0 引言

随着宽频地震勘探技术的规模化应用，地震资料品质和勘探精度均得到大幅提升。可控震源宽频激发是宽频地震勘探的核心，要实现宽频激发，关键是降低可控震源扫描的最低频率^[1-2]。在可控震源地震勘探生产中，有两类实现宽频激发的方法：一是使用高精度宽频可控震源^[3-4]，采用线性低频扫描信号进行激发；二是使用常规可控震源，采用专门设计的非线性低频扫描信号(用户自定义扫描信号)进行激发。

目前在国际地震勘探采集项目中，常规可控震源的应用占据主导地位，并且油公司有强烈的低频激发需求，因此，常规可控震源非线性扫描低频激发技术应用前景广阔，但为保证低频成分的能量需要较长的低频段扫描时间。当所设计的扫描信号扫描长度不够时，信号总能量将会减少，资料信噪比降低，不利于地震资料成像。如果延长扫描信号的扫描长度，虽然能实现宽频激发的效果，但由于非线性低频扫描信号的时间过长，使生产效率较低，导致采集成本的增加。

为了提高生产效率和降低成本，可控震源高效采集技术^[5-7]持续受到业界的青睐。近二十多年，可控震源高效采集技术的发展经历了几个重要阶段。2002年，可控震源交替扫描技术开始应用，震源组间无距离(D)限制，激发时间间隔(T)不小于听时间与扫描时间之和，12 h施工平均日效可达400炮左右，且单炮记录品质高，无混叠噪声；2003年，可控震源滑动扫描技术开始规模应用，震源组间也无距离限制，激发时间间隔大于听时间但小于听时间与扫描时间之和，12 h施工平均日效可达2500炮左右，但地震数据存在谐波干扰^[8-13]；2009年，距离分离同步扫描(DSSS)技术和距离分离同步滑动扫描(DSSSS)技术开始陆续出现，并迅速整合优化为动态滑动扫描(DSS)技术，且首次出现了可控震源高效采集的时间—距离(T-D)规则，24 h施工平均日效突破万炮，地震资料中不仅存在谐波干扰，还存在严重的邻炮干扰，但是常规的处理方法仍能压制相关噪声；2012年，在伊拉克鲁迈拉三维地震采集项目，业内首次应用了节点独立同步激发(ISSN)技术，震源组间保持2 km的距离间隔，但不受时间间隔约束，12 h施工平均日效在5300炮左右；2017年在阿曼PDO三维地震采集项目，业内首次应用了超高效混叠采集(UHP)技术，遵循更宽松的T-D规则，24 h施工平均日效突破30000炮，最高生产日效为54947炮，是目前最高效的有T-D规则制约的可控震源采集技术，但混叠噪声更严重，需要采用专门的去混叠噪声技术^[14-19]进行数据分离。

从可控震源高效采集技术的发展历程可见，该技术的应用不断地提升采集效率，有效地降低了勘探成本。当前常用的可控震源高效采集均由通过压缩可控震源激发的时—空距离实现，即遵循T-D规则，且T-D约束越小，采集效率越高，但混叠噪声越严重。

为了解决常规可控震源非线性扫描低频激发时间长、效率低以及当前可控震源高效采集中效率越高、混叠噪声越大的问题，本文提出了一种可控震源混频同步激发的方法，其核心思想是将原来的可控震源时序单频依次扫描变革为多频同步激发，即将原始长扫描信号切分成N个短扫描信号，并分发给N台可控震源进行同步激发。这样，野外作业就由单台震源扫描T秒的方式变为一组N台震源同时扫描T/N秒的方式，可以大幅提高可控震源施工效率，并大幅降低采集混叠噪声。

1 可控震源分频扫描信号设计 1.1 基础扫描信号设计

根据工区地震勘探目标要求以及已有地震资料分析结果，确定可控震源扫描频率范围、扫描长度以及驱动幅度等扫描参数，设计满足要求的可控震源扫描信号，并进行野外测试。最终确定的扫描信号作为分频扫描信号设计的基础扫描信号S(t)(t为扫描时间)。设计的基础扫描信号可分为两类：一类是线性扫描信号；另一类是用户自定义扫描信号。线性扫描信号扫描频率随时间线性变化，常用于常规勘探和高精度宽频震源低频勘探，信号如图 1a所示；用户自定义扫描信号一般为用户根据勘探目标和震源性能设计的一种扫描频率随时间呈非线性变化的扫描信号，在低频段驱动幅度逐渐增大直至满幅，多用于常规可控震源低频勘探，信号如图 1b所示。

