阅读说明：本技术 可控震源扫描信号的生成方法及装置 (Method and device for generating scanning signals of vibroseis ) 是由 门哲 肖虎 王井富 李红远 杨国平 冯晓翠 于 2019-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可控震源扫描信号的生成方法及装置,该方法包括：获取可控震源的扫描参数,其中,扫描参数至少包括：扫描长度和采样间隔；根据扫描长度和采样间隔,计算采样点数N；生成预设区间范围且均匀分布的N个伪随机数；根据N个伪随机数,确定一个伪随机序列；基于线性扫描信号的振幅谱,对伪随机序列的振幅谱进行整形处理,得到可控震源的伪随机扫描信号,其中,线性扫描信号是根据所述可控震源的扫描参数生成的线性信号。本发明能够为可控震源提供一种振幅谱平坦的伪随机扫描信号,使得可控震源能够用于建筑设施敏感地区的地震资料采集。(The invention discloses a method and a device for generating a vibroseis scanning signal, wherein the method comprises the following steps: obtaining scanning parameters of a vibroseis, wherein the scanning parameters at least comprise: scan length and sampling interval; calculating the number N of sampling points according to the scanning length and the sampling interval; generating N pseudo random numbers which are within a preset interval range and are uniformly distributed; determining a pseudo-random sequence based on the N pseudo-random numbers; and shaping the amplitude spectrum of the pseudorandom sequence based on the amplitude spectrum of the linear scanning signal to obtain a pseudorandom scanning signal of the vibroseis, wherein the linear scanning signal is a linear signal generated according to the scanning parameters of the vibroseis. The invention can provide a pseudorandom scanning signal with a flat amplitude spectrum for the vibroseis, so that the vibroseis can be used for seismic data acquisition in sensitive areas of building facilities.)

可控震源扫描信号的生成方法及装置

技术领域

本发明涉及石油勘探领域，尤其涉及一种可控震源扫描信号的生成方法及装置。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

对于陆上石油地震勘探，可控震源是一种广泛应用的安全、环保的激发装备。可控震源在振动时需要预先设计一个参考扫描信号，震源的电控系统根据该参考扫描信号驱动震源进行振动。

一般预先设计的参考扫描信号有如下三种类型：线性扫描信号、非线性扫描信号和伪随机扫描信号，其中，线性扫描信号和非线性扫描是指扫描速率是线性的或非线性的，而伪随机扫描信号的扫描速率是伪随机变化的。

线性扫描信号具有能量强、振幅谱平坦无抖动等优点，是应用最广泛的扫描信号；非线性扫描信号主要通过补偿某些频段的能量，应用于低频扩展或高频补偿的特殊项目中；伪随机扫描信号由于扫描速率伪随机变化，不会与建筑设施发生共振，可以减小对建筑设计的破坏，主要应用于建筑设施敏感地区的施工。

目前，现有伪随机扫描信号设计方法生成的伪随机扫描信号，存在振幅谱抖动剧烈，以及相关子波旁瓣能量强等缺点，使得伪随机扫描的应用受到限制。

发明内容

本发明实施例提供一种可控震源扫描信号的生成方法，用以解决现有技术中，用于可控震源的伪随机扫描信号振幅谱抖动剧烈的技术问题，该方法包括：获取可控震源的扫描参数，其中，扫描参数至少包括：扫描长度和采样间隔；根据扫描长度和采样间隔，计算采样点数N；生成预设区间范围且均匀分布的N个伪随机数；根据N个伪随机数，确定一个伪随机序列；基于线性扫描信号的振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到可控震源的伪随机扫描信号，其中，线性扫描信号是根据所述可控震源的扫描参数生成的线性信号。

本发明实施例还提供一种可控震源扫描信号的生成装置，用以解决现有技术中，用于可控震源的伪随机扫描信号振幅谱抖动剧烈的技术问题，该装置包括：扫描参数获取模块，用于获取可控震源的扫描参数，其中，扫描参数至少包括：扫描长度和采样间隔；采样点数计算模块，用于根据扫描长度和采样间隔，计算采样点数N；伪随机数生成模块，用于生成预设区间范围且均匀分布的N个伪随机数；伪随机序列确定模块，用于根据N个伪随机数，确定一个伪随机序列；伪随机扫描信号生成模块，用于基于线性扫描信号的振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到可控震源的伪随机扫描信号，其中，线性扫描信号是根据所述可控震源的扫描参数生成的线性信号。

本发明实施例还提供一种计算机设备，用以解决现有技术中，用于可控震源的伪随机扫描信号振幅谱抖动剧烈的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述可控震源扫描信号的生成方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术中，用于可控震源的伪随机扫描信号振幅谱抖动剧烈的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述可控震源扫描信号的生成方法的计算机程序。

