一种深海地震垂直缆二次定位方法
阅读说明：本技术 一种深海地震垂直缆二次定位方法 (Secondary positioning method for deep-sea seismic vertical cable ) 是由 尉佳 陆凯 冯京 王威 于得水 单瑞 李阳 秦珂 董凌宇 苏肖亮 翟元峰 马理 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种深海地震垂直缆二次定位方法,包括如下步骤：步骤1,采集原始地震信号；步骤2,激发点定位；步骤3,初至时间自动拾取；步骤4,建立基于等效速度的初至走时方程,基于初至走时方程建立函数,并利用牛顿迭代方法进行全局最优计算,求解得到垂直缆每个检波点的坐标,并利用道间距判断坐标误差；步骤5,选择不同时间段的激发点,按照步骤2至步骤4的方法定时进行垂直缆的二次定位,从而计算出垂直缆的位置变化。本发明所公开的方法能够提高地震数据处理以及解释的精度,为最终地质成果提供位置信息支撑。(The invention discloses a secondary positioning method for a deep-sea seismic vertical cable, which comprises the following steps: step 1, collecting original seismic signals; step 2, positioning an excitation point; step 3, automatically picking up the first arrival time; step 4, establishing a first-arrival travel time equation based on equivalent speed, establishing a function based on the first-arrival travel time equation, performing global optimal calculation by using a Newton iteration method, solving to obtain the coordinate of each demodulator probe of the vertical cable, and judging a coordinate error by using a track interval; and 5, selecting excitation points in different time periods, and carrying out secondary positioning on the vertical cable at regular time according to the method from the step 2 to the step 4, thereby calculating the position change of the vertical cable. The method disclosed by the invention can improve the precision of seismic data processing and interpretation and provide position information support for the final geological result.)
技术领域
本发明涉及海底勘探技术领域，特别涉及一种深海地震垂直缆二次定位方法。
背景技术
作为海洋立体观测系统中的重要部分，海洋垂直缆地震勘探技术的相关研究越来越重要。相比于传统的水平拖缆或者海底地震仪，垂直缆接收信号不受海面环境噪声、海底管线布设条件等因素的影响。由于观测系统的特殊性，检波器纵向分布不仅能够满足高横向分辨率的要求，而且易于分离上下行波。垂直缆采集技术能够获得更加丰富的地震波场信息，实现真三维、广反射角、全方位角以及对特定地质目标的高精度成像。该项技术具有观测系统设计灵活，提高特定目标体成像精度，改善四维地震监测效果等优势。
与传统的OBS与OBN相似，垂直缆着底的实际位置与设计点位存在偏差，并且垂直缆的海底布放位置会随着时间发生变化，为保证采集资料后处理与解释的精度，必须对垂直缆进行二次定位。现阶段针对海底地震仪等二次定位的方法有很多，但未见对精度更高、检波点更多的深海地震垂直缆的二次定位方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种深海地震垂直缆二次定位方法，以达到提高地震数据处理以及解释的精度，为最终地质成果提供支撑的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种深海地震垂直缆二次定位方法，包括如下步骤：
