当拖缆阵列被拖过测量区域时，由地震源产生的声波信号-或者叫“冲击波(shots)”通过海水传导到海底的陆地，在那里，这些声波信号会从各种不同的地下地质结构反射回来。反射信号被地震拖缆中的传感器接收、数字化，然后被传送给测量船。数字化的信号称为“测绘轨迹(traces)”并被记录下来，而且在测量船中至少经过部分处理。这一过程最终的目的是要建立起拖缆阵列下的地下地质构造的图样。对该图样进行分析就能指示出碳氢化合物矿藏在地下地质结构中可能的储备地点。
除了探测声波信号之外，地震拖缆中的传感器还能检测来自不同来源的声波噪声。例如，分布在地震拖缆上的水下听音器会探测到海浪噪声。传感器不会区分需要的声波信号和不要的声波噪声，因此记录下来的轨迹中会同时包含信号与噪声。地下地质构造图样的准确度与商业价值至少部分取决于地震数据的信噪比。例如，提高地震测量中得到的轨迹的信噪比往往能够形成更准确、从而也更有商业价值的地下地质构造图样。然而，地震数据的信噪比估算难以实现，这是因为记录下的声波信号实际上总是伴有未知数量的声波噪声。
发明内容
在本发明的一方面内容中，提供了一种用于分析地震数据的方法。该方法包括确定地震信号到来前记录下的地震数据中的一部分，并向地震信号到来前记录下的地震数据的这部分中添加一个测试信号。
参照下文中结合附图进行的说明，就能理解本发明，在所述的附图中，相似的引用标号标明类似的元素，在这些附图中图1示出了利用地震拖缆进行地震探测的范例系统；图2概念性地示出了从一个地震源到多个地震传感器的多条直接信号路径和多条反射信号路径，所述的地震源和传感器可以被部署在图1中所示的地震拖缆上；图3概念性地示出了地震数据，这些数据可以由图1中所示的地震传感器收集；图4示出了用于估算处理后地震数据信噪比的方法的实施例；以及图5A和图5B示出了一种范例计算设备，该设备可被用来完成参照图4所述的工作。
本发明可能受到各种改动及替代形式的影响，本文通过附图中的实例展示了本发明特定的实施方式，并对其进行了详细的说明。但是应该理解，本文中对特定实施例的说明并非要将本发明限制于所公开的特定形式；相反，本文的意图是要覆盖所有落入本发明指导思想和范围内的改动、等价体以及替代形式，本发明的思想与范围由附带的权利要求定义。
具体实施例方式
下面将说明本发明的示例实施方式。为了表达清楚，本说明书中并未描述实际实施方式的所有特性。人们当然能够明白，在任何这类实际实施例的开发中，必须作出许多该实施方式所特有的决定，以实现开发者的特定目标，比如符合系统相关及事务相关的限制，这些目标会随实现方式的不同而改变。此外还应该明白的是，尽管这样的开发工作可能很复杂且颇为费时，但仍可以作为那些具有本技术一般技能的人的日常工作，以获得此处所公开的益处。
图1示出了利用地震拖缆101进行地震探测的范例系统100。该范例系统100包括一条测量船105，该测量船将地震拖缆101部署在水体120的表面115之下，所述的水体在不同的实施例中可能是淡水、咸水或淡咸水。地震拖缆101是通过从测量船105上放下地震拖缆101来部署的。在图示的实施例中，地震拖缆101被浸没在水面115和水底125之间的深度上。但是，本发明并非如此局限。在另一种实施例中，地震拖缆101被部署在水体120的表面115上。在另一种实施例中，被部署的地震拖缆101可能借助锚链下沉，以便放置到水体120的底部125上。例如，地震拖缆101可以被部署在海洋中，沉下海床以及随后被放置在海床上。
在各种不同的备选实施例中，地震拖缆101可以作为单个电缆系统使用，也可以作为一个拖缆阵列(未示出)中的一条。此外，尽管本文中将以用于海洋地震探测的范例系统100为例对本发明进行说明，但是具有本技术一般技能的人会明白本发明并非如此局限。例如，在一种备选实施例中，地震拖缆101可被部署在地面上。
