海洋技术▏拖缆式浅地层剖面采集系统改进方法
浅地层剖面探测是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。在采集过程中，由于是海上的工作环境，从而导致周围环境干扰比较严重，比如船干扰和涌浪干扰，由于在走航施工过程中船只的摆动导致拖缆姿态的变化，也是影响浅地层剖面地震资料采集品质的原因。同时浅地层剖面地震资料采集是自激自发的采集方式，震源激发能量较强，震源激发主频较高，所以采集到的地震资料分辨率较高。对于高分辨的地震资料，如何消除噪音的干扰是最关键的步骤。目前，在野外施工使用的浅地层剖面采集系统一般采用接收端检波点组合的方式进行的采集，组合方式一般有12道或24道线性组合。通过组合的方式利用有效波和干扰波在传播方向的不同来压制干扰波，主要是用于压制面波之类的低视速度的规则干扰和无规则的随机干扰，可以有效消除浅地层剖面地震资料采集过程中的环境干扰。组合的优势显而易见，但同样的组合也存在它的缺点。对于平面波而言，组合后的信号频率与组合前单个检波器的信号频率是一样的，因此没有频率畸变，而实际地震波不是简谐波，而是包含许多频率成分的脉冲波，由于有效波到达各检波器的时间存在时差，所以组合后的波形就会产生畸变。
新的浅地层剖面采集系统采用拖缆式施工、多道、检波点不组合的方式进行采集，即可以获得各检波点采集到的数据，同时本系统也改进了传统拖缆式浅地层剖面采集资料监控方式，相对于传统浅地层剖面只能监控连续多炮地震记录的方式，本系统可以同时监控原始单炮记录、直接叠加后单道记录、时差校正后叠加单道记录、时差校正后地震剖面。其主要优势是可以有效的消除在海水深度较浅的环境下传统拖缆式采集系统多检波器直接组合导致的波形畸变和高频信息丢失的问题。
一、传统浅地层剖面采集缺陷
传统浅地层剖面采集系统中采用检波点端组合的方式进行采集，我们获得的数据是经过组合后单道数据。下面通过组合的基本原理来分析传统浅地层剖面采集过程中采用线性组合的方式所存在的缺陷。
设有n个等灵敏度检波器沿直线等距Δx排列，设地震波为平面波，波前与地面所成角度为α，地震波速度为v。将第1个检波器接收到振动的时间记为0，振动函数为f(t)。如图1所示，第2个检波器接收到的振动要比第1个检波器接收到的振动晚Δt，Δt＝R2B/v＝ΔxSinα/v。所以，第2个检波器接收到的振动是f(t－Δt)，第n个检波器接收到的振动为f(t－（n－1）Δt)，即组合后的振动记作F(t)，并有：
F(t)＝f(t)＋f(t－Δt)＋f(t－2Δt)＋…＋f(t－（n－1）Δt) ⑴
对上式两边取傅里叶变换，将F(t)的傅里叶变换记作G（jω），可得：
G（jω）＝g（jω）＋g（jω）•e－jωΔt＋g（jω）•e－2jωΔt＋…g（jω）•e－（n－1）jωΔt ⑵
即：
G（jω）＝g（jω）×(Sin﹙nωΔt/2﹚/ Sin﹙ωΔt/2﹚)/e－j（n－1）/2ωΔt ⑶
从组合的原理可以确定，组合过程可以视为一个滤波过程。设：
图1 简单线性组合示意图
K（jω）＝(Sin﹙nωΔt/2﹚/ Sin﹙ωΔt/2﹚)/e－j（n－1）/2ωΔt ⑷
函数K（jω）与信号的形状无关，与信号的到达时间无关，只与信号的频率以及信号到达组合内各检波器的相对时差Δt有关。如图1中所示，在野外进行浅地层剖面地震资料采集过程中，最小炮检距为S，道间距为Δx，共有12道接收，海水深度和速度分别为H和v，波前面和海水面的夹角为α。根据组合基本原理可得Δt＝ΔxSinα/v。当只考虑海水深度H对Δt的影响时，设最小炮检距S为3m，道间距Δx为1m，海水速度为1500m/s，可以得到海水深度对一次波到达时差的影响曲线（图2）。
（A）震源在单边；（B）震源在中间
图2 海水深度H对一次波到达时差的影响曲线
从图2可以看出，无论震源在单边激发还是在中间激发，随着海水深度的增加，一次波到达各道的时差越来越小，并逐渐趋于稳定，即海水深度对一次波到达时差的影响越来越小。如图2（A）中所示，当海水深度为15m时，一次波到达时差为2ms，若直接叠加的话，必然出现一次波波形畸变现象，同时会对200Hz以上的频率产生压制现象，所以在海水较浅的环境中传统拖缆式浅地层剖面采集系统对波形畸变和高频信息压制的影响越明显。
下面根据组合的方向—频率特性公式⑸来考察一下组合后组内距对波形畸变的影响程度。
y(f)＝SinnπfΔt/nSinπfΔt ⑸
固定组合数目n，以Δt为参量、以f为横坐标变量，可以绘制组合频率特性曲线，如图3。
图3 组合频率特性曲线
