楊志超， 姜弢*， 徐學(xué)純， 林君， 賈海青， 馬瑞琪， 陳振振

1 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 長(zhǎng)春　130061 2 地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué))， 長(zhǎng)春　130061 3 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 長(zhǎng)春　130061

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基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)的電磁式可控震源相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)方法研究

楊志超1,2， 姜弢1,2*， 徐學(xué)純3， 林君1,2， 賈海青1,2， 馬瑞琪1,2， 陳振振1,2

1 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 長(zhǎng)春130061 2 地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué))， 長(zhǎng)春130061 3 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 長(zhǎng)春130061

摘要針對(duì)電磁式可控震源地震數(shù)據(jù)的相關(guān)檢測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)，在地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基板-大地耦合不佳時(shí)，常規(guī)方法——基于震源控制信號(hào)或基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)檢測(cè)得到的地震記錄中，存在子波到時(shí)誤差和虛假多次波問題.本文分析了上述問題的理論原因，并提出基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)方法(Correlation Detection Reference Signal Based on the Reconstructed Excitation Signal，CDRSBRES).首先，利用直達(dá)波與其他地震波到時(shí)不一致的特點(diǎn)，從震源基板附近信號(hào)中分離、提取直達(dá)波.然后，利用直達(dá)波重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào)并作為參考信號(hào)對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè).最后，應(yīng)用譜白化技術(shù)提高檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量.數(shù)值模擬研究表明，重構(gòu)激發(fā)信號(hào)與理想激發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)為0.9869，達(dá)到高度線性相關(guān)，CDRSBRES方法檢測(cè)的地震記錄在子波到時(shí)和波形特征上均與模型相符.隨后，在某金屬礦區(qū)開展了可控震源對(duì)比實(shí)驗(yàn).與液壓式可控震源MiniVib T15000檢測(cè)結(jié)果相比，電磁式可控震源PHVS 500的檢測(cè)結(jié)果中：基于震源控制信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果存在子波到時(shí)誤差約0.012 s，對(duì)應(yīng)垂向精度誤差約11.16 m；基于基板附近信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果部分區(qū)域出現(xiàn)虛假多次波，信噪比降低；而CDRSBRES方法的檢測(cè)結(jié)果子波到時(shí)誤差約0.001 s，對(duì)應(yīng)垂向精度誤差約0.93 m，波形特征一致，相同區(qū)域無虛假多次波.綜上，本方法適用于電磁式可控震源地震數(shù)據(jù)的高精度檢測(cè)，尤其對(duì)于地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域的高分辨率地震勘探具有重要意義.

關(guān)鍵詞電磁式可控震源； 相關(guān)檢測(cè)； 參考信號(hào)； 激發(fā)信號(hào)； 重構(gòu)

This paper analyzes the errors above systematically and then proposes a method called correlation detection reference signal based on the reconstructed excitation signal (CDRSBRES). Firstly, the direct wave is separated and extracted from the near base-plate signal according to different arrival time among the direct wave and other seismic waves. Secondly, applying the extracted direct wave to reconstruct the vibrator excitation signal as the reference signal to detect the seismic data. Finally, the spectral whitening is used to improve the quality of detected result, such as the SNR and resolution.

This paper designs a horizontal layer model to confirm the CDRSBRES method. The simulation data demonstrates that the correlation coefficient between the reconstructed excitation signal and the ideal excitation signal is 0.9869, up to high linear correlation. The correlation detected record by CDRSBRES method is consistent with the designed model not only on wavelet arrival time but also on waveform characters. Then a comparison experiment is carried out at one metal deposit in West China. It uses the correlation detected record of the hydraulic seismic vibrator MiniVib T15000 as a standard. Compared to MiniVib T15000, there are different results for the electromagnetic seismic vibrator PHVS 500. The 0.012 s error of wavelet arrival time is detected based on the control-signal method, corresponding error of vertical position is about 11.16 m. The false multiple waves are detected based on the near base-plate signal method and it drops the SNR of detected record. But the error of wavelet arrival time is only 0.001 s, corresponding error on vertical position is down to 0.93 m. The waveform characteristic is consistent, no false multiple waves detected at the same zone using CDRSBRES method.

In summary, the CDRSBRES method can be used for high precision detection of electromagnetic seismic vibrator data, especially for the region where the subsurface media is complex. It is of great significance for high resolution seismic exploration.

