CN111580165A - 一种海底地震仪到时差定位装置及方法 - Google Patents

一种海底地震仪到时差定位装置及方法 Download PDF

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CN111580165A CN202010462557.2A CN202010462557A CN111580165A CN 111580165 A CN111580165 A CN 111580165A CN 202010462557 A CN202010462557 A CN 202010462557A CN 111580165 A CN111580165 A CN 111580165A
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游庆瑜
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Abstract

本发明公开了一种海底地震仪到时差定位装置及方法，属于海洋地震勘探技术领域。方法为按照预定作业点位完成海底地震仪投放，以人工震源数据为输入数据。首先完成海底地震仪人工激发震源数据的预处理。以投放点为中心、选取合适半径定义搜索网格范围，通过已知海底地形数据、实测海水波速度剖面联合计算射线追踪理论到时，构建搜索网格点到时差模型。利用互相关算法计算地震计或水听计分量的实测到时差。叠加搜索网格节点的理论到时差与实测到时差，叠加到时差的最小值对应点位即为定位结果。同时本发明公开了一种海底地震仪到时差定位装置。通过本发明可实现海底地震仪着底位置高精度校正。

Description

一种海底地震仪到时差定位装置及方法
技术领域
本发明涉及属于海洋地震勘探技术领域，具体涉及一种海底地震仪到时差 定位装置及方法。
背景技术
海洋地震学方法被广泛应用于海洋能源资源开发、海底地质构造研究以及 海洋灾害预警等领域。海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,简称OBS)是 布设在海底来记录地震波的一种新型海洋地震勘探装备。海底地震仪涉及海洋 声学、海底供能、无GPS高精度守时、地震计自调平与低功耗采集等先进技术， 是一种高新技术海洋地震探测产品，重点用于海洋油气资源探测、地质构造研 究与防灾减灾等，成为海洋地球物理探测的一种关键设备，是海洋地球物理仪 器与探测技术中的一个新亮点、新增长点。
按照地震数据传输方式，可分为实传式海底地震仪和沉浮式海底地震仪。 沉浮式海底地震仪的主要特点是自主沉浮，即在海面投放与沉耦架连接的沉浮 式海底地震仪，由沉耦架的重力作用将有自浮力的海底地震仪“拉”至至海底 并进行地震数据采集，完成采集后，通过在海面船舶上发送声学指令给海底地 震仪，海底地震仪接收到回收指令后将它与沉耦架的连接断开，海底地震仪即 利用自身的浮力漂浮至海面进行回收。
经专利检索及国内外文献调研，发现现有对海底地震仪着底重定位的方法 少，且不能实现自动化数据处理。基于人工震源的海底地震仪重定位方法都是 通过拟合直达水波到时获得重定位，如海底地形到时与声波到时联合反演技术、 直达波到时线性多边技术、直达波到时蒙特卡洛拟合技术。但上述方法需要拾 取准确的地震计垂向分量的直达波到时。同时，以直达波绝对到时作为反演输 入数据，无法消除数据本身包含的初至波到时拾取、***激发延迟等误差，无 法实现在作业现场快速定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于到时差模型学习的海底地震仪着底位置校 正方法，解决了求取海底地震仪着底位置的问题，通过可量化计算技术解决无 人工干预和额外误差引入问题，实现海底地震仪着底位置自动与高精度重定位， 这将大大提高海底地震仪重定位效率，为现场海底地震仪快速定位提供了可能， 更为后续海底地震仪数据的正确应用提供了基础。
本发明的另一目的是提供一种海底地震仪着底位置到时差定位装置。
具体的，海底地震仪到时差定位方法，通过理论到时差模型构建，及与 实测到时差叠加最小值的搜索获得定位结果，包括以下步骤:
步骤101：按照设计的作业点位进行海底地震仪投放，待海底地震仪着底 后，以投放点为中心进行十字交叉的人工震源激发作业，完成作业任务后回收 海底地震仪。
步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续 记录数据序列中截取该台站对应的共接收点道集，并输出保存为SU或SEGY格 式。
步骤103：以投放点为中心，通过搜索半径、搜索网格间距定义出搜索网 格，选取任意两炮(称为炮点对)构建理论到时差模型。
步骤104：读取海底地震仪水听计分量的SU或SEGY格式数据，基于互相 关算法求取该炮点对的实测到时差。
