一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法及
裝置
技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)
[0002] 在地震勘探中，觀測技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。精密可控震源能產(chǎn)生
頻率可控的彈性波，由于頻率
精度很高，
檢波器可以在很窄的帶寬內(nèi)接收信號；通過
波形相位的精密控制，用信號
疊加技術(shù)進(jìn)一步提高
信噪比，實(shí)現(xiàn)較小功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離地震
數(shù)據(jù)采集。精密可控震源裝置能夠連續(xù)穩(wěn)定的長時運(yùn)轉(zhuǎn)，相較于爆破、錘擊等人工震源，有很大的應(yīng)用前景。
[0003] 可控震源激發(fā)的地震信號是一種線性調(diào)頻(Linear?Frequency?Modulation，LFM)信號，其信號頻率不是一個定值，而是隨著時間的改變而改變，我們很難從它的時間域找到某種
地震波的震相；而利用傳統(tǒng)的傅里葉變換(Fourier?Transform，F(xiàn)T)方法，無法從其頻域上獲得LFM信號參數(shù)的信息。
[0004] 因此，找到一種快速的震相識別方法，對可控震源激發(fā)的地震信號進(jìn)行時頻分析，才能解決上述問題，提高地震勘探的解釋準(zhǔn)確度，在以往對時頻分析方法的研究中，陳雨紅等(2006)對比分析了希爾伯特變換、希爾伯特-黃變換、正弦曲線擬合、雷克子波匹配、短時
傅立葉變換、
小波變換等多種方法，并從時間
分辨率、頻率分辨率、對多頻率成份信號適應(yīng)能
力等各方面闡述了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。例如某些非線性變換會帶來嚴(yán)重的交叉項(xiàng)干擾，嚴(yán)重地干擾著人們對信號時頻特性的解釋；為了抑制交叉項(xiàng)，不得不以犧牲時頻分辨率為代價，且計算量巨大。另外，上述方法研究主要適用于非線性、非平穩(wěn)的信號，而不是可控震源產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號。在對可控震源激發(fā)的信號研究中，楊微等(2013)進(jìn)行了互相關(guān)、短時相關(guān)、相干和反褶積等四種方法處理分析，并分別從重復(fù)性、走時剖面、
頻譜特征以及信噪比等方面對處理結(jié)果進(jìn)行對比分析研究，初步研究了數(shù)學(xué)物理方法對可控震源激發(fā)的地震信號的識別能力，但是各種方法都有一定的局限性，不能很好的滿足勘測需要。
發(fā)明內(nèi)容
[0005] 有鑒于此，提供了一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法及裝置，利用數(shù)學(xué)物理方法的時頻轉(zhuǎn)換，能夠提高震相的分辨能力，并更準(zhǔn)確地計算震相的到時差，進(jìn)而為地質(zhì)解釋提供更可靠的數(shù)據(jù)
基礎(chǔ)，提高震相的識別能力。
[0006] 第一方面，本發(fā)明提供一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法，所述方法包括：
[0007] 利用地震儀采集可控震源在研究區(qū)激發(fā)的地震原始數(shù)據(jù)，得到可控震源激發(fā)的地震信號S(i,j)，i表示地震儀的編號，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)；
[0008] 以與所述可控震源相鄰的地震儀采集的地震信號作為震源信號S(0,j)，選擇激發(fā)的任一次震源信號進(jìn)行短時傅里葉變換分析震源信號的時頻特征，獲得震源信號的有效時間范圍和
頻率范圍；
[0009] 對震源信號S(0,j)按照有效時間范圍進(jìn)行截取，利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析并提取有效頻段內(nèi)的波場信號獲得濾波后的震源信號Stf(0,j)；
[0010] 對濾波后的震源信號Stf(0,j)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)
角αopt；
[0011] 對所述可控震源激發(fā)的地震信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，并按照有效頻率范圍進(jìn)行濾波，利用所述最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角依次進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，獲得不同地震儀記錄的震相；
[0012] 利用所述震相確定到時差和視速度。
[0013] 作為一種可能的實(shí)現(xiàn)方式，所述利用地震儀采集可控震源在研究區(qū)激發(fā)的地震原始數(shù)據(jù)，得到可控震源激發(fā)的地震信號S(i,j)，i表示地震儀的編號，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)，包括：
[0014] 在可控震源布置點(diǎn)的預(yù)設(shè)范圍設(shè)置一臺地震儀，再根據(jù)需要在研究區(qū)內(nèi)相隔一定距離布設(shè)地震儀，按照地震儀與可控震源的距離由近到遠(yuǎn)，對地震儀進(jìn)行編號為0，1，2，3，……依次增大的自然數(shù)；按照可控震源激發(fā)的次數(shù)，記作1，2，3，……依次增大的自然數(shù)；
