可控震源原理及说明Word文档下载推荐.docx
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同炸药震源相比，利用可控震源进行地震勘探施工其主要优点表现为：
1）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。
2）由于使用可控震源进行地震勘探时，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，因此可控震源相关记录能够压制一些环境噪声影响，震源相关记录具有较高的信噪比。
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环境噪声干扰。
3）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，并且其输出能量大小可调。
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。
4）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。
4．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：
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。
二．可控震源工作原理
2．1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。
这类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：
S（t）＝A（t）Sin［2π×
（F1t±
kt2／2］0≤t≤TD
（1）
[1+Cosπ（t/T1+1）]/2，0≤t＜T1
A（t）＝1T1≤t＜TD-T1
[1+Cosπ（1+（TD-t）/T1]/2，TD-T1≤t≤TD
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，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为扫描信号持续时间，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。
图2线性升频和降频扫描信号（a）升频扫描信号；
（b）降频扫描信号。
有关线性扫描信号物理量的几个定义：
图3扫描信号的几个物理量
⑴扫描信号终了频率F2：
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（3）
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）
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）
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）
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±
kt0≤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。
2．2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。
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，如图4所示。
图中第1道表示地层反射特性曲线，第2道为传入大地的可控震源信号，第3、4、5道分别表示几个地层反射信号。
这些反射信号在时间上相互重叠、干涉后形成如图中第6道所示曲线，这就是可控震源原始记录。
显然，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。
图4可控震源相关记录形成示意图
2．2．1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：
（1）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。
（2）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。
图5相关过程示意
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）
式中，τ为时移，在相关函数曲线中，时移τ为横座标，相关值为纵座标，相关函数的自变量为时移τ。
如果τ＝0时，表明两个波形起始时间均为0，两个波形重合，自相关曲线具有最大值。
在对可控震源记录进行相关处理过程中，参考信号与检波器所接收到的信号以时移τ值为步长进行相关运算，直到移出震源记录长度为止。
如图5所示。
简单了解了相关处理过程，现在让我们再回顾图4。
图4中所示可控震源记录原始记录是由三个反射层叠加而成的，当用参考信号与震源原始记录相关时，可以认为是用参考信号分别与三个反射信号进行相关，则每一个地层反射信号与参考信号相关后都会得到一个相关子波曲线，然后将它们叠加起来，形成图4中第7道所示、类似于炸药震源记录的曲线以用于地震解释。
在此需强调一点，由相关过程我们可以知道，不同于炸药震源记录是用于刻画地面质点运动速度的，可控震源相关记录是由一系列相关子波所构成，它们描述参考信号和地震反射信号相似程度，是相关计算的结果。
