CN109975875A - 一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***与方法，该***包括由下至上依次连接的固定与释放段、动力与工作段、拉直与定位段；该方法包括***配置、***布放、数据采集、***回收和数据处理五个步骤。本发明采用在随机位置上安装接收道上的水听器的技术方案，一定的水听器数量可以获得更长的垂直电缆长度，提高了可观测范围，降低了研发成本；相同长度、相同数量的水听器，随机位置接收可以实现小道间距地震探测效果；深海小型推进器可以调整电缆在水下的姿态，更有利于获取不同目标地质体的反射地震信号。本发明***工作稳定、灵活性高，可以根据不同的勘查目标连接多个电缆接收段，满足不同类型和尺度的深海地质与矿产资源勘查需求。
Description
技术领域
本发明涉及海洋调查领域，具体是一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***及方法。
背景技术
海洋地质与矿产资源调查是一项基础性与战略性的调查活动，其中地震探测方法在海底构造与矿产资源调查中发挥着重要作用。常规海面拖曳地震距离海底距离较远、信噪比较低等原因，分辨率一般只能满足浅海工程勘查的需求，无法满足深海大洋高分辨率探测的需要。
近年来，国内外垂直电缆地震(Vertical Cable Seismic,VCS)提供了一种深海和大洋高分辨率、高信噪比探测的一种手段。但国外的垂直电缆一般与海底地震(OceanBottom Seismometer,OBS)连接使用，也有用于硫化物调查的固定于海底的垂直缆，最大工作水深为2000m。国内的垂直电缆主要有两类，可独立使用或拖曳使用，但主要用于近海工程勘查和军事目标监测中。当前垂直电缆都是采用其长度和道间距固定的一体化电缆设计方式，造成设备的灵活性不足，对不同大小和尺度的探测目标适应性收到限制，且发生故障容易造成整条电缆无法工作。另外，深海大洋地震探测是一项十分昂贵的科研与调查活动，作业区域一般较远(目前如我国主要集中于西南印度洋、大西洋、太平洋等海域)，且深海探测对装备的耐压性和整体集成都具有较高要求，加上其技术垄断，设备研制难度较大，造价十分昂贵。多条电缆探测的作业模式更加剧了探测活动的成本。
由此可知，垂直缆虽有高分辨率、高信噪比探测的优点，但设备的灵活性和造价成本使得垂直缆在深海大洋地质构造和矿产资源调查为目的的地震探测中仍然受到极大的限制。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***及方法。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，该***包括由下至上依次连接的固定与释放段、动力与工作段、拉直与定位段；
所述固定与释放段包括通过凯夫拉绳依次连接的重锚、带测距功能的声学释放器、压力传感器和第一浮球组；所述重锚用于将***固定于海底表面，所述声学释放器用于完成***回收，所述压力传感器用于记录压力数据，所述第一浮球组用于拉直***避免下方设备触底；
所述动力与工作段包括供电与控制平台、数据接收电缆和第二浮球组；所述数据接收电缆中安装有负责记录震动信号的水听器和负责记录所在位置姿态的姿态仪，水听器在数据接收电缆中的位置是随机分布的；所述供电与控制平台用于完成***供电和***控制工作，在供电与控制平台上方安装第二浮球组；
所述拉直与定位段包括使用凯夫拉绳连接起来的用来确定所在点位置的声学应答器和用于拉直整套***的第三浮球组，所述第三浮球组位于整套***的最顶端。
进一步地，所述固定与释放段中，所述带测距功能的声学释放器使用两套设备组合工作，提高***释放的可靠性，两个释放器的释放钩之间通过钢链相连，且钢链穿过钢环，钢环通过凯夫拉绳连接重锚。
