地震勘探可控震源原理

1 可控震源

1.1 可控震源使用的信号

地震勘探中的激发源能量既可以用振幅高度集中的信号（如：脉冲信号，在此通常指炸药），也可以用低振幅、长信号（如：可控震源）产生。

其实，可控震源重要是依赖长时间的振动激发，得到相对弱的地震信号。

可控震源另外一个重要特征就是激发源是有限带宽的信号。

另外，可控震源激发技术只产生需要频带内的信号，而脉冲震源，如：炸药，生产的一部分频率在数据采集过程中是不予记录的。

图1 时间域与频率域内的脉冲信号与有限带宽信号

炸药爆炸的过程可以用 脉冲来表示，即：一个振幅高度集中的信号在非常短的瞬间生成（图1-a），它的频谱中包含了所有的频率成分（图1-b）。对于有限带宽信号而言，它只表示在有限带宽内（图1-c）。在所展示的一个平坦的振幅谱（在图1-d）中只有10~60Hz的频率成分。

在可控震源中使用的信号大多形如图1-d。

1.2 如何生成一个有限带宽的震源信号

如前所示，大多数信号具有有限带宽的特征，通过傅立叶变换可以得到如图1-c所示的时域上的信号。但是一般如图1-c所示的振幅，在时域上的信号不能应用于可控震源，可控震源在激发时要求采用均衡振幅、长时间的信号。

为了能够使如图1-c所示的信号用于震源的激发，必须将该信号转化为均衡振幅、长时间的有限带宽信号。

采用频率延迟算子，就可以将短脉冲信号转化为长扫描信号。实际上，在应用过程中，采用将短延迟用于低频、将中等水平的延迟用于中间频率、将长延迟用于高频的处理方法，就会得到一个均匀振幅、视频率从低频逐渐扫到高频结束。这个信号看起来有些类似于正弦波，在可控震源中就称之为扫描信号。

图2 由短脉冲生成长扫描信号

在图3中显示了扫描信号的合成过程。各种不同频率成分、具有相同相位的正弦信号迭加后成为图3-a 中的信号，经过不同的延迟算子迭加后，成为图3-b中的扫描信号。

将高振幅的短脉冲信号展开成低均匀振幅的长扫描信号后总能量保持不变，因此可控震源只是一个低振幅的激发源，而不是低能量的激发源。

为了使激发信号能够迭加，可控震源必须具备三点功能：

一个扫描信号发生器；

一个向地下发射扫描信号的震源；

一个相关器，将长扫描信号压缩成短反射脉冲

此处：

T表示直达脉冲与反射脉冲间的反射信号旅行时间。

直达脉冲=零时间脉冲=炸药中的时断信号。

反射脉冲等同于炸药激发中的反射信号。

自然，在现实世界里，还有多次反射，因此，如果反射时间小于扫描长度，则检波器拾取的信号将迭加在记录中。

图5 信号的迭加

此处：

（a）道表示从第一个反射界面反射的扫描信号；

（b）道表示从第二个反射界面反射的同一扫描信号；

（c）道表示检波器拾取的信号，第一个反射信号与第二个反射信号的迭加结果；

（e）道通过相关器后形成的（d）道，实际上是记录在数据采集系统上。

1.4 震源记录上的脉冲干扰：为什么要相关？

从前面知道，在将扫描信号压缩成类似脉冲信号的过程中，信号的峰值振幅增强了。

事实上，相关器只是由不同延迟算子构成的系统，并不改变输入/输出信号的信噪比水平。但是，相关器在改变信号的峰值振幅与平均噪音水平的比值方面非常有效。

相关器只是增强了有效信号部分，而噪音水平保持不变。

必须指出：在可控震源应用中，对于给定的扫描信号，增强扫描信号能量要采用增加扫描长度或震源数量的方法。事实上，只有足够长的扫描信号，才能得到足够的下传能量。因此，相关器输出信号峰值振幅的改善与扫描长度有关。

1.5 相关技术

在前面已经谈到可控震源必须具备的基本功能：一个扫描信号发生器和一个相关器，本节中将更仔细地讨论它们的构成和工作原理。

扫描信号发生器

扫描信号发生器是数字扫描信号发生器。生成的信号称之为控制扫描，参考扫描或先导扫描。操作员要选择扫描信号的起始频率、终了频率和扫描长度。

典型的起始频率范围：4 ~ 20Hz

典型的终了频率范围：40 ~ 100Hz

典型的扫描长度范围：8 ~ 20 s

扫描信号的振幅通常是恒定值，频率以线性函数递增。

但是，对于今天配备了新一代控制系统的可控震源而言，允许使用更大的扫描信号库，操作员可以设计任意形式的扫描信号。

相关器

相关器的主要是在地震数据采集单元中实现接受数据与参考信号互相关的功能。

什么是相关

相关的基本思想是比较给定的二个波形的相似程度。

对于给定的二个序列a（t）与b（t），互相关函数可以用下式表示：

ab( )＝a（t）b（t＋dt）dt是二个序列的时移（滑动时间）参数。

值为步长在时间轴上依次滑过，最终得到互相关函数。当一个波形滑动时，每个波形都试图在对方寻找与自身相同的地方。τ值的采样点的相乘（a0b0、a1b1、…，如图7所示）并将每次所得到的结果相加，得到一个新的序列（c0、c1、c2…，）。如果固定二个波形中的一个，另外一个以τ这个函数表达式通过对应值进行计算，直到移到记录长度为止。每次在可控震源应用过程中，显然：

• a（k）=检波器接受的信号=采集长度

• b（k）=参考信号=扫描长度

• c（k）=a（k）与b（k）的互相关结果=记录长度= a（k）- b（k）+1个样点

τ参见下图，在相关处理的过程中，参考信号与检波器信号的相关结果以每个采样率为

这也是为什么记录长度与扫描听时间一样的道理，因为相关结果是在这个记录长度内计算的。当二个波形有完全相同的形态时，互相关函数出现一个大值，反之则表现为一个小值。如果二个波形完全相同，互相关函数则成为自相关函数。自相关函数左右对称并在零点处出现最大值。

互相关

接收信号与发射信号的互相关处理过程如下图所示：（a）是从检波器接收到的信号，它是各种反射信号的迭加结果。然后用（b）参考信号通过移动与地震道数据（a）进行相关运算。当移到第一个反射界面（c）时，相关结果（e）输出一个脉冲值表示：检测到了一个扫描信号。从（e）中可以看出，与相关前的信号相比，相关显著地改善了检波器信号的信噪比，同时也可以看出，在没有频率相似的地方，相关结果没有任何显示。因此说相关运算将扫描信号中没有用的频率成分全部滤掉了。

自相关

在图10中给出的是自相关函数的运算。这个结果是从互相关中采用完全相同的二个信号导出来的。

按照相关的运算规则，A点的振幅就是（a）与（b）对应点的相乘累积相加结果。然后滑移参考信号，顺序计算得到B、C、D各点，最终得到自相关函数（6）。

针对（6）的形态，有如下结论：

• 在频率不相同的地方几乎没有相关大值出现；