地震勘探中震源信号的质量对于提高地震记录的分辨率和信噪比起决定性作用.由于炸药震源存在诸多弊端，人们不断尝试着以震源信号重复性好､频带宽的新震源形式代替炸药震源，如对于小当量震源多次激发^[1]的研究及以列车运动产生的振动信号作为震源^[2]的研究等.同时震源亦向着资源开采领域的低频地震勘探^[3]和浅层高分辨率成像领域的高频地震勘探两个方向发展.在海洋地震勘探中，大容量气枪震源^[4-5]在海洋深部结构探测中具有独特的优势.近年来利用气枪震源进行海上激发陆上接收的实验研究验证了气枪震源作为陆地震源的可行性.到目前为止，在陆地地震勘探中使用最广的可控震源仍然是基于Vibroseis^[6-7] 技术的液压可控震源.

Vibroseis可控震源以Chirp 线性扫频信号作为震源信号，通过震源基板与地面的耦合向地下激发连续的地震波信号，其原始地震记录经相关解码运算后压缩为单脉冲震源的地震响应.然而Chirp扫描的地震响应剖面中存在明显的旁瓣效应，降低了地震信号的分辨率.基于二元犿-序列的伪随机扫描方法虽然能够减小旁瓣干扰，但其相关噪声能量较强，无法获得高信噪比的地震剖面.为了进一步提高可控震源地震勘探的分辨率和信噪比，基于三元犿-序列的伪随机扫描方法^[8]和可控震源的匹配扫描^[9]等新方法被应用到可控震源的信号设计中.其中匹配扫描方法所产生的匹配扫描信号具有理想的自相关特性，该方法可有效压制旁瓣干扰及相关噪声，能够同时提高地震响应剖面的分辨率和信噪比.Vibroseis可控震源的另一个问题是波形畸变和谐波干扰问题^[10-12]，这种连续振动方式的震源要求震源基板与地面之间必须达到良好的耦合.

基于SIST(Sweptimpactseismictechnique)技术^[13-15]的可控冲击震源结合了Vibroseis技术线性扫频的思想和Mini-SOSIE 技术^[16-18]随机冲击的思想，以编码脉冲的方式依次产生扫描冲击序列，各次冲击之间的时间间隔按线性规律变化.所谓冲击序列，是指可控的冲击震源按一定时间间隔规律激发的一列脉冲串，而脉冲编码震源是指利用序列编码方式形成冲击序列的可控震源.SIST 技术与Mini-SOSIE 技术相比有效减少了冲击次数，提高了勘探效率.与向地下激发连续振动信号的Vibroseis可控震源相比，冲击方式的脉冲编码震源几乎不受耦合条件的限制和影响.本文借鉴连续振动方式可控震源的匹配扫描思想，提出了一种适用于冲击方式可控震源的匹配冲击技术，并通过地震数值模拟和地震波激发采集实验对匹配冲击技术的有效性进行了验证.

依据可控震源匹配扫描方法^[9]的原理，匹配扫描信号是由两个相关联的匹配伪随机序列偶经正弦载波调制产生的.为了便于叙述，构造长度N=10的匹配伪随机序列偶{a_k}和{b_k}为

对{a_k}和{b_k}以给定频率为f的正弦信号进行载波调制即可产生连续振动方式可控震源的匹配扫描信号p_a(t)和p_b(t)，图 1给出了序列长度N=10，载波频率f=50 Hz的匹配扫描信号p_a(t)和p_b(t)

图 1

Fig. 1

图 1 连续振动方式可控震源的匹配扫描信号 (a) pa(t) ； (b) pb(t). Fig. 1 Matched sweeping signals for seismic vibrator

由于匹配扫描方法产生的匹配扫描信号是连续振动信号，因此仅适用于连续振动方式可控震源.为了将匹配扫描方法拓展到冲击形式的脉冲编码震源中，首先将匹配扫描信号p_a(t)和p_b(t)进行如下分离:

