2. 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室, 长春 130026
2. Key Lab of Geo-Exploration and Instrumentation, Ministry of Education; Changchun 130026, China
震源是激发地震信号的源头,直接影响着地震勘探的效果,因此对信号激发技术的研究至关重要.可控震源具有激发信号可控、安全、环保、可重复性强等优点,广泛的应用于地震勘探中.可控震源按其扫描技术可分为调频式(如液压式可控震源,电磁式可控震源)和调幅式(如冲击夯可控震源(mini-SOSIE)).调频式可控震源基于频率调制技术,长时间输出一定幅度的调频信号实现激发;而冲击夯可控震源由于其特定的机械结构,通过对固定频率的信号进行幅度调制,进而完成激发地震波场的效果.
对于调频式可控震源,Cunningham(1979)将伪随机编码理论引入到液压式可控震源的设计中,相比传统的线性和非线性扫描方式,伪随机方法有效地降低了旁瓣效应引起的相关干扰,提高了地震记录的信噪比.Becquey(2002), Nasreddin(2012)等将伪随机编码技术应用于同步可控震源中(Simultaneous Vibroseis),由于伪随机编码信号具有良好的相关特性,可以分离同步可控震源中的相关干扰信号,提高了数据采集效率和质量.Sallas(2008, 2011),Maxwell(2010)等将伪随机扫描技术应用于低频同步可控震源中,通过对低频信号的补偿,拓宽激励信号频带,提高了地震勘探的时间分辨率.上述二元伪随机编码技术较好的解决了线性或非线性扫描信号所产生的旁瓣干扰问题(王忠仁和柴治媛, 2007; 高健等, 2012; Dean, 2012, 2014; Sarwate and Pursley, 1980; Strong and Hearn, 2004),但单炮记录中仍存在一定的相干噪声,降低了地震记录的信噪比和分辨率.王忠仁等(王忠仁等,2009; 杨玄等, 2011)提出了基于三元伪随机编码的电磁式可控震源控制技术,利用三元伪随机编码序列,对原有的变频信号进行相位调制,构造一种新型的正弦载波扫描信号,并进行了地震响应的数值模拟,结果表明地震响应中的相干噪声明显减小,提高了信噪比.
调幅式冲击夯可控震源地震勘探技术由Barbier(Barbier and Viallix, 1974; Barbier et al., 1976)提出,其主要原理是对固定周期的冲击信号按设定的脉冲序列进行幅度调制,转换成振动信号激发地震波场,获得单炮记录.对脉冲序列的要求是其自相关函数要和单位冲击信号相似,但是通过这种方法得到的地震剖面中存在着严重的旁瓣干扰.Park(1996)等提出了扫描冲击地震(Swept Impact Seismic Technique)技术,结合了可控震源扫频技术和mini-SOSIE随机冲击的思想,减少冲击时间,提高了地震勘探的工作效率,使得冲击夯可控震源的实用性明显改善.随后,Driml等(2001)使用mini-SOSIE技术在环境敏感地区进行了实际实验,并验证了mini-SOSIE 3D数据采集方法的有效性.正是因为Mini-SOSIE震源的激发效率高、质量轻(72 kg)、输出力大(13.7 kN)等优点,获得了城市工程勘察、中浅层地震勘探(Pratt et al., 2002;Xu et al., 2010)等领域的广泛关注.但在实际应用中,其激励信号采用二元伪随机编码技术(王忠仁等,2010),即将二元伪随机编码序列对周期激发的夯击信号进行幅度调制,由于其形成的地震子波存在较大的旁瓣噪声,严重制约了相关技术的推广应用.
本文针对二元伪随机编码冲击夯可控震源存在的旁瓣干扰问题,为从源头上改善震源激发信号质量,提升勘探效果,对震源系统控制方法进行了改进.首次将三元伪随机编码技术应用于冲击夯可控震源控制系统中,并进行了详细的理论分析和实验测试,验证了该方法的有效性.
