一种近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集系统的制作方法

本实用新型涉及海洋地球物理探测领域，具体是一种近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集系统。

背景技术：

海洋地质与矿产资源调查是一项基础性与战略性的调查活动，其中地震探测方法在海底构造与矿产资源调查中发挥着重要作用。常规海面拖曳地震距离海底距离较远、数据信噪比较低、横向分辨率不足诸多问题，一般很难应用于高分辨率地震勘查(如天然气水合物、硫化物等资源勘查等)中。

近年来，国内外研制出了多种近底拖曳式地震采集系统，如美国海军研究实验室的DTAGS、法国海洋开发研究院的SYSIF等，在高分辨率地震勘查中发挥了重要作用。这些系统最大的特点是将接收电缆置于近海底的位置接收地震信号，大大缩小了第一菲涅尔带半径，提高了地震资料的横向分辨率。尤其是与深拖震源(如亥姆霍兹共振器声源，200～1000Hz)配合使用的时候，探测效果更好。

深海拖曳对地震电缆的耐压性能、整体作业方式都具有较高的要求，深海水听器(特别是能用于3000～6000m作业深度的)技术要求高、需求量大、成本昂贵，进而带来电缆的造价十分昂贵，地震作业成本也较高。鉴于近海底拖曳电缆作业的巨大难度，如何降低深海拖曳电缆的研制成本(即使用一定数量的水听器尽可能提高电缆长度)，提高数据接收能力(即在一定电缆长度的前提下进一步提高数据的分辨率)和作业灵活性(即针对不同的目标调整电缆拖曳位置)是当前深海拖曳地震设备存在的一个重要挑战。

由此可知，近底拖曳式地震采集系统是一种有着重要发展前途的地震数据采集方案。如何降低设备和作业成本、提高作业灵活性是该方法现阶段需要解决的重要技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供一种近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集系统。

为实现上述目的，本实用新型提供一种近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集系统，该系统由实验室控制台、拖曳框架和拖曳电缆组成；

实验室控制台通过光电复合缆与拖曳框架连接；拖曳框架与拖曳电缆相连；所述拖曳框架包括电源模块、超短基线声学信标、姿态仪、水下控制仓、螺旋桨和深度计；电源模块提供拖曳电缆所需的电源，水下控制仓包括功放模块、采集控制模块和推进控制模块；采集控制模块连接拖曳电缆，采集控制模块与功放模块和推进控制模块相连，推进控制模块与深度计、姿态仪和螺旋桨连接；超短基线信标接收来自采集船的信号，提供水下拖曳框架的定位；所述拖曳电缆包括顺次连接的前导段、前减震段、工作段、后减震段、定深控制器和尾标；工作段含有水听器和压力传感器。

所述的实验室控制台包括采集控制器、采集工作站、导航模块、不间断电源；采集控制器通过光电复合缆与拖曳框架中的采集控制仓连接；采集工作站分别与导航模块、采集控制器相连，采集控制器与拖曳框架的水下采集控制仓相连；不间断电源提供电源。

采集控制器通过光电复合缆与拖曳框架中的采集控制仓连接，主要完成信号的搜集整理、光电信号转换、信号解译与控制；采集工作站用于系统参数设置、数据显示与数据存储，并通过导航模块接入高精度导航信号，通过采集控制器传输至水下采集控制仓；不间断电源为其他设备提供稳定的电源接入服务。

所述拖曳框架为连接实验室与接收电缆的中间环节，提供各种信号转换与控制等功能；其中功放模块实现传输信号的放大功能；采集控制模块连接拖曳电缆，并提供数据的传输与深度调节模块的控制；推进控制模块与深度计、姿态仪和螺旋桨连接，根据获得的姿态和深度计的数据控制螺旋桨的转动，实现拖曳方向上的位置控制，进而实现震源和电缆的相对位置的控制。超短基线信标接收来自采集船声学基阵的信号，提供水下拖曳框架的高精度声学定位功能。

所述拖曳电缆包括前导段、前减震段、工作段、后减震段、定深控制器和尾标。前导段用于控制电缆和拖曳框架的距离；前减震段内部具有减震装置，用于隔离来自拖曳框架的震动干扰信号；工作段含有水听器和压力传感器，用于接收震动和压力信号；后减震段内部具有减震装置，用于隔离来自尾标的震动干扰信号；定深控制器是电缆的一部分，接口可与接收段连接，并接入实验室控制台，通过控制其攻角产生升力和降力，实现电缆的下沉与上浮；尾标用于拉直电缆。电缆外壳是聚氨酯材料制作的PU管，内部充满硅油，连接线路置于硅油中而不受力，电缆通过凯夫拉绳受力。

在所述拖曳电缆中，所述水听器是在随机位置上分布的，是安装于在规则密集分布的基础上采用分段随机采样策略选取的一部分位置上的。分段随机采样具有“蓝色噪音”频谱特征，有利于后续重建处理。设水听器个数为n，密集的等间隔网格点数为N(一般情况下，n＜N≤2n)，即水听器随机分布于N个等间隔位置中的n个随机位置上。水听器布置方案如下：

