基于高次余弦幅度加权的地震波束形成方法

摘要

本发明涉及一种基于高次余弦幅度加权的地震波束形成方法。首先依据观测的目标层、观测系统参数，设计定向地震波方向及波束形成延时控制参数；然后，根据余弦加权分布函数计算各单炮记录对应的幅度权值因子；最后通过延时及加权叠加的波束形成方法获得高信噪比定向地震波数据。提高了地震数据信噪比，尤其适用于较强背景噪声，等幅加权方式主波束较窄，覆盖范围有限，地震数据整体信噪比较低的情况，在利用相同单炮记录合成地震波束时余弦加权方式的主波束宽度大于等幅加权方式，使地震数据整体信噪比得到提高。附图可看出采用余弦幅度加权与等幅加权方式先合成的单炮地震数据，改善地震数据质量效果明显,有效的提高地震数据信噪比。

主权项

一种基于高次余弦幅度加权的地震波束形成方法，包括以下步骤：a、取一条测线上的所有N个单炮记录，并对各单炮记录顺序标号，构建地震记录集U＝{R₁,R₂,...,R_i,...,R_N},其中i为炮点序号，i取值范围为1到N的整数，R_i为第i炮记录，N为总炮数，地震测线采用等偏移距观测方法，即每一炮点记录的最大炮检距x₂和最小炮检距x₁保持不变，记录道数不变，道间距不变，炮点距为D；b、将取得的多炮地震记录分组，设波束形成控制参数为p，p取值为大于5的整数，则第一分组对应的单炮记录编号为1,2,…，p，第二分组对应的单炮记录编号为2,3,…，p+1，以此类推，则共有N‑p+1组,在地震记录集U上定义N‑p+1个子集U₁,U₂,...,U_w...,U_l，其中l＝N‑p+1，任一子集U_w代表一个地震记录分组，包含以第w个炮点为起始的相邻p个单炮点记录，U_w＝{R_w(t),R_w+1(t),…,R_g(t)}，w为该分组记录起始炮记录编号，g＝w+p‑1为该组终止炮记录编号；c、根据观测的目标层位置设置波束方向θ_max，计算延时参数τ，对所有分组内的p个相邻炮点记录依次等间隔延时τ,以第w组U_w为例，即R_w延时0得到r_w，R_w+1延时τ得到r_w+1，…，R_g延时为(p‑1)τ得到r_g，则u_w＝{r_w,r_w+1,…,r_g}为第w组依次延时τ后生成的新组，相应地延时后形成的新记录集为u＝{u₁,u₂,…,u_w,…,u_l}，w＝1,2,…,l、l＝N‑p+1，根据公式(1)计算θ_max，由θ_max和上覆介质平均速度计算τ：$\tau =\frac{D\sin \left({\theta }_{\max }\right)}{v}...\left(2\right)$公式中θ_max为定向地震主波束与观测系统垂线的夹角，H为激发点到反射界面法线深度，D为炮点距，ν为观测目标层到地面的平均速度，α∈[0°，90°)为反射面倾角，即反射面与水平面的夹角，当倾斜面的斜率为正时为上倾斜地层，当倾斜面的斜率为负时为下倾斜地层，定义斜率的坐标系为：以炮点与检波器所在的直线为横轴，炮点指向接收检波器阵列方向为横轴正方向，垂直接收检波器阵列的方向为纵轴，向上为纵轴正方向；d、取余弦阶数m的初值为2，计算最小炮检距观测方向与垂向的夹角θ₁和最大炮检距观测方向与垂向的夹角θ₂，具体计算公式如下：公式中H为激发点到反射界面法线深度，α∈[0°，90°)为反射面倾角，即反射面与水平面的夹角；e、计算各单炮记录所要乘以的改变数据幅值的幅度因子W(q)，计算公式如下：$W\left(q\right)=s+(1-s){\cos }^m\frac{|(q-w+1)-\frac{p+1}{2}|\pi }{p-1}...\left(5\right)$公式中(5)中s为归一化台式高度，取0≤s≤0.5，q＝{w,w+1,…,g}为第w组分组单炮记录的编号，m为余弦的阶数；f、计算等幅加权与余弦加权归一化方向因子F₁(θ)和F₂(θ)，对F₁(θ)和F₂(θ)分别取模后在θ₁到θ₂上求积分，得出等幅加权与余弦加权在接收阵列内的总能量E₁、E₂，计算公式如下：$F_1\left(\theta \right)=\frac{1}{p}\frac{\sin \frac{p(\mathrm{kD}\sin \left(\theta \right)-2\pi f_0\tau )}{2}}{\frac{\mathrm{kD}\sin \left(\theta \right)-2\pi f_0\tau }{2}}...\left(6\right)$$F_2\left(\theta \right)=\frac{\left|\underset{n=0}{\overset{p-1}{\Sigma }}W(n+1)e^{\mathrm{in}(\mathrm{kD}\sin \theta -2\pi f_0\tau )}\right|}{\underset{n=1}{\overset{p}{\Sigma }}W\left(n\right)}...\left(7\right)$$E_1={\int }_{{\theta }_1}^{{\theta }_2}\left|F_1\left(\theta \right)\right|\mathrm{d\theta }...\left(8\right)$$E_2={\int }_{{\theta }_1}^{{\theta }_2}\left|F_2\left(\theta \right)\right|\mathrm{d\theta }...\left(9\right)$式中为自由空间波数，θ为地下任一观测点方向与垂向的夹角，f₀为地震波主频，λ为地震波长；g、判断的值是否大于等于0.3，如果则将余弦阶数m加1，然后重复步骤e到f，直到满足或m值等于4为止；h、对延时后形成的新记录集u＝{u₁,u₂,…,u_w,…,u_l}中的各分组，采用余弦加权叠加，得到具有定向地震波束信息的地震数据集S＝{S₁,S₂,…,S_w,…,S_l},S_w表示第w分组采用余弦加权方式生成的单炮记录，计算公式如下：$S_w\left(t\right)=\underset{q=w}{\overset{g}{\Sigma }}{r}_{q}W\left(q\right)...\left(10\right)$i、判断合成后的地震数据集S的信噪比是否满足地震勘探采集数据质量要求，如果满足要求，处理结束，否则继续执行步骤j；j、对波束形成控制参数p加2，重新分组，然后重新执行步骤e到i。