1 引言

根据传播介质的差异和地下目标体的形态、深度的不同采用有效的人工激发方式是获取高质量地震采集数据的首要环节.适合于在海洋或湖泊中激发的非炸药震源主要有早期的电火花震源^[1]和近年来成为关注热点的气枪震源^[1~4].在陆地油气资源地震勘探中，炸药震源一直占据着主导地位.但是炸药震源也存在着诸多弊端，首先由于炸药震源对环境的破坏比较严重，不适于在城市内使用，在农田中使用也常常要付出高额的赔偿费用；其次为了能使激发的能量有效地传入地下，炸药通常要在钻孔中的潜水面以下激发，昂贵的钻孔费用使得地震勘探的成本总是居高不下；再次，在基岩裸露或地形复杂的山地，由于打井困难，也不适合采用炸药震源.正因为如此，近年来基于连续扫频的可控震源系统（Vibroseis）^[5]在陆地地震勘探中越来越受到人们的重视^{[6, 7]}.

可控震源扫描信号的自相关特性直接影响着地震响应剖面的质量，因此，寻求与设计性能优良的可控震源扫描信号是提高仪器性能的一个关键问题.早期的可控震源^{[5, 8]}是采用Chirp信号（即线性扫频信号）作为可控震源的扫描信号，通过对发射信号与接收信号做互相关运算，可以将接收信号压缩成类似于炸药等脉冲震源产生的脉冲信号.这种Chirp信号扫描直到目前仍然是可控震源地震勘探系统（Vibroseis）所采用的主要扫描方式^{[6, 7]}.然而，这种Chirp扫描震源信号与地震道接收信号互相关运算后所得到的解码地震响应在幅度上加大了纵向上的差别，使得本来能量很强的直达波变得能量更强，而且还具有较强的旁瓣，降低了纵向分辨率. Goupillaud^[9]研究了几种非线性扫频信号的自相关特性，扩展了可控震源扫描信号的选择范围，但是地震数值模拟的结果表明非线性扫频信号的地震响应同样存在着较强的旁瓣效应^[10].Cunningham^[11]将数字通讯领域中基于二元m-序列的伪随机编码技术引入到了可控震源的信号设计之中，避免了线性扫频信号所产生的旁瓣干扰问题，此项技术目前已成为可控震源扫描的备选方案之一.但是该方法有一个明显的不足，就是解码地震剖面中存在着由于解码运算所造成的计算噪声（我们称之为相关噪声），降低了地震响应剖面的信噪比^[12].本文提出了一种基于伪随机序列偶进行编码的可控震源匹配扫描方法和相应的解码方法，并通过数值模拟技术对解码地震剖面的效果进行了分析和对比.

2 方法原理

假设可控震源地震勘探激发采集系统由位于地表的可控震源（坐标为x_s）和一系列地震道（坐标为x₁，x₂，…，x_M）组成，将一对有关联的伪随机序列{a_k}和{b_k}（为叙述方便，我们把{a_k}与{b_k}称为匹配伪随机序列偶）做正弦载波调制后作为震源信号从x_s点发射到地下经过反射或散射返回地表被检波器接收，得到两个匹配的原始地震记录R_a（x_i，t）和R_b（x_i，t）（i=1，2，…M）.对R_a（x_i，t）和R_b（x_i，t）分别做解码处理得到对应的解码地震剖面C_a（x_i，t）和C_b（x_i，t）.将C_a（x_i，t）与C_b（x_i，t）叠加后得到一个类似于常规炮集地震记录的综合解码地震剖面C（x_i，t）.

我们构造了长度分别为N_k（k=1，2，…，16）的匹配伪随机序列偶，其N_k值如表 1所示.

比如，长度为64的匹配伪随机序列偶{a_k}与{b_k}为

我们可以根据不同的勘探深度要求来选择不同长度的匹配伪随机序列偶.

3 可控震源匹配扫描信号设计

设{a_k}与{b_k}是一对长度为N的匹配伪随机序列偶，给定一个频率为f的正弦信号sin2πft，令

(1)

构造正弦载波调制信号

(2)

同理令

(3)

(4)

这样得到的正弦载波调制信号是以f为中心频率而且具有一定带宽的宽频信号，一般说来，较高的调制频率可以获得较高的地震勘探分辨率.

