利用特殊耦合检波器进行地震数据接收的最佳耦合与匹配方法

摘要

本发明公开了一种利用特殊耦合检波器实现与地表最佳耦合匹配的方法。它针对工区地表介质参数，设计一个检波器底座以替代检波器尾锥与地表耦合，将带有混凝土底座的地震检波器在同一个接收排列中与相邻道上的带有铁质尾锥的常规检波器按同样的条件进行观测，以获得可对比的地震记录，将在同等条件下获得的带有混凝土底座的检波器记录作为带有铁质尾锥的常规检波器记录的期望输出，利用最小平方滤波器的原理，求出最佳耦合匹配滤波因子，继而对所有的常规耦合检波器所获得的地震记录进行匹配滤波，就获得了最佳耦合接收的信号。本发明使得最佳耦合匹配以后的地震数据无论是在叠前还是叠后其能量和频率都得到加强，提高了地震信号的分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及地震勘探领域，尤其涉及一种利用特殊检波器进行地震数据接收的最佳耦合与匹配方法。

背景技术

地震检波器过去一直是在厂家生产出来之后就被固定的，它是一种通用装置，即不管什么地表地质条件，都一样被使用。特别是检波器铁质尾锥的刚性材料使得它与松软的地表之间形成了一个强的波阻抗(密度与速度的乘积)界面。根据地震波的反射以及散射理论，这个强的波阻抗界面将使得反射地震波的能量受到衰减、频率受到损失。

如果真的生产出适合于工区地表地质条件的特殊耦合检波器，那么该检波器的作用将受到限制，成本也会急剧升高。因为检波器不可能只用来接收某一特定地区的地震信号，它不具有通用性，批量生产将会造成浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用特殊耦合检波器实现与地表最佳耦合匹配的方法。

它是针对工区地表介质纵横波速度以及密度参数，设计一个不同混凝土配比的圆柱形检波器底座以替代与地表耦合不佳的检波器尾锥，不同混凝土配比的选取将使得检波器底座的波阻抗介于地表波阻抗与检波器芯体波阻抗之间，同时为了增加高频信号分量的接收，圆柱形检波器底座的尺寸还要与表土介质的动力学特性相匹配，以减少散射能量损失，从而实现与地表介质的最佳耦合，将带有混凝土底座的地震检波器在同一个大线排列中与相邻道上的带有铁质尾锥的常规地震检波器按同样的埋置位置和同样的激发条件进行同时观测，以获得可对比的地震记录，将在同等条件下获得的带有混凝土底座的地震检波器记录作为带有铁质尾锥的常规地震检波器记录的期望输出，利用最小平方滤波器的原理，求出最佳耦合匹配滤波因子，继而对所有的常规耦合检波器所获得的地震记录进行匹配滤波，就获得了相当于所有检波器得到的都是最佳耦合接收的信号。

本发明使得最佳耦合匹配以后的地震数据无论是在叠前还是叠后都表现出能量和频率得到加强的预期效果，提高了地震信号的分辨率，为以后的高分辨数据处理奠定了基础，同时为根据工区特点进行最佳耦合接收提供了一个实施办法。

附图说明

图1是两种检波器与表土不同耦合模型的示意图，图中：(a)为常规普通耦合；(b)为特殊最佳耦合；

图2是两种耦合检波器装置的传递函数示意图，图中：(a)和(b)是常规耦合模型的传递函数复频特性曲线；(c)和(d)是相对于特殊耦合模型的曲线；

图3是所研制的特殊耦合检波器的全景照片；

图4是特殊耦合检波器(SWDS)的野外观测方式示意图；

图5是某地所得到的常规耦合与特殊耦合的单道对比记录，图中：中间为常规耦合检波器记录，两边分别为两种特性略有不同的特殊耦合检波器记录；

图6是某地区耦合匹配前后的对比结果，图中：上为原始常规炮记录；下为耦合匹配后的炮记录；

图7是某地区耦合匹配前后的数据频谱分析结果对比，图中：上为原始常规炮记录的频谱；下为耦合匹配后炮记录的频谱；

图8是某地区进行耦合匹配与未进行耦合匹配的叠加剖面对比(部分)，图中：左为未进行耦合匹配的叠加剖面；右为进行耦合匹配后的叠加处理剖面；

图9是某地区进行耦合匹配与未进行耦合匹配的叠加剖面对比(部分)，图中：上为未进行耦合匹配的叠加剖面；下为进行耦合匹配后的叠加处理剖面；

具体实施方式

最佳特殊耦合基本原理：

在常规地震数据采集中，起耦合作用的尾锥均是铁质材料制做，长5-7cm或12cm左右，尾锥上部直径大约为2cm，表面光滑。使用时必须垂直(沿Z方向)插入表土以接收反射的P波，构成了检波器—地表耦合系统的常规耦合方式如图1(a)。

