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相控震源地震波定向技术

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震源 地震波 定向 技术
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第 22 卷 第 3 期               吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 )               V N 5 月               M 004 文 章 编 号 : 167125896 (2004) 0320181204相 控 震 源 地 震 波 定 向 技 术 弓 屮又 1, 2  , 林   君 2, 陈 祖 斌 2, 蒋 忠 进 2(11 吉 林 大 学 计 算 机 科 学 与 技 术 学 院 , 吉 林 长 春 130012;21 吉 林 大 学 国 土 资 源 部 现 代 地 球 物 理 仪 器 研 究 开 放 实 验 室 , 吉 林 长 春 130026)摘 要 : 针 对 采 用 多 个 震 源 同 时 工 作 的 组 合 地 震 勘 探 , 仍 有 所 使 用 的 震 源 数 目 受 限 , 不 适 于 大 倾 角 地 层 勘 探 的问 题 , 提 出 了 一 种 产 生 定 向 地 震 波 的 方 法 。 该 方 法 将 相 控 阵 技 术 应 用 于 可 控 震 源 阵 列 , 通 过 控 制 相 邻 震 源 的相 位 差 恒 定 , 使 各 震 源 产 生 的 地 震 波 在 某 个 方 向 上 同 相 叠 加 , 震 动 加 强 , 形 成 定 向 的 地 震 波 束 , 且 地 震 波 方向 、 宽 度 可 控 。 并 从 理 论 上 分 析 了 可 控 震 源 阵 列 的 震 源 数 目 , 空 间 排 列 方 式 , 相 差 与 定 向 地 震 波 的 关 系 ; 仿真 形 式 给 出 定 向 地 震 波 方 向 图 。 结 果 表 明 , 采 用 该 方 法 可 使 检 波 器 接 收 信 号 的 信 噪 比 从 组 合 地 震 的 17134 到 2717 地 震 剖 面 图 的 分 辨 力 提 高 17%。关 键 词 : 相 控 阵 ; 可 控 震 源 ; 地 震 波 ; 定 向中 图 分 类 号 : 63      文 献 标 识 码 : ic in of T 2, L N J 1J 30026, 1 , J 30026, M m is w be to a of is to p a k of ic by am of m of W th is m ic w in in of ic w be It ic of of F it ic by a T he of be 7134 dB 717 dB of ic p be 7%ic w 问 题 的 提 出可 控 震 源 地 震 勘 探 , 是 地 下 信 息 高 分 辨 率 探 测 的 一 种 有 效 方 法 , 广 泛 用 于 了 解 地 层 构 造 , 发 现 特殊 形 状 的 地 下 目 标 体 。单 个 可 控 震 源 激 发 的 地 震 波 在 地 下 半 空 间 发 散 传 播 , 能 量 不 集 中 , 当 地 层 倾 角 很 大 时 , 检 波 器 阵列 接 收 到 的 反 射 信 号 信 噪 比 低 , 因 此 , 长 期 以 来 大 倾 角 地 层 的 勘 探 一 直 是 反 射 法 地 震 勘 探 的 难 题 。 为了 提 高 接 收 信 号 的 信 噪 比 , 人 们 考 虑 采 用 多 个 震 源 同 时 工 作 的 组 合 地 震 勘 探 , 即 通 过 增 加 整 个 震 源 系a 收 稿 日 期 : 2003208228基 金 项 目 : 863 课 题 资 助 项 目 (200235240)作 者 简 介 : 姜 弓 屮又 (1969—   ) , 女 , 吉 林 长 春 人 , 吉 林 大 学 讲 师 , 博 士 研 究 生 , 主 要 从 事 测 控 与 计 算 机 技 术 研 究 , 86243128503537,t- 林 君 (1954—   ) , 男 , 吉 林 通 化 人 , 吉 林 大 学 教 授 , 博 士 生 导 师 , 主 要 从 事 智 能 仪 器研 究 , 86243128621473, 的 输 出 力 , 来 提 高 接 收 信 号 的 信 噪 比 。 