将p_a(t)和p_b(t)中以0 相位起始的各正弦波保留，以π相位起始的各正弦波置零，得到两个子信号p_a1(t)和p_b1(t);将p_a(t)和p_b(t)中以0相位起始的各正弦波置零，以π相位起始的各正弦波保留并做反相处理得到两个子信号p_a2(t)和p_b2(t).各子信号波形如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 匹配扫描子信号波形图 Fig. 2 Sub-signals of matched sweeping (a) pa1(t)；(b)pb1(t)；(c) pa2(t)；(d)pb2(t)

则有

(1)

(2)

定义子序列

若令子序列{a_k1}，{b_k1}，{a_k2}，{b_k2}中的“1"对应一个0相位起始的单个正弦波，“0"对应与单个正弦波等时长的零信号，便可由各子序列直接生成对应的匹配扫描子信号p_a1(t)，p_b1(t)，p_a2(t)，p_b2(t).

为叙述方便，将子序列{a_k1}，{b_k1}，{a_k2}，{b_k2}称为伪随机子序列.伪随机子序列与匹配伪随机序列偶{a_k}和{b_k}之间存在如下关系:

(3)

(4)

设伪随机子序列的长度为N，将震源激发信号的时长分为N段，每段长度为T，其中T的选取应大于震源激发单个脉冲所需的时间.令各时段的起始时刻与伪随机子序列的各元素相对应，若伪随机子序列的元素为“1"，则震源以该时刻为时间起点激发一个单脉冲;若伪随机子序列的元素为“0"，则表示在相应时段无冲击动作.以主频为90 Hz 的Ricker子波作为单脉冲，取T=0.02s，按本文举例N=10的伪随机子序列{a_k1}，{b_k1}，{a_k2}，{b_k2}给出的规律分别进行4 次编码冲击，所产生的匹配冲击信号q_a1(t)，q_b1(t)，q_a2(t)，q_b2(t)如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 脉冲编码震源的匹配冲击信号 Fig. 3 Matched impact signals for pulse-coded seismic source (a)qa1(t):(b)qb1(t):(c)qa2(t):(d)qb2(t)

设脉冲编码震源匹配冲击的4次激发所得原始地震记录分别为${R_{a1}}\left( {{x_i},t} \right),{R_{b1}}\left( {{x_i},t} \right),{R_{a2}}\left( {{x_i},t} \right),$${R_{b2}}\left( {{x_i},t} \right)$(i=1，2，…，M;M为地震道数).将($\left( {{R_{a1}}\left( {{x_i},t} \right) - {R_{a2}}\left( {{x_i},t} \right)} \right)$和$\left( {{R_{b1}}\left( {{x_i},t} \right) - {R_{b2}}\left( {{x_i},t} \right)} \right)$分别做解码运算得到相应的解码地震剖面${C_a}\left( {{x_i},t} \right)$和${C_b}\left( {{x_i},t} \right)$，最后将${C_a}\left( {{x_i},t} \right)$和${C_b}\left( {{x_i},t} \right)$进行叠加运算即得到了脉冲编码震源匹配冲击的综合解码地震剖面$C\left( {{x_i},t} \right)$.

脉冲编码震源的匹配冲击编码信号可由震源控制器中的微控制器精确产生，以微控制器产生的匹配冲击伪随机编码信号实时控制脉冲编码震源功率级的输出，便可驱动震源冲击器向地下激发匹配冲击震源信号.

构造图 4所示的水平层状介质模型，其最深目的层为z=300 m 处的界面.矩形区域的4 个边界中，地表z=0 为自由边界，左边界x=0､右边界x=1000m和下边界z=500m 为人工截断边界，处理为吸收边界.区域内部的岩性分界面(记为Γ_s)采用衔接条件.

图 4

Fig. 4

图 4 水平层状介质地层模型 Fig. 4 Model of horizontal layers

依据以上边界条件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､下的波场值，v_U，v_D 分别为内部边界Γ_s 上､下的介质波速，p是满足p≤1/$\sqrt 2 $的常数.采用有限差分法对脉冲编码震源匹配冲击的地震响应进行了数值模拟，取偏移距为40m，道间距为12m，地震道数为24道，其中匹配伪随机序列的长度N=10，震源子波采用主频为90Hz的Ricker子波.分别以产生的匹配冲击信号q_a1(t)，q_b1(t)，q_a2(t)，q_b2(t)代替模型中的s(t)，数值模拟所得匹配冲击的原始地震记录如图 5 所示.原始地震记录经过解码后叠加产生的综合解码地震剖面如图 6a所示.为了对比脉冲编码震源的匹配冲击技术相比线性扫描冲击的SIST 技术所具有的优势，同时对SIST 技术进行了数值模拟，图 6b 给出了线性扫描冲击的解码地震剖面.