1.2 分频扫描信号拆分段数确定

根据地震勘探项目配备的可控震源数量以及期望的施工效率，对基础扫描信号进行拆分，把基础扫描信号拆分成N个分频扫描信号，并将其分发给由N台可控震源组成的一组震源。

拆分信号的个数N受基础扫描信号长度和勘探项目所用可控震源总台数的制约。N越大则分频扫描信号的长度越短，施工效率越高。但是一个勘探项目中投入的可控震源总数是有限的，如果N越大，每组需要的可控震源数量就越多，这将导致震源分组数量越少，施工效率不一定能够有效地提高。所以，需要在震源的投入量和施工效率之间寻求一个平衡点以确定N。

1.3 分频扫描信号扫描长度及起止斜坡设计 1.3.1 分频扫描信号扫描长度

把基础扫描信号拆分成N个分频扫描信号，每个分频扫描信号的长度相同。给定第一个分频扫描信号的终止斜坡长度$ {T}_{\mathrm{e}\mathrm{t}1} $以及两个分频扫描信号之间重叠部分的时间长度$ {T}_{\mathrm{o}\mathrm{p}} $，比如600、400 ms等，则分频扫描信号扫描长度T_S的计算公式为

$ {T}_{\mathrm{S}}={T}_{\mathrm{E}}+{T}_{\mathrm{s}0}+{T}_{\mathrm{e}\mathrm{t}1}+0.5{T}_{\mathrm{o}\mathrm{p}} $

(1)

其中

$ {T}_{\mathrm{E}}=\frac{{T}_{\mathrm{B}}-{T}_{\mathrm{s}0}-{T}_{\mathrm{e}0}}{N} $

(2)

式中：$ {T}_{\mathrm{B}} $为基础扫描信号的扫描长度；$ {T}_{\mathrm{E}} $为基础扫描信号满幅长度N等分的时间长度；$ {T}_{\mathrm{s}0} $是基础扫描信号的起始斜坡长度；$ {T}_{\mathrm{e}0} $是基础扫描信号的终止斜坡长度。

1.3.2 分频信号的起始斜坡

第一段分频信号的起始斜坡长度继承基础扫描信号的起始斜坡长度，中间第i（i=2，3，…，N-1）个分频信号的起始斜坡长度$ {T}_{\mathrm{s}\mathrm{t}i} $为给定值，最后一段分频信号的起始斜坡长度$ {T}_{\mathrm{s}\mathrm{t}N} $为

$ {T}_{\mathrm{s}\mathrm{t}N}={T}_{\mathrm{S}}-{T}_{\mathrm{e}0}-{T}_{\mathrm{E}}-0.5{T}_{\mathrm{o}\mathrm{p}} $

(3)

1.3.3 分频信号的终止斜坡

$ {T}_{\mathrm{e}\mathrm{t}1} $为给定值；最后一段分频信号的终止斜坡长度继承基础扫描信号的终止斜坡长度；中间第i个分频信号的终止斜坡长度$ {T}_{\mathrm{e}\mathrm{t}i} $为

$ {T}_{\mathrm{e}\mathrm{t}i}={T}_{\mathrm{S}}-{T}_{\mathrm{s}\mathrm{t}i}-{T}_{\mathrm{E}}-0.5{T}_{\mathrm{o}\mathrm{p}} $

(4)

图 2为将基础扫描信号拆分成三个分频扫描信号及其各段的设计长度示意图。

1.4 生成分频扫描信号

首先将S(t)切割成N段拆分信号$ {H}_{i} $, 每段长度均为T_S，再对$ {H}_{i} $进行斜坡处理，最终得到N个分频扫描信号$ {S}_{i}\left(t\right) $

$ {S}_{i}\left(t\right)={H}_{i}\times {f}_{i} $

(5)

式中$ {f}_{i} $是为第i个拆分信号设计的滤波函数(带通滤波器)。

第一段拆分信号的起始斜坡继承了基础信号的起始斜坡，故第一段拆分信号只设计终止斜坡，即$ {f}_{1} $是低通滤波器；最后一段拆分信号的终止斜坡继承了基础信号的终止斜坡，故最后一段信号只设计起始斜坡，即$ {f}_{N} $是高通滤波器；中间段的拆分信号两端都需要进行斜坡处理。

$ {f}_{i} $用到的时窗函数可以是Hamming时窗、Hanning时窗和Blackman时窗，也可以是其他窗函数。其中，$ {f}_{i} $的时间长度均为T_S，第一段分频信号采用低通滤波器，其高截斜坡长度为$ {T}_{\mathrm{e}\mathrm{t}1} $；第二段至第N-1段采用带通滤波器，其低切斜坡长度为$ {T}_{\mathrm{s}\mathrm{t}i} $，高截斜坡长度为$ {T}_{\mathrm{e}\mathrm{t}i} $；第N段采用高通滤波器，其低切斜坡长度为$ {T}_{\mathrm{s}\mathrm{t}N} $。

