地震三维波速扫描聚焦成像方法

摘要

本发明涉及一种地震三维波速扫描聚焦成像方法，其步骤如下：利用覆盖观测方式采集地震反射波信号记录；根据地震反射波信号记录，提取共反射点信号记录；对成像计算剖面进行速度扫描，得到计算剖面的能量图；将不同速度扫描的剖面能量图进行叠加，应用三维图像技术进行聚焦成像。本发明对一定范围内的速度进行扫描成像，实现速度分层扫描，避免了扫描叠加后因直接取用最大值而丢掉许多有用信息，对任意地形条件下复杂变化波速剖面直接进行高精度成像；可广泛应用于水利、道路、桥梁、隧道和市政预测检测等方面，同时适用于油、气、煤和矿产勘探预测方面。

说明书

技术领域

本发明涉及工程物探的技术领域，具体涉及一种地震三维波速扫描聚焦成像方法。

背景技术

在地震反射资料的处理中，一般可以分为预处理、参数分析处理、常规处理和资料解释处理四个阶段。在资料解释处理过程中，地震成像是众多处理手段的最终阶段。现在普遍采用的有叠前时间偏移成像和叠前深度偏移成像以及基于射线理论的绕射扫描偏移成像。叠前时间偏移只能解决共反射点叠加问题，不能解决成像点与地下绕射点位置不重合的问题，因此叠前时间偏移主要应用于地下横向速度变化不太复杂的地区。已知精确速度模型的情况下，叠前深度偏移被认为是精确地获得复杂构造内部映像最有效的手段，但是在地下岩性变化巨大、构造非常复杂的地区，要建立高精度的速度模型其难度是相当大的。为了实现地震数据的成像，偏移处理需要已知从震源和检波点到地下位置的旅行时，而要确定旅行时就需要速度。但是在实际应用中，剖面成像叠加速度一般不是一个确定的值，其数值一般会在一定的范围内变化，在这样的情况下很难使用单一速度或者剖面速度变化表格来直接高精度成像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种地震三维波速扫描聚焦成像方法，基于绕射扫描偏移成像法的基本原理，对扫描剖面下的任意一剖面点用一定范围内的速度进行扫描，然后应用三维图像处理技术，对扫描剖面进行高精度叠加成像，解决因叠加速度变化导致无法进行高精度成像的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种地震三维波速扫描聚焦成像方法，其步骤如下：

（一）利用多次覆盖观测方式采集地震反射波信号记录；

（二）根据地震反射波信号记录，提取共反射点反射信号记录；

（三）应用速度扫描方式对计算剖面进行成像，得到多个计算剖面能量图；

（四）应用三维图像技术，将不同速度扫描得到的剖面能量图进行叠加成像。

所述多次覆盖观测方式采集地震反射波信号记录的方法的步骤为：

（1）沿着地震测线，利用多通道地震仪采集地震反射信号；

（2）根据精度要求和现场条件，确定观测方式；

（3）以第一次采集信号的位置为基准位置，之后每次采集都向前进方向平移一个步长的距离，得到地震反射信号的记录。

所述提取共反射点反射信号记录的步骤为：

（1）根据勘测范围要求确定成像计算剖面；

（2）确定计算任意地形条件下剖面内的剖面点；

（3）根据情况确定共反射点半径；

（4）在共反射点半径范围内提取共反射点信号。

所述得到计算剖面的能量图的步骤为：

（1）提取出每一个剖面点的共反射点信号记录；

（2）假定计算剖面的速度，对每一个剖面点进行速度扫描，得到该速度扫描的剖面能量图；

（3）对于不同的速度，依次求取其速度扫描的剖面能量图；

（4）应用计算机三维图像处理技术，对多个图像剖面进行叠加和分析处理，能过调节叠加剖面的透明度获得更为准确的成像结果。

所述观测方式包括一次覆盖观测方式和多次覆盖观测方式。

所述移动步长为检波器的道间距。

本发明的显著效果在于：

1．对任意地形条件下的复杂变化波速剖面直接进行高精度成像。

2．选择一定半径范围内的信号，提高了信号的信噪比。

3．用一定范围内的速度进行扫描成像，实现速度分层扫描，应用计算机三维图像技术进行聚焦分析（每层透明度可调），避免了扫描叠加后因直接取用最大值而丢掉许多有用的信息。