从组合频率特性曲线（图3）可见，当Δt≠0时，组合是有滤波作用的，总的来说具有低通特性，随着Δt增大，频率特性曲线通放带与压制带越明显，并且通放带变窄，表明组合具有频率滤波作用，尤其对高频成分有明显的压制作用，组合后波形产生畸变。而我们在进行浅地层剖面探测时，换能器将控制信号转换为不同频率的声波脉冲向海底发射，穿透深度通常为10～200m，分辨率一般为3～20cm，在如此高要求的分辨率的情况下，地震资料中的高频成分起到非常关键的作用，保证高频成分的完整性是笔者在处理浅地层剖面资料至关重要的环节。目前浅地层剖面探测仪器通常采用检波点组合的方式采集，由于各检波器之间的距离Δx≠0，所以会对采集的地震资料中的高频成分产生一定的压制作用，即是由于采集方式的不合理导致高频信息的丢失。
二、浅地层剖面采集系统改进方法
为了保证浅地层剖面地震资料中的高频成分和消除组合后波形畸变的影响，本文利用多道地震资料采集的思想，设计新的浅地层剖面采集系统，并通过正演模拟的方式验证方法的效果。该采集系统的结构主要包括：导航定位系统、采集工作站、震源控制、震源、信号拖缆和12个单元组合水听器；主要功能包括：采集浅剖单炮数据、自动根据获取的导航信息及排列布放方式生成各道偏移距信息、自适应完成时差校正并输出单炮记录、校正叠加单道剖面和未校正的单道剖面。本文中新的浅地层剖面采集系统设计12道检波器接收地震资料，采用拖缆式施工、多道、检波点不组合的方式进行采集，既相较于传统浅地层剖面采集方式，新的采集方式可以获得采集系统中各道的地震资料。当各道检波器采集到实际地震资料进入采集工作站后，本系统可以通过自动识别的海水速度和预先设计的观测系统参数计算各道间的相对时差，并对各道间的时差进行修正，从而获得时差校正后的地震记录，同时达到消除传统浅地层剖面采集方式中高频成分丢失和波形畸变的问题。
具体步骤如下：
⑴获得各道检波器采集到的单炮记录；
⑵采集系统根据预设参数确定时窗范围；
⑶利用系统自动识别海水速度并对单炮记录中的各道进行初步时差校正；
⑷系统根据观测系统参数和自动识别海水速度计算出单炮记录中的各道时差；
⑸利用计算出的各道时差对原始单炮记录上对各道记录进行自适应时差校正；
⑹将进行过时间校正的各检波道进行叠加，获得单道数据；
⑺输出单炮记录和自适应校正叠加后的单道记录以及未做校正直接叠加的单道数据。
在资料监控环节，本系统采用多资料监控模式，即同时对原始单炮记录、未校正叠加后单炮记录、时差校正后叠加单道记录、时差校正后连续多炮地震记录进行监控。图4和图5分别为浅地层剖面采集系统改进方法中的拖缆示意图和采集系统监控界面显示示意图。
据SIG16．24．24．66型号拖缆示意图
图4 浅地层剖面拖缆示意图
图5 采集系统监控界面显示示意图
三、正演模拟验算
下面通过正演模拟的方式验证本方法的实用效果。本文设计如图6所示的70m×70m的理论模型，海水以下设置3个地层，地震子波是主频为600Hz的雷克子波，拖缆沉放深度为1m，海水深度为15m，最小偏移距为3m，道间距为1m。
图6 正演模型
图7所示为时差校正前后地震记录，在未做时差校正处理时可以看到直达波和一次波的波形是倾斜的，说明直达波和一次波到达各检波器的时间存在一定的时差，在做过自适应时差校正处理后的地震记录中可以看到直达波基本上被校平，并且一次波的波形也获得了相应改善，说明在做过处理后地震记录中消除了由于道间距存在的原因导致直达波和一次波到达各检波器时间存在误差的情况。
图7 时差校正前后地震记录
从图8时差校正前后各道叠加后波形对比图可以看到，在经过校正后的波形更加清晰，相对能量更强，同时消除了波形畸变现象。
A：原始单道B：校正前C：校正后
图8 时差校正前后各道叠加后对比
对时差校正前后地震记录进行频谱分析（图9）可以看出，在经过时差校正后高频成分得到提升，效果比较明显。
图9 时差校正前（A）和校正后（B）频谱分析对比
四、结论
通过理论试算和模型正演分析可以得出，改进后的拖缆式、多道方法的浅地层剖面采集系统可以使地震资料的高频信息更丰富，波形更真实。新的浅地层剖面采集系统可以在采集环节解决传统浅地层剖面采集系统中由于组合的原因导致地震资料中高频成分被压制和波形畸变的问题，并且本系统可以同时对原始单炮记录、未校正叠加后单炮记录、时差校正后叠加单道记录、时差校正后连续多炮地震记录进行监控。
【致谢】感谢东方地球物理公司的GeoEast系统对本论文研究的支持。
【作者简介】文/郑洪浩 童思友 吴志强 王杰，分别来自中国海洋大学海底科学探测与技术教育部重点实验室、青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室和中国地质调查局青岛海洋地质研究所；第一作者郑洪浩，男，1991年出生，中国海洋大学海底科学探测与技术教育部重点实验室，在读硕士，主要从事地震资料采集与处理方面的研究工作；本文来自《海洋地质前沿》（2018年1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
相关阅读推荐
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏452218808@qq.com