进一步地，所述动力与工作段中，所述水听器的分布利用分段随机采样策略进行设计；数据接收电缆是分段连接起来的，实际组缆中使用多个子段进行连接；设水听器个数为n，密集的等间隔网格点数为N，所述水听器随机分布于N个等间隔网格位置中的n个随机位置上，水听器布置方案如下：
1)将N个点分为n段；当N为n的整数倍时，可以等分，每个段有int(N/n)个点；当N不为n的整数倍时，等分之后还剩余nr＝N-int(N/n)*n个点，其中，int()为取整运算；
2)在n个段中，随机选择nr个段；然后将剩余nr个点随机归入被选择的nr个段中；
3)从步骤2)处理后的n个段中，各随机地抽取一个点位作为水听器的安装位置。
进一步地，所述动力与工作段中，所述姿态仪安装于每个子段的1/4和3/4位置处，以保证多个子段连接的时候可以使姿态仪均匀分布，便于测算数据接收电缆的姿态信息。
进一步地，所述水听器选用耐压性足够、供电充足，并在已有资料初步获取探测目标大小与范围的基础上，选择合适的基准道间距是指对应用于常规等间隔分布的电缆的道间距。
进一步地，所述动力与工作段中，所述供电与控制平台具有两个电池仓和一个采集控制仓，分别完成***供电和***控制工作；两个电池仓并联接入采集控制仓，采集控制仓通过16芯水密电缆接入数据接收电缆。
进一步地，所述动力与工作段中，小型深海推进器通过电缆与供电与控制平台连接，用于控制数据接收电缆的姿态。
另一方面，本发明提供一种随机接收的垂直电缆地震数据采集方法，包括以下步骤：
1)***配置：布放之前需要知道作业区域的高精度地形信息，作业位置不可以超过***的最大工作水深；根据***的重量和浮球的参数，计算整套***的三套浮球组的配置与组合(大小和数量)，保证***在水中的浮力是重量的1.5～2.0倍；
2)***布放：按照拉直与定位段、动力与工作段、固定与释放段的顺序布放入海，最后依靠重锚的自重将***沉入海底，并固定于海底表面；通过声学释放器甲板单元呼叫声学应答器和声学释放器，确定设备工作正常；
3)数据采集：数据接收电缆中的水听器负责记录震动信号，姿态仪负责记录所在位置的姿态；
4)***回收：通过声学释放器甲板单元呼叫声学释放器；声学释放器接收船上的声学控制信号，控制其释放钩打开，完成与卸扣的分离，重锚留在海底，其余部分上浮并回收；
5)数据处理：使用基于压缩感知的重建方法对采集的随机分布数据进行重建处理，获得规则网格数据。主要是选择曲波变换(Curvelet变换)作为地震数据的稀疏变换，采用加速迭代阈值方法进行数据重建，具体如下：
地震数据的采样过程可以表述为：
b＝Rf, (1)
其中，是采样地震数据,是采样矩阵(n<N≤2n),规则地震数据。
使用Curvelet变换作为地震数据的稀疏变换，f在稀疏变换域S中具有稀疏性，则(1)可以转化为：
b＝Ax with A:＝RS*, (2)
其中，*表示共轭。为f的在S中的系数(只有k个非零值)，是f的稀疏表示。
数学上已经证明，(2)依然可以进行求解，前提是受限等距特性得到满足随机理论表明，当R为具有独立一致性分布的高斯随机矩阵时可以达到上述目标。这时候需要求解以下问题：
其中，||x||0:＝#{x,xi≠0}为x的l0范数，xi为x的的第i项。使用拉格朗日乘子法将有约束的问题(3)改写为无约束的问题：
这里，为x的估计。
我们使用迭代阈值方法对(4)进行求解，方案如下：
其中，i为迭代索引指标，θ为阈值，随迭代次数逐渐降低，为步长，保证迭代算法的稳定性和收敛速度，为阈值算法。
迭代到阈值低于稀疏域最大值的10-5时停止迭代，得到求解结果进而得到最后的数据重建结果
进一步地，***布放前，通过供电与控制平台与时间服务器或GPS对钟，以获得高精度初始时间，完成各个基元的时间同步。
本发明的有益效果为：
(1)采用随机接收方式安装接收道上的水听器，一定的水听器数量可以获得更长的垂直电缆长度，提高可观测范围，降低探测成本，提高观测效果；