步骤105：循环求取所有炮点对的理论到时差模型，并全部叠加于实测到 时差之上，最终叠加到时差模型最小值对应坐标值即为定位结果。
本发明所采用的另一技术方案是，一种海底地震仪到时差定位装置，包括 地震道集读取模块，用于读取道头信息与道集数据；到时差模型训练模块，用 于求取任一炮点对的直达波理论到时差模型；实测到时差计算模块，用于计算 海底地震仪记录的人工源地震道集中任两炮之间的直达波到时差；模型叠加模 块，循环叠加所有炮点对的理论到时差与实测到时差，选取叠加到时差模型最 小值对应坐标点位置为定位结果；保存输出模块，对叠加到时差模型结果、定 位坐标位置进行保存。
本发明的有益效果是，对于海底地震仪着底位置精确定位难题，利用人工 震源激发的方式，经后期非反演的到时差模型训练与叠加实现着底位置重定位。 特别是定位过程中，通过理论到时差模型训练、实测到时差叠加步骤，避免了 传统定位算法的反演优化步骤，引入互相关算法量化计算任意道之间的到时差， 所有子程序模块均无需人工干预即可获得定位结果。该方法技术在深海、深渊 (大于6000米)区域应用优势显著。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明装置的结构框图。
图3是理论到时差模型训练示意图。
图4是水平层状海水的速度模型及射线路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
如图1所示，本发明提出的一种海底地震仪着底位置自动重定位方法，重 定位是指对自由下落至海底的地震仪利用人工震源信息进行二次着底位置确认。 该方法通过理论到时差模型训练、实测到时差互相关求取、模型叠加搜索、全 局最小值查询等可量化操作，实现海底地震仪位置自动校正。无需初至波到时 数据，无需反演计算，避免了这两步引入的误差，提高了重定位精度。方法包 括如下步骤：
步骤101：按照设计的作业点位进行海底地震仪投放，待海底地震仪着底 后，以投放点为中心进行十字交叉的人工震源激发作业，完成作业任务后回收 海底地震仪。
步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续 记录数据序列中截取该台站对应的共接收点道集，并先后完成时间漂移校正、 道均衡处理与带通滤波处理，并输出保存为SU或SEGY格式。
步骤103：以投放点为中心，通过搜索半径、搜索网格间距定义出搜索网 格，选取任意两炮(称为炮点对)构建理论到时差模型。如图3所示，其中，Si、 Sj为任意两个炮点对，底部黑色圆点示意着陆器着底点位置，底部网格为按照 5000m搜索半径生成的搜索网格节点。
步骤104：读取海底地震仪水听计分量的SU或SEGY格式数据，基于互相 关算法求取该炮点对的实测到时差。
步骤105：循环求取所有炮点对的理论到时差模型，并全部叠加于实测到 时差之上，最终叠加到时差模型最小值对应坐标值即为定位结果。
上述步骤103中，对于任一炮点对Si、Sj，训练其到时差模型的方法与流 程为：(1)以着陆器投放点为中心，定义搜索半径，搜索半径取值范围为2500m -5000m；(2)定义搜索网格节点大小，网格节点取值范围为1m-10m；(3) 根据上述两个参数，形成搜索网格节点；(4)加载网格节点的地形数据，获得 所有网格节点的坐标，记为(xr,yr,zr)；(5)利用两点间射线追踪算法求取 任一网格节点至Si、Sj炮点间的直达波到时差(记为Δt′ij)，区域内所有网格节 点的到时差构成Si、Sj炮点对的理论到时差模型，(记为ΔT′ij)。
上述方法与流程(5)中，计算任一网格节点至Si、Sj炮点间的直达波到时 差包括理论直达波到时求取、到时差计算两步。理论到时差求取通过并考虑射 线弯曲的Snell定律射线追踪法实现。将海水视为水平层状介质，按照1米厚 度等间隔分层，利用已有实测海水P波速度数据完成速度模型初始化。按照几 何地震学理论，可将该直达波到时求取问题表述为：给定震源和接收点的位置 及速度模型(如图4，其中，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距，αi为第 i层的入射角，hv(i)为第i层的速度，n为总层数)，基于Snell定律确定这两 点之间的直达波到时。
基于Snell定律，对于给定的人工震源位置(xs,ys,zs)和海底地震仪位置 (xr,yr,zr)，直达波到时由射线参数p唯一确定，p由下列方程求得：
Figure BDA0002511441130000051
其中，p＝sinαi/hv(i)为射线参数，αi、hv(i)分别为第i层的入射角和速 度，n为总层数，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距：