在可控震源相关记录上，表示一个波到达的时间是相关子波最大值出现时刻，而不是相关子波的“初至”。
2．2．2相关函数子波特性
（1）自相关函数子波
自相关函数的定义：
若在式（14）中，令a（t）＝b（t），则有：
Φaa（τ）＝Σa（t）a（t+τ）（15）
称Φaa（τ）为a（t）的自相关函数。
自相关函数的几个重要性质：
1）在自变量τ＝0时，自相关函数有着正的最大值。
这一点由图5可知，当τ＝0时，两个波形完全相同并且重叠，相似程度最大，因此Φaa（0）为最大。
自相关函数子波在τ＝0点处的振幅值代表了扫描信号相关子波的能量。
换句话说，自相关子波的最大值即中心波峰幅值等于扫描信号的总能量。
2）自相关函数Φaa（τ）是τ的偶函数，也即自相关子波是一个关于坐标中心轴对称的波形。
3）当τ→+∝时，一般而言，自相关函数Φaa（τ）趋向于0。
这是因为在实际应用中，我们所研究的扫描信号波形持续时间总是有限长度，当τ→+∝时，两个波形将不再重叠，完全分开，亦即两个波形毫无相似性可言，自相关函数值就为0。
4）自相关函数Φaa（τ）的波形与信号a（t）本身波形无关，而只与信号中所包含的频率成份有关，也就是说频率分量相同而波形不同（即振幅谱相同，而相位谱不同）的两种信号可以有完全相同的自相关函数。
（2）互相关函数子波
与自相关函数不同，互相关则有以下性质：
1）在τ＝0时，互相关函数Φab（τ）不一定具有最大值。
一般情况下，互相关函数Φab（τ）在某个τmax值时，才达到最大值。
2）一般情况下，Φab（τ）不是关于τ的偶函数。
3）互相关函数Φab（τ）只包含有信号a（t）与b（t）中所共有的频率成份。
这一性质表明相关具有较强的滤波作用。
我们可以利用互相关函数这一性质选择扫描信号频率，压制环境噪声干扰。
为了更好理解相关处理的滤波作用，下面给出几个不同频率信号间进行互相关的例证：
（1）两个相位相差90°
的扫描信号进行相关后，它们的互相关子波为一个关于原点对称波形，所图6所示：
图6相位相差90°
的两个扫描信号的互相关子波
从相关波形上可以看出该相关子波中间的波峰与波谷的信号幅值相等，波形中没有类似自相关子波的主波峰。
（2）一个10-40HZ的扫描信号与一个30HZ正弦波相关后，得到一个30HZ的正弦波。
在相关波形中仅含有两个信号所共有的30HZ频率成份，因此，相关后得到一个30HZ的正弦波。
如图7所示。
（3）一个扫描信号与一个脉冲信号相关，仍为一个扫描信号，但这个扫描信号的性质发生了改变，如果相关前为升频扫描，则相关后的子波变为降频扫描，如果相关前为降频扫描，则相关后的子波变成升频扫描。
如图所示。
图8扫描信号与脉冲信号相关
在可控震源施工中，如果脉冲信号很强，则产生的相关子波能量也就相应较强。
若在可控震源原始记录中存在一个强脉冲信号，在相关记录中就会产生一个很强的扫描信号，从而将记录中的有效相关反射信息覆盖。
这一点应在可控震源野外施工中引起重视，采取相应措施加以防止。
（4）一个10-40HZ的扫描信号与50HZ的正弦波相关，由于这两个信号间没有包含共有频率成份，因此，相关后无信号输出。
利用相关这一特性，可以在设计、选择扫描信号参数时，设法避开某些具有干扰作用频率成分的信号，从而有效压制噪声干扰。
2．2．3相关子波
可控震源参考信号与与地层反射信号的相关子波是构成可控震源相关记录的基本波形，因此，相关子波的特性将直接影响震源面貌和资料的品质优劣，对相关子波性质的了解和研究也就显得尤为重要。
一个线性扫描信号的自相关子波W（τ）可以用下式表示：
W（τ）=1/πkT[Sin（πkτ（TD-τ）Cos2πf0]（16）
式中，k为扫描信号速率，f0为扫描信号中心频率，TD为扫描信号长度。
由式（16）导出的线性相关子波，亦称克劳德子波波形如图所示。
由图可知，相关子波的主要能量集中在波形的中心部位，即τ=0时刻附近。
对这种类型的相关子波中心部位特征分析可用清晰度、分辨率和延续时间三个量来刻画：
1）清晰度
图相关子波清晰度
清晰度可以用相关子波最大波峰值与相邻波峰值来表示，如图所示。
清晰度＝A1/A2（17）
图相对频宽相同的相关子波清晰度
清晰度越大，则波形越突出。
图表示了相对频宽与绝对频宽对自相关子波形态的影响。
图中的4个扫描信号虽然它们的绝对频宽不同，但相对频宽相同，都为ROCT＝2，由图可以看出它们的自相关子波的清晰度一样，只是相关子波频率不同而已。
下图中则说明相对频宽不同，而绝对频宽相同时的扫描信号对自相关子波形状的影响。
图相对频宽不同的相关子波清晰度
图中4个扫描信号的绝对频宽一样，即Δ＝24HZ，但相对频宽各不相同，由图中曲线可以清楚地看到相对频宽越窄，相关子波清晰度就越差。
由此可以知道，影响相关子波清晰度的是扫描信号的相对频带宽度，清晰度与扫描信号相对频宽R成正比，在实际工作中，当扫描信号的ROCT＞2时，倍频程相对频宽就可以得到足够的相关子波清晰度了。
3）分辨率
相关子波分辨率定义为相关子波的主波峰穿越时移座标的两个交点的时间间隔R，如图所示。
图相关子波分辨率
分辨率反映了扫描信号相关子波的分辨率，它与扫描信号的中心频率f0有关：
R＝1/2f0（18）
对于线性扫描信号的相关子波，只有在R≥3-4或者ROCT≥1.2-2才有意义。
分辨率可以通过增加信号的高频成份来加以改善。
4）相关子波的宽度
相关子波的宽度指相关子波主体部分的长度，也称相关子波延续时间，如图所示。
图相关子波宽度
它定义为：
相关子波宽度（T）＝2/绝对频宽（Δ）（19）