4 可控震源匹配扫描地震响应的数值模拟

构造图 1所示的水平层状介质模型，其中最深目的层位为z=300m处的界面.

在矩形区域的四个边界上，除了地表z=0为自由边界之外，左边界x=0、右边界x=1000、底边界z=500都是人工截断边界，我们处理成吸收边界，区域内部的岩性分界面（记为Γ_S）采用衔接条件.据此，我们建立了如下的二维地震纵波数学模型：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中u_U，u_D分别为内部边界Γ_s上面和下面的波场值，v_U，v_D分别为内部边界Γ_s上面和下面的介质波速，p是满足的常数.

依据上述模型，我们采用有限差分数值模拟技术模拟了可控震源匹配扫描的地震响应.模拟中取最小偏移距为40m，地震道数为M=24，道间距为12m，时间采样间隔为0.0004s.模型中的震源驱动信号s（t）分别用（2）、（4）两式给出的编码信号s₁（t）和s₂（t）代替，其中的正弦载波频率取为f=55Hz，匹配伪随机序列{a_k}与{b_k}取为

图 2（a，b）是分别用s₁（t）和s₂（t）作为可控震源的扫描信号所得到的匹配原始地震记录R_a（x_i，t）和R_b（x_i，t）.

图 3（a，b）分别是R_a（x_i，t）和R_b（x_i，t）解码后的地震剖面C_a（x_i，t）与C_b（x_i，t）.将解码地震剖面C_a（x_i，t）与C_b（x_i，t）叠加得到的综合解码地震剖面C（x_i，t）如图 4所示.

为了对比的需要，我们还模拟了Chirp扫描、二元m-序列编码扫描以及雷克子波脉冲震源的地震响应，分别如图 5、图 6和图 7所示.

首先来看可作为衡量标准的脉冲震源地震响应剖面（图 7）中的波组分布情况，在图 7中共有4个波组，最上边的波组是直达波（用D_w表示），第二个波组是来自深度为z=180m处的界面的反射波（用R_w1表示），第三个波组是来自深度为z=300 m处的界面的反射波（用R_w2表示），最下边的波组是与自由表面有关的多次波（用M_w表示）.可控震源地震响应剖面的优劣均以脉冲震源地震响应剖面作为对比依据.

从图 5可以看出，在Chirp扫描的地震响应剖面中，直达波的能量不但很强而且存在着严重的旁瓣，对浅部的反射波影响比较严重.由图 6可见，基于二元伪随机编码扫描的地震响应剖面中旁瓣干扰相对图 5而言得到了有效的压制，但是相关噪声的能量很强，多次波几乎被能量很强的相关噪声所淹没.

由本文提出的匹配扫描方法所得到的地震响应剖面（图 4）可以看出，该方法在压制旁瓣和消除相关噪声方面明显优于Chirp扫描和二元m-序列编码扫描情形，其地震响应剖面（图 4）的质量几乎可以与脉冲震源的地震响应剖面（图 7）相媲美.图 4中的各同相轴与图 7相比略有上移，是因为综合解码地震剖面中同相轴波形的最大绝对值对应的走时时间反映了反射界面的深度信息，而在脉冲震源的地震响应剖面中，同相轴波形的起跳点对应的走时时间反映的才是反射界面的深度信息.

从可控震源软硬件系统与机械系统的技术实现角度，只要能实现二元m-序列的伪随机编码扫描技术，就完全可以实现匹配扫描技术，只是后续数据处理和解码方法不同而已.因此，匹配扫描技术将会成为可控震源系统中最具发展前景的一项技术.

5 结论

可控震源扫描信号对解码地震剖面的分辨率和信噪比会产生直接的影响.采用Chirp扫描信号会使得解码地震剖面中直达波的能量很强并且存在着严重的旁瓣，降低了地震记录的分辨率.采用二元m-序列编码扫描技术，在一定程度上削弱了Chirp扫描信号所产生的旁瓣干扰，提高了地震记录在浅部的纵向分辨率，但解码计算过程中产生的相关噪声能量很强，降低了信噪比，深部的微弱反射信号常常无法识别.本文提出的匹配扫描方法不存在Chirp扫描情形的旁瓣效应，也很少出现二元m-序列编码扫描情形的相关噪声，相对前者提高了解码记录的分辨率，相对后者提高了解码记录的信噪比.因此，匹配扫描方法可以实现真正意义上的可控震源高分辨率地震勘探.