一个或多个地震源130提供一个地震探测信号135。在图示实施例中，地震源130被悬挂在测量船105下面。然而，在备选实施例中，地震源130可以被安放在任意位置上。例如，地震源130可以被安放在距离地震拖缆101很近的水面115上的浮标或其他漂浮装置上。举另一个例子，地震源130也可以被安放在一条电缆上，该电缆可包括但不仅限于地震拖缆101，它被连接到测量船105或是第二条船(未示出)上。再举一个例子，地震源130可以由第二条船(未示出)牵引。
地震源130所提供的地震测量信号135传播到地面，并在地震探测信号135从一种或多种地质结构145(比如碳氢化合物矿藏)反弹回来时形成一个反射信号140，所述的地质结构位于地层150、155中。一个或多个传感器160被连接到地震拖缆101上，并接收反射信号140。在各种备选实施例中，所述的一个或多个传感器160可以是地震检波器、水下听音器等等。在被一个或多个传感器160接收到以后，反射信号140就被传送给信号处理单元165。在一个实施例中，信号处理单元165被安置在测量船101上。而在备选实施例中，信号处理单元165的某些部分可被安装在任何希望的位置上，其中包括但不局限于其他测量船(未示出)或陆上。对反射信号140的分析可被用来形成地质构造145、150、155的图样。在一个实施例中，所述的分析包括运用数字地界形成(DFG)处理过程。然而，本发明并不局限于采用DGF处理过程的分析手段。在备选实施例中，还可以使用其他分析技术，比如模拟地界形成等等。
图2概念性地示出了从地震源205到多个地震传感器210(1-3)的多条直接信号路径200(1-3)和多条反射信号路径201(1-3)，这些传感器离开地震源的距离是相应的多个偏移量215(1-3)。当地震源205发出一个声波信号或“冲击波”时，该声波信号沿着直接及反射信号路径200(1-3)，201(1-3)传播到相应的传感器210(1-3)。由于声速有限，传感器210(1-3)在经过一段时间后首先接收到一部分声波信号，这段时间大致等于偏移量215(1-3)除以声速。例如，在海洋地震探测中典型的经过时间约为数百毫秒。声波信号的其他部分，比如那些经过反射信号路径201(1-3)的信号，将在稍后的时刻被传感器210(1-3)接收到。
图3概念性地示出了地震数据300，比如图1所示的传感器160收集到的数据。地震数据300被示为地震传感器偏移距离(由轴305表示)以及自地震冲击波发出后经过的时间(由轴310表示)的函数，并且可由第一分割315大致划分成两个区域。尽管对于本发明的实现而言并非必需，但是在一个实施例中，地震数据会经过“正常移出”校正，那些具有本技术常识的人应该可以理解这一点。某个给定偏移距离305处的第一分割315大致对应于从地震冲击波310发出后一个声波信号沿着直接信号路径传播所经过的时间，比如图2中所示的直接信号路径200(1-3)。
在图示的实施例中，自地震冲击波310发出之后所经过的时间向下递增，由轴310上的箭头表示。在经过时间310大致等于并超过第一分割315时，传感器所记录下来的信号中就会同时包含噪声及来自相应地震冲击波的地震信号。例如，在一种海洋地震测量中，噪声可能包括海浪噪声，而对于陆上数据来说，噪声则可能包括风噪声。在第一分割315之前的经过时间310处(对于给定的偏移距离305)，传感器-比如图2中所示的传感器210(1-3)所记录下来的信号基本上是纯噪声，并且基本上不含有来自相应地震冲击波的地震信号。
一个测试信号320被添加到远早于地震信号到来前所记录下来的部分地震数据中。例如，测试信号320可以被添加到传感器在第一分割315(对于给定的偏移距离305)之前的经过时间310处所记录下来的信号中。在一个实施例中，测试信号320是一个被添加到记录地震数据以及/或记录地震数据的独立副本中的人造纯信号记录。例如，测试信号320可以是所谓的“星形”测试信号320，如图3中所示。星形测试信号320的各个分叉对应于正、负以及零下沉地质层，那些具有本技术常识的人能够理解这一点。然而，测试信号320的形状对本发明而言并不关键，可以使用任何所需的测试信号320，这样做不会偏离本发明的范围。在一个实施例中，测试信号320还对应于一定范围内的移出时间。
