技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及地震探測技術(shù)和地下層的地震成像。本發(fā)明特別但不排它地涉及
水下地震探測和生成海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震調(diào)查報(bào)告，但是，本發(fā)明也可應(yīng)用于陸地應(yīng)用，尤其在不利地形下。
背景技術(shù)
[0002] 探測海床下面的地下層的傳統(tǒng)地震探測方法涉及生成
地震波并測量響應(yīng)。地震波可以是簡單的或復(fù)雜的，并可以在海平面上、在水面下或在海床上生成。響應(yīng)通過一系列隔開的接收器檢測，一系列隔開的接收器通常位于拖在探測船后面的纜上。一般說來，接收器在檢測階段保持靜止，然后移動(dòng)到不同
位置并重復(fù)該過程。
[0003] 對(duì)海底固態(tài)
巖石中的地震事件的響應(yīng)包括壓縮波(P波)和剪切波(S波)。P波被認(rèn)為相當(dāng)適合于成像結(jié)構(gòu)，而S波的組合相當(dāng)適合于確定巖石和液體特性。P波穿過巖石和
海水，而S波只穿過巖石。因此，如果接收器是浮在表面或表面下的
水聽器，則它們將只檢測P波。為了檢測S波，需要使用位于海床上的地音儀。
[0004] 當(dāng)可能由于沙漠條件、多山區(qū)域、凍土地帶或其它極端條件而地形不利于部署接收器時(shí)，在陸地上也存在一些問題。
[0005] 人們還認(rèn)識(shí)到，通過利用P波和S波兩者，可以實(shí)現(xiàn)更好的地震成像。但是，人們發(fā)現(xiàn)，除了使用水聽器之外，在海床上或在不利陸地區(qū)域放置或重新放置地音儀所帶來的成本高得驚人。由于為了有效地檢測S波，在每個(gè)記錄位置需要三個(gè)獨(dú)立
正交的地音儀，所以尤其如此。
[0006] 十多年來人們已經(jīng)知道，由于在水底對(duì)剪切波(S波)的高
質(zhì)量記錄，海洋應(yīng)用中地下的4C地震成像可以為探測添加更多更好的信息。不幸的是，主要由于極高獲取成本和回報(bào)預(yù)測的不確定性的綜合影響，4C成像沒有取得預(yù)期的成功。成本因素與可用獲取技術(shù)中的能
力問題有關(guān)。
[0007] 4C記錄通常通過水聽器和三個(gè)獨(dú)立正交的地音儀進(jìn)行。地音儀與海底耦合，因此，它們對(duì)地震P波和S波兩者所產(chǎn)生的粒子速度是敏感的。這些技術(shù)使用海底的
傳感器電纜或躺在海底上或植入海底中的地音儀
節(jié)點(diǎn)。4C地震獲取由一系列移動(dòng)信源和移動(dòng)接收器操作組成。在獨(dú)立信源船只進(jìn)行了一系列斷面拍攝之后，底部裝備必須移動(dòng)到下一個(gè)位置。由于獲取時(shí)的這種靜態(tài)記錄成分并由于可用接收器的數(shù)量有限兩者，使這些4C獲取系統(tǒng)變得低效。由于與沿著水底移動(dòng)笨重裝備和地音儀耦合兩者有關(guān)的物理問題，可靠性受到負(fù)面影響。
[0008] 最后，人們還認(rèn)識(shí)到，通過避免需要將檢測裝置放在海床上，即，測量來自與海床隔開的位置的S波，并因此使檢測裝置相對(duì)于海床得到有效重新
定位，可以極大地降低進(jìn)行這種地震成像，尤其是S波測量的成本效率。這也可以應(yīng)用于不利陸地地形下的地震成像。
[0009] 但是，如上所述，S波不穿過海水，也不穿過大氣，使遠(yuǎn)離海床或陸地表面的直接感測變得不可能。遠(yuǎn)程感測存在進(jìn)一步的固有問題，因?yàn)闄z測裝置經(jīng)受可以使檢測裝置得不到有效定位的海流或大氣條件，并且將噪聲帶入測量結(jié)果中，使對(duì)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)變得非常困難。
發(fā)明內(nèi)容
