可控震源工作原理

⑶ 扫描信号最低频率FL和最高频率FH：

对于升频扫描：FL＝F1，FH＝F2；对于 降频扫描：FL＝F2，FH＝F1。
⑷

绝对频带宽度 Δ：



绝对频带宽度定义为扫描信号最高频率FH 与最低频率FL的差，表示为： Δ＝FH-FL （5） 对于升频扫描，Δ＝F2-F1； （6） 对于降频扫描，Δ＝F1-F2； （7）
相关实现过程

相关是比较两个波形相似程度的数学方法， 它所解决的问题是在什么时候两个波形最 为相似。相关在许多技术领域有着广泛的 应用。相关实际上是一种数字滤波处理技 术，它的作用主要是：


脉冲压缩；利用相关处理可将延续时间较 长的信号压缩成持续时间较短的相关子波 信号。 滤波作用；相关对与信号不相干的噪音具 有很强的滤波作用，可以用来提高被噪声 淹没信号的信噪比。
可控震源基本信号


在利用可控震源进行地震勘探中，要求采用可控震源机械 -液压系统能够响应并能物理可实现的信号，即信号频率 宽度有限，其最低频率大于可控震源振动器所能激发信号 的最低频率；最高频率不能超出振动器所能激发信号频率 的上限，并且震源所激发信号的频带应在大地可以传输信 号通频带内的信号，且信号具有良好分辨率的零相位相关 子波。 通常可控震源激发信号的振幅应为均衡振幅，且在时域内 持续一定时间的连续振动信号，这种信号的振幅和频率都 要是时间的函数， 我们称这样的信号为扫描信号，也称 扫频信号。其中应用较为广泛的就是线性扫描信号，这种 信号具有相对稳定的振幅，信号频率随时间表呈线性变化， 它的数学表达式为：
可控震源工作原理简介
一．概论

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引言 利用可控震源人工激发地震 波，是进行地震勘探的一种 重要方法。这种勘探方法最 早出现的时间可以上溯到上 个世纪50年代，当时在美国 的一些石油公司最初开始出 现以连续振动为特征的非爆 炸地面震源的可控震源雏形， 由此开创了可控震源技术应 用于地震勘探之先河。随着 国外可控震源技术的日趋成 熟，到了上个世纪70年代中 期，我国开始引进国外可控 震源设备和技术以应用于国 内地震勘探。与此同时，在 吸收消化国外先进技术的基 础上，开始着手依靠国内技 术力量和设备，自行开发研 制KZ系列国产可控震源。
相关处理实现过程

相关过程简单地讲就是将两个 若用函数序列表示为a（t）和b （t）的波形，，将它们按时间 座标一一相乘，然后把所有乘 积加在一起，即得到一个相关 值，然后按一定时间间隔挪动， 继续计算相关值，最后得到整 个相关波形。若在某个时刻相 关值最大，表明两个波形在此 刻最为相似。若用数学函数表 示，则有： Φab（τ）＝Σa（t）b（t+τ） （14）
伪随机编码扫描信号

（参数可选择范围为 1-1000 ）
脉冲信号
用户自定义存储扫描信号
除了上述信号类型之外，对于某些类型技 术性能比较先进的可控震源电控系统，还 可通过添加一些电子器件选件，使用户自 定义一些特殊类型的可控震源激发信号。
相关技术

可控震源的连续扫描 振动技术之所以能够 在地震勘探领域中取 得成功，一个重要的 原因就是对可控震源 地震数据相关分析技 术的应用。因此，对 相关技术的了解，也 是对可控震源技术了 解的一个基础。
地层对信号的衰减
非线性信号对能量的补偿
对数扫描信号

对数扫描信号（分为 DB/HZ，DB/OCT 两种类型，若为DB/ HZ类型时，参数可选 择的范围为± 0 .001-0.005；若为 DB/OCT类型时，参 数可选择范围为± 0 .01-10.00）
时间幂扫描信号

参数可选择范围为 +0 .3-3.0）



目前在地震勘探领域中所广泛使用的可控震源 名义最大输出作用力大都为20到30吨左右，震 源输出信号能量大小可调。 在扫描振动时，可控震源的绝大部分能量都将 用于产生传入大地的地震弹性波，对环境的破 坏和影响远小于炸药震源，可在城市，居民区 和其它一些禁炮区使用。 而炸药震源在爆炸时所产生的巨大能量中只有 很小一部分能量用于产生地震波，其中相当一 部分能量都用于破碎岩石，，因此使用炸药震 源对环境保护不利且受到使用区域的限制。