这 种 方 法 对 于 倾 角 小 的 地 层 是 有 效 的 , 但 也 存 在 两 个 缺 点 :1) 组 合 地 震 使 用 的 震 源 数 目 受 限 , 一 般 为 3~ 4 台 , 震 源 数 目 过 多 , 使 地 震 剖 面 图 的 效 果 反 而 变 差 ;2) 地 震 波 能 量 集 中 指 向 与 地 面 垂 直 的 方 向 , 不 适 于 大 倾 角 地 层 的 勘 探 。采 用 相 控 阵 技 术 , 可 使 各 震 源 形 成 的 地 震 波 集 中 指 向 某 一 方 向 , 当 遇 到 目 标 地 层 反 射 时 , 反 射 波束 正 好 指 向 地 面 检 波 器 阵 列 , 检 波 器 接 收 信 号 的 信 噪 比 提 高 , 进 而 得 到 高 分 辨 率 的 地 震 剖 面 图 。相 控 阵 技 术 , 最 初 来 源 于 雷 达 天 线 系 统 [1 ], 目 前 已 广 泛 用 于 声 波 、 超 声 波 、 微 波 [2 ]、 光 波 等 其 他 领域 , 有 效 地 解 决 了 各 种 波 束 形 成 的 问 题 。 目 前 , 将 相 控 阵 技 术 应 用 于 可 控 震 源 地 震 领 域 [3 ], 在 国 内 尚 未见 文 献 报 导 。2  波 束 形 成 原 理相 控 阵 地 震 系 统 由 多 台 可 控 震 源 组 成 , 这 些 可 控 震 源 可 按 一 定 间 距 , 排 列 成 直 线 [4 ]或 平 面 阵 列 结构 。 每 台 可 控 震 源 [5~ 7 ]的 控 制 系 统 分 别 独 立 地 控 制 对 应 的 激 振 器 的 相 位 , 当 它 们 的 相 差 恒 定 时 , 各 自 产生 的 地 震 波 在 空 间 某 个 方 向 恰 好 相 位 相 同 , 即 在 该 方 向 上 由 于 同 相 叠 加 地 震 波 明 显 加 强 , 而 其 他 方 向由 于 相 位 不 一 致 而 被 削 弱 甚 至 抵 消 , 称 信 号 叠 加 的 方 向 为 地 震 波 束 方 向 或 主 波 束 方 向 , 在 这 一 方 向 , 与单 个 震 源 工 作 或 多 个 震 源 无 规 律 排 列 情 况 相 比 , 信 噪 比 有 明 显 提 高 [8, 9 ]。图 1  可 控 震 源 阵 列 波 束 形 成 原 理F p le of 个 震 源 为 例 , 其 波 束 形 成 原 理 如 图 1 所示 。 图 1 中 , 震 源 1, 2 与 检 波 器 阵 列 共 线 排 列 , 间距 为 d , 阵 列 中 点 为 O。 设 P 为 远 场 观 测 点 , 震 源1, 2 到 P 的 连 线 为 阵 法 线 夹 角 为 2 到 垂 线 , 垂 点 为 M 。因 为 P 为 远 场 观 测 点 , 所 以 近 似相 等 。 当 震 源 1, 2 同 频 同 相 开 始 震 动 时 , 震 源 2 在P 点 产 生 的 地 震 波 场 比 震 源 1 产 生 的 地 震 波 场 在波 程 上 要 短 , 即 有 波 程 差 $ r = d , 波 程 差 引 起的 相 位 差 $U= kd = (2P K) d 。 也 就 是 说 ,在 P 点 震 源 2引 起 的 地 震 波 比 震 源 1超 前 一 个 相 位差 。 可 见 , 如 果 让 震 源 1的 相 位 始 终 比 震 源 2超 前$U, 则 任 意 时 刻 在 观 测 点 P , 各 震 源 产 生 的 信 号 总是 同 相 叠 加 , 信 号 加 强 。 容 易 看 出 , 直 线 O P 上 各 点都 是 同 相 叠 加 点 , 称 O P 是 阵 列 的 主 波 束 方 向 , 当P 看 作 远 场 , 主 波 束 方 向 即 为 H。 主 波 束 是 存 在 一 定 的 宽 度 的 , 称 为 主 瓣 宽 度 。在 图 1中 , 取 检 波 器 Q , Q 关 于 目 标 地 层 的 对 称 点 为 P 1, 根 据 反 射 原 理 , 震 源 1, 2到 Q 的 波 程 与 到P 1的 波 程 相 等 。 因 此 , 合 理 选 取 Q 的 位 置 , 使 P 1在 主 波 束 上 , 则 检 波 器 Q 必 为 同 相 叠 加 点 , 也 可 以 说检 波 器 Q 在 反 射 信 号 的 主 波 束 方 向 上 。 实 际 地 震 勘 探 , 采 用 的 是 检 波 器 阵 列 , 因 此 合 理 地 控 制 主 波 束 宽度 , 就 可 以 让 所 有 检 波 器 的 接 收 信 号 都 得 到 加 强 。 这 就 是 相 控 阵 地 震 系 统 的 波 束 形 成 原 理 。3  波 束 形 成 主 要 参 数 分 析1) 地 下 任 意 点 场 强 E 与 观 察 点 方 向 系 。 