基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法

摘要

本发明提供一种基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法，该方法包括:步骤1，采用两种扫描长度信号进行线性扫描；步骤2，对这两种线性扫描后的单炮频谱资料进行分析，找到通过延长扫描长度提高能量有效频率和提高能量无效频率的分界点；步骤3，根据该分界点，对常规生产用的线性扫描信号的频谱进行优化；以及步骤4，当优化后的频谱曲线符合线性扫描信号单炮的频谱包络线特征时，根据该优化后的频谱曲线计算出时频曲线，根据该时频曲线计算得到时间域非线性扫描信号的波形。该基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法降低常规线性扫描信号设计上的不足，最大程度的提高地震波的有效能量。

说明书

技术领域

本发明涉及可控震源地震采集技术，特别是涉及到一种基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法。

背景技术

目前可控震源地震勘探采集技术是陆上地震勘探采集技术发展的趋势，由于可控震源较炸药震源存在频率能量可控、安全环保、成本低、施工效率高等诸多优点，所以越来越受到各大石油地球物理石油公司的追捧。扫描信号是影响可控震源地震采集单炮质量的重要影响因素，不同的扫描信号将收获不同质量的地震采集质量。

常规地震采集中采用的都是线性扫描信号，该信号的频谱是比较理想的频谱特征，频带很宽，频谱曲线表现为线性，各个频率成分能量都是相同的，然而实际地质模型对不同频率成分的吸收衰减程度是不同的，高频部分吸收衰减较大，中低频部分相对吸收衰减较小，这就使得理论设计的线性扫描信号频谱在实际中是得不到的，尤其是在低信噪比地区，即使在理论设计中对高频部分提高数倍，仍然由于强烈的吸收衰减，使得高频部分能量的提高微乎其微，造成了设计上的浪费，这就需要根据实际地质模型对频率的吸收衰减程度进行重新设计。为此我们发明了一种新的基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种最大程度的提高地震波的有效能量的基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法，该基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法包括：步骤1，采用两种扫描长度信号进行线性扫描；步骤2，对这两种线性扫描后的单炮频谱资料进行分析，找到通过延长扫描长度提高能量有效频率和提高能量无效频率的分界点；步骤3，根据该分界点，对常规生产用的线性扫描信号的频谱进行优化；以及步骤4，当优化后的频谱曲线符合线性扫描信号单炮的频谱包络线特征时，根据该优化后的频谱曲线计算出时频曲线，根据该时频曲线计算得到时间域非线性扫描信号的波形。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，进行线性扫描的两种扫描长度信号为一个较短扫描长度，另一个较长扫描长度，该两种扫描长度信号的长度采用相同的起始频率和终止频率，采用相同的斜坡和出力，扫描长度有一定的差距。

在步骤2中，通过对比分析获取哪些频率在实际工区中穿透地层能力强，哪些频率穿透地层能力弱；确定出哪些频率通过延长扫描长度能量提升明显，也就是确定出有效频带范围，哪些频率通过延长扫描长度能量提升不太明显或根本就没变化,找到通过延长扫描长度提高能量有效频率和提高能量无效频率的该分界点。

在步骤2中，将扫描长度长的单炮频谱和扫描长度短的单炮频谱进行叠合显示，以识别出哪些频率能量存在差异，从而确定出有效频带范围。

在步骤3中，该常规生产用的线性扫描信号是在常规生产前通过系统试验确定出的线性扫描信号，以该分界点作为在频谱上修改的分界线，高于该分界点的频率成分适当降低能量，低于该分界点的频率成分适当提高能量，提高和降低的能量大致相当,即扫描信号的扫描长度保持不变，提高和降低能量的大小由频谱曲线特征决定。

在步骤4中，该频谱包络线为该常规生产用的线性扫描信号单炮的频谱包络线，包络线特征是曲线光滑，并且优势频带突出，高频部分能量略低。

在步骤4中，当优化后的频谱曲线不符合线性扫描信号单炮的频谱包络线特征时，流程返回到步骤3。

在步骤4中，在计算时频曲线时，根据线性扫描信号频谱能量在频率[f1,f2]范围内的分布函数为S(f),扫描信号的的总能量为扫描长度T，而频谱上能量密度与对应的扫描时间密度a的关系为：

$>a=\frac{1}{T}{\int }_{f1}^{f2}S\left(f\right)\mathrm{df}$>

由此可得到扫描信号时间-频率分布函数$>\left(\begin{array}{c}t=a·S\left(f\right)\\ =\frac{1}{T}{\int }_{f1}^{f2}S\left(f\right)\mathrm{df}·S\left(f\right)\end{array}\right)$>

