可控震源超高宽频扫描信号设计方法与流程

本发明涉及油田可控震源地震勘探领域，特别是涉及到一种可控震源超高宽频扫描信号设计方法。

背景技术：

1、可控震源是一种地震勘探信号激发源，具有“安全、经济、环保、优质、低成本”的作业特性，适合于多种地表的环保、安全等要求的特点。目前，全球陆地可控震源地震采集技术越来越受到油公司的广泛重视，除了水域、沼泽、直升飞机支持的大山地之外，只要震源能驶入的地区，如平原、农田、城镇区、一般山地、山前带、丘陵、大小沙漠等，都可采用可控震源施工。可控震源各种新的应用技术的推广使用，不仅极大地提高了施工效率，而且资料品质得到了较大的改善。

2、可控震源地震勘探来源于chrip雷达技术，其扫描信号是有限带宽信号，因此拓展可控震源扫描信号的频带宽频一直是地球物理工作者追求的目标。从国内外可控震源地震勘探实践来看，常用的宽频扫描信号频率为1.5-96hz，倍频程达到6个。然而，对于一些浅层或是极浅层地质目标体，我们需要更高的扫描频率(大于120hz)，但是受到可控震源伺服系统、液压振动器等机械固有设计的原因，难以实现更高的扫描频率，采用常规信号进行更高频率的扫描往往会出现严重的信号失真，高频段地震资料也无法满足地震勘探的需求。

3、近年来，国内外也提出了一些解决方案来防止或是降低这种失真的产生，但均是针对低频信号进行优化，并未提出针对超高频扫描信号优化设计技术。

4、在国外，inova公司可控震源采用clearsweep技术降低扫描信号低频段畸变；sercel公司在508xt系统地震采集时，可控震源应用smartlf技术降低扫描信号低频畸变。

5、在申请号：cn201711111347.3的中国专利申请中，涉及到一种低畸变宽频扫描信号设计方法，包括：根据可控震源低频段机械限制，获得扫描信号低频段出力曲线；根据高频段大地截止频率响应，获得扫描信号高频段出力曲线；获得预设扫描信号出力曲线；根据勘探区域频率要求，对出力曲线进行能量补偿及时频域转换；获得能量均衡扫描信号的时频曲线及出力曲线；对时频曲线及出力曲线进行平滑及求导得到f'(t)及a'(t)；对f'(t)及a'(t)进行平滑，并积分得到新的时频曲线及出力曲线；求取扫描信号。该方法对低频扫描段的时频曲线及出力曲线进行优化，以增强机械系统稳定性来降低谐波畸变，高频段一般在100hz左右具有一定效果，虽然该方法能够一定程度低降信号失真，但改善空间仍然很大。

6、在申请号：cn201810710665.x的中国专利申请中，涉及到一种基于重构地面力信号的可控震源谐波压制方法。在不能通过加权和方法估计地面力信号的情况下，利用直达波与其它地震波到时不一致的特点，通过合理匹配滤波器，从基板附近信号中有效分离、提取直达波作为重构地面力信号代替实际的可控震源下传信号，对地震记录进行反褶积处理，以达到压制谐波，未涉及高频信号优化的设计。

7、在申请号：cn200910237811.2的中国专利申请中，涉及到一种可控震源多因子扫描方法，用宽频的扫描信号激发地震波完成采集；选择接收道做振幅谱和分频扫描现场；分解信号创建一组起始和终了频率不同的子扫描进行频谱叠加和因子叠加，把叠加谱与实际资料对比，确定子扫描组；将子扫描组合用于野外采集，并对同一道做振幅谱分频扫描，经过资料振幅谱和分频记录对比确定最佳的子扫描因子，成图。该发明减少资料的相关旁瓣，提高资料的信噪比可以有效地压制谐波干扰、提高资料的信噪比，减少试验的盲目性，提高资料质量，节约勘探费用。

8、以上现有技术均与本发明有较大区别，因此，亟待研制一种可控震源超高宽频扫描信号设计方法，为此我们发明了一种可控震源超高宽频扫描信号设计方法，解决了以上技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种采用该方法设计的扫描信号能够实现超高宽频，即低频从1.5hz起震，高频端大于120hz的扫描信号，且具有较小的谐波畸变、扫描过程稳定的可控震源超高宽频扫描信号设计方法。