图 5

Fig. 5

图 5 匹配冲击原始地震记录 Fig. 5 Original seismic records of matched impact (a)${R_{a1}}\left( {{x_i},t} \right);(b){R_{a2}}\left( {{x_i},t} \right);{R_{b1}}\left( {{x_i},t} \right);{R_{b2}}\left( {{x_i},t} \right).$ (a)${R_{a1}}\left( {{x_i},t} \right)$;(b)${R_{a2}}\left( {{x_i},t} \right)$;(c)${R_{b1}}\left( {{x_i},t} \right)$;(d)${R_{b2}}\left( {{x_i},t} \right)$.

图 6

Fig. 6

图 6 匹配冲击解码地震剖面$C\left( {{x_i},t} \right)$（a) 及线性扫描冲击解码地震剖面（b) Fig. 6 Decoded seismic section $C\left( {{x_i},t} \right)$ of matched impact (a) and Decoded seismic section of linear swept impact (b)

对比脉冲编码震源两种编码冲击方式的数值模拟结果，解码地震剖面中均未出现Chirp扫描情形的旁瓣效应.线性扫描冲击解码地震剖面(图 6b)中来自z=180m 和z=300m 界面的反射波(R_w1，R_w2)能量较弱，与直达波(D_w)平行的线状相关噪声能量较强，与反射波信息混杂在一起.图 6a中匹配冲击的解码地震剖面中几乎不存在图 6b中的相关噪声干扰，反射波(R_w1，R_w2)，多次波(M_w)均清晰可见，但直达波(D_w)能量相比图 6b有所增强.整体上看，匹配冲击的地震剖面较线性扫描冲击具有更高的信噪比.

于强背景噪声环境下进行了地震波激发采集实验，采用遥测地震仪记录地震数据.实验中设置地震道数为28道，道间距为2m，采样间隔为0.0005s.大锤震源激发所得原始地震剖面如图 7a所示;线性扫描冲击选取冲击次数为32次，时间间隔增量为0.01s，其解码地震剖面如图 7b所示;匹配冲击选取长度N=40的匹配伪随机序列偶，其综合解码地震剖面如图 7c所示.

图 7

Fig. 7

图 7 (a)大锤震源原始地震剖面；(b)线性扫描冲击解码地震剖面；(c）匹配冲击解码地震剖面 Fig. 7 (a) Original seismic section of hammer source； (b) Decoded seismic section of linear swept impact； (c) Decoded seismic section of matched impact

对比三种激发方式所得地震剖面，大锤震源的原始地震剖面中存在严重的随机噪声，淹没了远偏移距地震道的有效信息，其地震记录的信噪比较低.而线性扫描冲击和匹配冲击的解码地震剖面整体上均能够正确反映出大锤震源地震记录的规律和特征，表明两种编码冲击技术应用于脉冲编码震源都是可行的.从细节上分析，匹配冲击与线性扫描冲击相比，解码地震剖面中远偏移距地震道的随机噪声和剖面下部的相关噪声能量均有所衰减，与数值模拟结果相吻合.

基于连续振动方式可控震源的匹配扫描思想可有效地拓展到冲击方式的可控震源上，调制生成匹配冲击信号的伪随机子序列可由匹配伪随机序列偶进行分解来得到.适用于脉冲编码震源的匹配冲击技术不存在连续振动方式可控震源的波形畸变问题，也不存在SIST 技术的斜线状相关噪声干扰问题.数值模拟和实验结果均验证了匹配冲击技术相比SIST 技术在压制解码地震剖面中相关噪声及提高信噪比方面有所改进.当然，匹配冲击技术与SIST 技术相比对控制精度的要求更高了.