测试信号320可以被用来为地震信号到达传感器之时和/或之后记录下来的地震数据部分确定一个估算的信噪比。从而，测试信号320就可以被用来量化各种数据处理技术的优点，其中包括但不局限于对单个传感器记录下来的地震数据的数字地界形成处理。
图4示出了估算经过处理的地震数据的信噪比的方法的实施例。在声波信号从地震源到达之前记录下来的一部分地震数据可以被测定(在400)。在一个实施例中，可以通过测定(在400)第一分割在地震数据中的位置来确定(在400)声波信号从地震源到达之前记录下来的这部分地震数据，如上所述。例如，被测定(在400)的部分地震数据中可能包括多个独立传感器记录中的无信号部分，所述记录可能覆盖了一个偏移范围内的若干连续输出轨迹。
接着，一个测试信号-比如图3中所示的测试信号320-就被添加(在410)到测定的部分地震数据中。在一个实施例中测试信号可以通过求和来添加(在410)。测试信号可以具有一定范围的幅度，从而代表一系列的沉降值。例如，测试信号可以代表从零到后续数据处理所能保存的最大沉降值范围内的沉降，所述的数据处理可以是例如数字地界形成处理以及/或模拟地界形成处理。在一个实施例中，测试信号的幅度大致等于以采集系统的物理单位衡量的期望信号强度。但是在备选实施例中，也可以对测试信号进行任意希望的缩放。
如上所述，测试信号可以被直接添加(在410)到记录数据或记录数据的副本中。由于测试信号是被添加(在410)到声波信号到达之前记录下来的地震数据中，因此就能知道这个被添加到声波信号到达之前记录下来的部分地震数据中的测试信号的信噪比。在一个实施例中，利用数字地界形成处理技术对地震数据-包括测试信号-进行处理(在420)。但是，本发明也可以被应用于经过其他技术处理的地震数据，其中包括但不局限于模拟地界形成处理技术。
然后就可以利用测试信号来估算(在430)地震数据的信噪比。在一个实施例中，将经过处理的含有测试信号的地震数据与一个未经处理的测试信号进行对比。例如，测试信号与经过处理的测试信号之间的差值可以被估算出来(在430)。如果信号与噪声完全分开，那么估算差值就会接近于零。但是，那些具有本技术一般常识的人应该明白，信号与噪声很少会被完全分开，因此估算的差值很少为零。但是，很大的估算差值就表明有大量噪声泄漏进了信号中，这表示数据处理的性能较差。
在各种备选实施例中，比较(在440)估算差值的强度与噪声的强度。例如，通过数据处理的噪声百分比Serr可以利用下式将数字地界形成处理与测试信号相比来估算Serr=||DGF(s+n)-s||||n||]]>其中DGF表示数字地界形成处理，s表示测试信号，n则表示噪声。双垂线表示双线内的值的均方根。举另一个例子，可以通过将数字地界形成处理与模拟地界形成处理(由AGF表示)相比来计算出一个性能因数P=||DGF(s+n)-s||||AGF(s+n)-s||]]>然而，本发明并不局限于上述的度量方法。在备选实施例中，可以使用任意方法来度量噪声中的测试信号强度。此外，本发明并不局限于数字和/或模拟地界形成处理技术。在备选实施例中，可以使用任意所需的数据处理技术。
图5A和5B示出了一种范例计算设备500，这种设备可以被用来实现上述的工作过程。计算设备500包括一个处理器505，它通过总线系统515与某存储器510通信。存储器510包括硬盘与/或随机存取存储器(RAM)以及/或移动存储器，比如软磁盘517和光盘520。存储器510由数据结构525编码，该数据结构中存有如上文所述收集的信号、操作系统530、用户界面软件535以及应用程序565。用户界面软件535结合显示器540，就构成了一个用户界面545。用户界面545可以包括周边I/O设备，如键盘550、鼠标555、或是游戏手柄560。处理器505在操作系统530的控制下工作，该操作系统可以是任何现有技术中已有的操作系统。应用程序565由操作系统530在上电、重启或者这两种情况下启动，何时调用取决于操作系统530的具体实现。