1)将N个点分为n段。当N为n的整数倍时，可以等分，每个部分有int(N/n)个点。当N不是为n的整数倍时，等分之后还剩余nr＝N-int(N/n)*n个点，其中，int()为取整运算。

2)在n个部分中，随机选择nr个段；然后将剩余nr个点放入选择的nr个部分中。

3)从步骤2)处理后的n个段中，各随机地抽取一个点位作为水听器的安装位置。

通过上述方案可以根据实际情况按任意比例设置水听器的安装位置，是一种均匀且随机的方案，不会导致大面积水听器位置连续大范围缺失而给数据重建带来困难。

作为本实用新型的进一步改进，在所述实验室控制台中，所述采集工作站可以实时看到拖曳框架距离海底的高度、电缆的水下位置和姿态，便于对作业方式实时调整，保证拖作业安全和数据质量。

作为本实用新型的进一步改进，在所述拖曳电缆中，每个接收段的中心位置安装一个压力传感器，并通过控制模块将测量数据实时传输至实验室控制台。

本实用新型的有益效果为：

(1)拖曳框架中包含推进装置，实现了拖曳位置的调节拖曳框架的推进控制模块可以根据需要调节拖曳框架和电缆的拖曳位置(深度、偏移距等)和拖曳状态，对提高设备接收不同角度的反射信号具有重要意义。

(2)深海近底拖曳电缆在随机位置上排列接收道上的水听器，使用一定的水听器数量可以研制更长的电缆，提高了观测范围，降低了探测成本。通过数据重建缺失位置上的数据，达到了减小有效道间距的目的，提高了横向分辨率；

(3)拖曳框架的推进控制模块可以根据需要调节拖曳框架和电缆的拖曳位置(深度、偏移距等)和拖曳状态；接收电缆采用多个子段组合连接设计，可以根据不同的探测目标的反射角度灵活调节电缆长度。因此，本实用新型对不同倾角和大小的探测目标具有较强的适应能力；

(4)具有较好的功能扩展能力。拖曳框架内可以安装深海拖曳震源，与本系统配合进一步达到提高横向和纵向分辨率的目的；还可以方便地加挂其他类型的传感器，高效经济地实现多参数数据观测功能。

附图说明

图1是本实用新型一种近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集系统整体组成示意图；

图2是图1中实验室控制台结构示意图；

图3是图1中拖曳框架结构示意图；

图4是图1中拖曳电缆结构示意图；

图5是不同位置的电缆的接收反射波路径示意图；

图6是图1中拖曳电缆中水听器布置方案示意图；

图7是图1中拖曳电缆与常规电缆对比示意图；

图8是本实用新型拖曳工作时系统几何结构示意图；

图9是利用本实用新型采集的数据及其重建结果其中，道间距为25m，水听器个数为16个，重建得到了32道规则数据。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供一种近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集系统。

在本实用新型的第一方面，提供一种近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集系统，该系统由实验室控制台1、拖曳框架2和拖曳电缆3组成。其他辅助设备包括A型架、光电复合缆和船载震源系统，数据采集过程中与本实用新型配合使用。

如图2所示，所述实验室控制台1包括不间断电源11、采集工作站12、采集控制器13、超短基线工作站14和船载声学基阵15。不间断电源连接船电，为其他设备提供稳定的电源接入服务。采集工作站12用于系统参数设置、数据显示与数据存储，并通过接入船载高精度GPS信号，用于导航控制；还可以实时看到拖曳框架2的深度、拖曳电缆3的水下位置和姿态，便于对作业方式实时调整，保证拖作业安全和数据质量。

采集控制器13通过光电复合缆与拖曳框架2连接，主要完成光缆信号和终端信号的搜集整理、光电信号转换、信号解译与控制。

如图3所示，所述拖曳框架2为连接实验室控制台1与接收电缆3的中间环节，提供各种信号转换与控制等功能；包括电源模块21和水下控制仓22、姿态仪23、深度计24、螺旋桨25和超短基线信标26。电源模块21提供拖曳电缆所需的电源。水下控制仓22包括功放模块221、采集控制模块222和推进控制模块223；其中，功放模块221实现传输信号的放大功能；采集控制模块222连接拖曳电缆，并提供数据的传输与深度调节模块的控制；推进控制模块223与姿态仪23、深度计24和螺旋桨25连接，获得的姿态和深度数据实时传输至实验室控制台1，并根据这些数据控制螺旋桨25的转动，实现拖曳方向上的位置控制，进而实现震源和电缆的相对位置的控制。超短基线信标26接收来自采集船声学基阵的信号，提供水下拖曳框架2的高精度声学定位功能。