1引言

根據(jù)可控震源地震勘探原理(林君，2004；佟訓(xùn)乾等，2012；趙春蕾，2013)，震源激發(fā)信號(hào)(Ziolkowski，2010；Krohn et al.，2010)應(yīng)作為理想的參考信號(hào)與地震數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)(姜弢等，2005)，得到類似脈沖震源的地震子波.但由于震源結(jié)構(gòu)和工作模式等限制，使得震源激發(fā)信號(hào)難以直接測(cè)量.Castenet和Lavergne(1965)提出“加權(quán)和”方法，即將基板加速度與質(zhì)量乘積和反應(yīng)體加速度與質(zhì)量乘積進(jìn)行加權(quán)，估計(jì)震源激發(fā)力Ground Force.該方法假設(shè)震源基板是剛性的，且忽略了基板的彎曲力(Baeten and Ziolkowski，1990).在此基礎(chǔ)上，Sallas(1984)繼續(xù)驗(yàn)證了方法的有效性，并提出應(yīng)用鎖相等技術(shù)反饋控制 “加權(quán)和”方法估計(jì)結(jié)果，使激發(fā)信號(hào)更加逼近震源控制信號(hào).進(jìn)一步地，Wei(2010)和Wei等(2010)完善了基板與大地耦合模型，研究了基板材料的剛性程度和大地耦合程度等因素對(duì)“加權(quán)和”方法估計(jì)結(jié)果的影響，主要是諧波干擾影響.目前，“加權(quán)和”方法及其基礎(chǔ)上的研究成為估計(jì)震源激發(fā)信號(hào)的主要方法，但其模型和實(shí)驗(yàn)主要基于液壓式可控震源(Boucard and Ollivrin,2010；Sallas，2010).電磁式可控震源(林君，2004；Haines,2006)研究的起步時(shí)間較晚，但擁有更寬的信號(hào)頻帶范圍，在高分辨率地震勘探領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景(葛利華等，2012；王俊秋等，2012).“加權(quán)和”方法對(duì)于電磁式可控震源是否適用？Veen等(1999)針對(duì)OYO輕量電磁式可控震源，將“加權(quán)和”估計(jì)結(jié)果與放置在基板上的力傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，指出該方法對(duì)激發(fā)信號(hào)高頻段的估計(jì)存在誤差.同時(shí)，通過對(duì)便攜式高頻可控震源系統(tǒng)(Portable High-frequency Vibrator System，PHVS，吉林大學(xué)自主研發(fā)的電磁式可控震源)(陳祖斌等，2003；林 君，2004；梁鐵成等，2005)的測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，該方法的另一個(gè)限制在于對(duì)可控震源硬件要求較高，需要在反應(yīng)體和基板上增加加速度傳感器.因此，針對(duì)具有5～1000 Hz頻率應(yīng)用范圍的電磁式可控震源，需要尋找更適宜的方法估計(jì)激發(fā)信號(hào)，作為相關(guān)檢測(cè)的參考信號(hào).在當(dāng)前的電磁式可控震源應(yīng)用中，常規(guī)方法之一是參照液壓式可控震源，基于震源控制信號(hào)(Nigel，1991)作為參考信號(hào).該方法應(yīng)用簡(jiǎn)單，但對(duì)震源質(zhì)量控制(QC)及基板-大地耦合條件要求較高.此外，陳祖斌等(2005)通過對(duì)電磁式可控震源基板-大地耦合過程的建模分析，提出在震源基板附近放置一道檢波器記錄震動(dòng)信號(hào)，基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào).該方法的優(yōu)勢(shì)在于考慮了基板-大地耦合情況對(duì)震源控制信號(hào)產(chǎn)生的影響.

但是，通過分析電磁式可控震源PHVS 500與液壓式可控震源MiniVib T15000的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基板-大地耦合不佳的情況下，PHVS 500常規(guī)方法，即基于震源控制信號(hào)和基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)相關(guān)檢測(cè)得到的地震記錄均存在問題.因此，本文提出基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)方法(Correlation Detection Reference Signal Based on the Reconstructed Excitation Signal，CDRSBRES).通過數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究結(jié)果表明，本方法不僅可有效重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào)，而且較常規(guī)相關(guān)檢測(cè)方法更好地解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下可控震源地震數(shù)據(jù)的高精度檢測(cè)問題.

2問題描述

2010年在中國(guó)西部某金屬礦區(qū)開展了電磁式可控震源PHVS 500與液壓式可控震源MiniVib T15000的對(duì)比實(shí)驗(yàn).該工區(qū)地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜：銅鎳礦床規(guī)模小，層位較淺，連續(xù)性差(王俊秋等，2011).地表為干枯河道，起伏不平，基板-大地耦合效果不佳.兩震源工作參數(shù)一致：控制信號(hào)為chirp信號(hào)(林君，2004)，頻帶范圍為10～120 Hz，掃描時(shí)間為10 s.但輸出力差距較大，MiniVib T15000輸出力為30000 N，而PHVS 500輸出力為300 N.兩震源共用一套觀測(cè)系統(tǒng)：無纜自定位地震儀(董樹文等，2012)采集，偏移距為16 m，192道檢波器全排列接收，道間距為2 m，采樣率為1000 Hz，采集時(shí)間為12 s.