2 三元伪随机编码技术冲击夯可控震源不同于其他调频式可控震源,由于其特定的激励方式,为得到高信噪比的地震子波,只能从幅度上予以约束,使其尽可能以一种随机的方式产生振动.针对以往的二元伪随机控制方式存在严重相关噪声的难题,本文对震源系统控制方式进行了改进,提出了三元伪随机编码匹配控制方法,因此先对该编码技术进行分析.
2.1 三元伪随机编码生成原理伪随机编码一般以线性移位寄存器为基础,生成n阶q元序列(万哲先,1980),其中n为序列阶数,决定序列的长度,q是序列的元数.当q=2时,输出的就是2元序列;对于2元序列,经过模2运算,即可得到二元伪随机序列.当q=3时,输出的就是3元序列.3元序列经过模3运算,得到由0、1和2组成的三元序列,再经过三元域映射即可得到由-1、0和1组成的三元伪随机序列(王忠仁等,2009).其映射原理为:设由移位寄存器生成的三元序列为ai,经模3运算生成的序列为bi,设GF(3)={0, 1, 2},G为GF(3)内的非零族,则G={1, 2},由于1=20,2=21,所以其本原元为μ=2,基于以上规则,设函数α(θ)为
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根据α(θ)的取值,可以将bi中的元素映射为α(bi),再根据公式bi=(-1)iα(bi), i=1, 2, 3, …,即可求得相应的三元伪随机序列,其一组三元四阶伪随机序列如图 1所示.
定义周期为N的序列{bk}的自相关函数R(i)为(Sarwate and Pursley, 1980):
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则周期为N=2n-1的二元伪随机序列的自相关函数R(j)为
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周期为N=(3n-1)/2的三元伪随机序列的自相关函数R(m)为
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其中n为序列的长度.
根据以上公式分别计算了二元五阶伪随机编码序列和三元五阶伪随机编码序列的自相关函数(如图 2所示).从图 2b中可以看出三元伪随机编码序列的自相关函数只有在零点处有值,而在其他点处的值皆为0.因此,相比于二元伪随机编码序列的自相关函数,三元伪随机编码序列的自相关函数更接近于单位脉冲函数.
冲击夯工作时一般以相对稳定的频率产生振动,其振动幅度由发动机转速控制,而发动机的转速与油门的进油量呈正向线性关系,即油门进油量大则夯击振动幅度大,进油量小则反之,因此在设计中采用激励信号发生器控制冲击夯的油门进油量实现振动幅度调制.对于二元伪随机编码序列中只存在-1和1两种元素,对应于冲击夯的两种振动状态:振动和停止.当编码为1时,控制器发出脉冲信号,控制冲击夯的油门到达最大位置;当编码为0时,控制器不发出脉冲信号,冲击夯停止振动.每次扫描时间为一个编码序列的长度,每个编码对应一个延时长度,可自由设定,编码信号和经编码调制后的激励信号如图 3所示.
设由冲击夯可控震源振动采集得到的子波信号为y=As_wavelet(f),其中A为振幅,f表示子波信号的频率,a(i)为编码序列.对于伪随机编码方式其匹配模式可用公式表示为
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根据冲击夯的控制机理,可以通过改变油门的状态来改变冲击夯的振动幅度,用于增加其振动的随机性,而这种随机性也要有据可依,因此本文中应用三元伪随机编码方式来控制其振动.其匹配思想为:当编码序列为1时,控制器发出脉冲信号,使得冲击夯的油门置于进油量的最大位置,即达到最大振幅状态;当编码序列为0时,控制器发出脉冲信号,使得冲击夯的油门转到中间位置,即达到最大振幅1/2的状态;当编码序列为-1时,冲击夯停止振动.同样,每次扫描时间为一个编码序列的长度,每个编码对应一个延时长度,可自由设定,编码信号和经编码调制后的激励信号如图 4示,其解析表达式为
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其中f1和f2分别代表不同振动模式下的振动频率,0≤β≤1,β为冲击夯可控震源振动满幅值的系数,理想情况下β=1/2(由于冲击夯可控震源振动的机械性,实际振动时为1/2左右).