如图4所示，所述拖曳电缆3包括前导段31、前减震段32、工作段33、后减震段34、定深控制器35和尾标36。前导段31用于控制所述拖曳电缆3和拖曳框架2的距离；前减震段32内部具有减震装置，用于隔离来自拖曳框架的震动干扰信号；工作段33含有水听器和压力传感器，用于接收震动和压力信号；后减震段34内部具有减震装置，用于隔离来自尾标的震动干扰信号；定深控制器35是电缆的一部分，接口可与接收段连接，并接入实验室控制台，通过控制其攻角产生升力和降力，实现电缆的下沉与上浮；尾标36用于拉直电缆。电缆外壳是聚氨酯材料制作的PU管，内部充满硅油，连接线路置于硅油中而不受力，电缆通过凯夫拉绳受力。根据勘探目标的尺度，确定电缆的基准道间距为5m。

如图5所示，该图展示了来自震源的地震波场经过目标地质体的反射之后传播路径示意图；在震源位置确定的情况下，大偏移距和大深度的水听器接信号反映大倾角构造信息，小偏移距和小深度的水听器接信号反映的是平缓构造信息。由此可知，变偏移距对于不同倾角的复杂地质构造探测具有十分重要的意义。通过光电复合缆释放长度、本实用新型推进控制模块223和定深控制器35的综合控制，可以使拖曳电缆在一定的偏移距的位置稳定拖曳于一定深度的深海。

如图6所示，在所述拖曳电缆3中，所述水听器331是在随机位置上分布的，是安装于在规则密集分布的基础上采用分段随机采样策略选取的一部分位置上的。分段随机采样具有“蓝色噪音”频谱特征，有利于后续重建处理。这里分两种情况，1)密集的等间隔网格点为水听器个数的整数倍，61为常规电缆水听器分布，先进行分段，每段2个点；62表示从每段随机选择一个位置作为水听器位置，得到了最终的设计方案。2)密集的等间隔网格点不是水听器个数的整数倍，63为常规电缆水听器分布，先进行分段，每段2个点，还剩余1个点；然后将该点随机地调整到某个段中；64表示从每段随机选择一个位置作为水听器位置，得到了最终的设计方案。

如图7所示，71为常规电缆接收道分布，道间距为5m；72为随机接收道分布，基准道间距为5m，73为经过重建之后的接收道分布，道间距为5m。通过71和73的对比可以看出，本实用新型在不降低道间距的情况下可以有效拓展电缆的长度，用于大偏移距勘探。74为常规电缆接收道分布，道间距为10m；75为随机接收道分布，基准道间距为5m，76为经过重建之后的接收道分布，道间距为5m。通过74和76的对比可以看出，本实用新型在保持电缆长度不变的情况下可以减小道间距，用于高分辨率地震勘探。

通过上述方案可以根据实际情况按任意比例设置水听器331的安装位置，是一种均匀且随机的方案，不会导致大面积水听器位置连续大范围缺失而给数据重建带来困难。在所述拖曳电缆3中，还有压力传感器332，分布于每个工作段的中心位置，并通过控制模块将测量数据实时传输至实验室控制台1。

使用本实用新型进行近底拖曳式随机接收电缆地震数据采集的方法，包括以下步骤：

步骤1：系统配置。布放之前需要搜集作业区域的高精度地形信息，作业位置不可以超过系统的最大工作水深。根据勘探目标，确定电缆的长度和拖曳深度和拖曳角度，进而确定拖曳框架的配重，保证系统按照一定的速度在一定的深度稳定拖曳。拖曳框架离海底距离大于电缆长度，避免电缆触底；

如图8所示，系统的配置满足如下关系式：

震源距船尾的水平距离xs为30m，偏移距设置为350m，第一个水听器到拖曳框架的受力点的距离为xd为50m，则当需要在水深2000m拖曳工作时，则光电复合缆的放缆长度为L为2027m，拖曳角度为α为9.37°。

步骤2：系统布放。电缆是缠绕在绞盘上的，布放时绞盘转动将电缆送出，按照尾标、后减震段、工作段、前减震段、前导段的顺序布放入海，最后，使用绞车及光电缆拉起拖曳框架布放入海。继续放缆，当到100m的时候，测试系统的工作是否正常；

步骤3：数据采集。待电缆到达作业深度，释放超短基线基阵，并打开超短基线，采集拖曳框架的位置数据。控制拖曳框架的推进模块控制螺旋桨转动，保持系统稳定拖曳，并记录拖曳框架和位置和状态信息，用于后续数据处理。配合使用其他设备(震源、导航、枪控等系统)开展地震数据采集作业；通过定深控制器控制电缆的沉放深度，通过采集界面显示的压力信息进行实时监控；

步骤4：系统回收。首先关闭超短基线，并回收超短基线基阵。关闭拖曳框架的推进器。关闭采集系统，回收拖曳框架和电缆，并使用绞盘拖动和存放电缆。

步骤5：数据重建。该步骤将采集的随机排列数据重建为规则网格数据，满足常规数据处理的需求。

如图9所示，91为利用随机电缆采集的数据，16道、基准道间距为10m。数据重建处理时，选择曲波变换作为地震数据的稀疏变换，采用加速迭代阈值方法进行问题求解，最终完成高精度重建处理。92为经过重建的地震数据，32道、道间距为10m。可以看出，本实用新型利用较少的水听器实现了常规等间隔排列电缆的效果，降低了勘探成本。