4.本发明适用于水利、道路、桥梁、隧道和市政预测检测等方面，同时适用于油、气、煤和矿产勘探预测方面，同时适用于地质雷达成像。

附图说明

图1为多次覆盖观测方式工作流程示意图。

图2为多次覆盖观测方式采集反射信号的示意图。

图3为确定计算剖面点示意图。

图4为共反射点半径确定示意图。

图5为共反射点信号记录提取的示意图。

图6为共反射点信号记录。

图7为剖面点速度扫描轨迹示意图。

图8为剖面点不同速度扫描对应平均幅值示意图。

图9为地震三维扫描聚焦成像法实例示意图。

图10为剖面叠加聚焦成像示意图（每层透明度可调）。

图11为岩溶探测的三维成像图。

图12为地质雷达剖面三维成像图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例来具体说明一下本发明。

一种地震三维波速扫描聚焦成像方法，其步骤如下：

（一）利用观测方式采集地震反射波信号记录。

（1）沿着地震测线，利用多通道地震仪采集地震反射信号；

（2）根据精度要求和现场条件，确定观测方式；

（3）以第一次采集信号的位置为基准位置，之后每次采集都向前进方向平移一个步长的距离，得到地震反射信号的记录。

观测方式包括一次覆盖观测方式和多次覆盖观测方式，观测方式的选择根据现场观测条件和信号采集的精度确定。可采用标准的多次覆盖观测方式，也可采用任意排列观测方式。

多次覆盖观测方式具体的采集过程如图1所示，经多通道地震仪采集后保存信号记录，然后向前进方向平移一个步长，再次使用多通道地震仪采集信号，如此循环，直至达到需要采集反射信号的距离，即剖面的长度。多次覆盖观测方式采集反射信号的示意图如图2所示，以第一次地震信号采集位置为基准位置，沿着地震测线共进行多次反射波信号采集，每次采集时，锤击点和检波器之间的相对位置不变，同时相对前一次反射波信号采集位置沿着移动方向平移一个步长的距离。为方便对信号的采集，一般情况下，可取移动步长为检波器的道间距，即检波器之间的距离。

（二）根据地震反射波信号记录，提取共反射点信号记录。

（1）根据勘测范围要求确定成像计算剖面。

计算剖面为沿着某段地震测线竖直向下至某一深度的一个平面。对计算剖面的成像可以显示该位置地表至地下某一深度范围内的地质情况。例如：地震测线为直线，起点位置为0米，终点位置为100米，若根据要求，只需对中间50米～80米地表下面地质状况进行成像，则计算剖面即为50米～80米的位置，如果需要对全长100米范围内地表下地质情况进行成像，则计算剖面为0米～100米，以此类推其它情况。

（2）确定计算剖面内的剖面点。

根据实际情况确定计算剖面内需要计算的点位，可沿剖面测线方向和深度方向剖分成网格（单元），网格中每一个交叉点即为一个剖面点，如图3所示。网格划分的越密集，计算量越大，消耗的资源越多。图3中为某一剖面点的位置，剖面点的坐标即平面位置x_i和对应的深度h₀可以由剖分的网格确定，图中的反射信号为该剖面点的共反射点信号之一，此共反射点信号对应的锤击点位置为x₀，检波器接收点的位置为x₁，根据上述参数h₀、x₀和x₁，由勾股定理和反射原理，可以得到入射线和反射线路径长度为                                                ，由此得到共反射点信号传播路径长度为。

（3）确定共反射点半径。

共反射点即为上面所确定的剖面点。对于任意剖面点，已知锤击点的位置和各检波器的位置，根据反射原理，可以从全部信号中提取出该点所对应的共反射点信号。由于在实际操作中，对于某些剖面点不能找出精确对应的信号记录，故将该反射点周围一定范围内的反射点对应的信号记录也记为该剖面点的信号记录，所选取的范围为共反射点半径。共反射点半径的确定如图4所示。在第p次采集的反射信号中可以精确地提取出剖面点a和剖面点b对应的共反射信号。剖面点a对应于2号检波器的信号记录，剖面点b对应于m号检波器的信号记录。为避免提取不出共反射点信号，假设反射点落在剖面点a和b一定区域内（即图中黑色线所示范围）的反射信号同样记为剖面点的共反射点信号，即3号检波器对应的信号记录为剖面点a的共反射点信号，m-1号检波器对应的信号记录为剖面点b的共反射点信号，取图中黑色横线区域所示范围的一半定为共反射点的半径。共反射点半径的设置可有效克服地形变化较大或者观测方式任意排列时所产生的影响，但共反射点半径取值越大，提取出的共反射点信号记录越多，与真实情况误差越大，因此，共反射点半径的确定需要根据实际情况综合考虑选取。

（4）在共反射点半径范围内提取共反射点信号。

由于反射信号经过多次采集得到，每次采集到的信号均可以提取出某一剖面点的共反射点信号，因此对于每一个剖面点可以提取出一系列信号记录，该系列信号记录的提取称为共反射点信号的提取。对于水平界面而言，在共反射点半径范围内提取共反射点信号记录的示意如图5所示。图5中反射界面上的点为计算剖面内某一固定的剖面点，在图中所示6次反射信号采集中，在共反射点半径范围内，每次采集的信号记录中提取出了1个共反射点信号，共6个共反射点信号，分别为S₁R₁，S₂R₂，S₃R₃，S₄R₄，S₅R₅和S₆R₆，这6个共反射点信号组成某一剖面点的共反射点信号记录，如图6所示。

