一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法与流程

1.本发明涉及海底地震仪主动源地震勘探的数据处理领域，尤其是涉及一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法。


背景技术：

2.受海流的影响，海底地震仪(obs)在设计点位投放以后，在下沉过程中会发生横向漂移。水深越深、流速越大、水文情况越复杂，着底点的漂移量会越大或越不确定。因此，obs的定位是主动源海底地震勘探的关键步骤。obs的定位有两种方法：一是利用obs声学通讯，但这种方式受声学通讯有效范围制约，且需要多方位测量，定位效率低，且受水速影响误差大，目前较少使用；二是利用地震数据的冗余到时信息，这种方法定位效率高，但定位精度受水速误差、海底深度，以及到时拾取误差影响。
3.为此，很多研究对地震定位方法进行改进。为了提高定位精度，李丽青等(2013)、徐云霞等(2018)对实测数据进行线性动校正，根据直达波拉平效果确定obs的位置。trabattoni等(2020)利用船上噪音，采用频谱分析技术实现obs的定位，定位精度较高，但需要准确的ais数据和尽量多、尽量宽频的噪音信号。为了克服海底深度和海水速度未知的影响，oshida等(2008)利用初至波走时，结合精确的水深测量和全局搜索方法实现obs的定位。马德堂等(2013)根据初至波到达时，首先利用搜索法确定海水速度，再利用三点定位法和最小平方法确定obs位置，同时减小了拾取误差、炮点误差和水速误差对定位精度的影响。du等(2018)利用初至波走时，首先结合最小二乘法和蒙特卡洛方法对obs进行定位，然后利用二次曲线拟合获得平均水速与水深。benazzouz(2018)则利用初至波到达时，构建关于obs坐标与水速的超定方程，分两步获得obs坐标与水速。
4.可以看出，以上地震定位方法需要已知准确的海底深度与海水速度，或者是采用分步法逐次实现obs的定位与海水速度的估计，无法同时快速地得到obs位置、海底深度海水速度，且定位的精度不高。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种定位精度高的确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，可以确定各个obs对应的海底地震仪位置、海底深度与海水等效海水速度。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，包括以下步骤：
8.1)获取原始地震数据，从预处理后的地震数据中选出多个obs道集，所述obs道集为共检波点道集；
9.2)基于obs拾取所有共检波点道集中海水的透射波走时，统计该透射波走时对应的炮点坐标和激发时间；
10.3)设置扫描范围和扫描间隔；
11.4)对于任一obs道集，以投放点为中心，利用多维扫描方法确定基于该obs道集得到的obs着底位置、着底深度及等效海水速度；
12.5)重复4)，直至对所有的obs道集都执行过4)，得到所有的obs位置与obs水平位置处的等效海水速度。
13.进一步地，3)的扫描范围包括空间水平扫描范围、垂直扫描范围和等效海水速度扫描范围，所述扫描间隔为上述三个扫描范围各自对应的扫描间隔，设置水平扫描范围时，保证obs的着底范围在水平扫描范围内。
14.进一步地，4)的步骤包括：
15.41)对于选定的obs道集，统计该道集的所有炮点坐标和2)中每个炮点对应的海水透射波走时t；
16.42)按照任意顺序执行一级循环、二级循环和三级循环，完成三个循环后，执行内层循环，得到每个虚拟obs点的总走时残差；
17.其中，一级循环具体为：以投放点水平坐标为中心，在设定的空间水平扫描范围内，按照设定的空间水平扫描的间隔逐次变化obs水平坐标，得到水平坐标集合；
18.二级循环具体为：以投放点水平坐标所对应的海底初始深度为中心，在设定的垂直扫描范围内，按照设定的垂直扫描的间隔逐次变化obs深度，得到深度集合；
19.三级循环具体为：以给定的海水等效参考速度为中心，在设定的等效海水速度扫描范围内，按照设定的等效海水速度扫描的间隔逐次变化海水参考速度，得到海水参考速度集合；
20.内层循环具体为：对于选定的obs道集所涉及的所有炮点逐个扫描，对于扫描的任一炮点坐标(sxi,syi,szi)，基于每个炮点对应的透射波走时、水平坐标集合、深度集合和海水参考速度集合得到该炮点坐标的所有不同虚拟obs扫描点下的理论到达时残差，重复上述步骤，得到选定的obs道集所涉及的所有炮点坐标的所有不同虚拟obs扫描点下的理论到达时残差，进而得到所有不同虚拟obs扫描点下的总走时残差，所述不同虚拟obs扫描点由水平坐标集合的任一obs水平坐标、深度集合的任一obs深度和海水参考速度集合的任一海水参考速度组成；