本发明实施例中，根据可控震源的扫描参数生成一个伪随机序列，并根据该可控震源的扫描参数生成一个线性扫描信号，然后基于该线性扫描信号的振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，从而得到与线性扫描信号振幅谱接近的伪随机扫描信号，以作为可控震源振动时的参考扫描信号。

通过本发明实施例，能够为可控震源提供一种振幅谱平坦的伪随机扫描信号，更加接近相同频宽的线性扫描信号的振幅谱，可以应用于建筑设施敏感地区的可控震源施工。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的一种可控震源扫描信号的生成方法流程图；

图2为本发明实施例中提供的一种线性扫描信号示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种目标振幅谱示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种伪随机扫描信号示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种线性扫描信号与伪随机扫描信号子波频谱对比示意图；

图6为本发明实施例中提供的一种采用6Vibpro箱体生成的伪随机扫描信号子波频谱示意图；

图7为本发明实施例中提供的一种采用7VE464箱体生成的伪随机扫描信号子波频谱示意图；

图8为本发明实施例中提供的一种可控震源扫描信号的生成装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

本发明实施例中提供了一种可控震源扫描信号的生成方法，图1为本发明实施例中提供的一种可控震源扫描信号的生成方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101，获取可控震源的扫描参数，其中，扫描参数至少包括：扫描长度和采样间隔。

需要说明的是，通过S101获取的可控震源的扫描参数，可以是用户预先设置的扫描参数，需要注意的是，预先设置的扫描参数除了上述扫描长度和采样间隔外，还可以包括但不限于：起始频率、终止频率(起始频率小于终止频率)、斜坡类型、起始斜坡长度、终止斜坡长度。可选地，设置的斜坡类型可以是但不限于Blackman窗函数或Cosine函数，用来定义扫描信号振幅包络。

S102，根据扫描长度和采样间隔，计算采样点数N。

需要说明的是，采样点数N为待生成伪随机扫描信号的采样点数。作为一种可选的实施方式，采样点数的计算方法为：

N＝T/dt (1)

其中，T表示扫描长度；dt表示采样间隔。

S103，生成预设区间范围且均匀分布的N个伪随机数。

作为一种可选的实施方式，上述S103可以生成均匀分布且范围在[-π,π]之间的N个伪随机数R_j：

R_j＝Random(j)其中，-π≤R_j≤π (2)

S104，根据N个伪随机数，确定一个伪随机序列。

以均匀分布且范围在[-π,π]之间的N个伪随机数R_j为例，作为一种可选的实施方式，上述可以具体包括：计算N个伪随机数的正弦值或余弦值；将N个伪随机数的正弦值或余弦值，确定为伪随机序列。

如果将N个伪随机数的正弦值作为伪随机序列，则可以通过下面的公式确定一个伪随机序列：

SR_j＝sin(R_j) (3)

其中，SR_j表示正弦值伪随机序列。

S105，基于线性扫描信号的振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到可控震源的伪随机扫描信号，其中，线性扫描信号是根据所述可控震源的扫描参数生成的线性信号。

作为一种可选的实施例，上述S105可以具体包括如下步骤：计算线性扫描信号的振幅谱；对线性扫描信号的振幅谱进行归一化处理，得到目标振幅谱；基于目标振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到可控震源的伪随机扫描信号。

进一步地，可以通过如下步骤来计算线性扫描信号的振幅谱：根据扫描参数确定线性扫描信号；对线性扫描信号进行傅里叶变换运算，得到线性扫描信号对应的复数序列；根据线性扫描信号对应的复数序列，计算线性扫描信号的振幅谱。

其中，根据扫描参数确定线性扫描信号可以通过如下公式来实现：

其中，

其中，S(t)表示线性扫描信号；A(t)表示Blackman窗函数或Cosine函数定义的振幅包络；T表示扫描长度；f₀表示扫描的起始频率；f_m表示扫描的终止频率；f(t)表示瞬时频率变换函数。

作为第一种可选的实施方案，当斜坡类型为Blackman窗函数的情况下，振幅包络A(t)可以表示为：

其中，

作为第二种可选的实施方案，当斜坡类型为Cosine函数的情况下，振幅包络A(t)可以表示为：

其中，

其中，T₁表示起始斜坡长度；T₂表示终止斜坡长度。

在根据扫描参数确定线性扫描信号之后，可以对线性扫描信号S(t)进行傅里叶变换运算，得到如下复数序列：

C_j＝a_j+ib_j (6)