Figure BDA0002511441130000052
对于方程f(p)可通过牛顿迭代法、莱文贝格－马奎特方法 (levenberg-marquardt)等数值分析方法求取，求解过程中初始值p0通过下式 给定：
Figure RE-GDA0002532473050000053
然后利用求取的射线参数p获得直达波到时(Tsr):
Figure BDA0002511441130000054
其中，β(i)定义为：
Figure BDA0002511441130000055
对于任一炮点Si与炮点Sj之间的理论直达波到时差，可通过下式获得：
Figure BDA0002511441130000056
其中，
Figure BDA0002511441130000061
为炮点Sj至网格节点的理论直达波到时，
Figure BDA0002511441130000062
为炮点Si至网格节点 的直达波到时。
上述步骤104中，计算任一炮点对对应的实测到时差，是通过互相关函数 方法实现，包括互相关函数求取、互相关函数最大值及其位置求取、到时差计 算。其中，对于任一炮点Sj对应的地震道X与炮点Si对应的地震道Y的互相关 函数Rxy定义为：
Figure BDA0002511441130000063
其中，Rxy为互相关函数值，N为输入道的总点数，i为计算序列，τ为Y的 延迟时间。
获得互相关函数Rxy的最大值位置k:
k:max(Rxy(i))i∈[-N,N]
进而获得任一炮点Sj对应地震道X与炮点Sj对应地震道Y之间的实测初至 波到时差Δtij为：
ΔTij＝k*dt
其中，dt为地震道的采样间隔。
上述步骤105中，求取十字人工震源炮线对应所有炮点对的理论到时差模 型ΔT′ij与实测到时差ΔTij，叠加到时差模型ΔTstack求取的方法为：
Figure BDA0002511441130000064
其中，l为炮点对个数，ΔTsum为单个炮点对理论到时差与实测到时差的绝 对差：
ΔTsum＝|ΔT-ΔT|
其中，ΔT为该炮点对的实测到时差，ΔT′为该炮点对的理论到时差模型。
最终，叠加到时差模型ΔTstack最小值对应点位即为海底地震仪着底点位置。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种海底地震仪到时差定位装置。由 于海底地震仪到时差定位装置解决问题的原理与海底地震仪到时差定位方法相 似，因此一种海底地震仪到时差定位装置的实施可以参见一种海底地震仪到时 差定位方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模 块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下所描述的装置较佳地 以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图2是本发明的一种海底地震仪自动重定位装置的一种结构框图，其中， 201.地震道集读取模块，202.到时差模型训练模块，203.实测到时差计算模块， 204.到时差叠加模块，205.保存输出模块。对该结构说明如下。
地震道集读取模块201，用于读取海底地震仪记录的主动源地震道集的道 头信息与数据。
到时差模型训练模块202，用于定义搜索网格节点，并求取任一炮点对的 理论到时差模型。
实测到时差计算模块203，用于计算海底地震仪记录的地震道集中任一炮 点对之间的直达波到时差。
到时差叠加模块204，用于叠加理论到时差模型与实测到时差。
保存输出模块205，选取叠加到时差模型最小值点位置为定位结果，进行 结果输出与保存。
其中，到时差模型训练模块202中，对于任一炮点对Si、Sj，训练其到时 差模型的方法与流程为：(1)以着陆器投放点为中心，定义搜索半径，搜索半 径取值范围为2500m-5000m；(2)定义网格节点大小，网格节点取值范围为 1m-10m；(3)根据上述两个参数，形成搜索网格节点；(4)加载网格节点 的地形数据，获得所有网格节点的坐标，记为(xr,yr,zr)；(5)利用两点 间射线追踪算法求取任一网格节点至Si、Sj炮点间的直达波到时差(记为Δt′ij)， 区域内所有网格节点的到时差构成Si、Sj炮点对的理论到时差模型，(记为ΔT′ij)。
上述方法与流程(5)中，计算任一网格节点至Si、Sj炮点间的直达波到时 差包括理论直达波到时求取、到时差计算两步。理论到时差求取通过并考虑射 线弯曲的Snell定律射线追踪法实现。将海水视为水平层状介质，按照1米厚 度等间隔分层，利用已有实测海水P波速度数据完成速度模型初始化。按照几 何地震学理论，可将该直达波到时求取问题表述为：给定震源和接收点的位置 及速度模型(图4)，基于Snell定律确定这两点之间的直达波到时。