地震儀記錄的可控震源激發(fā)的地震信號記作S(i,j)，i表示地震儀的編號，i＝0表示在可控震源旁邊，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)。
[0015] 作為一種可能的實(shí)現(xiàn)方式，所述以與所述可控震源相鄰的地震儀采集的地震信號作為震源信號S(0,j)，選擇激發(fā)的任一次震源信號進(jìn)行短時傅里葉變換，分析所述震源信號的時頻特征，獲得所述震源信號的有效時間范圍和頻率范圍，包括：
[0016] 以S(0,j)作為震源信號，選取S(0,j)中任一次的震源信號，如第三次S(0,3)進(jìn)行短時傅里葉變換。
[0017] 使用第一公式進(jìn)行短時傅里葉變換，將S(0,3)由時間-空間域轉(zhuǎn)換為時間-頻率域，所述第一公式為：
[0018]
[0019] 式中，STFT(t,f)表示短時傅里葉變換后的時間-頻率域結(jié)果，
積分項(xiàng)內(nèi)的S(τ)表示震源信號的時間序列，信號時間從0到T，g(τ-t)為窗函數(shù)，t為時窗，不斷改變t，得到第三次激發(fā)的震源信號S(0,3)在不同t對應(yīng)的頻率f；
[0020] 從時間-頻率域圖像中選擇
能量最強(qiáng)的頻率范圍，起始坐標(biāo)記作(t1,f1)，截止坐標(biāo)記作(t2,f2)，t1～t2即為有效時間范圍，f1～f2即為有效頻率范圍，且對所有地震信號S(i,j)適用。
[0021] 作為一種可能的實(shí)現(xiàn)方式，所述對所述震源信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析并提取有效頻段內(nèi)的波場信號獲得濾波后的震源信號Stf(0,j)，包括：
[0022] 選取S(0,j)中任一次的震源信號，截取t1～t2時間段的信號，記作St(m)，m表示截取后的信號的
采樣點(diǎn)數(shù)，m＝1,…,M，利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析，并提取有效頻段f1～f2內(nèi)的波場信號，獲得濾波后的震源信號，記作Stf(0,j)；
[0023] 對St(m)采用第二公式進(jìn)行離散余弦變換，所述第二公式為：
[0024]
[0025] 式中，DCT(k)表示離散余弦變換的結(jié)果，k為與m取值相同的采樣點(diǎn)數(shù)，[0026]
[0027] 記fs為地震儀的數(shù)據(jù)采樣率，DCT(k)的橫坐標(biāo)為
[0028] 將DCT(k)中f1～f2范圍之外的數(shù)據(jù)替換為0，得到頻率域?yàn)V波后的結(jié)果，記作DCTf(k)；
[0029] 對DCTf(k)進(jìn)行離散余弦逆變換，得到濾波后的震源信號Stf(0,j)。
[0030] 作為一種可能的實(shí)現(xiàn)方式，所述對濾波后的震源信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt，包括：
[0031] 選擇濾波后的震源信號Stf(0,j)中任一次的震源信號，采用第三公式進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，所述第三公式為：
[0032]
[0033] 式中，n為整數(shù)，F(xiàn)rFT是關(guān)于u和轉(zhuǎn)換角度α的函數(shù)，α的取值范圍是(-π，π)；
[0034] 計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角的步驟具體包括如下：
[0035] 采用第四公式計算理論的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αtheory，所述第四公式為：
[0036]
[0037] 式中fs為地震儀的數(shù)據(jù)采樣率，f1～f2為震源信號的有效頻率范圍；
[0038] 以αtheory為中心，在±r的范圍內(nèi)設(shè)置步長為d，r為一個百分?jǐn)?shù)，對濾波后的震源信號Stf(0,j)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的
迭代計算；
[0039] 選擇使脈沖峰值最高、會聚性最好的旋轉(zhuǎn)角即為最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt，所述αopt對所有地震信號即S(i,j)適用。
[0040] 作為一種可能的實(shí)現(xiàn)方式，對所述可控震源激發(fā)的地震信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，并按照有效頻率范圍進(jìn)行濾波，利用所述最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角依次進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，獲得不同地震儀記錄的震相，包括：
[0041] 對所有可控震源激發(fā)的地震信號S(i,j)，截取t1～t2時間范圍的信號；
[0042] 利用離散余弦變換及其逆變換，提取f1～f2頻率范圍的信號，記作Stf(i,j)；