其中，j＝1,2,…,N；i表示虚数单位。

进一步地，可以通过如下公式计算线性扫描信号的振幅谱PL_j：

通过下式对线性扫描信号的振幅谱PL_j进行归一化处理，得到目标振幅谱：

在一种可选的实施例中，基于目标振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到可控震源的伪随机扫描信号，具体可以包括如下步骤：对伪随机序列进行傅里叶变换运算，得到伪随机序列对应的复数序列；根据伪随机序列对应的复数序列，计算伪随机序列的振幅谱；基于目标振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到整形后的振幅谱；对整形后的振幅谱进行傅里叶逆变换运算，得到整形信号；对整形信号进行归一化处理，得到可控震源的伪随机扫描信号。

以正弦值伪随机序列SR_j为例，对其进行傅里叶变换运算，可得到如下复数序列：

CR_j＝c_j+id_j (9)

其中，j＝1,2,…,N；i表示虚数单位。

进一步地，可以通过如下公式计算伪随机序列SR_j的振幅谱PR_j：

在基于目标振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到整形后的振幅谱的时候，作为一种可选的实施方式，通过如下公式对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到整形后的振幅谱：

P_shape(f)＝PR_j(f)×P_target(f)/(PR_j(f)+ε) (11)

其中，P_shape(f)表示整形后的振幅谱；PR_j(f)表示伪随机序列的振幅谱；P_target(f)表示目标振幅谱；ε表示白噪声系数。

进一步地，对整形后的振幅谱P_shape进行傅里叶逆变换运算，可得到整形信号shape(t)；对整形信号shape(t)进行归一化处理，可得到可控震源的伪随机扫描信号R(t)：

由上可知，本发明实施例中，根据可控震源的扫描参数生成一个伪随机序列，并根据该可控震源的扫描参数生成一个线性扫描信号，然后基于该线性扫描信号的振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，从而得到与线性扫描信号振幅谱接近的伪随机扫描信号，以作为可控震源振动时的参考扫描信号。

通过本发明实施例提供的可控震源扫描信号的生成方法，能够为可控震源提供一种振幅谱平坦的伪随机扫描信号，更加接近相同频宽的线性扫描信号的振幅谱，可以应用于建筑设施敏感地区的可控震源施工。

作为一种优选的实施方式，本发明实施例提供的可控震源伪随机扫描信号的生成方法可以通过如下步骤来实现：

①设置可控震源扫描参数；

②计算伪随机扫描信号采样点数N；

③生成均匀分布的范围在[-π，π]之间的N个伪随机数；

④计算[-π，π]之间的N个伪随机数的正弦值或余弦值，得到伪随机序列；

⑤计算线性扫描信号的振幅谱，作为目标谱；

⑥计算伪随机序列的振幅谱，并对其进行谱整形，得到整形信号；

⑦对整形信号进行归一化处理，得到伪随机扫描信号。

其中，可控震源扫描参数包括起始频率f₀、终止频率f_m、扫描长度T、斜坡类型、起始斜坡长度T₁、终止斜坡长度T₂和采样间隔dt。其中，扫描的起始频率小于终止频率；斜坡类型一般为Blackman窗函数或Cosine函数，用来定义扫描信号振幅包络。

假设可控震源的扫描参数为：起始频率f₀＝5Hz、终止频率f_m＝96Hz、扫描长度T＝16s、斜坡类型采用Blackman窗函数、起始斜坡长度T₁＝250ms、终止斜坡长度T₂＝250ms和采样间隔dt＝0.5ms，则根据扫描长度和采样间隔计算得到待生成伪随机扫描信号的采样点数为32000。

图2所示为根据可控震源的扫描参数生成的线性扫描信号；对图2所示的线性扫描信号进行归一化处理，可得到目标振幅谱，如图3所示。图4示出了基于图3所示的目标振幅谱对根据可控震源的扫描参数生成的伪随机序列进行整形处理后的伪随机扫描信号。图5是线性扫描信号和伪随机扫描信号的频谱对比示意图。

图6是常见VibPro震源箱体采用相同扫描参数生成伪随机扫描信号的频谱示意图，图7是常见VE464震源箱体采用相同扫描参数生成伪随机扫描信号的频谱示意图；由图6和图7可以看出，VibPro箱体和VE464箱体生成的伪随机扫描信号的频谱抖动剧烈，而采用本发明实施例生产伪随机扫描信号的子波频谱抖动很小，与线性扫描信号的子波频谱很接近。

本发明实施例中还提供了一种可控震源扫描信号的生成装置，如下面的实施例所述。由于该装置实施例解决问题的原理与可控震源扫描信号的生成方法相似，因此该装置实施例的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图8为本发明实施例中提供的一种可控震源扫描信号的生成装置示意图，如图8所示，该装置包括：扫描参数获取模块81、采样点数计算模块82、伪随机数生成模块83、伪随机序列确定模块84和伪随机扫描信号生成模块85。