基于Snell定律，对于给定的人工震源位置(xs,ys,zs)和海底地震仪位置 (xr,yr,zr)，直达波到时由射线参数p唯一确定，p由下列方程求得：
Figure BDA0002511441130000081
其中，p＝sinαi/hv(i)为射线参数，αi、hv(i)分别为第i层的入射角和速 度，n为总层数，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距：
Figure BDA0002511441130000082
对于方程f(p)可通过牛顿迭代法、莱文贝格－马奎特方法 (levenberg-marquardt)等数值分析方法求取，求解过程中初始值p0通过下式 给定：
Figure RE-GDA0002532473050000083
然后利用求取的射线参数p获得直达波到时(Tsr):
Figure BDA0002511441130000084
其中，β(i)定义为：
Figure BDA0002511441130000085
对于任一炮点Si与炮点Sj之间的理论直达波到时差，可通过下式获得：
Figure BDA0002511441130000086
其中，
Figure BDA0002511441130000091
为炮点Sj至网格节点的理论直达波到时，
Figure BDA0002511441130000092
为炮点Si至网格节点 的直达波到时。
上述实测到时差计算模块203中，计算任一炮点对对应的实测到时差，是 通过互相关函数方法实现，包括互相关函数求取、互相关函数最大值及其位置 求取、到时差计算。其中，对于任一炮点Sj对应的地震道X与炮点Si对应的地 震道Y的互相关函数Rxy定义为：
Figure BDA0002511441130000093
其中，Rxy为互相关函数值，N为输入道的总点数，i为计算序列，τ为Y的 延迟时间。
获得互相关函数Rxy的最大值位置k:
k:max(Rxy(i))i∈[-N,N]
进而获得任一炮点Sj对应地震道X与炮点Sj对应地震道Y之间的实测初至 波到时差Δtij为：
ΔTij＝k*dt
其中，dt为地震道的采样间隔。
上述到时差叠加模块204中，求取十字人工震源炮线对应所有炮点对的理 论到时差模型ΔT′ij与实测到时差ΔTij，叠加到时差模型ΔTstack求取的方法为：
Figure BDA0002511441130000094
其中，l为炮点对个数，ΔTsum为单个炮点对理论到时差与实测到时差的绝 对差：
ΔTsum＝|ΔT-ΔT′|
其中，ΔT为该炮点对的实测到时差，ΔT′为该炮点对的理论到时差模型。
上述保存输出模块205中，叠加到时差模型ΔTstack最小值对应点位即为海 底地震仪着底点位置，对该位置以数值形式输出至显示屏，并保存至文件中。
本发明提供了该装置的一种软件，该软件用于执行上述模块化处理。同时， 本发明提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括 但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。从以上的描述中，可以看出， 本发明实现了如下技术效果：一种海底地震仪到时差定位方法与装置，利用人 工震源激发与海底地震仪坐底接收的方式，结合射线追踪到时求取、理论到时 差模型训练、互相关到时差计算、到时差叠加获得最终着底位置，着底位置校 正后即实现了海底地震仪数据的后续准确处理与应用。此方法技术是海底地震 仪在深海油气资源勘探开发、天然地震观测中的必经环节，通过量化技术实现着底位置自动计算，在深海油气等能源与资源勘查中有重要应用价值。同时， 此方法技术在深渊(大于10000米)的深海装备着底位置精确定位中有巨大应 用潜力。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和 润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种海底地震仪到时差定位方法，其特征在于，所述方法具体为通过理论到时差模型构建，与实测到时差叠加最小值的搜索，获得定位结果，包括以下步骤:
步骤101：按照设计的作业点位进行海底地震仪投放，待海底地震仪着底后，以投放点为中心进行十字交叉的人工震源激发作业，完成作业任务后回收海底地震仪；
步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续记录数据序列中截取该海底地震仪所属台站对应的共接收点道集，输出保存为SU或SEGY格式；
步骤103：以投放点为中心，通过搜索半径、搜索网格间距定义出搜索网格，选取任意两炮构建理论到时差模型；
步骤104：读取海底地震仪水听计分量的SU或SEGY格式数据，基于互相关算法求取该炮点对的实测到时差；