2.3 基于三元伪随机编码的冲击夯可控震源控制系统设计为了实现三元伪随机编码控制,设计了对应的控制系统,利用激励信号发生器将编码序列转换成脉冲序列,最后通过驱动电路输出脉冲信号.由冲击夯可控震源实现脉冲信号到地震子波信号的转换,其系统控制原理框图如图 5所示.
在整个系统控制中,主要分为三部分,第一部分是生成编码序列,第二部分是由激励信号发生器识别编码信号,并将其按照编码匹配原则转换成对应的脉冲序列,第三部分是由激励信号发生器控制冲击夯可控震源激发信号的输出.冲击夯可控震源不同于其他调频式可控震源,其工作原理是利用发动机的输出力直接带动弹簧做上下往返运动,由执行部件冲击地面,发出振动信号.而发动机输出力的大小通过油门进油量进行控制,因此激励信号发生器主要控制冲击夯可控震源的油门进而控制其振动模式.在冲击夯可控震源的常规操作模式中,冲击夯一直处于振动模式,其振动信号是离散的,具有周期性,而在本设计中要增加其振动的随机性,因此采用三元伪随机编码控制方式,打破现有输出振动信号的周期性.激励信号发生器是系统控制的核心,激励信号发生器原理框图如图 6所示,激励信号发生器识别脉冲信号,由步进电机带动冲击夯可控震源油门转动,实现基于三元伪随机编码技术的振动信号输出.
针对传统的冲击夯可控震源控制系统开环单向控制的弊端,本设计系统中加入了闭环控制,实时检测冲击夯可控震源的振动状态,判断输入脉冲信号与输出信号之间的差别,并调整其振动状态,冲击夯可控震源反馈控制原理如图 7所示.
在反馈控制设计中采用CA-YD-186加速度式传感器(其灵敏度为100 mV·g-1,频率为0.5~6 kHz,量程为50 g).传感器采集的信号经过A/D转换成数字信号(这里将采集回来的振动信号归一化,当幅值范围在0~0.1时对应的编码信号为-1;当幅值范围在0.1~0.5时对应的编码信号为0;当幅值范围在0.5~1时对应的编码信号为1);通过比较器比较输入信号和输出信号之间的差别,若匹配对应,则系统正常输出激励控制信号;否则进行对比调整激励信号发生器输出的控制信号,直至匹配对应完整.加入反馈控制环节保证了输出激励信号的准确性,进而确保形成地震子波的有效性.
3 野外实验及结果分析实验中主要采用的仪器有集中式地震仪数据采集系统,MT-72FW冲击夯及冲击夯可控震源激励信号发生器,JF-20DX-10 Hz传感器.偏移距和道间距均为1.5 m,共68道,采样间隔是1 ms.在长春市内进行了实验,土质比较松散,有草坪覆盖,场地周围有机动车辆通行,存在较强的环境噪声.实验中首先采集了30磅锤击震源数据,如图 8所示为叠加30次锤击震源的地震记录,在锤击震源地表放置了50 cm×50 cm方形铁板,促进能量传递.从图中可以看出,激发频率比较高,直达波和声波清晰可见.
将在首道检波器采集的数据作为参考道数据,与其他道数据做相关处理,得到相关地震记录.图 9a是采用二元四阶伪随机编码方式采集得到的相关地震记录,图 9b是采用三元四阶伪随机编码方式采集得到的相关地震记录,图 9c是采用二元五阶伪随机编码方式采集得到的相关地震记录,图 9d是采用三元五阶伪随机编码方式采集得到的相关地震记录.通过对比30次叠加锤击震源地震记录和冲击夯可控震源地震记录,本文得到以下结论:(1)冲击夯可控震源得到的地震数据面波发育良好; (2)对比直达波区域(图 8和9红色区域所示),冲击夯可控震源得到的地震记录具有较高的时间分辨率,直达波更加明显,也说明了冲击夯可控震源的激发能量远远高于锤击震源.从直达波下方区域得到,三元五阶伪随机编码方式采集相对于其他震源采集,引入的干扰噪声较小,获得了信噪比地震记录; (3)通过对比:图 8和9蓝色区域说明冲击夯可控震源控制方式对声波具有很好的压制作用;(4)通过对比图 8和9绿色区域说明基于三元伪随机编码扫描的相关地震记录的相干噪声与二元伪随机编码控制方式和30次叠加锤击震源地震记录相比显著地减弱.从地震剖面中可以得到,三元五阶伪随机编码方式采集与其他可控震源相比,相关后地震剖面中相关干扰减弱,提高了信噪比,且虚假反射比较少,方便于地震数据进一步处理.另外,三元伪随机方法得到的地震相关剖面具有较高的分辨率,适用于中浅层地震勘探.