[0043] 根據(jù)最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt，對Stf(i,j)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，得到每個地震儀采集的可控震源每次激發(fā)的地震信號的脈沖函數(shù)FrFT(i,j)；
[0044] 對同一個地震儀的FrFT(i,j)進(jìn)行疊加，得到每個地震儀采集的可控震源激發(fā)的地震信號的震相，記作FrFT(i)。
[0045] 作為一種可能的實(shí)現(xiàn)方式，所述利用所述震相確定到時差和視速度，包括：
[0046] 利用所有地震儀的震相FrFT(i)，記它們的脈沖峰值所在的采樣點(diǎn)號為u(i)，以與所述的可控震源相鄰的地震儀的震相脈沖峰值所在的采樣點(diǎn)號u(0)為零時刻；
[0047] 采用第五公式計算震相的到時差，所述第五公式為：
[0048]
[0049] 式中Δt(i)為第i號地震儀采集的震相的到時差；
[0050] 采用第六公式計算震相的視速度，所述第六公式為：
[0051]
[0052] 式中，v(i)為第i號地震儀采集的震相的視速度，d(i)是第i號地震儀與可控震源的距離，第0號地震儀為與可控震源相鄰的地震儀，認(rèn)為第0號地震儀與可控震源的距離為0。
[0053] 第二方面，本發(fā)明提供一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的裝置，所述裝置包括：
[0054] 采集單元，用于利用地震儀采集可控震源在研究區(qū)激發(fā)的地震原始數(shù)據(jù)，得到可控震源激發(fā)的地震信號S(i,j)，i表示地震儀的編號，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)；
[0055] 短時傅里葉變換單元，用于以與所述可控震源對應(yīng)的地震儀采集的地震信號作為震源信號S(0,j)，選擇激發(fā)的任一次震源信號進(jìn)行短時傅里葉變換分析震源信號的時頻特征，獲得震源信號的有效時間范圍和頻率范圍；
[0056] 截取單元，用于對震源信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析并提取有效頻段內(nèi)的波場信號獲得濾波后的震源信號Stf(0,j)；
[0057] 分?jǐn)?shù)階傅里葉變換單元，用于對濾波后的震源信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt；
[0058] 震相獲取單元，用于對所述可控震源激發(fā)的地震信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，并按照有效頻率范圍進(jìn)行濾波，利用所述最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角依次進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，獲得不同地震儀記錄的震相；
[0059] 確定單元，用于利用所述震相確定到時差和視速度。
[0060] 本發(fā)明提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法及裝置，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換來對可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號進(jìn)行快速的震相識別，繼承了傳統(tǒng)傅里葉變換的線性性質(zhì)，能夠很好地抑制時頻分析時交叉項(xiàng)的干擾，可以改善可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號的時頻分布特征，以脈沖函數(shù)為分析對象，提高震相的信噪比，識別震相的到時，為地質(zhì)解釋提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
附圖說明
[0061] 圖1是本發(fā)明
實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法的流程示意圖；
[0062] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法中震源信號的時間-空間域示意圖；
[0063] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法中震源信號的時間-頻率域示意圖；
[0064] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法中有效時間范圍內(nèi)的震源信號的頻譜示意圖；
[0065] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法中使用離散余弦變換和逆變換提取有效頻率范圍內(nèi)的震源信號示意圖；
[0066] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法中使用理論旋轉(zhuǎn)角和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角對震源信號進(jìn)行的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換而得到的脈沖函數(shù)示意圖；
[0067] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法中識別的所有地震信號的震相的示意圖；
[0068] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法中采用四個地震儀的