[0010] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種地震探測方法，其中檢測P波和S波兩者，但比已知技術(shù)更簡單和更便宜。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種包含如下步驟的地震探測方法：生成地震事件；將地震事件應(yīng)用于地球表面；利用干涉儀來檢測對(duì)事件的響應(yīng)，其中，在地球表面與干涉儀之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，檢測的響應(yīng)包括地球表面內(nèi)的P波和S波；以及分析檢測的響應(yīng)；以及其中：檢測步驟包括從與地球表面隔開的位置，監(jiān)視和記錄以地球表面上的粒子運(yùn)動(dòng)形式的對(duì)地震事件的響應(yīng)，檢測步驟是在響應(yīng)周期內(nèi)執(zhí)行的，響應(yīng)周期是地震事件之后的預(yù)定時(shí)間周期；以及分析步驟包含分析在記錄的響應(yīng)周期內(nèi)對(duì)地震事件的響應(yīng)中地球表面上的粒子運(yùn)動(dòng)；所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有包括橫向分量Vt和縱向分量Vl的總速度Vtot；干涉儀的操作包括：將相干光的對(duì)象光束引向地球表面上的測量位置，從而在所述表面與測量位置之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；沿著一般在橫向上延伸的直線將檢測器陣列排列在干涉儀上，檢測器排列成以代表不同靈敏度方向的不同
角方向來檢測光線；產(chǎn)生與對(duì)象光束至少部分相干的相干光的參考光束；將參考光束與來自表面的反射對(duì)象光束組合，以產(chǎn)生提供有關(guān)表面與干涉儀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信息的斑紋圖案中的交叉干涉；借助于檢測器來檢測斑紋圖案和交叉干涉圖案；確定陣列中的哪個(gè)檢測器對(duì)總運(yùn)動(dòng)速度Vtot具有零或最小靈敏度，從而識(shí)別具有與Vtot正交的靈敏度方向線的檢測器；監(jiān)視具有零或最小靈敏度的檢測器中的瞬時(shí)變化，從而查明由Vl的變化引起的Vtot的方向隨時(shí)間的變化；以及確定Vl的瞬時(shí)變化。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于進(jìn)行地震探測的裝置，包含：用于生成地震事件的部件；用于將地震事件應(yīng)用于地球表面的部件；用于檢測包括地球表面內(nèi)的P波和S波的對(duì)事件的響應(yīng)的干涉儀，其中在地球表面與干涉儀之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以及用于分析檢測的響應(yīng)的部件；以及其中：干涉儀被安排成在地震事件之后的預(yù)定響應(yīng)周期內(nèi)，從與地球表面隔開的位置，監(jiān)視和記錄地球表面上的粒子運(yùn)動(dòng)形式的對(duì)地震事件的響應(yīng)；所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有包括橫向分量Vt和縱向分量Vl的總速度Vtot；干涉儀包含：將相干光的對(duì)象光束引向地球表面上的測量位置，從而在所述表面與測量位置之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件；沿著一般在橫向上延伸的直線排列在干涉儀上的檢測器陣列，檢測器排列成以代表不同靈敏度方向的不同角方向來檢測光線；用于產(chǎn)生與對(duì)象光束至少部分相干的相干光的參考光束的部件；將參考光束與來自表面的反射對(duì)象光束組合，以產(chǎn)生提供有關(guān)表面與干涉儀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信息的斑紋圖案中的交叉干涉的部件；借助于檢測器來檢測斑紋圖案和交叉干涉圖案的部件；確定陣列中的哪個(gè)檢測器對(duì)總運(yùn)動(dòng)速度Vtot具有零或最小靈敏度，從而識(shí)別具有與Vtot正交的靈敏度方向線的檢測器的部件；監(jiān)視具有零或最小靈敏度的檢測器中的瞬時(shí)變化，從而查明由Vl的變化引起的Vtot的方向隨時(shí)間的變化的部件；以及確定Vl的瞬時(shí)變化的部件。