图1(b)是特殊耦合模型示意图。M_D是单个或多个检波器芯体组合的总质量；M_C是全部或部分埋入表土中的耦合装置的质量。一般情况下，M_C＞M_D。此装置是一个不同混凝土配比的刚性质量体，在计算时M_C是不可忽略的。另外，应确保检波器芯体在装置顶面中心处实现与装置的刚性连接，装置的底面应与表土保持水平接触.也像其周围边界耦合带一样与土呈现良好的固结状态，防止滑动、闪缝脱耦。这种耦合称为特殊耦合方式。

当地表未安置检波器时，上行入射的平面波会按平面波反射(均匀的半空间介质)。如图1所示，入射到装置底部的波场能量会发生辐射和散射。散射的结果会减少地震能量对装置的有效输入；转换过程也会损失瞬间出现的地震能量。能量损失的主要原因是耦合系统与介质的性质不同，存在波阻抗差.然而要做到完全匹配是不可能的，也是不现实的。

假设图1(b)中示出的装置是轴对称的刚性体，激励装置的地震波是垂直入射的P波或SH波。在这种情况下，系统对它们的响应与平面运动相对应。该平面运动包括沿水平(x)轴和垂直(z)轴的直线运动以及绕y轴的旋转运动。图中U_gz为地表面自由场的运动分量。在只考虑垂直方向的位移场分量时，装置底部中心处的直线运动位移U_oz为

U_oz＝M_v·U_oze                                             (1)

式中M_v为装置的放大系数，U_oze表示对装置底部的有效输入运动分量，它与经历垂直入射到装置顶面检波器所在位置的响应U_sz相对应，(1)中U_oze可表示为

U_oze＝P_z·U_gz                                             (2)

其中P_z为散射系数。根据(1)和(2)，

U_oz＝M_v·U_oze＝M_v·P_z·U_gz                                (3)

所以，可得其垂直运动的传递函数U_ox/U_gz为

U_oz/U_gz＝M_v·P_z＝U_sz/U_gz                                  (4)

因此，一旦传递函数U_oz/U_gz被计算出来，检波器芯体所在位置的位移场响应特性U_sz/U_gz便可明确。这里重要的是M_v和P_z两个因素以及由它们乘积构成的响应特性。它们决定于表土的动力学性质(P波速度、S波速度、表层厚度H)，装置的物性(速度、密度和几何形状)。目的是使得检波器底座的波阻抗介于地表波阻抗与检波器芯体波阻抗之间，从而实现与地表介质的最佳耦合。检波器底座波阻抗的大小主要靠混凝土的不同配比来控制。同时为了增加高频信号分量的接收，检波器底座的几何形状与大小还要与表土介质的动力学特性相匹配，以减少散射能量损失。因为耦合接触面积太小会引起高频信号的散射，当然太大又会显得笨重。

图2(a)和(b)是模型图1(a)的传递函数复频特性曲线。图中幅频特性是一条非规则的谐振曲线，具有明显的非线性和低通滤波特点，其等效高截频点(0.707)低于60Hz，带宽严重地限制高频分量的接收。相频特性整体上呈非线性，特别是在20-60Hz内尤为明显。这两种曲线的形态表明，在20Hz以下比较好，在20Hz以上呈非线性，信号容易发生畸变、频带很窄、高频分量受到抑制，接收能力差，不可能有较高的保真度。

图2(c)和(d)是相对于图1(b)模型的曲线。它是取自松辽盆地某地的地表物性计算所得到的复频特性曲线。可以看出其幅频特性虽有低通滤波特点，但通频带上限可达270Hz左右，在150Hz以内波动很小，基本上是稳定的，在150Hz左右呈非线性范围很小.相频特性在小于80Hz以内几乎是零相位，非线性区很小，大约在120-250Hz有线性相移。在250Hz处相移为14度，折合时移近150μs，当取0.5ms采样时，此值不会影响精度。