当 震 源 数 目 为 n, 间 距 为 d , 相 邻 震 源 保 持 恒 定 相 位差 假 定 震 源 是 理 想 点 源 , 各 方 向 辐 射 相 同 。 根 据 波 动 理 论 。 设7 = kd (1)F a (U) = 2n 2 = n (kd + B) 2n kd + B) 2 (2)其 中 k= 2P K, F a (U) 反 映 了 相 差 恒 定 时 , 在 不 同 观 察 点 方 向 一 化 场 强 分 布 规 律 。 这 里 归 一 化 的含 义 是 , 在 最 大 场 强 值 方 向 Um 有 F a (Um = 1。281 吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 ) 第 22 卷图 2  可 控 震 源 阵 列 方 向 图(地 震 波 方 向 图 )F ic 相 控 震 源 地 震 波 方 向 图 。 根 据 F a (U) 可 绘 出 阵 列 方 向 图 。 图 2是n= 4, 扫 描 信 号 频 率 f = 100 H z, d = 4 m = K 2, B = - 3 P 2 的 方向 图 , 最 大 场 强 方 向 Um P 6 = 30° 。3) 相 差 束 方 向 Um 系 。 当 m = 0时 , 有 7 = kd co s U+B = 0 , 此 时 波 束 方 向 , 即 为 Um 可 见B = - kd m 3)4) 控 制 栅 瓣 条 件 。 当 7 = kd + B= 2m P, 且 m = ± 1, ± 2, …时 , F a (U) 仍 然 存 在 极 大 值 , 称 之 为 栅 瓣 。 不 出 现 栅 瓣 的 条 件 为d K< 1 (1 + ß m 或 d K< 1 (1 + ß m (4)5) 控 制 阵 列 方 向 图 的 副 瓣 数 目 。 由 图 2可 知 , 地 震 波 还 存 在 副 瓣 。 每 个 象 限 内 副 瓣 数 目 为 M , 满 足M ≤ ([K], 推 导 得 到 不 出 现 副 瓣 的 条 件 是d < K n (5)6) 阵 列 主 波 束 宽 度 分 析 。 主 瓣 宽 度 , 又 称 为 半 功 率 宽 度 2 个 半 功 率 点 方 向 (法 向 夹 角 ) 以 弧 度 为 单 位 表 示 如 下 K(2178 n)2 m K(2178 n)2 m 束 半 功 率 宽 度 2 ß 震 勘 探 中 , 一 般 要 求 波 束 方 向 在 Hm 90° 附 近 。 当Hm 90° ,         2 2 0188K ( (6)令 阵 列 长 度 L = (n - 1) d , 当 n 比 较 大 时 , L≈ 可 以 看 出 主 波 束 宽 度 与 阵 列 长 度 的 平 方 根 成 反 比 。地 震 勘 探 中 , 检 波 器 阵 列 的 长 度 与 探 测 深 度 和 探 测 分 辨 率 有 关 。 因 此 , 野 外 勘 探 中 , 必 须 根 据 实 际目 标 地 层 深 度 和 检 波 器 阵 列 长 度 , 合 理 控 制 主 波 束 宽 度 。4  结   论411  可 控 震 源 相 控 阵 系 统 模 型要 建 立 一 个 相 控 阵 震 源 系 统 , 需 要 考 虑 3个 因 素 : 可 控 震 源 的 数 量 , 在 空 间 的 排 列 方 式 , 控 制 信 号的 幅 度 和 相 位 控 制 。 最 终 的 地 震 波 束 方 向 、 形 状 和 宽 度 是 上 述 因 素 综 合 作 用 的 结 果 。1) 可 控 震 源 数 量 。 由 式 (6) 知 , 可 控 震 源 间 距 不 变 时 , 增 加 台 数 , 波 束 变 窄 , 能 量 集 中 , 信 噪 比高 , 探 测 深 度 增 大 。 但 增 加 可 控 震 源 数 量 , 会 使 初 期 投 入 过 大 。 因 此 , 在 浅 层 地 震 勘 探 时 , 在 满 足 信 噪比 要 求 的 前 提 下 , 不 必 过 分 追 求 震 源 数 量 。2) 可 控 震 源 在 空 间 的 位 置 。 可 控 震 源 可 以 排 列 为 等 间 距 直 线 型 。 间 距 可 根 据 式 (4) 和 式 (5) 选 取 ,但 二 者 无 法 同 时 满 足 , 一 般 折 衷 选 择 间 距 d≈ K 2。 可 控 震 源 输 出 的 是 变 频 信 号 , 接 收 信 号 的 频 率 范 围 在20~ 200 H z, 对 应 的 地 震 波 波 长 在 4~ 100 m , 而 震 源 间 距 是 不 可 能 随 时 改 变 的 , 在 浅 层 地 震 勘 探 中 , 建议 间 距 选 取 在 2~ 4 m。3) 可 控 震 源 阵 列 相 位 控 制 。 