圖1對(duì)比展示了本次實(shí)驗(yàn)同一震源點(diǎn)不同震源的地震記錄.由于MiniVib T15000在生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用，現(xiàn)階段其數(shù)據(jù)可視為對(duì)比參照標(biāo)準(zhǔn).與MiniVib T15000地震記錄圖1a相比，PHVS 500存在不一致問題：基于震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)檢測(cè)得到的地震記錄圖1b中，直觀上與圖1a的波形形態(tài)較相似(標(biāo)記實(shí)線框區(qū)域).但精確對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖1b與圖1a的子波到時(shí)存在偏差，計(jì)算得知，對(duì)于箭頭指示的同一子波，兩者偏差約0.012 s；基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)檢測(cè)得到的地震記錄圖1c中，標(biāo)記實(shí)線框區(qū)域與圖1a相比較，子波的波形形態(tài)出現(xiàn)畸變，產(chǎn)生了虛假多次波信號(hào).

圖1　西部某金屬礦區(qū)可控震源地震記錄對(duì)比 (a) MiniVib T15000地震記錄； (b) PHVS 500地震記錄——基于震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)；(c) PHVS 500地震記錄——基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào).

根據(jù)可控震源地震勘探原理，相關(guān)檢測(cè)方法在理論和實(shí)踐上都是有效的，上述問題在地下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、震源基板-大地耦合良好的情況下也很少出現(xiàn).為此，需要首先分析出現(xiàn)上述問題理論上的原因.

3問題分析

3.1震源激發(fā)信號(hào)

電磁式可控震源由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)s(t)，控制震源激發(fā)信號(hào)掃描形式.控制信號(hào)經(jīng)過電控箱系統(tǒng)，傳遞到電磁激振器系統(tǒng)，經(jīng)基板-大地耦合系統(tǒng)向地下輸出，最終形成震源激發(fā)信號(hào)m(t)，過程如圖2所示.其中，電控箱的電子系統(tǒng)和電磁激振器的機(jī)械系統(tǒng)均可視為是線性系統(tǒng)，信號(hào)經(jīng)過此過程只產(chǎn)生線性變化.而基板-大地耦合系統(tǒng)則為非線性系統(tǒng)(Lebedev and Beresnev，2004； Saragiotis et al.,2010)，對(duì)信號(hào)的幅度及相位均產(chǎn)生非線性變化(陶知非，2007; Boucard and Ollivrin，2010).因此，震源激發(fā)信號(hào)m(t)實(shí)際上是控制信號(hào)s(t)經(jīng)過上述線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)后產(chǎn)生一定畸變的結(jié)果，可表示為

(1)

公式(1)中K為幅度畸變，t1為相位畸變等效的時(shí)間延遲.激發(fā)信號(hào)經(jīng)地下介質(zhì)作用后由檢波器接收形成地震信號(hào).設(shè)一道檢波器信號(hào)為y(t)，其中的1個(gè)反射波為f(t)，可表示為

(2)

式中B為地下介質(zhì)作用產(chǎn)生的幅度畸變，t2為該反射波的到時(shí).針對(duì)該反射波f(t)，基于震源激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)，則相關(guān)檢測(cè)結(jié)果為

(3)

當(dāng)τ=t2時(shí)，rfm(τ)達(dá)到最大值，即對(duì)于f(t)的到時(shí)檢測(cè)為t2，與準(zhǔn)確值相符.

但在實(shí)際應(yīng)用中，由于震源激振器質(zhì)量較大，且需要基板與大地盡可能緊密耦合，才能實(shí)現(xiàn)震源能量有效傳入地下，因此無法在基板與大地之間放置傳感器直接測(cè)量激發(fā)信號(hào).目前針對(duì)電磁式可控震源，常規(guī)方法基于震源控制信號(hào)或基板附近信號(hào)作為相關(guān)檢測(cè)的參考信號(hào).

3.2震源控制信號(hào)

震源控制信號(hào)為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)掃描信號(hào)，但通過對(duì)圖2的分析，由于基板-大地耦合系統(tǒng)的非線性作用(Wei and Phillips，2012)，尤其當(dāng)耦合效果不佳時(shí)，震源激發(fā)信號(hào)與控制信號(hào)相比，幅度與相位均產(chǎn)生較大畸變.

針對(duì)3.1節(jié)中的反射波信號(hào)f(t)，基于震源控制信號(hào)s(t)作為參考信號(hào)，則相關(guān)檢測(cè)結(jié)果為

(4)

式中當(dāng)τ=t1+t2時(shí)，rfs(τ)達(dá)到最大值.因此，基于控制信號(hào)s(t)作為參考信號(hào)時(shí)，對(duì)于反射波f(t)的到時(shí)檢測(cè)結(jié)果為t1+t2，與準(zhǔn)確值t2不符，使到時(shí)檢測(cè)出現(xiàn)誤差.

3.3基板附近信號(hào)

如圖2所示，震源激發(fā)信號(hào)經(jīng)地表作用進(jìn)入檢波器形成直達(dá)波.同時(shí)，由地震波傳播原理，震源激發(fā)信號(hào)也會(huì)向地下傳播，經(jīng)地下各層介質(zhì)反射、透射、折射等作用進(jìn)入檢波器，形成反射波和干擾波，此處干擾波的含義包括折射波、面波等以及環(huán)境噪聲等(姜弢等，2008).因此，每一道檢波器采集的信號(hào)同時(shí)包含直達(dá)波、反射波和干擾波，是震源激發(fā)信號(hào)經(jīng)過一系列系統(tǒng)作用后結(jié)果的累加.基板附近信號(hào)與其他檢波器信號(hào)并無差別，只是位置上與震源更近，直達(dá)波能量更強(qiáng).