如上所述，在海洋地震探测期间收集的数据可以经任何存储介质传送给计算设备500，所述的存储介质包括但不局限于记录磁带、磁盘、光盘以及DVD。海洋地震探测期间收集的数据还可以直接被传送给计算设备500，比如通过卫星链路570，并被储存在存储器510中。本文中某些部分的详细说明最终会以软件实现的处理形式提供，软件实现的处理中包括对计算系统或计算设备的存储器中的数据比特进行的操作的符号表达式。这些描述与表达式都是那些本技术领域内的人可以用来将他们的工作实质最有效地传达给精通本技术的其他人的手段。所述的处理与操作需要对物理量进行物理操作。通常但并非必要，这些物理量以电、磁或光信号的形式存在，这些信号能够被存储、传输、合并、比较以及进行其他处理。在主要为了普通使用目的的情况下，已经证实将这些信号引用为比特、值、元素、符号、字符、短语、数等等是很方便的。
但是，应该牢记在心的是，所有这些以及类似的术语都要与适当的物理量相关联，它们仅仅是应用于这些量的标记而已。除非特别说明或是显而易见，在本说明书的全文中，这些说明都指代一种电子设备的行为及处理过程，这种电子设备把被表示为某种电子设备的存储器中的物理(电、磁或光)量的数据处理并变换成其他数据，这些数据同样被表示为存储器中的物理量，或者被表示为传输过程或显示设备中的物理量。表示这样一种说明的示例短语是“处理”、“运算”、“计算”、“测定”、“显示”等等，但并不局限于这些短语。
还要注意的是，用软件实现的本发明某些方面的内容通常被编码在某种形式的程序存储介质上，或是实现在某种类型的传输介质上。程序存储介质可以是磁性(比如软盘或硬盘)或光学(比如光盘只读存储器，或“CDROM”)的，可以是只读或随机存取的。类似地，所述的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤或是现有技术已知的其他合适的传输介质。本发明并不受限于任何给定实施方式的这些方面内容。
以上所公开的特定实施例仅用于示范的目的，本发明可以不同但等价的形式修改及实现，这些方式对于那些精通本技术的人来说是显而易见且容易从中受益的。另外，除了在以下的权利要求中所说明的内容之外，本文并不想要对文中所示的构造或设计细节加以限制。因此就很明显，以上公开的特定实施例可以被修改或改进，而所有这些变形都被认为是在本发明的范围与指导思想之内的。相应地，在以下的权利要求中列数了本文所寻求的专利保护。
权利要求
1.一种分析地震数据的方法，包括确定基本上在地震信号到达之前记录下来的一部分地震数据；以及向基本上在地震信号到达之前记录下来的所述一部分地震数据中加入一个测试信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定基本上在地震信号到达前记录下来的所述一部分地震数据包括确定一个第一分割在地震数据中的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述一部分地震数据包括确定一部分含有噪声且基本不含地震信号的地震数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述地震数据由一个距离地震源一定偏移距离的地震传感器记录，并且其中确定所述部分地震数据包括根据所述的偏移距离确定地震信号的到达时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中添加所述测试信号包括选择测试所述信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中选择所述测试信号包括选择具有一个幅度范围的所述测试信号。
7.根据权利要求5所述的方法，其中选择所述测试信号包括选择对应于一个沉降范围的所述测试信号。