在地震勘探中,相关子波的旁瓣被定义为信号生产的噪声(因为它的形状取决于扫描信号的形状)(Cunningham, 1979).图 10为对参考道数据做自相关处理得到的结果.通过并利用公式(1)计算了主瓣与旁瓣的比值(龙云等, 2013),表 1详细展示了不同控制方式下的信噪比.
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式中A1为主瓣值大小,A2为旁瓣值大小(这里选取了相关结果中旁瓣的最大值).
通过图 10和表 1的结果分析可知,三元四阶和二元四阶情形相比主旁瓣比提高了4.04 dB,三元五阶和二元五阶情形相比主旁瓣比提高了1.41 dB,三元伪随机编码控制方式能够有效压制相关噪声,提高了地震数据的信噪比.
二元和三元伪随机编码控制方式对实验结果有着一定的影响,同时编码序列中的编码阶数也会影响编码序列的长度,每个编码的延时时间,决定了冲击夯在编码匹配后的振动效果,因此在实验中也对不同参数控制条件下的地震数据进行了对比分析.
(1) 首先为编码延时相同(选取编码延时时间为1s),编码阶数相同条件下,对不同编码控制方式进行了比较分析.对比三元四阶和二元四阶编码控制方式(如图 9b和9a所示),三元五阶和二元五阶(如图 9d和9c所示)可以看出在编码阶数相同时,三元伪随机编码控制取得的效果较二元伪随机编码控制方式更加明显,相关干扰明显减小,主瓣与旁瓣的比值分别提高了4.04 dB和1.41 dB,提高了地震数据的信噪比,而且也说明了本文改进的三元伪随机编码控制方式的有效性.
(2) 相同编码延时(选取编码延时时间为1 s),相同编码控制方式条件下,对比编码阶数对结果的影响.对比二元五阶和二元四阶编码控制方式(如图 9c和9a所示),三元五阶和三元四阶(如图 9d和9b所示)可以看出在同一编码控制条件下,编码阶数越高,得到的相关地震记录的相关干扰越小(如图中绿色圈所示),主瓣与旁瓣的比值分别提高了3.12 dB和0.49 dB.
(3) 相同编码控制方式,相同编码阶数条件下,对比编码延时对结果的影响,分别对比了三元四阶和三元五阶编码延时为1 s(如图 9(b, d)所示),2 s(如图 11(a, c)所示)和3 s(如图 11(b, d)所示)的情形.通过对比分析可知,编码延时也会在一定程度上影响数据的效果;但是编码延时时间并不是越长越好,通过实际数据分析可知在某些条件下,延时时间为2s得到的结果优于延时为3 s情形的结果.
图 12为对每种控制方式分别随机抽取四道进行频谱分析,结果表明冲击夯可控震源的能量远远大于30磅锤击震源的能量.三元伪随机编码控制方法得到的结果明显拓宽了数据的频域范围(近道拓宽至8~80 Hz;中远道拓宽至15~45 Hz),提高了地震数据的分辨率;而且信号的幅度衰减缓慢,说明信号的穿透能力更强.在数据远道处(如图 12d所示),三元伪随机编码控制方式下的幅度值更高,能量约为30磅锤击震源的100倍(三元五阶编码控制方式下的能量和30磅锤击震源能量对比),约为二元伪随机方法的4倍(三元五阶编码控制方式下的能量和二元五阶编码控制方式下的能量对比),说明其释放能量更强更多,也进一步说明了三元伪随机编码控制方法的优势.