相关子波宽度也将影响震源相关记录的分辨能力，扫描信号绝对频宽Δ越宽，则相关子波宽度越窄。
评价相关子波优劣的三个原则：
相关子波峰值振幅在坐标时间轴零时刻的位置：
它决定了参考信号与可控震源信号间的启动同步精度。
相关子波的正、负边叶幅值：
在通常情况下相关子波正、负边应该对称，否则，则意味参考信号与可控震源信号之间存在着相位误差。
可控震源相关记录时间座标上正、负方向相关边叶水平：
若相关边叶幅值较大，则意味着可控震源信号中含有较强的谐波成分。
2．2．4相关子波边叶
我们考查一个相关子波特性，除了要分析相关子波清晰度、分辨率和有关指标以外，还要分析相关子波中心部位信号能量与相关边叶噪声分布情况。
在地震勘探中，希望信号的相关子波能量尽可能地集中在相关子波中心部位，但是，由式（16）所导出的一个线性扫描信号的相关子波波形如图所示，这一信号的自相关函数虽有脉冲压缩性能，但其旁瓣特性并不理想，该信号相关子波的能量并不是集中在子波中心部位，在相关子波两侧还有能量曲线波动，我们称之为相关边叶。
如果这些边叶能量衰减很慢，那么，经相关后的地震记录中浅层反射信号的相关子波边叶将对深层反射信号产生干扰，也就是说相关边叶将作为噪声背景存在于可控震源相关记录之中。
因为这种噪声不是由于物理因素（如高压线、风吹草动、车辆或人员走动）产生的振动形成，而是由于相关处理运算本身所产生的，所以称这种噪声为相关噪声。
图相关子波形态
由于相关噪声对地震资料有不良影响，因此，在实际工作中，选择扫描信号时，除了要考虑该扫描信号相关子波的频宽、分辨率、清晰度和可控震源物理、技术可实现性等因素之外，还需考虑的问题就是这个扫描信号有应尽可能小（或衰减迅速）的相关子波边叶，最大限度地减少相关边叶对地震记录的影响。
当扫描信号的包络函数接近矩形，也即过渡带很短时，由式（16）可以看出，相关子波边叶大小可以近似用1/（πΔτ）估算。
此时，扫描信号的绝对频宽Δ越大，也就是说，扫描信号绝对频带越宽，则相关边叶越弱；
反之，则边叶越强。
相关边叶产生的另外原因主要是由于扫描信号的边界效应，即扫描信号的突然开始和终止而引起的，如果在扫描信号开始和结束时，使信号振幅变化为一个渐进过程，即在扫描信号两边加斜坡的方法，就会使信号的相关子波边叶幅度大大减小。
显然，过渡带越长，相关子波边叶越平静，对相关边叶压制效果会更好些。
此外，不同类型的过渡带对压制边叶效果也不尽相同。
在常常可以选用不同的过渡带类型中，较为多见的为线性包络，正弦包络和余弦包络。
在这三种过渡带中以余弦包络压制相关边叶效果最好。
图三种不同的扫描信号包络
综上所述，影响相关子波边叶幅度大小的因素主要有三：
1）线性扫描信号的绝对频宽Δ；
2）线性扫描信号过渡带（或称扫描信号斜坡）的长度；
3）过渡带类型（或形状）。
在实际工作中，选用不同的扫描信号参数时，应综合考虑问题，如选择过渡带长度，既要考虑过渡带长度对压制相关边叶的的作用，也要考虑震源激发信号的能量，应选择合适长度的过渡带。
另外在选择信号频率时，也要注意信号频率范围，所选用的信号频率应比预期能接收到的频率范围要宽一些，否则有些预期可以接收到的信号频率落入到过渡带中，将会使信号振幅减弱，不利于提高地震资料频率特性。
2．2．5可控震源相关记录的几个特点
在了解了相关概念和性质之后，对可控震源相关记录与炸药震源记录的它们之间的不同就容易理解了。
可控震源相关记录同炸药震源记录一样，也可识别地层反射信号，也具有信号反射强度、地层极性和频谱等与炸药震源记录相同的特征，但更重要的是了解可控震源相关记录与炸药记录的一些不同点：
1．在地震勘探中，若炸药震源所采集的地震记录长度为TR（也称为听时间）时，那么，当使用可控震源进行勘探时，可控震源原始记录长度为TD+TR，震源原始记录与参考信号进行互相关后，所得到的长度为TR的可控震源相关记录与炸药震源记录相当。
图原始记录与相关记录长度间关系
2．可控震源相关记录基本上是由一系列零相位反射相关子波构成，但受到信号在大地传输和采集过程中所引入的信号相移和衰减等非线性因素的影响，可控震源相关子波的形态会有所改变，从而使可控震源相关子波呈现出某些非零相位子波的特性。
3．在可控震源相关记录中，相关子波的主波峰值出现的时刻与地震波反射开始时间相对应，它与炸药震源记录中反射波达到时刻，也即脉冲震源反射波初至时间相对应。
图可控震源相关记录与炸药震源记录反射波到达时间比较
4．在使用可控震源进行地震勘探时，若用速度检波器采集地震信号，那么，可控震源相关记录上的波形不表示实际地面质点的运动速度，而是描述大地质点运动速度与参考信号相关（或相似）程度的曲线，是相关处理数学运算的结果。
相关记录上的时间座标也不表示真实时间，而是相关函数自变量时移τ值。
3．可控震源野外施工方法
可控震源野外工作方法与炸药震源野外工作方法基本一致，即主要包括观测系统、信号激发和采集接收条件的选择。
但是，由于可控震源施工时所考虑的参数和因素可能更复杂些，所以，在可控震源施工时还需考虑一些特殊的问题。
3．1可控震源能量累积方法
与炸药震源这种高振幅信号激发源不同，可控震源属于低振幅信号激发源，它需要用时间和增加震源台次等能量累积的方法，来获取足够的地震反射波能量。
由前面对相关处理分析概念的讨论，我们知道，相关处理本身就有对震源信号能量累积的作用：
将持续时间为TD上分散的扫描信号能量集中在相关子波主峰附近，且扫描时间越长，相关反射能量越强。
但是，扫描长度受到地震数据采集系统存储容量、易在信号采集时引入噪声以及施工效率等因素的
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