其中，扫描参数获取模块81，用于获取可控震源的扫描参数，其中，扫描参数至少包括：扫描长度和采样间隔；采样点数计算模块82，用于根据扫描长度和采样间隔，计算采样点数N；伪随机数生成模块83，用于生成预设区间范围且均匀分布的N个伪随机数；伪随机序列确定模块84，用于根据N个伪随机数，确定一个伪随机序列；伪随机扫描信号生成模块85，用于基于线性扫描信号的振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到可控震源的伪随机扫描信号，其中，线性扫描信号是根据所述可控震源的扫描参数生成的线性信号。

由上可知，本发明实施例提供的可控震源扫描信号的生成装置，根据可控震源的扫描参数生成一个伪随机序列，并根据该可控震源的扫描参数生成一个线性扫描信号，然后基于该线性扫描信号的振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，从而得到与线性扫描信号振幅谱接近的伪随机扫描信号，以作为可控震源振动时的参考扫描信号。

通过本发明实施例提供的可控震源扫描信号的生成装置，能够为可控震源提供一种振幅谱平坦的伪随机扫描信号，更加接近相同频宽的线性扫描信号的振幅谱，可以应用于建筑设施敏感地区的可控震源施工。

在一种可选的实施例中，本发明实施例生成的伪随机数的区间范围为[-π,π]，则上述伪随机序列确定模块84还用于计算N个伪随机数的正弦值或余弦值；将N个伪随机数的正弦值或余弦值，确定为伪随机序列。

在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的可控震源扫描信号的生成装置中，伪随机扫描信号生成模块85还包括：线性扫描信号振幅计算子模块，用于计算线性扫描信号的振幅谱；目标振幅谱计算子模块，用于对线性扫描信号的振幅谱进行归一化处理，得到目标振幅谱；伪随机扫描信号生成子模块，用于基于目标振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到可控震源的伪随机扫描信号。

基于上述实施例，作为一种可选的实施方式，线性扫描信号振幅计算子模块还用于根据扫描参数确定线性扫描信号；对线性扫描信号进行傅里叶变换运算，得到线性扫描信号对应的复数序列；根据线性扫描信号对应的复数序列，计算线性扫描信号的振幅谱。

需要说明的是，本发明实施例提供的可控震源扫描信号的生成装置中，扫描参数还可以包括：起始频率、终止频率、斜坡类型、起始斜坡长度、终止斜坡长度，其中，斜坡类型为Blackman窗函数或Cosine函数，线性扫描信号振幅计算子模块还用于通过如下公式根据扫描参数确定线性扫描信号：

其中，

其中，

其中，S(t)表示线性扫描信号；A(t)表示Blackman窗函数的振幅包络；T₁表示起始斜坡长度；T₂表示终止斜坡长度；T表示扫描长度；f₀表示起始频率；f_m表示终止频率；f(t)表示瞬时频率变换函数。

基于上述实施例，作为一种可选的实施方式，伪随机扫描信号生成子模块还用于对伪随机序列进行傅里叶变换运算，得到伪随机序列对应的复数序列；根据伪随机序列对应的复数序列，计算伪随机序列的振幅谱；基于目标振幅谱，对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到整形后的振幅谱；对整形后的振幅谱进行傅里叶逆变换运算，得到整形信号；对整形信号进行归一化处理，得到可控震源的伪随机扫描信号。

可选地，伪随机扫描信号生成子模块还用于通过如下公式对伪随机序列的振幅谱进行整形处理，得到整形后的振幅谱：

P_shape(f)＝PR_j(f)×P_target(f)/(PR_j(f)+ε)；

其中，P_shape(f)表示整形后的振幅谱；PR_j(f)表示伪随机序列的振幅谱；P_target(f)表示目标振幅谱；ε表示白噪声系数。

本发明实施例中还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例中任意一种可选的或优选的可控震源扫描信号的生成方法。

本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行上述方法实施例中任意一种可选的或优选的可控震源扫描信号的生成方法的计算机程序。

综上所述，本发明实施例提供了一种可控震源伪随机扫描信号的生成方法，根据可控震源的扫描参数生成线性扫描信号，并计算线性扫描信号的振幅谱，将该振幅谱作为待生成的伪随机扫描信号的目标振幅谱；对伪随机序列按照目标谱进行谱整形，得到伪随机扫描信号。将本发明实施例提供的可控震源伪随机扫描信号用于可控震源激发的地震勘探，特别是在建筑设施附近进行施工时，可以减小安全距离，缩小采集资料缺口，与直接采用线性扫描信号的可控震源相比，采用本发明实施例提供的伪随机扫描信号的可控震源，可以减轻对建筑设施的破坏。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。