其中，f1是起始频率，f2是终止频率，t表示频率在时间上的分布，其值表示对应的瞬时频率f的能量S(f)分配的扫描时间。

该基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法还包括，在步骤4之后，将该时间域非线性扫描信号和该常规生产使用的线性扫描信号在同一地点进行野外试验，对比这两种单炮的分频扫描、频谱，通过对比分析判断单炮整体信噪比提升是否明显，该时间域非线性扫描信号高频部分资料是否损失较大，当达不到提高信噪比要求，或高频损失比较明显时，流程返回到步骤3。

在对这两种单炮进行对比分析时，当信噪比的提高达到要求并且非线性扫描单炮中的高频部分资料损失不大时，输出该时间域非线性扫描信号

本发明中的基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法，该方法适合于低信噪比地区提高地震资料的信噪比，首先需要获得该地区哪些频率通过延长扫描长度后，其频率能量能够明显得到提高，即哪些频率是优势频率，哪些频率即使延长扫描长度后，其频率能量仍然提升不明显，通过对比两种不同扫描长度的线性扫描单炮的频谱，获得哪些频率是优势频率，然后对常规生产用的线性扫描信号的频谱进行优化，保持信号扫描长度不变，适当降低高频部分能量，补偿到优势频带部分，优化后的频谱曲线要求光滑，并且其特征符合常规线性扫描信号单炮的频谱包络线特征，将设计好的频谱计算出对应的时频曲线，再将时频曲线计算出对应的时间域扫描信号波形。

该方法还可利用实际采集到的线性扫描信号单炮的频谱包络线作为非线性扫描信号的频谱，该频谱考虑了不同频率成分在地层中的吸收衰减特征，通过该频谱设计出非线性扫描信号。该方法充分考虑了实际地质模型对各种频率成分的吸收衰减程度的不同，针对性的进行非线性扫描信号的设计，降低常规线性扫描信号设计上的不足，最大程度的提高地震波的有效能量。

附图说明

图1为本发明的基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中两种不同扫描长度(6S和30S)的线性扫描信号单炮的频谱对比图；

图3为本发明的一具体实施例中线性扫描信号单炮频谱包络线的示意图，选用的是系统试验确定的生产所用的线性扫描信号单炮，对整个单炮进行的频谱分析，并根据频谱中能量的分布面积绘制的包络线；

图4为本发明的一具体实施例中理论线性扫描信号频谱的改造的示意图，将线性扫描信号单炮频谱中A部分能量补充到B部分，并且使改造后的频谱曲线光滑，曲线特征符合图3中所示的频谱包络线特征；

图5为本发明的一具体实施例中非线性扫描信号时频曲线和非线性扫描信号的示意图，左图为时频曲线，可以看出优势频带部分所用时间较长，即能量相对较高，右图为该扫描信号波形图；

图6为本方法信号单炮与常规线性扫描信号单炮效果对比固定增益的示意图，左图为本方法信号单炮，右图为常规线性扫描信号单炮，可以看出本方法信号单炮目的层同相轴更加清晰，信噪比更高；

图7为本方法信号单炮与常规线性扫描信号单炮效果对比(agc)的示意图，左图为本方法信号单炮，右图为常规线性扫描信号单炮，可以看出本方法信号单炮目的层同相轴更加清晰，信噪比更高；

图8为本方法信号单炮与常规线性扫描信号单炮效果对比(30-60Hz)的示意图，左图为本方法信号单炮，右图为常规线性扫描信号单炮，可以看出本方法信号单炮目的层同相轴更加清晰，信噪比更高；

图9为本方法信号单炮与常规线性扫描信号单炮频谱对比的示意图，左图为本方法信号单炮频谱，右图为常规线性扫描信号单炮频谱，可以看出本方法信号单炮频谱中优势频带能量显著的得到提高(图中蓝线以上面积)，频带宽度拓宽(-24dB)5Hz；

图10为本方法信号剖面与常规线性扫描信号剖面效果对比的示意图,上图为本方法信号剖面，下图为常规线性扫描信号剖面，可以看出本方法信号剖面中信噪比更高，目的层成像更加清晰，反射信息更加丰富，对于指导油气勘探是非常有利的。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的基于实际资料频谱特征的非线性扫描信号设计方法的流程图。

在步骤101，采用两种扫描长度信号进行线性扫描。在一实施例中，一个较短扫描长度，另一个较长扫描长度。所述的设计的不同扫描长度的线性扫描信号，这两种扫描信号的长度要求采用相同的起始频率和终止频率，采用相同的斜坡和出力，两种信号仅仅是在扫描长度的不同，而这两种信号的扫描长度要求有一定的差距，例如6S和30S，这样有利于对比分析哪些频率成分能够更好的穿透地层，获得比较高的反射能量，哪些频率成分穿透地层的能力较弱，衰减较多。流程进入到步骤102。