[0013] 本發(fā)明還可以推廣到利用如上所述的方法和/或裝置來生成地震調(diào)查報(bào)告的方法，以及以這種方式生成的報(bào)告。
[0014] 表面上的粒子將響應(yīng)P波和S波兩者的刺激，因此，它們的運(yùn)動(dòng)將代表兩種波。由于這些運(yùn)動(dòng)是從遠(yuǎn)處檢測的，不需要與表面
接觸，因此不需要在重新定位檢測裝置之前拆除，避免了
現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
[0015] 最好，對(duì)象光束和參考光束從干涉儀發(fā)出。干涉儀可以在橫向上恒速運(yùn)動(dòng)，以及所述表面可以在除橫向之外的方向上相對(duì)斷續(xù)地運(yùn)動(dòng)。
[0016] 最好，相干光束是
激光束。最好，對(duì)象光束被擴(kuò)展以照射被研究對(duì)象。
[0017] 測量位置可以是被研究對(duì)象表面上的點(diǎn)或線。陣列中的每個(gè)檢測器最好由一般與橫向平行或一般與橫向成直角延伸的一行檢測器組成。檢測器可以采取全場檢測器陣列的形式。最好，光束剛好在被檢測器檢測之前被成像光學(xué)部件成像。成像光學(xué)部件可以包含透鏡系統(tǒng)或曲面鏡。
[0018] 最好，每個(gè)檢測器元件包含一行分立檢測器，以及最好，該行與橫向檢測器線平行，以及檢測器包含全場檢測器陣列。干涉儀可以包括在該行檢測器之前的成像光學(xué)部件；成像光學(xué)部件包含成像透鏡、透鏡系統(tǒng)或曲面鏡。
[0019] 可以存在同時(shí)用在不同位置的幾個(gè)干涉儀。最好，將響應(yīng)變換成數(shù)字形式并以數(shù)字形式記錄。最好，分析步驟包含分析表面粒子位移、和/或速度和/或
加速度。
[0020] 海下應(yīng)用中表面粒子速度的z分量類似于將借助于安裝在監(jiān)視設(shè)備上的水聽器測量的壓力分量。這種冗余測量可以用于校準(zhǔn)系統(tǒng)并使它更抗環(huán)境噪聲和系統(tǒng)噪聲。在陸地上可以使用等效布置。
[0021] 從地球表面散射的
鏡面反射是許多散射子波的貢獻(xiàn)，所述散射子波具有由距離表面上的每個(gè)點(diǎn)的光路長度確定的恒定相對(duì)
相位。由于來自表面的反射中光路長度不同，將反射光與相干參考光束組合產(chǎn)生了復(fù)雜的干涉圖案。從已知參考圖像中減去干涉圖案的初始成像處理步驟揭示了由地震事件引起的3D粒子位移的瞬時(shí)
進(jìn)程。而且，通過選擇多個(gè)參考圖像來降低斑紋去相關(guān)效應(yīng)，可以提高
信噪比。最后成像處理步驟產(chǎn)生由3D粒子位移引起的光路變化的絕對(duì)強(qiáng)度
信號(hào)。最后，使強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)受恢復(fù)正被討論的地震S波信號(hào)的
信號(hào)處理步驟。
[0022] 由于表面與干涉儀之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光檢測器看到的斑紋圖案可能在地震時(shí)間內(nèi)變化。當(dāng)儀器正在移動(dòng)時(shí)，斑紋圖案移動(dòng)得非?？?，因此，必須比每隔1毫秒快得多地進(jìn)行斑紋監(jiān)視，以便能夠每毫秒一次地檢測/識(shí)別并因此監(jiān)視相同斑紋組。
[0023] 由于地震
波長，粒子速度在表面上的5米圓盤內(nèi)可能是同相的。因此，可以使用多組空間分布儀器來提高一個(gè)地震記錄信道中的信噪比。
[0024] 本發(fā)明尤其適用于海洋地震，其中，地球表面是海床，地震事件應(yīng)用于大?；蛑苯討?yīng)用于海床，以及干涉儀在海床上方與之隔開。最好，干涉儀在響應(yīng)周期內(nèi)位于海底上方1到15米的位置上，并另外可以包括分開記錄P波的地音儀。但是，本發(fā)明也可應(yīng)用于地形或主要條件不利的陸地應(yīng)用。在這樣的情況下，干涉儀在陸地表面上方與之隔開。