(2)小型深海推进器可以调整电缆在水下的姿态，保持垂直或者倾斜一定的角度，更有利于获取不同目标地质体的反射地震信号，扩展了常规电缆的探测范围；
(3)接收电缆采用多个子段组合连接设计，可以根据不同的探测目标，方便、灵活地完成***的扩展与调整，提高了***对观测目标的适应能力；
(4)最大工作水深为6000m，配合高分辨率电火花震源或海底拖曳低频声源，可以满足我国当前深海大洋矿场资源调查的需求。
附图说明
图1是本发明垂直电缆地震数据采集***整体组成示意图；
图2是图1中固定与释放段的示意图；
图3是图1中数据接收电缆中水听器布置方案示意图；
图4是图1中动力与工作段的示意图及与常规电缆的对比图；
图5是图1中供电与控制平台示意图；
图6是图1中拉直与定位段的示意图；
图7是使用32基元的电缆采集的数据及重建结果图示；
图8是使用小型深海推进器的倾斜随机电缆示意图；
图中：1固定与释放段；2动力与工作段；3拉直与定位段；1.1重锚；1.2钢环；1.3钢链；1.4卸扣；1.5释放钩；1.6固定架；1.7声学释放器；1.8压力传感器；1.9第一浮球组；1.10固定与释放段凯夫拉绳；2.1数据接收电缆；2.2水听器；2.3姿态仪；2.4供电与控制平台；2.4.1稳定架；2.4.2电池仓；2.4.3采集控制仓；2.4.4四芯水密航插(公头)；2.4.5第一四芯水密航插(母头)；2.4.6第二四芯水密航插(母头)；2.4.7十六芯水密航插(母头)；2.5第二浮球组；3.1拉直与定位段凯夫拉绳；3.2声学应答器；3.3第三浮球组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例提供了一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***与方法。
在本发明的第一方面，提供了一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***。
如图1所示，该***包括由下至上依次连接的固定与释放段1、动力与工作段2、拉直与定位段3；
如图2所示，固定与释放段1包括重锚1.1、钢环1.2、钢链1.3、卸扣1.4、释放钩1.5、固定架1.6、声学释放器1.7、压力传感器1.8、第一浮球组1.9和固定与释放段凯夫拉绳1.10。重锚1.1用于固定整套***于海底，通过固定与释放段凯夫拉绳1.10连接钢环1.2。声学释放器1.7使用两套设备组合工作，提高***释放的可靠性，两个释放器1.7的释放钩1.5之间通过钢链1.3相连，且钢链1.3穿过钢环1.2。两个声学释放器1.7通过聚氨酯固体材料做成的固定架1.6固定在一起，并同时工作，起到双保险的作用。上方在固定与释放段凯夫拉绳1.10安装一个用于测量并存储所在位置的水压信息数据的压力传感器1.8，并连接至第一浮球组1.9。
如图3所示，对所述数据接收电缆2.1中的所述水听器2.2的位置进行安排时，在规则密集分布的基础上采用分段随机采样策略选取的一部分位置。分段随机采样具有“蓝色噪音”频谱特征，有利于后续重建处理。这里分两种情况，1)密集的等间隔网格点为水听器个数的整数倍，31为常规电缆水听器分布，先进行分段，每段2个点；32表示从每段随机选择一个位置作为水听器位置，得到了最终的设计方案。2)密集的等间隔网格点不是水听器个数的整数倍，33为常规电缆水听器分布，先进行分段，每段2个点，还剩余1个点；然后将该点随机地调整到某个段中；34表示从每段随机选择一个位置作为水听器位置，得到了最终的设计方案。
如图4中的41所示，动力与工作段2包括数据接收电缆2.1、水听器2.2、姿态仪2.3、供电与控制平台2.4和第二浮球组2.5。其中，各类传感器安装在充满液态硅油的深海数据接收电缆2.1内，包括水听器2.2和姿态仪2.3。数据接收电缆内部通过凯夫拉绳受力；每道使用4个水听器叠加使用，水听器使用压电式深海球形水听器，可以在6000m深海正常工作；姿态仪2.3安装于电缆的1/4和3/4位置处。