步骤105：循环求取所有炮点对的理论到时差模型，并全部叠加于实测到时差之上，最终叠加到时差模型最小值对应坐标值即为定位结果。
2.如权利要求1所述的海底地震仪到时差定位方法，其特征在于，所述方法步骤103中，对于任一炮点对Si、Sj，训练其到时差模型的方法与流程为：
步骤103A以着陆器投放点为中心，定义搜索半径，搜索半径取值范围为2500m-5000m；
步骤103B定义搜索网格节点大小，网格节点取值范围为1m-10m；
步骤103C根据搜索半径、网格节点大小两个参数，形成搜索网格节点；
步骤103D加载网格节点对应地形数据，获得所有网格节点的坐标，记为(xr,yr,zr)；
步骤103E利用两点间射线追踪算法求取任一网格节点至Si、Sj炮点间的直达波到时差，记为Δt′ij，区域内所有网格节点的到时差构成Si、Sj炮点对的理论到时差模型，记为ΔT′ij。
3.如权利要求2所述的海底地震仪到时差定位方法，其特征在于，所述方法步骤103E中，计算任一网格节点至Si、Sj炮点间的直达波到时差包括理论直达波到时求取、到时差计算两步；理论到时差求取通过并考虑射线弯曲的Snell定律射线追踪法实现；
基于Snell定律，对于给定的人工震源位置(xs,ys,zs)和任一搜索网格节点(xr,yr,zr)，直达波到时由射线参数p唯一确定，p由下列公式一求得：
Figure FDA0002511441120000021
其中，p＝sinαi/hv(i)为射线参数，αi、hv(i)分别为第i层的入射角和速度，n为总层数，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距，如公式二所示：
Figure FDA0002511441120000022
对于方程f(p)通过数值分析方法求取，包括牛顿迭代法、莱文贝格－马奎特方法，求解过程中初始值p0通过公式三给定：
Figure FDA0002511441120000023
其中，hv(1)为第一层的速度；
然后利用求取的射线参数p获得直达波到时(Tsr)，如公式四所示:
Figure FDA0002511441120000024
其中，β(i)定义为公式五：
Figure FDA0002511441120000025
对于任一炮点Si与炮点Sj之间的理论直达波到时差，可通过公式六获得：
Figure FDA0002511441120000026
其中，
Figure FDA0002511441120000031
为炮点Sj至网格节点的理论直达波到时，
Figure FDA0002511441120000032
为炮点Si至网格节点的直达波到时。
4.如权利要求3所述的海底地震仪到时差定位方法，其特征在于，所述方法步骤104中，计算任一炮点对对应的实测到时差，是通过互相关函数方法实现，包括互相关函数求取、互相关函数最大值及其位置求取、到时差计算；其中，对于任一炮点Sj对应的地震道X与炮点Si对应的地震道Y的互相关函数Rxy定义为公式七：
Figure FDA0002511441120000033
其中，Rxy为互相关函数值，N为输入道的总点数，i为计算序列，τ为Y的延迟时间；
获得互相关函数Rxy的最大值位置k如公式八所示:
k:max(Rxy(i))i∈[-N,N] 公式八
进而获得任一炮点Sj对应地震道X与炮点Sj对应地震道Y之间的实测初至波到时差Δtij为公式九：
ΔTij＝k*dt 公式九
其中，dt为地震道的采样间隔。
5.如权利要求4所述的海底地震仪到时差定位方法，其特征在于，所述方法步骤105中，求取十字人工震源炮线对应所有炮点对的理论到时差模型ΔT′ij与实测到时差ΔTij，叠加到时差模型ΔTstack求取的方法为公式十所示：
Figure FDA0002511441120000034
其中，l为炮点对个数，ΔTsum为单个炮点对理论到时差与实测到时差的绝对差为公式十一所示：
ΔTsum＝|ΔT-ΔT′| 公式十一
其中，ΔT为该炮点对的实测到时差，ΔT′为该炮点对的理论到时差模型；
最终，叠加到时差模型ΔTstack最小值对应点位即为海底地震仪着底点位置。
6.一种用于实现权利要求1至5任一项所述的海底地震仪到时差定位方法的海底地震仪到时差定位装置，其特征在于，所述装置包括：地震道集读取模块，用于读取道头信息与道集数据；到时差模型训练模块，用于求取任一炮点对的直达波理论到时差模型；实测到时差计算模块，用于计算海底地震仪记录的人工源地震道集中任两炮之间的直达波到时差；模型叠加模块，循环叠加所有炮点对的理论到时差与实测到时差，选取叠加到时差模型最小值对应坐标点位置为定位结果；保存输出模块，对叠加到时差模型结果、定位坐标位置进行保存。
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