21.43)、计算总走时残差中的最小值，确定该最小值对应的obs水平坐标、obs深度和海水参考速度，将该obs水平坐标作为obs着底位置、将该obs深度作为该水平位置的着底深度，将该海水参考速度作为该水平位置的等效海水速度。
22.进一步地，对于任一炮点坐标，理论到达时残差的表达式为：
[0023][0024]
其中，δti为该炮点的理论到达时残差，i为任一炮点的下标，(sx,sy,sz)为该炮点的坐标，(rx，ry)为虚拟obs水平坐标，rz为虚拟obs深度，v为海水参考速度，ti为obs道集上拾取的该炮点对应的海水透射波走时。
[0025]
进一步地，某个虚拟obs扫描点下的总走时残差的表达式为：
[0026][0027]
其中，δt
′
为某个虚拟obs扫描点下的总走时残差，δti为一个炮点的理论到达时
残差。
[0028]
进一步地，2)中，obs拾取的透射波的震相为连续的海水透射波震相。
[0029]
进一步地，设置扫描间隔时，权衡扫描的定位精度与计算能力。
[0030]
进一步地，所述预处理为包括滤波、去噪和反褶积中的一种或多种。
[0031]
进一步地，所述共检波点道集为同一obs接收的地震道的集合。
[0032]
进一步地，地震道为海面炮点激发的地震波，经介质传播后，被obs记录到的时间振动序列。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0034]
(1)比较现有的需要已知准确的海底深度与海水速度，或者是采用分步法逐次实现obs的定位与海水速度的估计，本发明可以根据obs道集在实现obs定位的同时实现海底深度的估计及等效海水速度的反演。
[0035]
(2)本发明利用多维扫描方法确定基于该obs道集得到的obs着底位置、着底深度及等效海水速度，原理简单、计算效率高、定位精度高。
附图说明
[0036]
图1为本发明的流程图；
[0037]
图2为本发明的带海水透射波拾取结果的共obs声压分量道集；
[0038]
图3为本发明的重定位前海水透射波动校叠加剖面；
[0039]
图4为本发明的重定位后海水透射波动校叠加剖面。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0041]
名词解释：
[0042]
共检波点道集：同一obs接收的地震道的集合。地震道为海面炮点激发的地震波，经介质传播后，被obs记录到的时间振动序列。
[0043]
本发明提出一种确定海底地震仪位置、海水深度等效海水速度的多维扫描方法，方法的流程图如图1所示。
[0044]
方法包括以下步骤：
[0045]
1)对原始地震数据进行预处理，并对预处理后的地震数据分选为共检波点道集(即obs道集)；
[0046]
2)拾取所有共检波点道集中海水透射波震相的到达时，统计炮点坐标和激发时间；
[0047]
3)设置水平扫描范围、海底初始模型(垂直扫描范围)、参考等效海水速度(等效海水速度扫描范围)及相应的扫描间隔；
[0048]
4)对于任一obs道集，以投放点为中心，利用多维扫描方法确定obs着底位置、着底深度及等效海水速度；
[0049]
5)循环处理所有的obs道集直至确定所有的obs位置与相应的等效海水速度。
[0050]
步骤1)中，预处理包括滤波、去噪和反褶积中的一种或多种。
[0051]
步骤2)中，必须精确拾取道集中海水的透射波走时。需要注意的是：在小偏移距内，海水透射波即为初至波，但随着偏移距的增大，海水透射波不再是初至走时，而位于海底的折射波震相之下。所以，一定要确保拾取的是连续的海水透射波震相；同时，需要保证统计的炮点坐标和激发时间尽量精准。
[0052]
步骤3)中，需要根据观测系统的覆盖情况及水文情况预设空间水平扫描范围，保证obs的着底范围在预设扫描范围内；同时根据船上测深结果提供初始海底深度模型，以及等效海水速度参考模型；权衡定位精度与计算能力，设置以上参数的扫描间隔。间隔越小、精度越高，但计算量越大。
[0053]
步骤4)具体包括以下步骤：
[0054]
41)对于选定的obs道集，统计该道集的所有炮点坐标(sx,sy,sz)和每个炮点所对应的obs记录到的海水透射波时间t；
[0055]
42)以投放点水平坐标为中心，在设定的正负水平范围内，按照设定的水平间隔逐次变化obs水平坐标(rx,ry)，进行一级循环；以投放点水平坐标所对应的海底初始深度为中心，在设定的正负垂直范围内，按照设定的垂直间隔逐次变化obs深度(rz)，进行二级循环；以给定的海水等效参考速度为中心，在设定的正负范围内，按照设定的间隔逐次变化海水参考速度v，进行三级循环；对该obs道集所涉及的所有炮点逐个扫描，进行内层循环。对于任一炮点坐标(sxi,syi,szi)，利用下式可以得到虚拟obs的理论到达时残差
[0056][0057]
其中，i为任一炮点的下标。累积内层循环所有的炮点，得到虚拟obs扫描点(rx,ry,rz,v)所对应的总走时残差
[0058][0059]
43)取前三层循环中使得δt
′