在步骤102，对这两种线性扫描后的单炮频谱资料进行分析(如图2所示)，目的是通过对比分析获取哪些频率在实际工区中穿透地层能力强，哪些频率穿透地层能力弱；确定出哪些频率通过延长扫描长度能量提升明显，也就是确定出有效频带范围，哪些频率通过延长扫描长度能量提升不太明显或根本就没变化,找到通过延长扫描长度提高能量有效频率和提高能量无效频率的分界点。在采集完成后对比这两种单炮频谱特征，从对比中找到哪些频率成分能量通过延长扫描长度能够有效得到提高，一般情况下是该资料的主频部分，该部分频率作为“提高能量有效频率”，哪些频率成分能量通过延长扫描长度仍然得不到提高，一般情况下是高频部分，该部分频率作为“提高能量无效频率”，并找到这两种“提高能量有效频率”和“提高能量无效频率”的分界点，该例中10-50Hz为“提高能量有效频率”。

所述的对比分析两种扫描信号单炮的频谱，将扫描长度长的单炮频谱和扫描长度短的单炮频谱进行叠合显示，可以更加清楚的看出哪些频率能量存在差异，从而确定出能量差异大的频带范围，一般为该地区地震资料的优势频带。流程进入到步骤103。

在步骤103，根据该分界点，以常规生产使用的线性扫描信号作为基础，该线性扫描信号是通过系统试验后确定的用于生产使用的线性扫描信号，对该信号的频谱进行优化。如图4所示，以前面分析的频谱分界点作为在频谱上修改的分界线，高于分界点的频率成分适当降低能量(图4频谱中A部分)，低于分界点的频率成分适当提高能量(图4频谱中B部分)，提高和降低的能量应该大致相当,即扫描信号的扫描长度保持不变，提高和降低能量的大小由频谱曲线特征决定。

所述的常规生产用的线性扫描信号是在常规生产前通过系统试验确定出的线性扫描信号，在频谱优化过程中，适当的降低高频部分，并不是降低的太多，必须确保高频部分即使降低后，实际单炮的高频部分影响不大，这就需要通过步骤106进一步试验确定。降低的高频部分能量要补偿到优势频带部分，以加强优势频带的能量，并且要求优化后的频谱曲线保持光滑。流程进入到步骤104。

在步骤104，判断经过修改后的频谱曲线和实际线性扫描单炮的频谱包络线特征是否相似,相似的判断标准为优化后的频谱曲线特征要求尽量符合线性扫描信号单炮的频谱包络线特征(图3)，频谱曲线必须光滑。所述的频谱包络线是步骤103中常规生产用的线性扫描信号单炮的频谱包络线，包络线特征是曲线光滑，并且优势频带突出，高频部分能量略低。当不相似时，流程返回到步骤103。当相似时，流程进入到步骤105。

在步骤105，将该优化后得到的频谱曲线计算出对应的时频曲线，方法是：根据扫描信号频谱能量在频率[f1,f2](f1是起始频率，f2是终止频率)范围内的分布函数为S(f),扫描信号的的总能量就是扫描长度T，而频谱上能量密度与对应的扫描时间密度a的关系为：

$>a=\frac{1}{T}{\int }_{f1}^{f2}S\left(f\right)\mathrm{df}$>

由此可得到扫描信号时间-频率分布函数$>\left(\begin{array}{c}t=a·S\left(f\right)\\ =\frac{1}{T}{\int }_{f1}^{f2}S\left(f\right)\mathrm{df}·S\left(f\right)\end{array}\right)$>

t表示频率在时间上的分布，其值表示对应的瞬时频率f的能量S(f)分配的扫描时间。按照该公式，计算得到该设计信号的时频曲线(图5中左图)。根据得到的时频曲线就可以计算得到时间域非线性扫描信号的波形(图5中右图)，输出波形的txt格式，载入可控震源控制箱体进行试验。流程进入到步骤106。

在步骤106，将该非线性扫描信号和常规生产使用的线性扫描信号在同一地点进行野外试验。对这两种单炮进行对比分析，该非线性扫描信号能否有效的提高地震资料的信号比，拓宽频带宽度，判断非线性扫描单炮中的高频部分是否损失较大。在一实施例中，对比这两种单炮的分频扫描、频谱(图6--图9)，通过对比分析优势频带能量是否得到有效提高，高频部分是否损失较大，单炮整体信噪比提升是否明显，如果信噪比达不到要求或者高频部分资料损失明显需要返回步骤103重新优化频谱，直到获得满意的资料。如果信噪比的提高达到要求并且非线性扫描单炮中的高频部分资料损失不大，流程进入到步骤107。

在步骤107，输出最终的非线性扫描信号。流程结束。