(5)

由公式(5)，基板附近信號(hào)為

(6)

基于基板附近信號(hào)y1(t)作為參考信號(hào)，則第i道檢波器記錄進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)之后的結(jié)果為

(7)

(8)

設(shè)di(t)=ri,0(t)?r1,0(t)，

(9)

公式(7)—(8)中，?代表相關(guān).公式(9)中，di(t)為直達(dá)波，Ri(t)為相關(guān)檢測(cè)出的n個(gè)反射波，而mi(t)為實(shí)際不存在但卻被檢測(cè)出的虛假多次波信號(hào).實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，由于地下介質(zhì)對(duì)地震波的吸收和衰減(葛利華等，2012)，深層反射波能量很弱，不經(jīng)過自動(dòng)增益控制(姜弢等，2012)，可識(shí)別的虛假多次波雖不明顯，但仍會(huì)對(duì)后續(xù)的處理和解釋造成困難.

4CDRSBRES原理

通過上述實(shí)驗(yàn)與理論分析，在地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基板-大地耦合不佳時(shí)，基于震源控制信號(hào)或基板附近信號(hào)作為相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)的方法存在到時(shí)檢測(cè)誤差和虛假多次波問題.因此，考慮重新構(gòu)建震源激發(fā)信號(hào).結(jié)合圖2分析基板附近檢波器，實(shí)際工作中，該檢波器位置與震源基板距離極近，通常小于1 m.震源激發(fā)信號(hào)m(t)首先在地表傳播了極短距離后即被其接收，形成為直達(dá)波g(t).若忽略地表對(duì)激發(fā)信號(hào)在此極短距離內(nèi)的作用，則直達(dá)波g(t)的波形與激發(fā)信號(hào)可等效為一致.因此，在無法直接測(cè)量震源激發(fā)信號(hào)的情況下，考慮利用直達(dá)波與其他地震波到時(shí)不一致的特點(diǎn)，通過合理設(shè)計(jì)匹配濾波器，從基板附近信號(hào)中有效分離、提取直達(dá)波來重構(gòu)激發(fā)信號(hào)，將更有效地實(shí)現(xiàn)電磁式可控震源地震數(shù)據(jù)的高精度檢測(cè)，這就是本文提出的重構(gòu)激發(fā)信號(hào)原理，簡(jiǎn)要示意如圖3所示.

圖3　基板附近信號(hào)中提取直達(dá)波過程

5CDRSBRES方法

5.1重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào)

(1)由于震源激發(fā)信號(hào)為調(diào)頻信號(hào)，基板附近信號(hào)中的直達(dá)波、各層反射波、干擾波等信號(hào)雖然到時(shí)不同，但由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在時(shí)域內(nèi)混合在一起，無法直接提取直達(dá)波.因此，首先構(gòu)建控制信號(hào)的匹配濾波器.

(10)

公式(10)中，A為信號(hào)幅度，f0為信號(hào)起始頻率，f1為信號(hào)終止頻率，T為掃描時(shí)間.

設(shè)計(jì)控制信號(hào)s(t)的匹配濾波器(段云卿，2006)，濾波器長(zhǎng)度與s(t)相同，延時(shí)為0，其沖激響應(yīng)h(t)為

(11)

即控制信號(hào)s(t)的匹配濾波器沖激響應(yīng)h(t)是原信號(hào)的共軛映像.

(2)使基板附近信號(hào)y1(t)通過該匹配濾波器，結(jié)果為

(12)

公式(12)中，*代表卷積.從卷積結(jié)果v1(t)中，選取適當(dāng)長(zhǎng)度窗口，分離、提取初至信號(hào)d1(t)(圖3中，右側(cè)矩形框內(nèi)兩條黑線標(biāo)記部分)，作為直達(dá)波.其中，窗口長(zhǎng)度的選擇要求保證盡量完整地分離初至信號(hào)，同時(shí)不包含反射波、折射波等強(qiáng)干擾信號(hào).

此時(shí)分離的直達(dá)波仍為地震子波形式，尚需變換為直達(dá)波本來的調(diào)頻形式g(t).

(3) 由圖3可得

(13)

根據(jù)卷積定理，兩信號(hào)在時(shí)域的卷積等效于兩信號(hào)在頻域的乘積，因此，對(duì)公式(13)兩邊進(jìn)行傅里葉變換，得到

(14)

通過傅里葉反變換，得到

(15)

公式(14)—(15)中，F(xiàn)和F-1代表傅里葉變換及其反變換.由于h(t)已知，d1(t)已由基板附近信號(hào)中分離、提取得到，所以可求得直達(dá)波g(t)，即對(duì)震源激發(fā)信號(hào)的估計(jì)，稱為重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào).

5.2相關(guān)檢測(cè)

基于重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)，與地震記錄進(jìn)行相關(guān)檢測(cè).其過程與常規(guī)相關(guān)檢測(cè)一致.