为了对数据做更详细的分析,文中对编码延时为1 s的各编码方式进行了FK谱分析(图 13所示).从图中可以看出,13a图内有一线性干扰,图 13(b,c,d,e)中的线性干扰依次减弱而且有效的压制了噪声,且能量分布比图 13a更均匀一些,整个频段都有此特征.三元伪随机编码控制方法(如图 13(d,e)所示)的能量团更加接近锤击震源,主频能量高;图 13a中高、低频信息丰富,但高频部分噪声偏多,随机干扰太严重,而三元伪随机编码控制方法(如图 13(d,e)所示)能够有效地压制了噪声,而且能量分布均匀,主频能量高.
本文对冲击夯可控震源传统的伪随机编码控制方法进行了改进,提出了基于三元伪随机编码的系统控制方法.对三元伪随机编码技术进行了分析,提出了编码匹配控制理论,并设计了控制系统.实际测试结果表明三元伪随机编码扫描控制方式相比于二元编码方式,信噪比更高,低频信息更丰富,震源穿透力更强,在远道处能量更高,相关干扰明显减少,在一定程度上改善了地震勘探效果,为后续地震数据处理提供了高品质的地震数据.另外,在野外实验中,通过对比分析不同编码方式、编码阶数、编码延时对实验结果的影响,可知在相同编码控制模式下,编码阶数越高,得到的地震数据质量越好;而编码延时参数对实验结果的影响较小.更进一步,冲击夯可控震源具有较高输出能量特性,适于中浅层地震勘探,有效地节约了经济成本,对环境破坏性小,是一种绿色环保的人工震源.
Barbier M G, Viallix J R.
1974. Pulse coding in seismic prospecting sosie and Seiscode. Geophysical Prospecting, 22(1): 153-175.
DOI:10.1111/gpr.1974.22.issue-1 |
|
Barbier M G, Bondon P, Mellinger R, et al.
1976. Mini-Sosie for land seimology. Geophysical Prospecting, 24: 518-527.
DOI:10.1111/gpr.1976.24.issue-3 |
|
Becquey M, Bianchi T, Meunier J. 2002. Pseudo-random coded simultaneous vibroseismics.//SEG International Exposition and 72nd Annual Meeting. Tulsa: Society of Exploration Geophysicists.
http://library.seg.org/doi/abs/10.1190/1.1817375 |
|
Cunningham A B.
1979. Some alternate vibrator signals. Geophysics, 44(12): 1901-1921.
DOI:10.1190/1.1440947 |
|
Dean T. 2012. Establishing the limits of vibrator performance-experiments with pseudorandom sweeps.//2012 SEG Annual Meeting. Las Vegas, Nevada: Society of Exploration Geophysicists, 1-5.
http://www.onepetro.org/conference-paper/SEG-2012-0221 |
|
Dean T.
2014. The use of pseudorandom sweeps for vibroseis surveys. Geophysical Prospecting, 62(1): 50-74.
DOI:10.1111/gpr.2014.62.issue-1 |
|
Driml K, Reveleigh M, Bartlett K. 2001. Mini-SOSIE-successful shallow 3D seismic data acquisition in an environmentally sensitive area.//ASEG 15th Geophysical Conference and Exhibition. Brisbane: ASEG.
http://www.publish.csiro.au/paper/ASEG2001ab033 |
|
Gao J, Wang Z R, Liu R, et al.
2012. Matched impact seismic technique for pulse-coded seismic source. Chinese Journal of Geophysics, 55(4): 1384-1389.
DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.034 |
|
Long Y, Han L G, Deng W B, et al.
2013. Adaptive weighted improved window median filtering. Global Geology, 32(2): 396-402.
|
|
Maxwell P, Gibson J, Egreteau A, et al. 2010. Extending low frequency bandwidth using pseudorandom sweeps.//SEG Denver 2010 Annual Meeting. Denver: SEG, 101-105.
http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=SEGEAB000029000001000101000001&idtype=cvips&gifs=Yes |
|
Nasreddin H, Dean T, Iranpour K. 2012. The use of pseudorandom to reduce interference noise in simultaneous vibrosies survey.//22nd International Geophysical Conference and Exhibition. Brisbane Australia, 1-3.
|
|
Park C B, Miller R D, Steeples D W, et al.