1）研制能够产生信号频率更宽﹑能量更强 ﹑可以进行深层地震勘探，并可适应多种 地表条件施工的大吨位震源； 2）研究相关子波特性更加完善，可获取更 为理想信噪比地震资料的扫描信号函数； 3）可以明显改善可控震源信号品质，结构 更趋合理的震源重锤─平板振动器系统；



4）对振动系统控制更加精确﹑快速，功能 ﹑性能更加完善的可控震源电控系统； 5）可以有效降低施工成本，提高劳动生产 率，并能明显改善地震资料品质可控震源 野外施工方法的应用研究和推广； 6）快速、大容量的实时相关叠加器； 7）能有效改善可控震源资料面貌，提高资 料信噪比的数字处理技术。
可控震源与炸药震源信号特征的区别

炸药震源和一些用于地 震勘探的地面震源，如 落重震源、电火花震源 和陆地气枪震源等非爆 炸地面震源所产生的地 震信号一样，都是作用 时间很短，信号振幅能 量高度集中的脉冲信号， 它们都属于脉冲震源。

而可控震源所产生的 信号则是作用时间较 长﹑且为均衡振幅的 连续扫描振动信号。 因此使用可控震源和 使用炸药爆炸等脉冲 震源进行地震勘探， 在原理上有如下几点 重要的区别：
区别1 震源相关记录

利用可控震源施工所得到 的地震原始记录不能够直 接辩认各反射层，需要经 过与已知的参考信号进行 相关处理运算，方可得到 用于解释的相关记录，而 使用炸药震源得到的地震 记录则可直接用于解释。 但由于相关处理方法本身 具有滤波作用，因此可控 震源相关记录的信噪比较 高。
区别2 “相关记录”

在干旱缺水和钻井困 难地区使用可控震源 进行地震勘探时，施 工效率高，成本低。
可控震源技术发展瞻望

可控震源技术在其50多年的发展历程中， 不断吸取现代科学技术的研究成果并应用 于可控震源设备制造和可控震源勘探技术 之中。随着石油勘探开发行业技术发展的 需要，可控震源技术也面临着一些亟待解 决的问题：
⑹

扫描信号瞬时频率f（t）：


扫描信号瞬时频率定义为在扫描期间，任 意瞬时信号的频率，它可表示为： f（t）＝F1±kt 0≤t≤TD （13） 式中若取正号时为升频扫描，取负号则为 降频扫描。

线性扫描信号在地震 勘探中得到广泛应用 是由于线性扫描信号 的自相关子波形状接 近于雷克子波，此外， 在实际应用中，线性 扫描信号的参数设计 和调整比较简单方便， 可控震源机械-液压系 统易于响应实现。



它为扫描信号结束瞬 间，即t＝TD时扫描信 号的瞬时频率，可表 示为： F2＝F1＋kTD 扫描信号的起始和终 了频率可以0.1HZ步 长进行调整，频率最 小和最大设置值可以 分别为0.1到 999.9HZ。
⑵ 扫描信号平均频率F0：


它为t＝TD／2时扫描信号瞬时频率，也称 为扫描中心频率，可表示为： F0＝（F1＋F2）／2 （4）

而利用诸如炸药震 源等脉冲震源所得 到的地震记录则是 由一系列反射子波 组成，这些反射波 形则反映了采集质 点处真实振动波形。
区别3 “初至”时刻比较

从地震信号波形对比 而言，在可控震源相 关记录中的各个反射 相关子波的最大波峰 出现时刻对应于脉冲 震源反射子波的到达 时刻，即在震源相关 记录上所表示的一个 波达到的时间在相关 子波最大值所对应时 刻，而不是相关子波 的“初至“.
由于可控震源所产生的信号频谱和基本特性可 以人为控制，可以在设计震源扫描信号时避开某 些干扰频率，还能对地层对地震信号的吸收作用 进行补偿，这是其它人工地面震源和炸药震源难 于做到的，所以利用可控震源进行地震勘探可以 得到反射能量足够，信噪比和信号分辨率能够满 足地质勘探需要的资料，因此在过去的几十年中 可控震源技术在国内外都得到了较快发展，无论 从震源的机械液压系统和电控系统技术发展水平， 还是震源野外施工方法和震源资料处理技术都已 逐渐提高和日臻完善。
⑸