位置示意圖。
[0069] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的裝置的結(jié)構(gòu)
框圖。
具體實(shí)施方式
[0070] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0071] 本發(fā)明的
說明書和
權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的實(shí)施例能夠以除了在這里圖示或描述的內(nèi)容以外的順序?qū)嵤４送?，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何
變形，意圖在于
覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。
[0072] 結(jié)合圖1所示，本發(fā)明提供一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法，所述方法包括：
[0073] S101、利用地震儀采集可控震源在研究區(qū)激發(fā)的地震原始數(shù)據(jù)，得到可控震源激發(fā)的地震信號S(i,j)，i表示地震儀的編號，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)。
[0074] S102、以與所述可控震源相鄰的地震儀采集的地震信號作為震源信號S(0,j)，選擇激發(fā)的任一次震源信號進(jìn)行短時傅里葉變換，分析震源信號的時頻特征，獲得震源信號的有效時間范圍和頻率范圍。
[0075] S103、對震源信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析并提取有效頻段內(nèi)的波場信號，獲得濾波后的震源信號Stf(0,j)；
[0076] S104、對濾波后的震源信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt。
[0077] S105、對所述可控震源激發(fā)的地震信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，并按照有效頻率范圍進(jìn)行濾波，利用所述最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角依次進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，獲得不同地震儀記錄的震相。
[0078] S106、利用所述震相確定到時差和視速度。
[0079] 步驟101，具體是在可控震源布置點(diǎn)的預(yù)設(shè)范圍內(nèi)(如幾米內(nèi))設(shè)置一臺地震儀，再根據(jù)需要在研究區(qū)內(nèi)相隔一定距離布設(shè)地震儀；按照地震儀與可控震源的距離由近到遠(yuǎn)，對地震儀進(jìn)行編號為0，1，2，3，……依次增大的自然數(shù)；按照可控震源激發(fā)的次數(shù)，記作1，2，3，……依次增大的自然數(shù)；地震儀記錄的可控震源激發(fā)的地震信號記作S(i,j)，i表示地震儀的編號，i＝0表示在可控震源旁邊，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)。
[0080] 步驟102，具體是以S(0,j)作為震源信號，選取S(0,j)中任一次的震源信號進(jìn)行短時傅里葉變換。
[0081] 其中，本步驟的分析震源信號的時頻特征，獲得震源信號的有效時間范圍和頻率范圍的具體步驟包括如下：首先使用第一公式進(jìn)行短時傅里葉變換，選取S(0,j)中任一次的震源信號，如第三次激發(fā)的震源信號S(0,3)，將S(0,3)由時間-空間域轉(zhuǎn)換為時間-頻率域，所述第一公式為：
[0082]
[0083] 式中，STFT(t,f)表示短時傅里葉變換后的時間-頻率域結(jié)果，積分項(xiàng)內(nèi)的S(τ)表示震源信號的時間序列，即S(0,3)，信號時間從0到T，g(τ-t)為窗函數(shù)，t為時窗。
[0084] 進(jìn)而不斷改變t，即可得到S(0,3)在不同t對應(yīng)的頻率f；
[0085] 最后從時間-頻率域圖像中選擇能量最強(qiáng)的頻率范圍，起始坐標(biāo)記作(t1,f1)，截止坐標(biāo)記作(t2,f2)，t1～t2即為有效時間范圍，f1～f2即為有效頻率范圍，且對所有地震信號，即S(i,j)，都適用。
[0086] 步驟103，具體是選取S(0,j)中任一次的震源信號，如第三次激發(fā)，即S(0,3)，截取t1～t2時間段的信號，記作St(m)，m表示截取后的信號的采樣點(diǎn)數(shù)，m＝1,…,M，再利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析，并提取有效頻段f1～f2內(nèi)的波場信號，獲得濾波后的震源信號，記作Stf(0,j)。
[0087] 其中，本步驟的利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析，并提取有效頻段內(nèi)的波場信號，獲得濾波后的震源信號的具體步驟包括如下：首先對St(m)采用第二公式進(jìn)行離散余弦變換，所述第二公式為：
[0088]
[0089]
[0090] 進(jìn)而將DCT(k)中f1～f2范圍之外的數(shù)據(jù)替換為0，得到頻率域?yàn)V波后的結(jié)果，記作DCTf(k)；
[0091] 最后對DCTf(k)進(jìn)行離散余弦逆變換，得到濾波后的震源信號，記作Stf(0,j)。