5.3譜白化處理

由于震源激發(fā)信號(hào)相對(duì)于控制信號(hào)產(chǎn)生了一定畸變，在相關(guān)檢測(cè)中會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的子波相關(guān)噪聲較強(qiáng)，即旁瓣干擾明顯.同理，基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)依然存在此問題，且與激發(fā)信號(hào)的相似程度越大，相關(guān)噪聲越明顯.為壓制相關(guān)噪聲，對(duì)相關(guān)檢測(cè)后的結(jié)果再進(jìn)行譜白化處理(邊國(guó)柱和張立群，1986)，補(bǔ)償信號(hào)的高頻部分能量，其過程可由下列步驟實(shí)現(xiàn).

(1) 針對(duì)一道信號(hào)，在其有效頻帶范圍內(nèi)，進(jìn)行若干窄帶通分頻濾波.其中，濾波器個(gè)數(shù)及頻帶范圍根據(jù)信號(hào)頻譜分析確定.

(2) 對(duì)每個(gè)窄帶通分頻濾波結(jié)果進(jìn)行時(shí)變?cè)鲆?首先將信號(hào)分成若干時(shí)窗，分別求出各自時(shí)窗內(nèi)振幅均方根值，再用時(shí)窗內(nèi)各值除以該均方根值，最后乘以常數(shù)因子.所分時(shí)窗長(zhǎng)度根據(jù)記錄中各層有效信號(hào)的到時(shí)確定.

(3) 將所有分頻濾波結(jié)果進(jìn)行時(shí)變?cè)鲆婧?，在時(shí)域內(nèi)疊加，則完成一道信號(hào)的譜白化處理.

(4) 最后，對(duì)每一道信號(hào)都進(jìn)行上述分頻濾波、時(shí)變?cè)鲆?、疊加的操作，則完成整個(gè)地震記錄的譜白化處理.

綜上，基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)方法CDRSBRES包括：重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào)，與地震記錄進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)和譜白化處理.

6數(shù)值模擬與分析

數(shù)值模擬中，采用5層水平層狀地下模型，其形態(tài)及其各層深度、速度如圖4所示.激發(fā)端，震源控制信號(hào)為線性掃頻的chirp信號(hào)，掃描頻帶為10～500 Hz，掃描時(shí)間為4 s，波形如圖5a所示.基板-大地耦合系統(tǒng)可看作帶通濾波器(林君，2004)，因此理想激發(fā)信號(hào)可認(rèn)為是控制信號(hào)通過非線性帶通濾波器的結(jié)果.其中，采用凱澤窗函數(shù)的FIR濾波器，通頻帶為20～250 Hz，相位滯后等效產(chǎn)生的延時(shí)為0.02 s，輸出結(jié)果如圖5b所示.接收端，基板附近檢波器與震源點(diǎn)位置為1 m，布置192道檢波器全排列接收，偏移距為4 m，檢波器道間距為4 m，記錄采樣率為4000 Hz，采集時(shí)間為6 s.這里僅考慮檢波器接收直達(dá)波、反射波和隨機(jī)噪聲，忽略折射波等影響，采用射線追蹤方法(姜弢等，2006)合成地震記錄.

圖4　5層水平層狀地下模型

圖5　數(shù)值模擬中的信號(hào)(a)震源控制信號(hào)；(b)理想激發(fā)信號(hào).

6.1理想激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)

首先針對(duì)由圖4模型模擬生成的地震記錄，基于圖5b所示的理想激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，得到理論上正確的檢測(cè)結(jié)果，如圖6a所示，作為對(duì)比其他方法檢測(cè)結(jié)果的參照標(biāo)準(zhǔn).

6.2震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)

針對(duì)由圖4模型模擬生成的地震記錄，基于震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，結(jié)果如圖6b所示.總體上比較，波形形態(tài)與圖5a一致.分析到時(shí)檢測(cè)精度，同時(shí)抽取圖6b，6a的第1道記錄，截取0～0.7 s在圖7中對(duì)比展示.其中，準(zhǔn)確到時(shí)由豎線標(biāo)出.因此，在地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基板-大地耦合不佳時(shí)，基于震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果雖然波形特征與模型一致，但對(duì)子波到時(shí)的檢測(cè)存在誤差，易對(duì)地下目標(biāo)體深度的解釋造成困難.

6.3基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)

針對(duì)由圖4模型模擬生成的地震記錄，采用基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，結(jié)果如圖6c所示，其中初至之前信號(hào)被切除.與圖6a相比，直達(dá)波下方(標(biāo)記實(shí)線框區(qū)域)檢測(cè)到重復(fù)出現(xiàn)的相似信號(hào)，即虛假多次波信號(hào)，嚴(yán)重干擾了反射波信號(hào).產(chǎn)生虛假多次波信號(hào)的原因可通過3.3節(jié)中的公式推導(dǎo)得出，即地震記錄與基板附近信號(hào)中的各層反射波重復(fù)進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè).虛假多次波信號(hào)成組出現(xiàn)，出現(xiàn)的個(gè)數(shù)等于基板附近信號(hào)中的反射波個(gè)數(shù)，出現(xiàn)的間隔等于各反射波的到時(shí)差.尤其在近偏移距端或地下層位較淺時(shí)，虛假多次波信號(hào)出現(xiàn)的間隔較短，造成的干擾更為明顯.而在遠(yuǎn)偏移距端或地下層位較深時(shí)，各反射波到時(shí)差較長(zhǎng)，虛假多次波信號(hào)造成的干擾降低(標(biāo)記虛線框區(qū)域).