图 3和图 4展示的分别是根据上述过程将图 1b中扫描长度为30 s的基础扫描信号拆分成扫描长度为10.5 s的三个分频扫描信号而设计的三个频段滤波器，以及拆分出来的三个分频扫描信号及其振幅谱和相关子波。

2 混频组合同步激发

将上述设计的N个分频扫描信号分别分配给一组N台可控震源，即一组中每台可控震源都装载一个分频扫描信号，且互不重复，并将这N台可控震源编为第一组(G1)，再将同样的N个分频扫描信号分配给第二组N台可控震源，记为(G2)，依次类推。根据合理的生产组织，可设置m($ m\ge 2 $)组可控震源同时参与施工。

震源组野外施工时，按下列方式进行激发：

(1) 同一分频扫描震源组内的N台可控震源在同一物理点位置同步激发；

(2) 不同分频扫描震源组间的最小激发时间间隔为t_min，即第一组震源开始扫描t_min后，第二组震源可以开始扫描，第m-1组震源开始扫描t_min后，第m组震源可以开始扫描，依次类推。

为了尽可能地降低混叠噪声对地震数据的影响以及避免复杂的去混叠处理，通常的办法是避开相邻炮强能量干扰，这就需要相邻震次激发有一定的时间间隔t_min和距离间隔$ d $。对于混频组合同步激发来说，主要需要避开两种强干扰，一是邻炮强能量干扰，二是邻炮强谐波干扰。为避开邻炮强能量干扰，t_min要大于地震记录听时间长度；为避开邻炮强谐波干扰，主要考虑相同频段的分频扫描信号的谐波干扰，t_min的选择要确保下一炮强能量阶次谐波不能影响到本炮的基波。

根据实际生产需求和勘探目标，也可以自定义时间空间函数t_min=f(d)，即震源组激发t_min与d的关系函数。任意两组可控震源开始扫描的时间间隔与空间距离要求遵循该函数的约束。

每个分频扫描信号的长度均为T_S，采集记录时间长度为T_L。当震源同步激发后，得到长度为T_S+T_L的未相关地震数据$ A\left(t\right) $。

采用下列公式求取合成参考信号

$ B\left(t\right)={S}_{1}\left(t\right)+{S}_{2}\left(t\right)+\cdots +{S}_{N}\left(t\right) $

(6)

式中$ {S}_{1}\left(t\right) $、$ {S}_{2}\left(t\right) $、…、$ {S}_{N}\left(t\right) $为分频扫描信号。

图 5a为基础扫描信号及其自相关子波和自相关子波的振幅谱；图 5b为使用图 4中的3个分频扫描信号求取的合成参考信号及其自相关子波和自相关子波的振幅谱。两者子波相比，子波形态及频谱基本一致。

把$ A\left(t\right) $与$ B\left(t\right) $进行相关处理，得到长度为T_L的单炮数据。也可以把$ B\left(t\right) $加载到地震仪器上，在野外生产中直接得到相关前、后的地震记录。

混频组合同步激发可显著提升采集效率。常规可控震源采用30 s的低频扫描信号进行激发，若采用混频组合同步激发模式，就会将该信号拆分成3个10 s的分频扫描信号，由3台常规可控震源在同一物理点进行组合同步激发。相较于常规激发而言，混频组合同步激发的扫描时间缩短至原来的1/3。在高效采集中，扫描长度是影响生产效率的关键因素之一，扫描长度越短，生产效率越高。

3 混频独立同步激发

与组合同步激发一样，将N个分频扫描信号分别分配给N台可控震源，即每台可控震源装载一个分频扫描信号，且互不重复。如果用于施工的可控震源数量充足，则可以第二次将N个分频扫描信号再分别分配给另外N台可控震源，共分配m(m$ \ge $2)次，共需m×N台震源。

震源组野外施工时，按下列方式进行激发：

(1) 将施工工区划分为m个方格，每个方格的长度为l(l的取值根据可接受的混叠程度确定，下面以l=4.5 km为例)，加载有不同扫描频段信号的N台可控震源分配到第一个方格，且这N台可控震源间没有距离间隔要求，即空间上任意分布；同理再分配第二个方格的N台可控震源，直到分配到第m个方格。