[0092] 步驟104，具體是選擇任一的濾波后的震源信號，即Stf(0,j)中任一次的震源信號，如第三次激發(fā)，即Stf(0,3)，采用第三公式進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，所述第三公式為：
[0093]
[0094] 式中，n為整數(shù)，F(xiàn)rFT是關(guān)于u和轉(zhuǎn)換角度α的函數(shù)，α的取值范圍是(-π，π)；
[0095] 其中，本步驟的計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角的步驟具體包括如下：
[0096] 首先使用第四公式計算理論的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角記作αtheory，所述第四公式為：
[0097]
[0098] 式中fs為地震儀的數(shù)據(jù)采樣率，f1～f2為震源信號的有效頻率范圍；
[0099] 進(jìn)而在αtheory為中心，在±r的范圍內(nèi)如±5％范圍內(nèi)，設(shè)置步長為d(一般很小，10-5量級)，對Stf(0,3)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的迭代計算；
[0100] 最后選擇使脈沖峰值最高、會聚性最好的旋轉(zhuǎn)角即為最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角，記作αopt。αopt對所有地震信號，即S(i,j)，都適用。
[0101] 通過分?jǐn)?shù)階傅里葉變換進(jìn)行運(yùn)算，分?jǐn)?shù)階傅里葉變換是一種線性變換，能夠?qū)⒑芎玫匾种平徊骓?xiàng)的干擾，且運(yùn)算時間短，效率高，在計算機(jī)上更易編程實(shí)現(xiàn)，降低了方法的適用
門檻。
[0102] 步驟105，具體是首先根據(jù)步驟103的對震源信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取的步驟，對所有可控震源激發(fā)的地震信號，即S(i,j)，截取t1～t2時間范圍的信號；
[0103] 進(jìn)而根據(jù)步驟103的獲得濾波后的震源信號的具體步驟，利用離散余弦變換及其逆變換，提取f1～f2頻率范圍的信號，記作Stf(i,j)；
[0104] 然后根據(jù)步驟104計算的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt，對Stf(i,j)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，得到每個地震儀采集的可控震源每次激發(fā)的地震信號的脈沖函數(shù)，記作FrFT(i,j)；
[0105] 最后對同一個地震儀的FrFT(i,j)進(jìn)行疊加，得到每個地震儀采集的可控震源激發(fā)的地震信號的震相，記作FrFT(i)。
[0106] 通過分?jǐn)?shù)階傅里葉變換進(jìn)行運(yùn)算，抑制交叉項(xiàng)的干擾，可以改善可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號的時頻特征，且運(yùn)算時間短，效率高，以脈沖函數(shù)為分析對象，并且通過多次疊加同一個地震儀的FrFT(i,j)，增強(qiáng)了信噪比，提高了震相的分辨能力，有助于更準(zhǔn)確地計算震相的到時差。
[0107] 步驟106中，首先利用所有地震儀的震相，即FrFT(i)，記它們的脈沖峰值所在的采樣點(diǎn)號為u(i)，以與可控震源相鄰的地震儀的震相脈沖峰值所在的采樣點(diǎn)號u(0)為零時刻；
[0108] 進(jìn)而采用第五公式計算震相的到時差，所述第五公式為：
[0109]
[0110] 式中Δt(i)為第i號地震儀采集的震相的到時差；
[0111] 最后采用第六公式計算震相的視速度，所述第六公式為：
[0112]
[0113] 式中，v(i)為第i號地震儀采集的震相的視速度，d(i)是第i號地震儀與可控震源的距離，第0號地震儀為可控震源旁邊的地震儀，認(rèn)為其與可控震源的距離為0。
[0114] 本發(fā)明實(shí)施例中提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法，提供一種應(yīng)用場景加以介紹，下面以四川省綿竹市清平鄉(xiāng)的可控震源激發(fā)的地震數(shù)據(jù)為例，結(jié)合前文所述的方法，給予進(jìn)一步說明。
[0115] S1、請參照圖2，利用4臺地震儀以100Hz的采樣率在野外采集地震數(shù)據(jù)，4臺地震儀分別編號為0、1、2、3，其中0號設(shè)置在可控震源旁邊8m遠(yuǎn)處。可控震源一共激發(fā)20次，周期為30min，其中正常運(yùn)轉(zhuǎn)為26min，前后均停轉(zhuǎn)2min。詳見圖2。記S(i,j)為地震信號，i表示地震儀的編號，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)。
[0116] S2、結(jié)合圖3所示，對S(0,j)中任一次的震源信號，如第三次激發(fā)，即S(0,3)，進(jìn)行短時傅里葉變換，將S(0,3)由時間-空間域轉(zhuǎn)換為時間-頻率域。從時間-頻率域圖像中可以看出，26min的正常激發(fā)時段內(nèi)，基頻為2～8Hz左右，并可以分辨出6組掃頻模式，分別是2～3min、3～12min、12～15min、15～16min、16～25min和25～26min，對應(yīng)頻帶為2～4.1Hz、4.1～6.6Hz、6.6～8.15Hz、8.15～6.5Hz、6.5～4.1Hz和4.1～2Hz。選擇能量最強(qiáng)的頻率范圍，起始坐標(biāo)記作(900s,8.15Hz)，截止坐標(biāo)記作(960s,6.5Hz)，900～960s即為有效時間范圍，