1996. Swept impact seismic technique (SIST). Geophysics, 61(6): 1789-1803.
DOI:10.1190/1.1444095 |
|
Pratt T L, Shaw J H, Dolan J F, et al.
2002. Shallow seismic imaging of folds above the Puente Hills blind-thrust fault, Los Angeles, California. Geophysical Research Letters, 29(9): 1304.
|
|
Sallas J J, Gibson J B, Lin F, et al. 2008. Broadband Vibroseis using simultaneous pseudorandom sweeps.//78th SEG Meeting. Las Vegas: SEG, 100-104.
http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=SEGEAB000027000001000100000001&idtype=cvips&gifs=Yes |
|
Sallas J J, Gibson J, Maxwell P, et al.
2011. Pseudorandom sweeps for simultaneous sourcing and low-frequency generation. The Leading Edge, 30(10): 1162-1172.
DOI:10.1190/1.3657077 |
|
Sarwate D V, Pursley M B.
1980. Crosscorrelation properties of pseudorandom and related sequences. Proceedings of the IEEE, 68(5): 593-619.
DOI:10.1109/PROC.1980.11697 |
|
Strong S, Hearn S. 2004. Numerical modelling of Pseudo-random land seismic sources.//ASEG 17th Geophysical Conference and Exhibition. Sydney: ASEG, 1-4.
http://www.publish.csiro.au/?paper=ASEG2004ab142 |
|
Wan Z X. 1980.
Algebra and Coding. Beijing: Science Press.
|
|
Wang Z R, Chai Z Y.
2007. Seismic response to pseudorandom coded vibrator signal. Progress in Geophysics, 22(6): 1736-1739.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.06.008 |
|
Wang Z R, Fan D D, Gao J, et al.
2009. Vibroseis signal designing based on ternary pseudo-random coding technology. Oil Geophysical Prospecting, 44(5): 534-536, 521, 650.
|
|
Wang Z R, Gao J, Lin J.
2010. Matched sweep method for seismic vibrators. Chinese Journal of Geophysics, 53(11): 2754-2759.
DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.11.024 |
|
Yang X, Wu L Y, Liu Y C.
2011. Simulation and research on ternary pseudo-random scanning signal for vibroseis. Journal of Oil and Gas Technology, 33(6): 74-76, 97, 8.
|
|
Xu C, Liu Y K, Sun H C. 2010. Seismic profile of the Huangzhuang-Gaoliying fault in Beijing by mini-SOSIE method.//79th International meeting of SEG. Denver: SEG, 1970-1974.
http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-DZDQ201101003085.htm |
|
高健, 王忠仁, 刘瑞, 等.
2012. 脉冲编码震源的匹配冲击技术. 地球物理学报, 55(4): 1384–1389.
DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.034 |
|
龙云, 韩立国, 邓武斌, 等.
2013. 自适应加权改进窗口中值滤波. 世界地质, 32(2): 396–402.
|
|
万哲先. 1980.
代数和编码. 北京: 科学出版社.
|
|
王忠仁, 柴治媛.
2007. 伪随机编码震源信号的地震响应. 地球物理学进展, 22(6): 1736–1739.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.06.008 |
|
王忠仁, 樊丹丹, 高健, 等.
2009. 基于三元伪随机编码的可控震源信号设计方法. 石油地球物理勘探, 44(5): 534–536, 521, 650.
|
|
王忠仁, 高健, 林君.
2010. 可控震源匹配扫描方法研究. 地球物理学报, 53(11): 2754–2759.
DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.11.024 |
|
杨玄, 吴凌云, 刘益成.
2011. 可控震源三元伪随机扫描信号的仿真与研究. 石油天然气学报, 33(6): 74–76, 97, 8.
|
|