一种新型有线采集和节点站采集的地震数据合成方法与流程

本发明属于地震数据采集技术领域，特别是涉及一种新型有线采集和节点站采集的地震数据合成方法。

背景技术：

低功耗的无线节点地震数据采集系统是信息技术与地球物理勘探深入融合的产物，是实现低成本油气资源勘探的重要技术手段。目前有线地震数据采集系统主要是从国外进口，且成本高，受制于国外。但由于现有油气勘探企业还保存一定数量的有线采集设备，且在较长的时期生产上还会大量使用。由于有线采集设备需要铺设大量数据传输光缆，有一些复杂区域铺设光缆的难度较大，比如陡岩、城镇、江河湖泊等，导致采集数据缺失比较严重。故在未来一个时期，利用无线节点站的便捷性将其作为有线采集系统的补充，在无法布设有线采集设备的区域用无线节点站进行采集，从而形成有线和无线采集设备混合采集的地震数据采集系统。

目前，勘探设备的有线设备与节点设备多种采集设备联合采集项目日渐增多。由于各种采集设备使用的检波器类型、仪器采集幅值及时钟一致性处理均不一致，导致有线采集和节点站采集的地震数据合成效果较差，没有统一标准。

如图1所示，由于部分区域无法布设有线设备，导致采集的炮集数据存在缺失。利用无线节点站布设的便捷性，可以将无线节点站布设到缺失区域，从而保证了炮集数据的完整性。数据合成的目标就是将无线节点站采集的数据和有线设备采集数据融合，形成统一的炮集数据。

在有线设备和无线设备混合采集系统中，其中一个关键问题是要实现有线采集设备和无线采集设备分别采集的数据进行融合。但无线节点站和有线设备是相互独立的控制系统，导致整体采集系统无法实现时钟同步，进而无法保证地震数据的采集质量。所以，数据融合的难点在于如何实现不同系统采集的数据进行时钟同步。目前，现有的产品和方法研究还未出现可靠的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种新型有线采集和节点站采集的地震数据合成方法，实现了有线采集设备和无线采集设备采集的数据进行无缝融合，解决了混合采集系统的关键技术问题，能完全解决上述现有技术的不足之处。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种新型有线采集和节点站采集的地震数据合成方法，其包括如下步骤：

第一步，获得有线采集设备和无线节点站中采集时钟的时钟差δt：

第二步，根据时钟差δt和采样间隔t，采用三次样条插值的方法，对无线节点站的采集数据进行矫正；

第三步，通过数模转换校正，将有线采集设备和无线节点站的采集数据合成，形成统一的炮集数据文件。

作为优选方式之一，三次样条插值的方法为：利用节点站采集数据形成一个时间序列，构造三次样条函数：v＝f(t)，其中t为时间，v为采样值；计算出任意一个时刻的函数值，获得矫正后的采样数据。

作为优选方式之一，采样数据包含时间点信息和电压振幅值。

作为优选方式之一，通过系统启动数据记录，即放炮系统将该时刻对应的gps时间形成记录文件，系统自动记录包含gps时间信息即t0时间的采集日志文件。

作为优选方式之一，第二步中的δt取值为-0.5*t～0.5*t之间，其中t为采样周期。

作为优选方式之一，将有线采集设备和无线节点站的采集数据合成的方法为：

第一步：准备好相关参数和数据，包括seg-d炮记录文件，激发日志shotlog文件和无线节点站采集数据文件；其中，seg-d文件提供有线设备的数据，shotlog文件提供放炮开始时间t0,无线节点采集数据文件提供打上时间戳的无线节点采集数据；