（三）应用速度扫描方式对计算剖面进行成像，得到多个计算剖面的能量图。

（1）提取出每一个剖面点的共反射点信号记录。

（2）假定计算剖面的速度，对每一个剖面点进行速度扫描，得到该速度扫描的剖面能量图。

对于某一剖面点的共反射点信号记录，已知锤击点、检波器接收点和共反射点的位置，可以确定每一条共反射信号所走的路程L_i，其波速为V₀。图6中的反射信号对应于图5中某一剖面点的共反射点信号记录，6条反射信号锤击点和检波器接收点对应的坐标分别为（c_i，d_i）(i=1,2,3,…,6)，某一剖面点的深度为h，则每条反射路径的长度为。

由公式t=L/V，得到每一条反射路径的走时，由时间t可以找到每条反射路径对应的信号记录上相应点的幅值，对其幅值求平均值代表每一个剖面点的能量值。通过对每一个剖面点进行速度扫描，可以得到一张以速度为V扫描的剖面能量图。

（3）对于不同的速度，依次求取其速度扫描的剖面能量图。

对于某一固定剖面点，它的共反射点信号记录可提取出来，假定不同的速度，可以得到与每个速度相对应的平均幅值，如图7所示。由波速扫描可知，如果所选取的速度V_0i与剖面点的真实速度值接近，则剖面点相应的平均幅值较大；若选取的速度V_0i与剖面点的真实速度值相差较大，则剖面点相应的平均幅值较小。图7中速度V₀、V₀₁和V₀₂的平均幅值如图8所示，与剖面点的真实速度值相接近的速度V₀的平均幅值最大。

（四）应用三维图像技术，将不同速度扫描得到的剖面能量图进行叠加成像。

应用计算机三维图像处理技术，对多个图像剖面即切片进行叠加和分析处理，通过调节叠加剖面的透明度或聚焦获得更为准确的成像结果。透明度和聚焦是图像显示里面的参数。如果几个剖面都是不透明的，则上面的图像会把下面的图像遮盖，因此提出让每个剖面都有一定的透明度，这样透过上面的图像可以看清楚下面的图像。同时，也可以通过聚焦调速剖面图片的透明度，可以使图片中某些特征更清晰的显示出来

将前面所求取的剖面能量图进行叠加。能量图的叠加即为把剖面点在所有剖面中计算得到的平均幅值进行相加，相加后的能量图可以反应地表下面表质情况。

由图9可知，地面下三个灰色区域代表空洞等地质情况，由于地表下面地层速度是不均匀的，假定图中三个灰色区域处的反射波波速是不相同的，这样与实际情况相符。

将多个以不同速度扫描得到的剖面能量图进行叠加，由不同的波速V₁、V₂和V₃进行速度扫描所得到的剖面图及其叠加的三维扫描图像如图10所示。由图10可知，在以速度V₁进行扫描时，可以清楚的反应出左侧空洞的存在，而反应不出中间和右侧空洞的存在；同理以速度V₂进行扫描时可以反应出中间空洞的存在；同理以速度V₃进行扫描时可以反应出右侧空洞的存在。由于以速度V₁、V₂和V₃进行扫描时分别只能显示出左侧、中间和右侧空洞存在，应用三维图像处理技术，通过调节叠加剖面的透明度，则进行叠加后可以清楚的显示出三个空洞的存在。因此，叠加后的能量图可以更好的反应真实的地质情况。

具体实施例

“兰渝铁路”某隧道地质调查资料显示，隧道轴线处有岩溶等不良地质情况存在，采用其它探测方法无法确定其具体位置。在隧道施工完成后，在隧道内底板沿轴线进行地震成像。

利用本发明对隧道内岩溶异常探查区域地震记录信号进行三维波速扫描聚焦成像，探测结果如图11所示。由图11可知：

1.成像图中岩溶异常区域较明显并且与实际验证结果吻合。

2.对地下地质条件较为复杂的区域，速度纵向与横向变化较大，采用三维扫聚焦成像法，可以较好地反映地下异常区域的实际情况。

3.异常区域清晰直观，便于解释。

利用本发明对钢筋混凝土梁的地质雷达信号进行三维波速扫描聚焦成像，分析混凝土梁的内部钢筋所在的位置和数量，探测结果如图12所示。由图12可知：

1.成像图中钢筋所在的位置及其数量清晰明显，并且与实际验证结果吻合；

2.地震三维波速扫描聚集成像法在地质雷达中具有良好的应用效果。

因此，本发明可以对隧道内岩溶异常探查区域地震记录信号和钢筋混凝土梁的地质雷达信号等复杂变化波速剖面直接进行高精度成像进行处理，且成像质量较高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。