(2) 这m×N台震源均采用独立同步激发(ISS)方式进行生产，即所有震源都独立自主激发，不受其他任何震源的影响，且每台震源都需要完成所在方格内所有炮点的激发。

(3) 采用连续记录方式记录地震数据，记录每台震源的起震时间t₀，用于后续连续记录的切分，切分出的信号分别与参考扫描信号做相关运算，得到分频段的单炮记录。

(4) 将地面同一物理点的各分频段的单炮记录进行垂直叠加得到全频段的单炮记录。

图 6所示的是图 4中3个分频扫描信号ISS后子波合成过程。其中图 6a是3个分频信号的自相关子波；图 6b是分频信号子波进行垂直叠加得到的合成子波；图 6c是合成子波的振幅谱。将ISS的合成子波与图 5a中常规激发的基础扫描信号自相关子波对比，可以看出两者的子波形态及频谱基本一致。这也从理论上验证了混频独立同步激发的可行性。

混频独立激发能够显著地提升采集效率。仍然以上面混频组合同步激发中的例子进行说明，由1台常规可控震源采用30 s的低频扫描信号进行常规激发，如采用混频独立同步激发，将该信号拆分成3个10 s的分频扫描信号，由3台常规可控震源以独立同步激发的方式进行扫描。相较于常规激发而言，混频独立同步激发不仅扫描时间缩短至原来的1/3，而且节省了震源组合一致性要求所需的时间，实现了无约束地自由激发。由此可见，混频独立激发的采集效率比混频组合同步激发更高。

4 应用效果

为了检验可控震源混频同步激发效果，2022年在A项目进行了验证线试验。试验采用了常规滑动扫描、混频组合同步激发、混频独立同步激发三种方案，试验参数如表 1。

各种扫描方式的线试验工作量均是720炮，试验结果显示，完成同等工作量常规扫描、混频组合同步激发和混频独立同步激发耗时分别为5.6、2.0和1.7 h。由此可见，相较于常规扫描，混频同步激发可大幅提高生产效率。

图 7是常规滑动扫描和混频组合同步激发PSTM剖面及其振幅谱对比，在混频组合同步激发剖面中清晰可见3 s以下反射信号，其信噪比和反射轴连续性明显好于常规扫描。由此可知，混频组合同步激发可取得比常规扫描效果更好的地震资料。

图 8是混频独立同步激发原始单炮记录(图 8a)和常规多域去噪处理的单炮记录(图 8b)的效果对比。常规多域去噪方法包括：F-K域去线性干扰，在共炮点域、共检波点域、共炮检距域压制异常振幅和黑三角区强能量噪声。由图可见，经过多域去噪处理的单炮，邻炮干扰已经去的比较干净，无需使用专门的去混叠技术进行特殊处理。

图 9a是混频独立同步激发只做常规多域去噪处理而未做去混叠噪声处理的PSTM剖面；图 9b是经过稀疏反演去混叠噪声处理的PSTM剖面；图 9c是两者的振幅谱对比。由图 9可见，图 9a与图 9b没有明显差别。混频独立同步激发剖面成像效果对比说明，对于混频同步激发方法，在进行资料处理时无需做专门的去混叠处理，直接做正常的去噪处理即可。

混频独立同步激发资料之所以无需进行专门的去混叠处理，主要是因为独立同步激发时，每个方格里的可控震源加载了不同频段的分频扫描信号。独立同步激发时虽然会出现单炮混叠现象，但由于每炮的激发频段不同，不会产生强能量的同频混叠，比如低频段单炮会与中频段单炮、高频段单炮相互混叠在一起。在地震数据进行相关运算时，与主炮频段相同的数据能相关增强，与主炮频段不相同的数据相关相消，能有效地压制干扰噪声，只是残留些能量较弱的频段重叠部分的邻炮能量。所以，通过相关运算能有效压制混叠噪声，然后将相关后的分频单炮进行垂直叠加合成最终单炮，再进行后续的常规处理，无需专门的去混叠处理。

5 结论

针对常规可控震源低频激发扫描时间长、生产效率低的不足，提出了可控震源混频同步激发的方法，该方法颠覆了常规扫描时序单频依次激发的思路，大幅提升了野外施工效率与混叠数据质量，并经现场试验验证了该方法的有效性。

(1) 可控震源混频同步激发实现了常规可控震源低频勘探高效激发，可以大幅降低勘探成本，是技术经济一体化的可行性方案。

(2) 混频同步激发不但可以大幅提高野外施工效率，而且获取的地震资料混叠噪声弱，资料处理中无需进行专门的去混叠处理，地震数据质量得到大幅提高。

(3) 混频同步激发技术不但可以应用于可控震源低频非线性扫描，而且也可以用于线性扫描；不但可以用于常规可控震源采集，也可以应用于宽频可控震源勘探。

可控震源混频同步激发技术是新研发出来的一种可控震源高效采集技术，还没有经过正式生产实际应用的检验，有些问题需要继续完善，比如该技术生产应用中的质控技术、采集资料的最终处理技术等。