这里先介绍几个概念，本发明的随机接收的垂直电缆是在常规等道间距电缆的基础上通过一定的随机策略(本实施例采用分段随机采样策略)采样得到的，对应的常规电缆的道间距称为随机分布电缆的基准道间距，对应的常规电缆的道数称为随机分布电缆的基准道数，实际的道数和基准道数的比值称为随机分布电缆的采样比。图4中41所示的为接收道共16道、长度为160m的电缆，基准道间距为5m，基准道数为32，采样比为1/2。图4中42所示的为间距为5m、32道、长度为160m的电缆，可以看出本发明可以节省16道共64个水听器的成本，获得相同长度的电缆。如果按照常规的等间隔道间距的方法，只能得到道间距5m、16道的长度为80m的接收电缆(图4中43所示)；与本发明的随机接收的160m长度的接收电缆相比，采集数据的性能大大降低。
如图5所示，供电与控制平台2.4包括了一个稳定架2.4.1、两个电池仓2.4.2和采集控制仓2.4.3。电池仓2.4.2上的接口为四芯水密航插(公头)2.4.4，可以通过水密接插件连接至采集控制仓2.4.3上的第一四芯水密航插(母头)2.4.5上。采集控制仓2.4.3上的第二四芯水密航插(母头)2.4.6用于连接时间服务器，十六芯水密航插(母头)2.4.7通过水密接插件连接至数据接收电缆2.1的特定接口上，实现供电和控制信号的传输功能。
如图6所示，拉直与定位段3包括拉直与定位段凯夫拉绳3.1、声学应答器3.2和第三浮球组3.3。声学应答器3.2起到辅助测距定位的功能，第三浮球组3.3由多个浮球组成，用于拉直整套***，通过浮力计算合理配置数量，使垂直电缆在海底保持垂直或者近垂直状态。
在本发明的第二方面，提供了一种随机接收的垂直电缆地震数据采集方法，包括以下步骤：
步骤1：***配置。布放之前需要知道作业区域的高精度地形信息，作业位置不可以超过***的最大工作水深，选择较为平坦的区域作为布放***的区域；根据***的重量和浮球的参数，计算整套***的三套浮球组的配置与组合(大小和数量)；
步骤2：***布放。下水之前校正小型深海推进器2.6的姿态仪和数据接收电缆2.1的姿态仪2.3读数。按照拉直与定位段3、动力与工作段2、固定与释放段1(参见图1)的顺序布放入海，最后通过重锚1.1的自重将整套***沉入海底，并固定于海底表面；
步骤3：数据采集。动力与工作段2开始进行数据采集与存储。其中，各个水听器2.2负责记录震动信号，姿态仪2.3负责记录所在位置的姿态。另外，压力传感器1.6记录水压信息数据；
步骤4：***回收。当作业船到达***入水点附近500m～1000m处，通过声学释放器甲板单元对声学释放器1.7进行呼叫通信，至少确定其中一个是工作正常的，并采集距离信息。准备就绪后，使用甲板单元对声学释放器1.7发出释放信号。声学释放器1.7接收船上的声学控制信号，控制其释放钩1.5打开，完成与卸扣1.4的分离，重锚1.1被留在海底，其余部分回收。
步骤5：数据处理。采集获得的数据是一种随机分布的数据，数据处理可以使用两种方法。第一种，先进行数据重建，得到规则位置上的数据，然后进行后续常规化处理；可以利用基于压缩感知的数据重建方法进行处理。第二种，直接利用这种随机分布的数据进行成像处理。两类方法都具有较高的可行性。
如图7所示，71为使用16个随机接收道、5m基准道间距、160m长的垂直电缆采集到的地震数据，是一种随机缺道的不规则数据。通过数据重建处理，得到了如72所示的包含32道、5m道间距的规则地震道数据。
本发明整体结构较轻，使用2个采集段(16个随机接收道，5m基准道间距，160m长)进行工作的时候，整套***空气中重量约500kg(不含水泥块重锚)，水中在浮球的作用下呈现正浮力状态，在底流较小的深海基本直立于海底表面。采用双声学释放器1.7的设计提高了***的工作稳定性。可以根据探测目标的大小和范围，灵活地调节采集段的数量、改变电缆长度，满足不同类型和尺度的深海硫化物矿床勘查需求。该***最大工作水深6000m，水听器可以实现宽频带(10Hz-6kHz)接收，配合高分辨率电火花震源或海底拖曳低频声源，满足深海高分辨率地质构造、天然气水合物、多金属硫化物等矿产资源的探测需求。供电与控制平台的设计，大大降低了整套***的复杂度，更便于设备的布放和回收。