第二步：读取shotlog文件获得激发脉冲的gps时间，并将此作为有线设备记录数据的零时刻t0，并计算出δt；

第三步：读取seg-d文件的头部信息，获得记录长度l和采样率t；

第四步：遍历seg-d记录文件的每一道道头，如果当前道为有线设备记录数据则读取下一道道头；如果当前道为空道，则表明该道有线系统缺失，转到第五步；

第五步：利用t0、t和l，从节点站数据中读取该时段的记录，数据形成时间序列q；

第六步：利用q构建三次样条函数f(t)；

第七步：利用t0、t、l和f(t)，重新计算出

t0，t0+t，t0+2t，……，t0+l*t时刻的函数值；

第八步：如果当前道为最后一道，则合成结束，否则转到第四步。

作为优选方式之一，第五步中，形成时间序列q的方法如下：无线节点仪器设备从开机后就开始记录数据，并形成数据文件，根据shotlog记录的激发时间t0，并根据采样率计算t0时间的数据记录在文件中的偏移量sstart，根据记录长度和采样率计算数据截取时间对应数据文件的偏移量send；根据sstart和send，可以从无线节点仪器数据记录文件中读取对应的数据，形成序列q。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明有线采集和节点站采集的地震数据合成方法，将不同系统采集的数据进行时钟同步，实现了有线采集设备和无线采集设备采集的数据进行无缝融合，通过残差分析，证明数据合成几乎不存在相差，满足生产应用的需求。

附图说明

图1是有线设备和无线设备混合采集观测系统的示意图。

图2是无线节点站和有线设备采样时钟不统一的示意图。

图3无线节点站采集信号的示意图。

图4根据有线设备时钟差矫正的信号示意图。

图5激发脉冲捕获后的示意图。

图6有线采集设备和无线节点站两者的时钟差δt的计算表达示意图。

图7节点站采集到的信号矫正时的示意图。

图8有限采集和节点站采集的地址数据融合流程图。

图9为有线设备形成的seg-d炮集数据文件示意图。

图10为节点站形成的炮集数据文件示意图。

图11为残差示意图。

图12为无线节点仪器数据记录文件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

实现有线设备采集数据和无线节点站采集数据融合，需要以下步骤：

第一步，获得有线采集设备和无线节点站中采集时钟的差δt：

有线采集设备系统采用的是内部时钟，实现了整个系统的时钟同步，而无线设备是利用gps授时实现了所有无线节点站的时钟同步。两套系统的时钟不统一，从而形成了相同的地震信号，有线采集设备的内部时钟和无线节点站的gps时钟参考时间0时刻不同。而数据合成需要将无线节点站采集设备的信号从新矫正到有线设备的内部时钟，因此，其矫正方法过程如下：

如图2所示，节点站采集信号中的中部曲线为地震信号，上方为设定的有线采集设备的采样时钟信号，下方为设定的无线节点站的采样时钟信号，两者存在一定的时钟差。由于有线采集设备和无线节点站采用了不同时钟，因此，设定两者的时钟差为δt。为此，需要根据δt，将图2所示的节点站采集信号矫正到图3所示的矫正信号。在同一个采样区域内，图3代表是无线仪器自己的时钟采样点的示意图，图4是校正后采样点跟有线时间重合的示意图。

如图5和图6所示，图5中激发脉冲的捕获示意图，激发信号脉冲和gps时间点被同时记录。因为无线节点仪采用的是gps的整毫秒作为0时刻点，而有线设备采用的是内部时钟，因此，为了获得δt，需要捕获激发脉冲信号，并记录该时刻的gps时间；由于激发脉冲是有线设备数据记录的参考时钟零点，因此，通过系统启动数据记录，即放炮系统将该时刻对应的gps时间形成记录文件，系统自动记录包含gps时间信息即t0时间的采集日志文件。

由于无线节点仪站在开机后就以gps整毫秒作为零点启动数据记录，而δt的gps时间精度是微秒。故δt取值为-0.5*t～0.5*t之间，其中t为采样周期。

δt的计算方式：由有线设备采集时的t0时间减去无线节点的整毫秒采样的t1时间差获得，即δt＝|t0-t1|。

比如：有线设备所记录的时间为15h30m20s532ms136μs；无线设备所采集样点的位置在15h30m20s532ms，δt＝136μs。

第二步，根据时钟差δt和采样间隔t，将无线节点站的采集数据进行矫正；无线节点站是从gps时间的整毫秒开始记录数据，利用捕获激发脉冲获得信号记录的零时刻t0，其中gps时间，精度为微秒，可以计算出δt。