2、本发明的目的可通过如下技术措施来实现：可控震源超高宽频扫描信号设计方法，该可控震源超高宽频扫描信号设计方法包括：

3、步骤1，对低频段采用定频扫描测试方法，获取每个频率的最佳驱动幅度；

4、步骤2，对低频段每个频率的最佳驱动幅度进行扫描效率优化设计；

5、步骤3，获取低频段每个频率优化后对应的最佳驱动幅度以及时间频率函数；

6、步骤4，对高频段进行定频扫描，获取不同频率可控震源重锤与平板加速度信号；

7、步骤5，计算重锤与平板加速度随扫描时间变化的相位差曲线，确定重锤与平板加速度相位差>90度频率段；

8、步骤6，调整相位差>90度频率段的重锤驱动幅度，并计算重锤与平板的合力；

9、步骤7，获取整个扫描频率段的最佳驱动幅度，计算获得可控震源扫描信号。

10、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

11、在步骤1中，低频段为1.5-10hz，对低频段采用定频扫描测试方法，通过可控震源机械报警情况获取每个频率的最佳驱动幅度。

12、在步骤1中，采用可控震源定频扫描方法进行测试时，采用扫描长度5s，起止斜坡500ms，扫描频率从1hz-10hz，间隔1hz的定频扫描信号进行测试，驱动幅度为理论计算值，在测试过程中，以理论驱动幅度为基准，每次下降1-2％，通过可控震源机械报警来判断驱动幅度是否合理，直到不产生机械报警为止，该驱动幅度则为该频率的最佳驱动幅度。

13、在步骤2中，每个频率的最佳驱动幅度采用镶边函数进行扫描效率优化设计，通过镶边频率的设置，可提高低频段可控震源的扫描效率，而且镶边频率fc处的振幅能量仅较镶边之前减小3db，但低频段谐波畸变可大幅降低。

14、在步骤2中，镶边函数公式为：

15、

16、式中：a(f)：镶边函数；fc：镶边频率；f：扫描频率。

17、在步骤3中，采用可控震源扫描长度进行能量的补偿，根据扫描长度与驱动幅度的平方倍成反比的关系，获取经镶边函数优化后的低频段每个频率对应的最佳驱动幅度以及时间频率函数。

18、在步骤4中，高频段为80-200hz，对高频段采用施工确定的驱动幅度进行定频扫描，获取不同频率可控震源重锤与平板加速度信号。

19、在步骤4中，采用施工确定的驱动幅度进行定频扫描时，采用扫描长度5s，起止斜坡500ms，扫描频率从80-200hz，间隔5hz的定频扫描信号进行测试，驱动幅度为施工确定的驱动幅度，获取不同频率可控震源重锤加速度信号、平板加速度信号以及输出力信号。

20、在步骤5中，根据步骤4中测量所是到的重锤加速度信号、平板加速度信号以及输出力信号，计算重锤与平板加速度随扫描时间变化的相位差曲线，确定重锤与平板加速度相位差>90度频率段。

21、在步骤5中，采用如下公式计算重锤与平板加速度随扫描时间变化的相位差曲线，确定重锤与平板加速度相位差>90度频率段：

22、

23、式中：为力信号；为重锤加速度；mm为重锤质量；为平板加速度；mp为平板质量。

24、在步骤6中，调整降低相位差>90度频率段的重锤驱动幅度，并重新计算重锤与平板的合力，即的力不大于可控震源额定输出力的大小。

25、在步骤7中，将低频与高频段的驱动幅度进行整合，以获取整个扫描频率段即1.5-200hz的最佳驱动幅度，并进行能量补偿获取时频曲线与对应驱动幅度曲线，计算获得可控震源扫描信号。

26、本发明中的可控震源超高宽频扫描信号设计方法，建立了一种超高宽频，即低频从1.5hz起震，高频端大于120hz的扫描信号设计流程，该扫描信号可激发出稳定的低频与超高频信息，且具有较小的谐波畸变，从而改善可控震源激发效果，提高资料品质。

27、本发明是针对非线性低频扫描信号容易产生谐波畸变以及可控震源无法激发出大于120hz的稳定的地震信号而提出的一套可控震源超高宽频扫描信号设计方法。该方法可获得扫描频率1.5-200hz的超高宽频扫描信号，采用该信号激发高频信号稳定，整体具有较低的信号畸变，可较大改善可控震源激发效果，提高资料品质。