6.5～8.15Hz即為有效頻率范圍，且對其他地震儀記錄的地震信號都適用。
[0117] S3、結(jié)合圖4和圖5，對S(0,j)中任一次的震源信號，如第三次激發(fā)，即S(0,3)截取900～960s的數(shù)據(jù)后進(jìn)行離散余弦變換，記作DCT(k)，k為采樣點(diǎn)數(shù)?？梢娔芰考杏?.5～
8.15Hz，而在13～16Hz出現(xiàn)第二能量團(tuán)，因此需要進(jìn)行濾波。找到6.5Hz和8.15Hz所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為577和865，將大于865和小于577的DCT(k)填為0，然后將充零后的數(shù)據(jù)逆變換，得到6.5～8.15Hz濾波后的震源信號，記作Stf(0,3)。
[0118] S4、結(jié)合圖6，計算理論旋轉(zhuǎn)角αtheory≈1.5543(弧度)或89.05°，設(shè)置0.000025步長，在1.5～1.571(大于π/2)進(jìn)行搜索，迭代運(yùn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，比較每次得到的脈沖信號的峰值大小，取最大值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角，得到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt＝1.555675或89.13°。脈沖對稱性、會聚性和峰值都有了明顯改善。
[0119] S5、結(jié)合圖7，對可控震源激發(fā)的所有地震信號，即S(i,j)，截取，900～960s信號后，再利用離散余弦變換及其逆變換，提取6.5～8.15Hz頻率范圍的信號，記作Stf(i,j)；然后利用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt＝1.555675或89.13°，對Stf(i,j)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，得到每個地震儀采集的可控震源每次激發(fā)的地震信號的脈沖函數(shù)，記作FrFT(i,j)；最后對同一個地震儀的FrFT(i,j)進(jìn)行疊加20次，得到每個地震儀采集的可控震源激發(fā)的地震信號的震相，記作FrFT(i)。
[0120] S6、結(jié)合圖8，計算震相的到時差和視速度。第0號、第1號、第2號、第3號地震儀記錄的震相的脈沖峰值所在的采樣點(diǎn)號分別是348、349、350、353，進(jìn)而得到4個地震儀記錄的震相的到時差為0.6613s、1.3227s、3.3067s。第1號、第2號、第3號地震儀距離第0號，也即可控震源的距離分別是1.411km、3.482km、8.489km。其中圓點(diǎn)為第0號地震儀，三角形為第1號、第2號、第3號地震儀。震相代表的是縱波，其視速度分別是2.13km/s、2.63km/s、2.57km/s。進(jìn)而可以估計該地區(qū)的縱波視速度為2.4km/s。從圖7上還可以發(fā)現(xiàn)，第1號和第2號臺站記錄到了次級震相，代表面波。因此本發(fā)明提供的一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法能夠改善可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號的時頻特征，以脈沖函數(shù)為分析對象，提高了震相的分辨能力，并更準(zhǔn)確地計算震相的到時差。
[0121] 本發(fā)明提供一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法，包括以下步驟：利用地震儀采集可控震源在研究區(qū)激發(fā)的地震原始數(shù)據(jù)，得到可控震源激發(fā)的地震信號，記作S(i,j)，i表示地震儀的編號，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)；以與可控震源相鄰的地震儀采集的地震信號作為震源信號，記作S(0,j)，選擇激發(fā)的任一次震源信號，進(jìn)行短時傅里葉變換，分析震源信號的時頻特征，獲得震源信號的有效時間范圍和頻率范圍；對震源信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析，并提取有效頻段內(nèi)的波場信號，獲得濾波后的震源信號，記作Stf(0,j)；對濾波后的震源信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角，記作αopt；對可控震源激發(fā)的地震信號，按照有效時間范圍進(jìn)行截取，并按照有效頻率范圍進(jìn)行濾波，再利用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角，依次進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，獲得不同地震儀記錄的震相；利用震相，計算到時差和視速度。利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換來對可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號進(jìn)行快速的震相識別，繼承了傳統(tǒng)FT的線性性質(zhì)，能夠很好地抑制時頻分析時交叉項(xiàng)的干擾，可以改善可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號的時頻分布特征，以脈沖函數(shù)為分析對象，提高震相的信噪比，識別震相的到時，為地質(zhì)解釋提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0122] 對應(yīng)地，結(jié)合圖9所示，本發(fā)明提供一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的裝置，所述裝置包括：