要 实 现 波 束 定 向 , 必 须 使 各 震 源 发 出 的 弹 性 波 信 号 具 有 恒 定 的 相 差 , 相差 的 大 小 应 满 足B = - 2co s Um 7)负 号 代 表 相 位 滞 后 。 对 n= 4的 情 况 , 如 果 让 d = K 2, 应 让 各 可 控 震 源 保 持 相 差B = - 2co s Um - 22 co s Um - m 频 的 地 震 信 号 , 为 维 持 波 束 方 向 , 相 邻 震 源 相 差 应 根 据 式 (7) 实 时 变 化 。4) 可 控 震 源 阵 列 幅 度 控 制 。 各 可 控 震 源 阵 列 若 振 幅 相 等 , 第 1副 瓣 电 平 为 - 1315 且 与 n 无 关 。在 实 际 地 质 勘 探 中 , - 1315 然 太 高 了 。 要 降 低 副 瓣 电 平 , 有 两 类 解 决 方 法 : 一 类 是 让 各 可 控 震 源381第 3 期 姜 弓 屮又 , 等 : 相 控 震 源 地 震 波 定 向 技 术不 等 间 距 排 列 ; 另 一 类 做 法 是 使 振 幅 自 阵 中 心 向 两 边 递 减 渐 变 分 布 。5) 地 震 波 方 向 图 。 通 过 M 真 , 给 出 4可 控 震 源 相 控 阵 列 方 向 图 (见 图 3)。 频 率 变 化 时 , 虽 然波 束 方 向 不 变 , 但 波 束 宽 度 变 化 。 以 频 率 f = 200 H z, 地 震 波 速 v= 800 m , 间 距 d = 2 m 为 例 , 图 3给 出 不 同 的 地 震 波 方 向 图 。a  Um P 6, B= - m - 3 P 2       b  Um P 4, B= - m - 2 P 2c  Um P 3, B= - m - P 2                   d  Um P 2, B= 0      图 3  不 同 方 向 的 4可 控 震 源 相 控 阵 列 方 向 图 (d = 2 m )F 2d = 2 m )412  仿 真 结 果以 4个 震 源 为 例 , 得 到 相 控 地 震 信 号 检 测 结 果 (见 姜 弓 屮又 , 林 君 . 可 控 震 源 相 控 系 统 的 信 号 检 测 与 时延 估 计 [J ]. 仪 器 仪 表 学 报 , 待 发 表 。 ) , 在 噪 声 与 单 震 源 信 号 等 强 度 条 件 下 , 由 公 式 (2) , 当 U= 60° , 接收 信 号 信 噪 比 为 : 单 震 源 地 震 0 组 合 地 震 17134 相 控 地 震 2717 根 据 W 震 分 辨 力 定义 , 分 辨 力 提 高 了 17%。参 考 文 献 :[1 ] A D C ] ∥ [ s. l. ]:[ s. n. ]. 1995: 726— 731.[ 2 ] D , . M p w p J ]. 2002, 50 (6): 850— 857.[3 ] A E. w J ]. 42 (7): 1 321— 1 337.[ 4 ] A , . w p J ]. 1999, 47 (8): 1 267— 1 275.[ 5 ] 林 君 , 陈 祖 斌 (L N 可 控 震 源 2大 地 耦 合 模 型 研 究 (on on w [J ]. 中 国 学 术 期 刊 文 摘 (A h , 1999, 5 (6): 811— 812.[6 ] 张 子 山 , 林 君 , 陈 祖 斌 , 于 生 宝 ( L N 轻 便 高 频 可 控 震 源的 计 算 机 测 控 系 统 ( C m in h [J ]. 计算 机 自 动 测 量 与 控 制 ( , 2000, 8 (4): 10— 12.[ 7 ] N L D on J ]. 2000, 3 (1): 107— 113.[ 8 ] 蒋 忠 进 , 林 君 (J L 三 阶 累 计 量 在 可 控 震 源 地 震 勘 探 信 号 处 理 中 的 应 用 (th on p [J ]. 系 统 工 程 与 电 子 技 术 (, 2003, 10 (1): 1 431— 1 434.[ 9 ] 蒋 忠 进 , 林 君 (J L 小 波 包 在 可 控 震 源 地 震 勘 探 信 号 处 理 中 对 时 延 估 计 的 应 用 (A pp w in of of [J ]. 吉 林 大 学 学 报 : 信 息 科 学 版 ( , 2003, 21 (2): 105— 108. (Z, H )481 吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 ) 第 22 卷
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