实施例2
如图8所示，增加小型深海推进器2.6以控制垂直电缆姿态。
小型深海推进器2.6携带姿态仪，下水之前校正姿态仪读数；通过电缆和供电与控制平台2.4相连接，可以获取数据接收电缆2.1中安装的姿态仪2.3的数据信息。
当根据探测目标需要改变数据接收电缆2.1倾斜方向的时候，通过比较自身姿态信息和通过电缆上姿态仪2.3获取的电缆姿态信息，自动调整推进力的方向和大小，使数据接收电缆2.1保持垂直或者一定的倾向和倾角。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，其特征在于，该***包括由下至上依次连接的固定与释放段(1)、动力与工作段(2)、拉直与定位段(3)；
所述固定与释放段(1)包括通过凯夫拉绳(1.10)依次连接的重锚(1.1)、带测距功能的声学释放器(1.7)、压力传感器(1.8)和第一浮球组(1.9)；所述重锚(1.1)用于将***固定于海底表面，所述声学释放器(1.7)用于完成***回收，所述压力传感器(1.8)用于记录压力数据，所述第一浮球组(1.9)用于拉直***避免下方设备触底；
所述动力与工作段(2)包括数据接收电缆(2.1)、供电与控制平台(2.4)和第二浮球组(2.5)；所述数据接收电缆(2.1)中安装有负责记录震动信号的水听器(2.2)和负责记录所在位置姿态的姿态仪(2.3)，水听器(2.2)在数据接收电缆(2.1)中的位置是随机分布的；所述供电与控制平台(2.4)用于完成***供电和***控制工作，在供电与控制平台(2.4)上方安装第二浮球组(2.5)；
所述拉直与定位段(3)包括使用凯夫拉绳(3.1)连接起来的用来确定所在点位置的声学应答器(3.2)和用于拉直整套***的第三浮球组(3.3)，所述第三浮球组(3.3)位于整套***的最顶端。
2.根据权利要求1所述的一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，其特征在于，所述固定与释放段(1)中，所述带测距功能的声学释放器(1.7)使用两套设备组合工作，提高***释放的可靠性，两个释放器(1.7)的释放钩(1.5)之间通过钢链(1.3)相连，且钢链(1.3)穿过钢环(1.2)，钢环(1.2)通过凯夫拉绳(1.10)连接重锚(1.1)。
3.根据权利要求1所述的一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，其特征在于，所述动力与工作段(2)中，所述水听器(2.2)的分布利用分段随机采样策略进行设计；数据接收电缆(2.1)是分段连接起来的，实际组缆中使用多个子段进行连接；所述数据接收电缆(2.1)中，设水听器个数为n，密集的等间隔网格点数为N，所述水听器随机分布于N个等间隔网格位置中的n个随机位置上，水听器布置方案如下：
1)将N个点分为n段；当N为n的整数倍时，可以等分，每个段有int(N/n)个点；当N不为n的整数倍时，等分之后还剩余nr＝N-int(N/n)*n个点，其中，int()为取整运算；
2)在n个段中，随机选择nr个段；然后将剩余nr个点随机归入被选择的nr个段中；
3)从步骤2)处理后的n个段中，各随机地抽取一个点位作为水听器的安装位置。
4.根据权利要求3所述的一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，其特征在于，所述动力与工作段(2)中，所述姿态仪(2.3)安装于每个子段的1/4和3/4位置处，以保证多个子段连接的时候可以使姿态仪(2.3)均匀分布，便于测算数据接收电缆(2.1)的姿态信息。
