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；• 一个扫描信号的自相关函数在远端（A与D点）的值非常小；如果用（1）与（3）相关，每一个对应的采用点都具有相同的符号，因此每个样点的积都是正值，所以在B点得到了一个非常强的正振幅值。

自相关函数在零点的振幅值也代表了扫描信号的能量。

作为结论需要指出：相关是检测反射信号的最好的方法。

在可控震源应用中，或对于其它的应用，噪音越小越好。

要点可控震源系统描述可控震源系统包括：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，如果是SERCEL公司生产的可控震源，则：扫描信号发生器就是DPG；震源可能是Mertz型号，配备了DSD；相关器是一个用于检测反射信号（通常是中央控制单元的FTP板）；DPG是扫描信号发生器，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。

相关器只增强了有效信号而不改变噪音。

数据经相关处理后峰值振幅的改善与扫描信号的长度有关。

在相关处理过程中，相关的计算是以采样率为时移值，整个时移长度等于记录长度。

可控震源扫描信号子波的一般特点图11所示的互相关结果与用炸药震源得到的反射脉冲形态完全一样。

对于震源而言，最好的下传信号就是自相关信号。

反射脉冲等于扫描信号的自相关函数与大地响应的褶（卷）积。

可控震源的反射基本上是对称的自相关函数，但是受到了大地的小相位滤波特征和震源非线性因素的影响。

扫描信号频率的选择要中和成本与在大地滤波特征下所追求的最大频带宽度等因素。

自相关函数在零点的振幅值也代表了扫描信号的能量。

扫描信号的谱越宽，自相关子波越窄。

频带越窄，边叶水平越高。

扫描的自相关函数的边叶可以通过在扫描信号两边加斜坡（镶边函数）的方法得到改善。

可控震源的输出力在上述的地质模型框图中，力主要看成一个在瞬间施加在大地表面的脉冲力。

假定条件是：近地表下的地层是连续的，并且应力与张力的变化是线性的。

应力是物体某一部分在单位面积上受到的压力。

张力对应于在应力作用下的形变。

弹性波在大地的传播过程中是由应力与张力关系来控制的。

如果G（t）代表质点运动垂直分量的脉冲（冲击）力的响应，F（t）代表作用于大地的力，并且作用力的频率随时间的变化而变化，而不是脉冲，则检波器检测到的信号U（t）可以表示为：U（t）=F（t）*G（t）此处，*表示褶积算子。

如果在频率域考虑可控震源系统的工作方法就比较容易理解了，因为时间域的褶积在频率域内就成为纯数学乘法运算。

U ( 2 f ) ＝F （2 f ）G （2 f ）在时间域内的互相关运算等效于频率域内共轭复数的乘法。

F*（2 f ）U ( 2 f ) ＝F*（2 f ）F （2 f ）G （2 f ）＝F（2 f ）2 G ( 2 f )此处，F*是F的共轭值。

F （2 f ）2是输出力的能谱。

因此，如果F （2 f ）2在给定的飘带内保持恒定，那么大地在给定频带内的脉冲响应可以通过互相关运算得到。

可控震源实际上就是产生频率随时间变化的输出力信号。

它的输出振幅可以按照设计要求进行调整。

输出力信号可以是连续变化的信号，如扫描信号，也可以按照一定步长/间隔变化的信号，如伪随机码序列。

如果可控震源的平板与大地的耦合满足这样的假定：耦合状况良好，并且平板各处的垂直方向的加速度均相等，重锤运动与活塞的相对运动呈线性关系，那么震源的输出力F（t），有时也称地面力GF，可以通过对二个各自安装在平板和重锤上的加速度传感器测量的信号，经加权计算得到：GF = Mm Macc + MBp Bpacc此处：Mm：重锤质量（kg）Macc：重锤加速度，矢量值（m/s2）MBp：平板质量（kg）Bpacc：平板加速度，矢量值（m/s2）在实际工作中，震源振动输出力F（t）往往取决于震源本身的特性和对震源的控制。

为了使互相关处理过程中尽可能独立于震源本身或控制系统，地震采集数据的互相关是与设定的参考信号P（t）进行的运算。

在频率域，对地震数据的互相关处理可以表示为：P*（2 f ）U ( 2 f ) ＝P*（2 f ）F （2 f ）G （2 f ）同样的道理，对于质量控制而言，采用输出力与设定的参考信号进行互相关：P*（ 2 f ） F （2 f ）此处P*（2f）是P（2f）的共轭复数。

注意：互相关噪音和主峰值与第一旁瓣的比值（译注：实际上是清晰度的概念）取决于所采用的扫描信号的函数关系、频带宽度、扫描长度。