步骤1，采集原始地震信号：将垂直缆投放到海底后，采用航行中的船载气枪震源在海面不断激发信号，垂直缆上的检波点接收激发点发出的信号以及海底的反射信号，作业完毕后，回收垂直缆接收的数据，该数据为垂直缆二次定位的原始地震信号；
步骤2，激发点定位：利用船载导航软件、船载姿态仪以及船载GPS天线，计算每个激发点的坐标；
步骤3，初至时间自动拾取：对原始地震信号进行小波变换，对变换后的小波域信号计算瞬时相位谱，根据瞬时相位谱得到声波第一次从激发点达到检波点的时间，即初至时间；
步骤4，将垂直缆每个检波点的坐标以及等效声波速度作为变量，以每个激发点的坐标作为已知量，建立初至走时方程，基于初至走时方程建立函数，并利用牛顿迭代方法进行全局最优计算，求解得到垂直缆每个检波点的坐标；
为验证二次定位值的正确性，需要对计算得到的相邻两个检波点间的距离与实际道间距进行约束计算，若误差小于预设阈值，则认为二次定位结果正确，若误差大于预设阈值，则重新进行初至走时方程全局最优计算，直至误差小于预设阈值；
步骤5，选择不同时间段的激发点，按照步骤2至步骤4的方法定时进行垂直缆的二次定位，从而计算出垂直缆的位置变化。
上述方案中，步骤2中，所述气枪震源通过软体气管连接拖曳在船后，结合船载GPS天线的位置信息、船载姿态仪测得的船体姿态信息以及气枪震源的激发点距离船尾的距离，利用空间几何关系计算出气枪震源的激发点的坐标。
上述方案中，步骤3的具体方法如下：
(1)利用小波变换方法对原始地震信号进行变换：
设原始地震信号f(t)中对应的第j检波点接收的第i激发点的原始地震信号为fij(t)，小波函数为Ψa，b(t)，原始地震信号f(t)经过小波变换后得：
其中，t为时间，a为时间尺度参数，b为平移参数，是Ψa，b(t)的共轭函数，Uij(a，b)为fij(t)对应的小波域信号；
(2)计算瞬时相位谱：
由于fij(t)中包含噪声干扰，所以在分析信号时设定阈值s0ij，当满足以下公式时：
|Uij(a，bmax)|≤s0ij*mean(|Uij(a，b)|) (2)
计算当时间尺度为a，平移参数b取最大值时，fij(t)的瞬时相位谱，计算公式如下：
其中，Uij(a，bmax)表示时间尺度为a，平移参数b取最大值时，fij(t)对应的小波域信号，mean(|Uij(a，bmax)|)表示|Uij(a，bmax)|的平均值，Iangij(a)表示时间尺度为a，平移参数b取最大值时，fij(t)的瞬时相位谱，imag(Uij(a，bmax))是Uij(a，bmax)的虚部，real(Uij(a，bmax))是Uij(a，bmax)的实部；
(3)计算初至时间：
计算得到的瞬时相位谱Iangij(a)中第一个由负到正经过的零点位置，其对应的时间即为fij(t)的初至时间tij。
上述方案中，步骤4的具体方法如下：
(1)初至走时方程建立如下：
(xj-xi)2+(yj-yi)2+(zj-zi)2＝(vjtij)2 (4)
其中，(xj，yj，zj)为第j检波点的坐标，(xi，yi，zi)为第i激发点的坐标，vj表示第j检波点处代替声速的等效速度，tij表示第i激发点发出的声波到达第j检波点的初至时间；
(2)将上述方程的求解转化为函数的零点问题：
定义函数Φij(x，y，z，v，t)＝(xj-xi)2+(yj-yi)2+(zj-zi)2-(vjtij)2 (5)
将式(5)在检波点的初始点(xj0，yj0，zj0，vj0)处泰勒展开得到，
JP＝Φij(xj0，yj0，zj0，vj0) (6)
其中，雅克比矩阵J为Φij(x，y，z，v，t)在点(xj0，yj0，zj0，vj0)处对各变量的一次导数，P为解的偏移量，(xj0，yj0，zj0)代表第j检波点的初始坐标，vj0表示第j检波点处代替声速的初始等效速度，取值1500m/s；
(3)利用牛顿迭代方法求解超定线性方程(6)，得到第j检波点的坐标(x′j，y′j，z′j)，若计算得到相邻两个检波点间距满足dj，j+1≈D±δ，其中，D为垂直缆道间距，即相邻两个检波点的实际间距，即误差在设定阈值范围内，可得垂直缆上各检波点的坐标。
通过上述技术方案，本发明提供的深海地震垂直缆二次定位方法通过原始地震信号分析，联合震源激发点位置、一次定位信息等数据，通过拾取初至时间，建立初至走时方程，反演出深海地震垂直缆每个检波点的实际位置，并且可以得到垂直缆随时间的位置变化数据，为后续深海地震垂直缆数据处理提供支撑。
本发明的方法数据处理精确，得到的位置信息精确，对深海底层的数据分析提供精确的位置信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的深海地震垂直缆的采集技术示意图；
图2为本发明的二次定位方法流程图。
图中，1、船；2、气枪震源；3、垂直缆；4、配重块；5、浮球；6、激发点；7、检波点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种深海地震垂直缆二次定位方法，包括如下步骤：