总之，这种特殊耦合的传递函数，即响应特性，可以提高地震能量的有效性，扩展了接收地震波的频带宽度，增加了信号的保真度。

野外参数调查与观测方法设计：

野外工作通常要分两个阶段实施。分别在野外施工的初期和中期进行，因为一个SWDS的研制要在了解当地土壤介质参数的基础上进行，考虑到旅途因素，其制作工期要在十五天左右。然后才可进行第二阶段的野外观测。

第一阶段为野外参数调查，在施工初期要对欲施工的工区近地表条件有所了解，在不同的地表地质条件上，比如沙漠、平原或者沼泽地区分别进行近地表调查，如果是单一条件进行一次调查即可。调查的主要参数为该区近地表层的纵横波速度以及密度。

在获取上述参数的基础上，根据前面的最佳特殊耦合的原理制作一套SWDS，其中检波器芯体并没有做任何改动，只是将最佳耦合的混凝土圆柱体代替了检波器尾锥，螺旋状的侧壁是为了更好地与地表介质耦合。然后再次进入地震工区进行第二阶段的观测实验。图3为一个SWDS的全景照片。

第二阶段的实际观测时，是将野外地震排列的某一道(通常为一个近震源排列接收点)检波器组合换成一个SWDS接到大线上，然后将此检波器移动至其相邻的一个接收点的中心位置上，将螺旋形的底座安置在地表以下，周围用土壤介质压紧，检波器芯暴露在地表以上。具体观测方式如图4所示。

图5是某地进行实验时所得到的常规耦合检波器记录与特殊耦合检波器记录，其中中间为常规耦合检波器记录，两边分别为两种特性略有不同的特殊耦合检波器记录。明显可以看出，特殊耦合检波器的灵敏度和高频响应都得到了改善。

匹配滤波器设计基本原理：

在可比条件下，常规耦合检波器采集的单道地震数据的振幅为u_o(t)，SWDS采集的单道地震数据的振幅为u(t)，用一算子h(t)表示两套接收系统的差异，可以得出：

u₀(t)＝h(t)*u(t)                    (5)

则反算子p(t)即可以补偿常规检波器采集地震数据由于耦合原因而损失掉的高频成分和能量：

u(t)＝p(t)*u₀(t)                    (6)

求解方程(6)，可以采用最小平方法，将其转换成维纳方程：

Ap＝b                               (7)

方程(7)中的A是一矩阵，为U₀(t)的自相关函数；p＝(p(t₁)，P(t₂)，...，p(t_n))为补偿算子；b＝(b₁，b₂，...，b_n)，为u(t)，u₀(t)的互相关函数。

利用Levinson算法求解方程(7)，即可求出补偿算子p(t)。

应用时，将p(t)与每个炮集中的常规耦合地震道集u_i(t)进行褶积，即

y_i(t)＝p(t)*u_i(t)                   (8)

其中u_i(t)为第i道地震数据的振幅，将作用于p(t)常规耦合检波器采集地震数据，即可得到相当于特殊耦合检波器(SWDS)采集的地震多炮排列数据y_i(t)。

我们从下面的耦合补偿的单炮数据对比上可以看出差异所在。在此基础上，进行常规的地震数据处理，最终从叠加剖面上同样可以看出它使得剖面的分辨率得到了提高。实际上，p(t)是基于特殊耦合检波器与普通检波器的差异，匹配了由于检波器与地表介质耦合不佳而损失掉的地震能量信号，它扩展了地震波的频带，故把它称作耦合匹配滤波器。

匹配滤波结果对比：

图6是某地区的两张单炮记录，上图为原始记录，下图为耦合匹配之后的单炮记录，可以看出匹配之后的单炮记录中反射波的信号得到了增强。

图7是上面两个记录的其中的对应道的频谱分析结果对比，上图是未进行处理的结果，下图为耦合匹配之后的结果，可以看出，其高频端得到了加强。

图8是叠加后剖面的部分放大结果，以便使得处理前后的差异能够明显显示出来。其中左图是未做匹配的部分叠加剖面，而右图是做完匹配之后的相应部分叠加剖面。可以看出在剖面的中部耦合匹配之后的信噪比得以提高。

图9是另一个叠加剖面的对比结果，其中上图是未匹配，而下图是经过耦合匹配的剖面。可以看出下图在剖面右边的1.6秒处将一处干涉加以分开。