具体的矫正可以采用三次样条插值的方法：即，首先第一步是先把离散信号通过数模转换为连续信号；第二步再通过模数转换，将连续信号转换为时钟点对齐的离散信号；然后进行三次样条进行比对，进行矫正。如图7所示，利用节点站采集数据形成一个时间序列，构造三次样条函数：v＝f(t)，其中t为时间，v为采样值。从而可以计算出任意一个时刻的函数值，获得矫正后的采样数据；采样数据包含时间点信息和电压振幅值。具体的数学原理如下：

已知区间序列a＜x1＜x2＜...＜xn＜b，对应的样本值为则三次样条函数s(x)：

其中hi＝xi+1-xi(i＝0，1，...，n-1)，mi＝sⁿ(xi)为待定参数，m0，m1，...，mn满足线性方程组：

该方程是含有n+1个未知数mi(i＝0，1，...，n)的由n-1个方程组成的线性方程组，不能定解。因此，需要补充两个条件：在插值区间两个端点各补充一个条件，通常称为端点条件。最常用的端点条件有三种类型：

s′(x0)＝f′0，s′(xn)＝f′n

s′(x0)＝f′0，s″(xn)＝f″n

s(x0)＝s(xn)(j＝0，1，2)

用mi表示，这三种条件依次为：

m0＝f″0，mn＝f″n

m0＝mn，λnm1+μnmn-1+2mn＝dn

其中：μn＝1-λn，

第三步，通过数模转换校正后，将有线采集设备和无线节点站的采集数据合成，形成统一的炮集数据文件。合成流程和详细步骤如下：

有线设备系统产生炮集记录文件seg-d和激发时刻的gps时间t0，记录长度l和采样间隔t由施工参数确定。

根据如图8所示的流程图，本方法的详细步骤如下：

第一步：准备好相关参数和数据，包括seg-d炮记录文件，激发日志shotlog文件和无线节点站采集数据文件；其中，seg-d文件提供有线设备的数据，shotlog文件提供放炮开始时间t0,无线节点采集数据文件提供打上时间戳的无线节点采集数据。

第二步：读取shotlog文件获得激发脉冲的gps时间，并将此作为有线设备记录数据的零时刻t0，并计算出δt；

第三步：读取seg-d文件的头部信息，获得记录长度l和采样率t；

第四步：遍历seg-d记录文件的每一道道头，如果当前道为有线设备记录数据则读取下一道道头；如果当前道为空道，则表明该道有线系统缺失，转到第五步；

第五步：利用t0、t和l，从节点站数据中读取该时段的记录，数据形成时间序列q；具体过程如下：首先，无线节点仪器设备从开机后就开始记录数据(gps时间整毫秒开始记录)，并形成数据文件，根据shotlog记录的激发时间t0(gps时间，但不是整毫秒)。并根据采样率计算t0时间的数据记录在文件中的偏移量sstart，同理，根据记录长度和采样率计算数据截取时间对应数据文件的偏移量send。根据sstart和send，可以从无线节点仪器数据记录文件中读取对应的数据，形成图12所示无线节点仪器数据记录文件中的序列q。

第六步：利用q构建三次样条函数f(t)；

第七步：利用t0、t、l和f(t)，重新计算出t0，t0+t，t0+2t，……，t0+l*t时刻的函数值；

第八步：如果当前道为最后一道，则合成结束，否则转到第四步。

试验通过节点站和有线设备在相同位置进行地震信号采集，并通过本方法进行数据切割，形成的炮集数据文件。结果如图9-11对比所示，图9为有线设备形成的seg-d炮集数据文件，图10为节点站形成的炮集数据文件，图11残差。通过残差分析，证明数据合成相差小于20微秒，几乎不存在相差，满足生产应用的需求和系统设计目标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。