相对频带宽度R：

相对频带宽定义为扫描信号最高频率FH与最低频率FL之 比，即： R＝FH／FL （8） 对于升频扫描信号，R＝F2／F1 （9） 对于降频扫描信号，R＝F1／F2 （10） 在实际应用中，通常用扫描信号最高频率FH与最低频率FL 之比的倍频程ROCT表示相对频带宽度，因此有： ROCT＝log2（FH／FL） （11） 或可表示为： ROCT＝（lg（FH／FL））／lg2 （12）
使用可控震源施工的主要优点

可控震源所产生的地 震信号特性已知，信 号频谱和信号幅度在 一定范围内可控，从 地震信号激发角度而 言，改善地震资料品 质潜力较大。而炸药 震源所产生的地震信 号未知且信号频谱难 于控制，对改善地震 资料品质不利。


由于使用可控震源进 行勘探时，必须对震 源原始资料进行相关 处理，而相关处理对 信号具有较强的滤波 作用，因此相关记录 能够压制一些环境噪 声影响，具有较高的 信噪比。 而使用炸药震源时， 地震资料则对环境噪 声（如车辆人员行走， 风﹑工业振动及天电 干扰等）很敏感，容 易在地震记录中引入

S（t）＝A（t）Sin［2π×（F1 t±kt2 ／2 ］ （1）
0≤t≤ TD

[1+Cosπ（t/T1+1）]/2 ， 0≤t＜T1 A（t）＝ 1 T1≤t＜TD-T1 [1+Cosπ（1+（TD-t）/T1]/2 ， TD-T1≤t≤TD

有关线性扫描信号物理量的几个定义：

式中，A（t）为扫描 信号S（t）的振幅包 络函数，扫描信号在 开始和结束时时，信 号幅度有一逐渐变化 的部分称为过渡带或 斜坡，T1称为斜坡长 度。F1为扫描信号的 起始频率，即为震源 开始扫描振动时的瞬 时频率。

由于可控震源相关记录是由 经相关处理后的一系列相关 子波所组成，所以相关子波 并不是地震信号采集质点上 真实运动波形，而是可控震 源原始记录与参考信号相关 程度曲线，是数学运算的结 果，但这种相关记录和用炸 药震源所得到地震记录一样， 它包含了必要的地震勘探信 息，如地震波旅行时间﹑反 射波信号能量强度和反射波 极性等有用信息。
伪随机编码信号



伪随机编码信号与上述的基本扫描信号和脉冲信号不同 之处在于： 伪随机编码信号所生成的信号频率成份在可控震源所 激发的信号频带内不一定呈现出某种函数关系变化规律， 是随机变化的； 在同样的激发信号驱动幅度、扫描信号长度下，伪随 机编码信号所产生的能量要比正弦扫描信号所产生的信号 能量小的多。 由于随机扫描信号不会像正弦扫描信号那样激发出某 种谐振频率能量，因而不会对公共设施和建筑造成破坏， 因此，伪随机编码信号可用于对地震信号敏感区域，如城 镇、居民区、水坝等建筑物密集地区的地震勘探。

k称为扫描信号频率变 化率，简称为扫描速 率，它表示单位时间 内扫描信号频率的变 化，


TD为扫描振动持续时 间，称为扫描长度； 式（1）中若取正号时， 则扫描瞬时频率随时 间的增长而升高，这 种扫描称为升频扫描， 若取负号，则扫描瞬 时频率随时间的增加 而降低，称为降频扫 描。
⑴ 扫描信号终了频率F2：

可控震源为了产生足 够能量的地震波信号， 需采用长时间扫描振 动，这个扫描时间往 往比最深目的层的反 射时间还要长。所以， 从各个地层反射回来 的信号就会重叠干扰， 形成很复杂的波形， 如左图所示。

这样的记录无法用于 解释。若将可控震源 原始记录变为可用于 解释的、类似于炸药 震源的记录，将淹没 在相互干涉信号中震 源反射信号恢复出来， 就需对可控震源原始 记录做相关处理。

近些年来，为了提高地震资料的信噪比和分 辨能力，国内和国外生产厂家竞相利用现代科学 技术的一些最新研究成果应用于可控震源的研究， 设计和开发，已生产出最大静态推力近30吨的 ﹑可以适应更加广泛地震勘探目的﹑可在多种地 面道路行驶的宽频大吨位可控震源，出现了可以 灵活控制震源传入大地地面力幅度和地面力控制 方式﹑以数字自适应控制技术为基础的﹑可自动 进行可控震源系统识别、安装，并能对震源实施 实时的质量控制技术的电控系统，从而扩大了可 控震源应用领域，促使可控震源技术得以广泛应 用于国内外地震勘探施工，成为了一种重要的地 震勘探设备。