取最小的(rx,ry,rz,v)即为该道集所确定的obs坐标、海底深度，以及等效海水速度。
[0060]
步骤5)中，重复4)后，得到不同的obs道集对应的obs着底位置、着底深度及相应水平位置处的等效海水速度。对不同水平位置的着底深度插值可以获得最后的起伏海底深度，也可以对不同水平位置的着底深度取平均得到最后水平的海底深度。对不同水平位置的等效海水速度插值可以获得最后的非均匀等效海水速度，也可以对不同水平位置的等效海水速度取平均得到最后均匀的等效海水速度。
[0061]
下面进行具体例子的分析：
[0062]
例1：
[0063]
根据实际obs采集观测系统特点，我们设置以下三维模型实验：模型大小为x方向(370000,373000)，共3000米；y方向(2092000,2103000)，共11000米；海底深度2750～2850米；在模型中心2000米*2000米范围内布设9台obs于水平海底，具体坐标见表1；参考海水速度为1460～1540米/秒；海面以下8米处以100米间隔沿二维线自北向南均匀激发93炮，模拟obs接收到的海水透射波走时作为观测数据。为了更加接近实际情况，观测数据保留《1ms的误差，即观测数据到时为整毫秒时间。多维扫描时，参考海水速度设置为1500米/秒，扫描范围
±
40米/秒，扫描间隔1米/秒；参考海底深度2800米，扫描范围
±
50米，扫描间隔1米；水平
方向在整个模型范围内扫描，扫描间隔5米。obs坐标、水深及参考海水速度扫描结果见表1。利用单进程每次实验的扫描用时380s。实验表明，尽管观测数据有较小的误差存在，当真实值落在扫描网格点上时，所有参数都可以被准确地反演出来(1-5组)；当真实值没有落在扫描网格点上时(更加符合实际情况)，obs水平位置的误差基本在20米以内，深度误差在10米以内；所有情况下，等效海水速度的值都可以被准确地反演出来。可见，所开发的多维扫描obs定位方法计算速度快、定位精度高。
[0064]
需要指出的是，根据公式(1)、(2)可导出4个参数的核函数表达式(3)，其中d为炮点与待扫描点之间的距离。不难发现，3个位置参数的敏感性相当(～10-4
)，而等效海水速度的敏感性稍强(～10-3
)，也就意味着后者最容易被准确地估计出来，3个位置参数次之。这与以上实验结论相吻合。
[0065][0066][0067][0068][0069]
更多数值实验表明，为了进一步提高扫描效率，可以适当加大参数的扫描间隔，但这样会导致参数估计误差的增大；在计算能力允许的情况下，考虑到海底深度与速度一般局限于较小的范围内，因此深度参数与速度参数的扫描间隔可以尽量小，如以上实验中的1米或1米/秒，就可以收获较好的反演精度。
[0070]
表1实验一多维扫描结果
[0071][0072]
例2：
[0073]
本实施例将本发明提出的一种确定obs位置与等效海水速度的多维快速扫描方法应用于我国南海荔湾凹陷附近的3个真实obs数据。观测系统覆盖范围为x方向(360000,373000)，共4000米；y方向(2087000,2107000)，共20000米；海面以下8米处以100米间隔沿二维线自北向南均匀激发164炮；共obs声压分量道集上拾取海水透射波走时作为观测数据，观测数据到时为整毫秒时间，如图2所示。多维扫描时，参考海水速度设置为1500米/秒，扫描范围
±
40米/秒，扫描间隔1米/秒；根据声呐测深建立参考海底深度模型，变化范围为2600～3000米，深度扫描范围在参考深度基础上
±
50米，扫描间隔1米；水平方向在整个模型范围内扫描，扫描间隔10米。obs投放点坐标、多维扫描后获得的坐标、水深及参考海水速度结果见表二。利用单进程每次实验的扫描用时200s。多维扫描结果表明，obs整体向西南漂移，x方向偏移量皆为300米左右，y方向偏移量皆为100米左右，与当时的水流方向相符。水深估计值2760～2800米，水速1490～1510米/秒。利用定位的坐标对道集进行线性动校正，校正前后的道集如图3、4所示，校正之后道集初至波拉平，同样说明了估计坐标的准确性。因此，实际资料案例表明所开发的多维扫描obs定位方法计算速度快、定位精度高。例2
扫描得到的结果如表2所示。
[0074]
表2南海实际obs数据多维扫描结果