5.根据权利要求1所述的一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，其特征在于，所述动力与工作段(2)中，所述水听器(2.2)选用耐压性足够、供电充足，并在已有资料初步获取探测目标大小与范围的基础上，选择合适的基准道间距。
6.根据权利要求1所述的一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，其特征在于，所述动力与工作段(2)中，所述供电与控制平台(2.4)具有两个电池仓(2.4.2)和一个采集控制仓(2.4.3)，分别完成***供电和***控制工作；两个电池仓(2.4.2)并联接入采集控制仓(2.4.3)，采集控制仓(2.4.3)通过16芯水密电缆接入数据接收电缆(2.1)。
7.根据权利要求1所述的一种随机接收的垂直电缆地震数据采集***，其特征在于，所述动力与工作段(2)中，小型深海推进器(2.6)通过电缆与供电与控制平台(2.4)连接，用于控制数据接收电缆(2.1)的姿态。
8.一种随机接收的垂直电缆地震数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)***配置：根据***的重量和浮球的参数，计算整套***三套浮球组的配置与组合，保证***在水中的浮力是重量的1.5～2.0倍；
2)***布放：按照拉直与定位段(3)、动力与工作段(2)、固定与释放段(1)的顺序布放入海，最后依靠重锚(1.1)的自重将***沉入海底，并固定于海底表面；通过声学释放器甲板单元呼叫声学应答器(3.2)和声学释放器(1.7)，确定设备工作正常；
3)数据采集：数据接收电缆(2.1)中的水听器(2.2)负责记录震动信号，姿态仪(2.3)负责记录所在位置的姿态；
4)***回收：通过声学释放器甲板单元呼叫声学释放器(1.7)；声学释放器(1.7)接收船上的声学控制信号，控制其释放钩(1.5)打开，完成与卸扣(1.4)的分离，重锚(1.1)留在海底，其余部分上浮并回收；
5)数据处理：使用基于压缩感知的重建方法对采集的随机分布数据进行重建处理，重建为规则网格数据后进行常规数据处理。
9.根据权利要求8所述的随机接收的垂直电缆地震数据采集方法，其特征在于，所述步骤5)数据处理中，选择曲波变换(Curvelet变换)作为地震数据的稀疏变换，采用加速迭代阈值方法进行数据重建，具体如下：
地震数据的采样过程可以表述为：
b＝Rf, (1)
其中，是采样地震数据,是采样矩阵(n<N≤2n),为规则地震数据。
使用Curvelet变换作为地震数据的稀疏变换，f在稀疏变换域S中具有稀疏性，则(1)可以转化为：
b＝Ax with A:＝RS*, (2)
其中，*表示共轭。为f的在S中的系数(只有k个非零值)，是f的稀疏表示。
数学上已经证明，(2)依然可以进行求解，前提是受限等距特性得到满足随机理论表明，当R为具有独立一致性分布的高斯随机矩阵时可以达到上述目标。这时候需要求解以下问题：
其中，||x||0:＝#{x,xi≠0}为x的l0范数，xi为x的的第i项。使用拉格朗日乘子法将有约束的问题(3)改写为无约束的问题：
这里，为x的估计。
我们使用迭代阈值方法对(4)进行求解，方案如下：
其中，i为迭代索引指标，θ为阈值，随迭代次数逐渐降低，为步长，保证迭代算法的稳定性和收敛速度，为阈值算法。
迭代到阈值低于稀疏域最大值的10-5时停止迭代，得到求解结果进而得到最后的数据重建结果
10.根据权利要求8所述的一种随机接收的垂直电缆地震数据采集方法，其特征在于，***布放前，通过供电与控制平台(2.4)与时间服务器或GPS对钟，以获得高精度初始时间，完成各个基元的时间同步。
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