因此，基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)，雖然考慮到基板-大地耦合系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生的非線性變化，但在地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基板-大地耦合不佳時(shí)，將使檢測(cè)結(jié)果中出現(xiàn)虛假多次波，降低了地震記錄的信噪比(姜弢等，2009)，易使處理結(jié)果出現(xiàn)虛假層位.

6.4CDRSBRES方法

針對(duì)由圖4模型模擬生成的地震記錄，應(yīng)用CDRSBRES方法進(jìn)行檢測(cè)，過程及結(jié)果如下.

6.4.1重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào)

首先，由公式(10)—(15)，從基板附近信號(hào)中分離、提取直達(dá)波以重構(gòu)震源激發(fā)信號(hào).其中，針對(duì)匹配濾波結(jié)果，在初至信號(hào)峰值點(diǎn)處選取0.03 s的窗口分離初至，作為直達(dá)波信號(hào)，經(jīng)過頻域與時(shí)域處理，其波形如圖8所示.

圖6　數(shù)值模擬可控震源地震記錄(a) 基于理想激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)； (b) 基于震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)； (c) 基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào).

圖7　地震信號(hào)單道記錄波形(豎線標(biāo)明準(zhǔn)確到時(shí))(a) 圖6b的第1道信號(hào)(0～0.7 s)；(b) 圖6a的第1道信號(hào)(0～0.7 s).

通過計(jì)算，圖8所示重構(gòu)激發(fā)信號(hào)與圖5b所示理想震源激發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)(崔子健等，2012)為0.9869，相似程度為高度線性相關(guān)，說明該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)震源激發(fā)信號(hào)的有效重構(gòu).

6.4.2相關(guān)檢測(cè)

基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)，與圖4模擬得到的地震記錄相關(guān)檢測(cè)，結(jié)果如圖9a所示.

6.4.3譜白化處理

分析圖9a的波形，子波相關(guān)噪聲較大，對(duì)深層微弱反射波造成干擾(標(biāo)記實(shí)線框區(qū)域)，因此繼續(xù)進(jìn)行譜白化處理.由于信號(hào)頻帶范圍為10～500 Hz，因此，分頻窄帶通濾波選擇的頻帶寬度為10 Hz.根據(jù)圖6a中各層反射波的到時(shí)，確定將長(zhǎng)度為1 s的每個(gè)窄帶通濾波結(jié)果分成10段，每段0.1 s進(jìn)行時(shí)變?cè)鲆妫?shù)因子選擇1.譜白化處理后的結(jié)果如圖9b所示，圖10a，10b分別為譜白化處理前后的單道信號(hào)的幅頻特性.可看出，譜白化處理有效地補(bǔ)償了信號(hào)高頻部分幅度，雖然信噪比有所下降，但相關(guān)噪聲減小，消除了對(duì)深層微弱反射波的干擾.

圖9b即為應(yīng)用本文提出的CDRSBRES方法的檢測(cè)結(jié)果，其中直達(dá)波和5層反射波清晰可見，與基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果圖6b相比，同樣位置并沒有虛假多次波出現(xiàn)，證明本方法檢測(cè)結(jié)果波形特征準(zhǔn)確，與模型相符.

圖9　基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果(a) 譜白化處理前； (b) 譜白化處理后.

圖10　地震信號(hào)幅頻特性(a) 圖9a的第10道信號(hào)； (b) 圖9b的第10道信號(hào).

圖11　地震信號(hào)單道波形(豎線標(biāo)明準(zhǔn)確到時(shí)) (a) 圖9b的第1道信號(hào)(0～0.7 s)； (b) 圖6a的第1道信號(hào)(0～0.7 s).

分析到時(shí)檢測(cè)精度，抽取圖9b與圖6a的第1道信號(hào)，如圖11對(duì)比展示.準(zhǔn)確到時(shí)由豎線標(biāo)出，證明本方法子波到時(shí)檢測(cè)準(zhǔn)確.

圖12　PHVS 500數(shù)據(jù)重構(gòu)的震源激發(fā)信號(hào)

7實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

數(shù)值模擬應(yīng)用證明了本方法的有效性.現(xiàn)將該方法應(yīng)用于問題描述中的西部某金屬礦區(qū)可控震源對(duì)比實(shí)驗(yàn)的PHVS 500地震數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見問題描述.參照數(shù)值模擬中的步驟，針對(duì)PHVS 500地震數(shù)據(jù)進(jìn)行震源激發(fā)信號(hào)的重構(gòu)，結(jié)果如圖12所示，可看出信號(hào)低頻和高頻段均產(chǎn)生了畸變.