8.根据权利要求5所述的方法，其中选择所述测试信号包括选择对应于一个移出时间范围的所述测试信号。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括处理所述地震数据以及添加的测试信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中处理所述地震数据和添加的测试信号包括利用一个地界形成处理来处理所述地震数据和加入的测试信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中利用地界形成处理来处理所述地震数据和添加的测试信号包括利用一个数据地界形成处理来处理所述地震数据和加入的测试信号。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括利用加入的测试信号估算经过处理的地震数据的信噪比。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括估算经过处理的测试信号与噪声之间的差值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中估算所述差值包括比较估算的差值与噪声。
15.根据权利要求13所述的方法，其中的估算所述差值包括比较对应于不同处理技术的估算差值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中比较对应于不同处理技术的估算差值包括比较对应于数字和模拟地界形成处理的估算差值。
17.一种包含一个或多个可由机器读取的存储介质的设备，所述的存储介质中存有指令，这些指令在被执行时可以让计算机确定基本上在地震信号到达之前记录下来的一部分地震数据；以及向基本上在地震信号到达之前记录下来的所述一部分地震数据中加入一个测试信号。
18.根据权利要求17所述的设备，其中确定基本上在地震信号到达前记录下来的所述一部分地震数据包括确定第一分割在地震数据中的位置以及地震信号到达时间这两者至少之一。
19.根据权利要求17所述的设备，其中确定所述部分地震数据包括确定一部分含有噪声且基本不含地震信号的地震数据。
20.根据权利要求17所述的设备，其中添加所述测试信号包括选择所述测试信号。
21.根据权利要求17所述的设备，其中选择所述测试信号包括选择具有一个幅度范围、一个沉降范围以及一个移出时间范围三者中至少之一的所述测试信号。
22.根据权利要求17所述的设备，还包含在被执行时能让计算机处理所述地震数据和加入的测试信号的指令。
23.根据权利要求22所述的设备，其中处理所述地震数据和加入的测试信号包括利用一个数字地界形成处理来处理所述地震数据和加入的测试信号。
24.根据权利要求17所述的设备，还包括在被执行时能让计算机利用加入的测试信号来估算地震数据的信噪比的指令。
25.一种包括一个或多个可由机器读取的存储介质的设备，所述的存储介质中存有由下列部分组成的数据结构和数据确定基本上在地震信号到达之前记录下来的一部分地震数据；以及向基本上在地震信号到达之前记录下来的所述一部分地震数据中加入一个测试信号。
26.根据权利要求25所述的设备，其中确定基本上在地震信号到达前记录下来的所述一部分地震数据包括确定第一分割在地震数据中的位置以及地震信号到达时间这两者中的至少之一。
27.根据权利要求25所述的设备，其中添加所述测试信号包括选择具有一个幅度范围、一个沉降范围以及一个移出时间范围三者中的至少之一的所述测试信号。
28.根据权利要求25所述的设备，还包括通过处理所述地震数据和加入的测试信号而形成的数据结构和数据。
29.根据权利要求28所述的设备，其中处理所述地震数据和加入的测试信号包括利用一个数字地界形成处理来处理所述地震数据和加入的测试信号。
30.根据权利要求25所述的设备，还包括在利用加入的测试信号处理所述数据之后通过估算地震数据的信噪比而形成的数据结构与数据。
全文摘要
本发明提供了一种用于分析地震数据的方法与设备。所述的方法包括确定一部分在地震信号到达之前记录下来的地震数据，并向地震信号到达之前记录下来的部分地震数据中加入一个测试信号。
文档编号G01V1/36GK1696741SQ20041009796
公开日2005年11月16日 申请日期2004年12月2日 优先权日2003年12月2日
发明者拉尔夫·G.·弗伯 申请人:维斯特恩格科地震控股有限公司