步骤1，采集原始地震信号：
作业前，将垂直缆3调整到工作状态后，将垂直缆3投放到海底，垂直缆3底部设置配重块4，垂直缆3项部连接浮球5。采用航行中的船1载气枪震源2按照施工设计方式在海面一定范围内的激发点6不断激发地震波信号，垂直缆3上的检波点7接收激发点6处发出的地震波信号以及海底的反射波信号，作业完毕后，回收垂直缆接收的数据，该数据为垂直缆二次定位的原始地震信号；
步骤2，激发点定位：
船载导航软件内能够实时接收船体GPS位置信息，GPS天线位置固定，能够精准测量。船体受到海流、风向的影响，在海面上产生三种姿态变化，并且船载姿态仪能够实时记录船体三种姿态变化信息。气枪震源通过软体气管等连接拖曳在船后，气枪震源的激发点距离船尾的距离可以测定。
综合上述GPS天线位置，船体三种姿态信息以及气枪震源的激发点距离船尾的距离，利用空间几何关系，能够计算出气枪震源激发点的准确坐标。
步骤3，初至时间自动拾取：
对原始地震信号进行小波变换，对变换后的小波域信号计算瞬时相位谱，根据瞬时相位谱得到声波第一次从激发点达到检波点的时间，即初至时间；
具体方法如下：
(1)利用小波变换方法对原始地震信号进行变换：
设原始地震信号f(t)中对应的第j检波点接收的第i激发点的原始地震信号为fij(t)，小波函数为Ψa，b(t)，原始地震信号f(t)经过小波变换后得：
其中，t为时间，a为时间尺度参数，b为平移参数，是Ψa，b(t)的共轭函数，Uij(a，b)为fij(t)对应的小波域信号；
(2)计算瞬时相位谱：
由于fij(t)中包含噪声干扰，所以在分析信号时设定阈值s0ij，当满足以下公式时：
|Uij(a，bmax)|≤s0ij*mean(|Uij(a，b)|) (2)
计算当时间尺度为a，平移参数b取最大值时，fij(t)的瞬时相位谱，计算公式如下：
其中，Uij(a，bmax)表示时间尺度为a，平移参数b取最大值时，fij(t)对应的小波域信号，mean(|Uij(a，bmax)|)表示|Uij(a，bmax)|的平均值，Iangij(a)表示时间尺度为a，平移参数b取最大值时，fij(t)的瞬时相位谱，imag(Uij(a，bmax))是Uij(a，bmax)的虚部，real(Uij(a，bmax))是Uij(a，bmax)的实部；
(3)计算初至时间：
计算得到的瞬时相位谱Iangij(a)中第一个由负到正经过的零点位置，其对应的时间即为fij(t)的初至时间tij。
步骤4，将垂直缆每个检波点的坐标以及等效声波速度作为变量，以每个激发点的坐标作为已知量，建立初至走时方程，基于初至走时方程建立函数，并利用牛顿迭代方法进行全局最优计算，求解得到垂直缆每个检波点的坐标；
为验证二次定位值的正确性，需要对计算得到的相邻两个检波点间的距离与实际道间距进行约束计算，若误差小于预设阈值，则认为二次定位结果正确，若误差大于预设阈值，则重新进行初至走时方程全局最优计算，直至误差小于预设阈值；
具体方法如下：
(1)初至走时方程建立如下：
(xj-xi)2+(yj-yi)2+(zj-zi)2＝(vjtij)2 (4)
其中，(xj，yj，zj)为第j检波点的坐标，(xi，yi，zi)为第i激发点的坐标，vj表示第j检波点处代替声速的等效速度，tij表示第i激发点发出的声波到达第j检波点的初至时间；
(2)将上述方程的求解转化为函数的零点问题：
定义函数Φij(x，y，z，v，t)＝(xj-xi)2+(yj-yi)2+(zj-zi)2-(vjtij)2 (5)
将式(5)在检波点的初始点(xj0，yj0，zj0，vj0)处泰勒展开得到，
JP＝Φij(xj0，yj0，zj0，vj0) (6)
其中，雅克比矩阵J为Φij(x，y，z，v，t)在点(xj0，yj0，zj0，vj0)处对各变量的一次导数，P为解的偏移量，(xj0，yj0，zj0)代表第j检波点的初始坐标，vj0表示第j检波点处代替声速的初始等效速度，取值1500m/s；检波点的初始点指的是垂直缆沉入海底后的初始位置。
(3)利用牛顿迭代方法求解超定线性方程(6)，得到第j检波点的坐标(x′j，y′j，z′j)，若计算得到相邻两个检波点间距满足dj，j+1≈D±δ，其中，D为垂直缆道间距，即相邻两个检波点的实际间距，误差范围为0＜δ＜o(δ)，o(δ)为设定阈值，即误差在设定阈值范围内，可得垂直缆上各检波点的坐标。
步骤5，垂直缆在海底受到海流的影响，其姿态与位置是变化的。为保证定时确定垂直缆的姿态，以日期为基准选择对应的震源激发点，按照步骤2至步骤4的方法定时进行垂直缆的二次定位，从而计算出垂直缆的位置变化。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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