[0025] 儀器可以像，例如，拖纜或一系列拖纜那樣拖在表面或海下船只、陸地車輛或飛機(jī)的后面。因此，可能存在安裝在多條纜上的多個(gè)干涉儀，每條纜上的儀器最好相互隔開小于所發(fā)送地震事件的波長的距離，以防止記錄波場的空間
混疊?？商娲?，儀器可以處在自推進(jìn)海下船只、陸地車輛或飛機(jī)上。在這樣的布置中，車輛、船只或飛機(jī)最好是無人的，并且除了干涉儀之外，最好包括rf(射頻)發(fā)送器/接收器和天線、聲
調(diào)制解調(diào)器、聲
外殼傳感器、底部傳感器、深度傳感器
和聲跟蹤系統(tǒng)。在每一種情況中，分析步驟都應(yīng)該包括從檢測的響應(yīng)中消除代表干涉儀運(yùn)動(dòng)所引起的干擾的噪聲。這種運(yùn)動(dòng)可以通過三個(gè)獨(dú)立
加速度計(jì)來測量，并然后從儀器測量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中減去。
[0026] 最好，檢測其運(yùn)動(dòng)的粒子是海底或陸地上的沙粒。
[0027] 最好，地震事件包含波長在5到100米范圍內(nèi)以及持續(xù)時(shí)間從2毫秒到1000毫秒的地震波。取決于探測目標(biāo)的深度和地震P和S速度，最好，響應(yīng)周期從5到20秒。地震事件可以利用海面船只上的裝置來生成。它可以在大海的表面上或表面下生成。該事件可以利用陸地
震源原理，由震源在海床上生成，在這種情況下，可以生成P和S波?？商娲?，它也可以以任何已知方式在陸地上生成。
[0028] 干涉儀在發(fā)送周期內(nèi)，最好以1到5米每秒的范圍內(nèi)的速度，尤其以3到4米每秒的速度運(yùn)動(dòng)。取樣速率最好是1到2毫秒。
[0029] 顯然，由于干涉儀一邊記錄一邊在水中運(yùn)動(dòng)，附加了不想要的動(dòng)態(tài)分量(拖曳噪聲)。通過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和空間
濾波器可以從記錄中分離出這個(gè)噪聲的一部分。在可以被除去之前，必須計(jì)算/預(yù)測落在粒子速度的頻帶內(nèi)的噪聲。
[0030] 通過處理來自在相同時(shí)間但從不同地方或多或少記錄波前的相同部分的幾個(gè)干涉儀的數(shù)據(jù)，可以部分預(yù)測/消除船只/車輛/飛機(jī)/電纜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這可以借助于小于地震波波長的儀器分離來取得。如果記錄的
分辨率足夠好，則可以通過
圖像分析來導(dǎo)出儀器的相對(duì)定位，因此可以預(yù)測拖曳噪聲。
[0031] 可以以與分散用于純P波地震獲取的海洋多條拖纜相似的幾何結(jié)構(gòu)，但在與海底或陸地表面盡可能接近的深度拖曳OBM。
附圖說明
[0032] 本發(fā)明可以以各種方式付諸實(shí)施，現(xiàn)在參照附圖來描述本發(fā)明的一些
實(shí)施例，在附圖中：
[0033] 圖1是用在海洋應(yīng)用中的整個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0034] 圖2、3和4是三種不同數(shù)據(jù)獲取方案的示意性平面圖；
[0035] 圖5是示出本發(fā)明的一般原理的示意圖；
[0036] 圖6是接收信號(hào)可以沿著一行檢測器出現(xiàn)的一種方式的圖形描繪；
[0037] 圖7是如圖6所示的曲線的修正形式；
[0038] 圖8是示出本發(fā)明應(yīng)用于海底處的地震信號(hào)的檢測、與圖5類似的圖形；
[0039] 圖9示出了使用光學(xué)元件來修正系統(tǒng)；
[0040] 圖10示出了可替代實(shí)施例；
[0041] 圖11更具體地示出了檢測器的靈敏度線；
[0042] 圖12更具體地示出了海底處的地震信號(hào)的檢測；
[0043] 圖13示出了用在本發(fā)明中的兩種可替代的透鏡配置；