隨后對(duì)該P(yáng)HVS 500地震數(shù)據(jù)基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，并進(jìn)行譜白化處理，得到的地震記錄如圖13a所示，并與相同激發(fā)點(diǎn)MiniVib T15000地震記錄圖1a進(jìn)行對(duì)比分析，此處為方便對(duì)比，如圖13b重新所示.

圖13a中，箭頭指示的有效信號(hào)及其下方其他波組特征，以及面波、聲波等信號(hào)，直觀上與圖13b表現(xiàn)一致.抽取圖13a，13b的第155道信號(hào)，截取0.15～0.4 s在圖14中對(duì)比展示，其中虛線為PHVS 500數(shù)據(jù)，實(shí)線為MiniVib T15000數(shù)據(jù).針對(duì)標(biāo)記點(diǎn)劃線窗口范圍內(nèi)，由箭頭標(biāo)注的同一子波，兩地震記錄的到時(shí)誤差約為0.001 s，兩波形相關(guān)系數(shù)為0.90，為高度線性相關(guān).

由于PHVS 500輸出力為300 N，而MiniVib T15000輸出力為30000 N，在相同噪聲條件下兩震源地震記錄信噪比相差約100倍，即40 dB，導(dǎo)致子波到時(shí)檢測(cè)存在微小偏差.同樣由于輸出力差距，遠(yuǎn)偏移距端(約400 m，圖13a，13b標(biāo)記點(diǎn)劃線框區(qū)域)，PHVS 500雖能夠檢測(cè)到有效信號(hào)，但能量相對(duì)較弱，信噪比低于MiniVib T15000.兩震源在輸出力相差100倍情況下，PHVS 500基于CDRSBRES方法檢測(cè)得到的地震記錄在波形特征和子波到時(shí)檢測(cè)上與大輸出力液壓震源MiniVib T15000地震記錄一致，由此可見CDRSBRES方法在實(shí)際應(yīng)用中效果明顯.

此外，由于驅(qū)動(dòng)形式不同，雖然兩臺(tái)震源采用相同的控制信號(hào)頻帶范圍(10～120 Hz)，但PHVS 500的實(shí)際激發(fā)信號(hào)頻帶范圍更寬(王俊秋等，2011)，比較近偏移距端淺層信號(hào)(圖13a，13b標(biāo)記虛線框區(qū)域)，圖13a的信噪比和分辨率較圖13b都得到了明顯改善，同相軸更加清晰.針對(duì)該P(yáng)HVS 500地震數(shù)據(jù)，基于常規(guī)兩種方法檢測(cè)得到的記錄已于圖1b，1c展示，現(xiàn)將CDRSBRES方法檢測(cè)結(jié)果圖13a與其進(jìn)行對(duì)比.針對(duì)子波到時(shí)檢測(cè)，圖1a，1b中，箭頭指示的同一子波到時(shí)檢測(cè)相差約0.012 s.該子波對(duì)應(yīng)圖14中箭頭所示的子波，精確對(duì)比得知，圖13a，13b對(duì)于該子波到時(shí)檢測(cè)相差約0.001 s.根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到的均方根速度約為1860 m·s-1，以MiniVib T15000檢測(cè)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，基于震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)垂向精度誤差約11.16 m，而基于CDRSBRES方法的檢測(cè)結(jié)果誤差僅為0.93 m，后者檢測(cè)精度大幅提高.

圖13　西部某金屬礦區(qū)可控震源實(shí)驗(yàn)地震記錄(a) PHVS 500地震記錄，CDRSBRES方法； (b) MiniVib T15000地震記錄.

針對(duì)波形形態(tài)檢測(cè)，分別將圖13a與圖1c中標(biāo)記實(shí)線框區(qū)域放大，如圖15a，15b對(duì)比展示.圖15a中同樣區(qū)域并沒有類似的虛假多次波信號(hào)出現(xiàn).因此，在該測(cè)區(qū)地下結(jié)構(gòu)條件下，CDRSBRES方法檢測(cè)得到的結(jié)果解決了基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)時(shí)存在的虛假多次波問題，提高了地震記錄的信噪比.

圖14　不同震源地震記錄同道信號(hào)波形比對(duì)(0.15～0.4 s)，虛線為PHVS 500的CDRSBRES檢測(cè)結(jié)果，實(shí)線為MiniVib T15000檢測(cè)結(jié)果

圖15　PHVS 500基于不同參考信號(hào)方法得到的地震記錄局部區(qū)域放大圖(a) 圖13a中標(biāo)記實(shí)線框區(qū)域； (b) 圖1c中標(biāo)記實(shí)線框區(qū)域.

8結(jié)論與討論

通過對(duì)本文的總結(jié)，可得出如下結(jié)論.