[0123] 采集單元901，用于利用地震儀采集可控震源在研究區(qū)激發(fā)的地震原始數(shù)據(jù)，得到可控震源激發(fā)的地震信號S(i,j)，i表示地震儀的編號，j表示可控震源激發(fā)的次數(shù)；
[0124] 短時傅里葉變換單元902，用于以與所述可控震源對應(yīng)的地震儀采集的地震信號作為震源信號S(0,j)，選擇激發(fā)的任一次震源信號進(jìn)行短時傅里葉變換分析震源信號的時頻特征，獲得震源信號的有效時間范圍和頻率范圍；
[0125] 截取單元903，用于對震源信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，利用離散余弦變換對截取后的震源信號進(jìn)行頻譜分析并提取有效頻段內(nèi)的波場信號獲得濾波后的震源信號Stf(0,j)；
[0126] 分?jǐn)?shù)階傅里葉變換單元904，用于對濾波后的震源信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換計算震源信號的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角αopt；
[0127] 震相獲取單元905，用于對所述可控震源激發(fā)的地震信號按照有效時間范圍進(jìn)行截取，并按照有效頻率范圍進(jìn)行濾波，利用所述最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角依次進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，獲得不同地震儀記錄的震相；
[0128] 確定單元906，用于利用所述震相確定到時差和視速度。
[0129] 本發(fā)明提供的針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的裝置，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換來對可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號進(jìn)行快速的震相識別，繼承了傳統(tǒng)FT的線性性質(zhì)，能夠很好地抑制時頻分析時交叉項(xiàng)的干擾，可以改善可控震源激發(fā)的線性調(diào)頻地震信號的時頻分布特征，以脈沖函數(shù)為分析對象，提高震相的信噪比，識別震相的到時，為地質(zhì)解釋提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0130] 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統(tǒng)，裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實(shí)施例中的對應(yīng)過程，在此不再贅述。
[0131] 在本
申請所提供的實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的系統(tǒng)，裝置和方法，可以通過其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點(diǎn)，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些
接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機(jī)械或其它的形式。
[0132] 所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。
[0133] 另外，在本發(fā)明各個實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用
硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用
軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)。
[0134] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述實(shí)施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲于一計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中，存儲介質(zhì)可以包括：只讀
存儲器(ROM，Read?Only?Memory)、
隨機(jī)存取存儲器(RAM，Random?Access?Memory)、磁盤或光盤等。
[0135] 以上對本發(fā)明所提供的一種針對可控震源激發(fā)的地震信號快速識別震相的方法及裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