[0044] 圖14示出了使用參考光束的相位調(diào)制來補(bǔ)償干涉儀的運(yùn)動(dòng)；以及[0045] 圖15示出了將本發(fā)明應(yīng)用于3維測量。
具體實(shí)施方式
[0046] 參照?qǐng)D1，操作由表面船只11控制。震源12位于海床13上，以及一系列移動(dòng)儀器單元14(示出其中的兩個(gè))監(jiān)視海床13對(duì)信源12所生成的地震波的響應(yīng)。儀器單元14處在海床13上方大約一米的位置。
[0047] 儀器單元14的每一個(gè)都包括由光發(fā)送器和接收器、水聽器、加速度計(jì)和處理單元構(gòu)成的干涉儀。下面將描述它的操作。
[0048] 水聽器表現(xiàn)為測量海底13上方的地震P波。加速度計(jì)測量0-200赫茲范圍內(nèi)的儀器振蕩。處理單元用于從取得的測量結(jié)果中過濾噪聲、識(shí)別和檢測成像對(duì)象、測量成像對(duì)象值并將那些值轉(zhuǎn)換成粒子速度。
[0049] 在使用時(shí)，信源12生成作為P波和S波穿過巖床15傳播的具有持續(xù)5到20秒周期的響應(yīng)的地震波。初始地震波在各種
地層邊界上反射和/或折射，并且返回P和S波在表面包括泥土、沙子和巖石的海底13處引起高達(dá)200赫茲范圍內(nèi)的振蕩。干涉儀14通過將光施加于底部13并以0.000001到4毫秒，但一般小于1毫秒的取樣速率記錄反射光(即，攝像機(jī)14拍攝底部13)，來有效地監(jiān)視海底13的響應(yīng)。實(shí)際上，隨著海底13的粒子響應(yīng)于返回P和S波而運(yùn)動(dòng)，這構(gòu)成了它們的電影(這正確嗎？)。
[0050] 返回P波還穿過水16從海床13向上行進(jìn)，并被水聽器以1到4毫秒的取樣速率檢測，并且將這個(gè)數(shù)據(jù)傳送到處理單元。加速度計(jì)將與振蕩相對(duì)應(yīng)的噪聲數(shù)據(jù)傳送到處理單元。
[0051] 處理單元分析從接收器、水聽器和加速度計(jì)收集的數(shù)據(jù)，并生成補(bǔ)償了儀器運(yùn)動(dòng)的海底粒子的響應(yīng)的記錄。然后，將標(biāo)準(zhǔn)原理用于結(jié)構(gòu)、地層特征、和巖石和液體參數(shù)的地震處理解釋和表征，可以分析這個(gè)記錄。
[0052] 因此，對(duì)于來自源12的每個(gè)地震沖擊，所有干涉儀14同時(shí)以2到4毫秒樣本記錄海底13的波場響應(yīng)。儀器14執(zhí)行包括降低噪聲、提高分辨率、和識(shí)別成像對(duì)象的預(yù)處理步驟。從樣本中計(jì)算和除去攝像機(jī)單元?jiǎng)討B(tài)分量。然后，導(dǎo)出Vx、Vy和Vz(S波的三個(gè)速度分量)和P(來自P波的壓力)并存儲(chǔ)在四條地震跡線上。每2到4毫秒重復(fù)一次這個(gè)過程。
[0053] 在可替代實(shí)施例中，震源未處在海床上的固定位置上，而事實(shí)上是可以，例如，處在船只11上的運(yùn)動(dòng)P波源。生成的P波穿過水16行進(jìn)并進(jìn)入巖床15，在其中像如前所述的P和S波那樣傳播和反射/折射。
[0054] 圖2示出了一種布置，其中震源21是運(yùn)動(dòng)的，并包括運(yùn)動(dòng)的干涉儀22的陣列，以及運(yùn)動(dòng)的地震接收器23。在每個(gè)陣列中示出了四個(gè)儀器，但可以是更大數(shù)量。理想的布置包括間距50到400米的1到3個(gè)源。地震接收器23與源也相隔25到400米的距離，并以1到4毫秒的取樣速率記錄5到20秒(取決于發(fā)送周期)。干涉儀22和地震接收器23以
1到5毫秒的速度運(yùn)動(dòng)。底部的源是固定的，而浮動(dòng)、拖曳的源是運(yùn)動(dòng)的。地震接收器是存儲(chǔ)所有測量結(jié)果、控制操縱、可以從中分配
能量、以及操作人員所在的中心。這類似于目前拖曳震源和接收器并將記錄/存儲(chǔ)地震信息的地震船。
[0055] 圖3示出了一種可替代布置，其中，數(shù)量上1到3個(gè)最佳的源31以1到5毫秒的速度運(yùn)動(dòng)，而干涉儀32和地震接收器33固定。間距類似于前一種布置中的那些。