[0075][0076]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取原始地震数据，从预处理后的地震数据中选出多个obs道集，所述obs道集为共检波点道集；2)基于obs拾取所有共检波点道集中海水的透射波走时，统计该透射波走时对应的炮点坐标和激发时间；3)设置扫描范围和扫描间隔；4)对于任一obs道集，以投放点为中心，利用多维扫描方法确定基于该obs道集得到的obs着底位置、着底深度及等效海水速度；5)重复4)，直至对所有的obs道集都执行过4)，得到所有的obs位置与obs水平位置处的等效海水速度。2.根据权利要求1所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，3)的扫描范围包括空间水平扫描范围、垂直扫描范围和等效海水速度扫描范围，所述扫描间隔为上述三个扫描范围各自对应的扫描间隔，设置水平扫描范围时，保证obs的着底范围在水平扫描范围内。3.根据权利要求2所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，4)的步骤包括：41)对于选定的obs道集，统计该道集的所有炮点坐标和2)中每个炮点对应的海水透射波走时t；42)按照任意顺序执行一级循环、二级循环和三级循环，完成三个循环后，执行内层循环，得到每个虚拟obs点的总走时残差；其中，一级循环具体为：以投放点水平坐标为中心，在设定的空间水平扫描范围内，按照设定的空间水平扫描的间隔逐次变化obs水平坐标，得到水平坐标集合；二级循环具体为：以投放点水平坐标所对应的海底初始深度为中心，在设定的垂直扫描范围内，按照设定的垂直扫描的间隔逐次变化obs深度，得到深度集合；三级循环具体为：以给定的海水等效参考速度为中心，在设定的等效海水速度扫描范围内，按照设定的等效海水速度扫描的间隔逐次变化海水参考速度，得到海水参考速度集合；内层循环具体为：对于选定的obs道集所涉及的所有炮点逐个扫描，对于扫描的任一炮点坐标(sx
i
,sy
i
,sz
i
)，基于每个炮点对应的透射波走时、水平坐标集合、深度集合和海水参考速度集合得到该炮点坐标的所有不同虚拟obs扫描点下的理论到达时残差，重复上述步骤，得到选定的obs道集所涉及的所有炮点坐标的所有不同虚拟obs扫描点下的理论到达时残差，进而得到所有不同虚拟obs扫描点下的总走时残差，所述不同虚拟obs扫描点由水平坐标集合的任一obs水平坐标、深度集合的任一obs深度和海水参考速度集合的任一海水参考速度组成；43)、计算总走时残差中的最小值，确定该最小值对应的obs水平坐标、obs深度和海水参考速度，将该obs水平坐标作为obs着底位置、将该obs深度作为该水平位置的着底深度，将该海水参考速度作为该水平位置的等效海水速度。4.根据权利要求3所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，
其特征在于，对于任一炮点坐标，理论到达时残差的表达式为：其中，δt
i
为该炮点的理论到达时残差，i为任一炮点的下标，(sx,sy,sz)为该炮点的坐标，(rx，ry)为虚拟obs水平坐标，rz为虚拟obs深度，v为海水参考速度，t
i
为obs道集上拾取的该炮点对应的海水透射波走时。5.根据权利要求3所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，某个虚拟obs扫描点下的总走时残差的表达式为：其中，δt
′
为某个虚拟obs扫描点下的总走时残差，δt
i
为一个炮点的理论到达时残差。6.根据权利要求1所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，2)中，obs拾取的透射波的震相为连续的海水透射波震相。7.根据权利要求2所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，设置扫描间隔时，权衡扫描的定位精度与计算能力。8.根据权利要求1所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，所述预处理为包括滤波、去噪和反褶积中的一种或多种。9.根据权利要求1所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，所述共检波点道集为同一obs接收的地震道的集合。10.根据权利要求1所述的一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，其特征在于，地震道为海面炮点激发的地震波，经介质传播后，被obs记录到的时间振动序列。

技术总结
本发明涉及一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描方法，包括以下步骤：1)获取原始地震数据，从预处理后的地震数据中选出多个OBS道集；2)基于OBS拾取所有共检波点道集中海水的透射波走时，统计该透射波走时对应的炮点坐标和激发时间；3)设置扫描范围和扫描间隔；4)对于任一OBS道集，以投放点为中心，利用多维扫描方法确定基于该OBS道集得到的OBS着底位置、着底深度及等效海水速度；5)重复4)，直至对所有的OBS道集都执行过4)，得到最后的OBS位置与最后的等效海水速度。与现有技术相比，本发明具有精度高、效率高等优点。效率高等优点。效率高等优点。


技术研发人员：李华 刘子桦
受保护的技术使用者：李华
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/8/5