(1) 基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)方法適用于地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基板-大地耦合不佳時(shí)電磁式可控震源地震數(shù)據(jù)的相關(guān)檢測(cè).有利于解決基于基板附近信號(hào)作為參考信號(hào)引起的虛假多次波問題和基于震源控制信號(hào)作為參考信號(hào)導(dǎo)致的子波到時(shí)檢測(cè)誤差問題.

(2) CDRSBRES方法為微弱可控震源地震數(shù)據(jù)的高分辨率檢測(cè)提供了有效方法.電磁式可控震源PHVS 500由于設(shè)計(jì)上對(duì)便攜性的考慮(PHVS 500可兩人抬行)，輸出力較小，抗干擾能力弱，但是采用合適的檢測(cè)方法，如CDRSBRES方法，仍可獲得與大型液壓式可控震源MiniVib T15000質(zhì)量相當(dāng)?shù)牡卣鹩涗?

(3) 合理利用譜白化處理，可有效去除相關(guān)噪聲，進(jìn)一步提高可控震源地震記錄的分辨率，使電磁式可控震源更好地應(yīng)用于淺層高分辨率地震勘探.

本論文提出的方法以直達(dá)波提取為基礎(chǔ)，但未贅述直達(dá)波提取細(xì)節(jié).這里簡(jiǎn)單進(jìn)行討論.直達(dá)波分離過程中，提取直達(dá)波應(yīng)以保證盡量完整分離子波，同時(shí)減少混入其他干擾信號(hào)為基本原則，具體地要考慮震源信號(hào)帶寬、地震子波能量、地表介質(zhì)特性等方面.

1) 震源控制信號(hào)頻帶.頻帶范圍越寬，相關(guān)檢測(cè)后的地震子波寬度越窄，此時(shí)子波提取窗口長(zhǎng)度不應(yīng)過寬，避免混入其他干擾信號(hào).

2) 提取子波能量要求.當(dāng)直達(dá)波與淺層反射信號(hào)、地表各類干擾信號(hào)混合得較嚴(yán)重時(shí)，需要縮短直達(dá)波提取窗口，以減少干擾信號(hào)，提高信噪比，此時(shí)可設(shè)定當(dāng)窗口內(nèi)波形能量大于全部直達(dá)波能量的80%～90%時(shí)達(dá)到要求，本文仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)選取90%.

3) 地表介質(zhì)物性差異.直達(dá)波傳播過程中受地表介質(zhì)物性的影響，會(huì)被吸收和衰減.介質(zhì)成分不同，吸收和衰減影響存在較大差異，如果直達(dá)波衰減嚴(yán)重，為保證信噪比，需減小直達(dá)波窗口，反之增大窗口長(zhǎng)度.

綜上，基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)方法能更好地實(shí)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域的電磁式可控震源地震數(shù)據(jù)的高精度檢測(cè)，對(duì)于便攜式可控震源地震勘探具有重要意義.

致謝特別感謝吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院教育部地球信息探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳祖斌教授、張林行、孫峰、鄭凡、王俊秋副教授等和葛利華博士、馮博碩士等在西部某金屬礦區(qū)可控震源對(duì)比實(shí)驗(yàn)中提供的幫助！特別感謝張雪昂博士的全程幫助！

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)SinoProbe-09-06 (201311197；201011083) ，SinoProbe-09-04 (201011081)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20110061110053)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介楊志超，男，1986年生，博士，主要研究方向?yàn)榭煽卣鹪吹卣鹦盘?hào)處理.E-mail: zcyang12@mails.jlu.edu.cn *通訊作者姜弢，女，1969年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榈卣饍x器及信號(hào)處理.E-mail:jiang_t@jlu.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160127 中圖分類號(hào)P631

收稿日期2014-12-09，2015-10-09收修定稿

Research on correlation detection reference signal based on the reconstructed excitation signal for electromagnetic seismic vibrator

YANG Zhi-Chao1,2， JIANG Tao1,2*， XU Xue-Chun3， LIN Jun1,2，JIA Hai-Qing1,2， MA Rui-Qi1,2， CHEN Zhen-Zhen1,2

1CollegeofInstrumentScienceandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130061,China2KeyLaboratoryofGeo-explorationInstruments,MinistryofEducationofChina(JilinUniversity),Changchun130061,China3CollegeofEarthScience,JilinUniversity,Changchun130061,China

AbstractThe electromagnetic seismic vibrator has wide application prospect in high resolution seismic exploration. However, in searching of correlation detection reference signal for electromagnetic seismic vibrator, two conventional methods both have problems compared to hydraulic seismic vibrator in the condition that the subsurface media is complex or the base-plate is poorly coupled with ground. One method that based on the control-signal will cause error of wavelet arrival time. The other one that based on the near base-plate signal will cause error of waveform characters, called false multiple waves in this paper.

KeywordsElectromagnetic seismic vibrator； Correlation detection； Reference signal； Excitation signal； Reconstruction

楊志超， 姜弢， 徐學(xué)純等. 2016. 基于重構(gòu)激發(fā)信號(hào)的電磁式可控震源相關(guān)檢測(cè)參考信號(hào)方法研究.地球物理學(xué)報(bào)，59(1):318-329,doi:10.6038/cjg20160127.

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