[0056] 圖4示出了對(duì)應(yīng)于圖1，源41(在數(shù)量上也是1到3個(gè)最佳)固定，而干涉儀42和地震接收器43可運(yùn)動(dòng)的第三種布置。間距和速度與第一種布置相同。
[0057] 儀器通常安裝在纜上并與纜連接，所述纜拖在船只的后面或通過專用海下推進(jìn)設(shè)備拖曳。儀器相對(duì)于海床的位置通過聲學(xué)技術(shù)來確定，所述纜通過纜上的“翅膀”來操縱。纜上的垂直力由重物或壓艙物平衡。所述纜提供儀器陣列之間的機(jī)械連接，還提供能量和通信傳送。在典型布置中，存在每條拖曳一個(gè)儀器陣列的幾條纜。
[0058] 船只或拖曳設(shè)備包括導(dǎo)航裝備和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，儀器也具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。
[0059] 可替代地，儀器之間的連接可以是無線的，例如，取代電纜或除了電纜之外，還有無線電連接。
[0060] 參照?qǐng)D5，激光束被擴(kuò)展成沿著如圖5所示的直線照射被研究對(duì)象(OUI，object under investigation)。OUI可以是海底或像
旋轉(zhuǎn)機(jī)器部分的表面那樣的其它對(duì)象。
[0061] 在可以是點(diǎn)，但這里是OUI表面上的線的測量位置與干涉儀(光頭)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有如圖5所示的橫向速度分量Vt以及縱向速度分量Vl。在實(shí)際測量狀況下，可以是OUI運(yùn)動(dòng)，或可以是干涉儀運(yùn)動(dòng)，或兩者。為了簡單起見，將這個(gè)運(yùn)動(dòng)描述成仿佛只有OUI運(yùn)動(dòng)。假設(shè)速度分量對(duì)于沿著對(duì)象上的激光線的所有點(diǎn)都是相同或近似相同的。激光線通常具有有限長度(從毫米到米)，或在特殊應(yīng)用中，它可以在大距離上保持連續(xù)。
[0062] 本發(fā)明主要用于檢測縱向速度分量Vl的瞬時(shí)變化(AC電平)。根據(jù)激光束的方向和OUI振蕩(波)的方向，Vl可以具有在平面外和進(jìn)入OUI表面兩者的分量。OUI可以是平坦或彎曲表面。
[0063] 如圖5所示，一行檢測器元件排列在基本上與橫向速度分量Vt相同的方向上。每個(gè)檢測器元件也可以被檢測器陣列或橫向檢測器線取代，對(duì)于圖5中的檢測器線上的每個(gè)位置，這使得可以對(duì)幾個(gè)檢測器元件求平均?？商娲兀梢允褂谜麄€(gè)全場檢測器陣列。檢測器元件或檢測器陣列還被一個(gè)或多個(gè)參考光束照射，一個(gè)或多個(gè)參考光束至少部分與從OUI反射的對(duì)象光相干(在圖5中未示出參考光束)。在該行檢測器的前面，存在成像透鏡、透鏡系統(tǒng)或像曲面鏡那樣的其它成像光學(xué)部件。成像光學(xué)部件將OUI上的激光線成像到該行檢測器上。
[0064] 取代對(duì)象表面上的激光線，可以存在沿著對(duì)象上的相似線掃描的掃描激光點(diǎn)。最好，如果使用全場檢測器陣列，我們也可以照射對(duì)象表面上的全場，以便將對(duì)象的照射部分成像到檢測器陣列上。
[0065] 照射OUI的激光束也可被會(huì)聚或發(fā)散，焦點(diǎn)在距離源的不同距離上，包括OUI下面或外面的點(diǎn)。但是，最好，用于對(duì)象照射的激
光源處在圖5中的透鏡的孔隙中或附近。這意味著，照射和觀察方向是平行的。激光束可以在不同角方向指向OUI。
[0066] 縱向速度分量Vl的改變意味著總速度Vtot的方向?qū)⒏淖?。借助于本發(fā)明，我們檢測Vtot方向的瞬時(shí)變化，并因此檢測縱向速度分量Vl的瞬時(shí)變化。
[0067] 位于沿著檢測器線或檢測器陣列中的特定位置上的干涉儀中的每個(gè)檢測器元件具有它自己的特定靈敏度方向。圖5中的直線SDL代表如此的直線或方向。干涉儀和激光束沿著角方向放置和排列，使得至少一個(gè)檢測器或一組檢測器具有與速度Vtot正交的靈敏度方向線SDL。如果將全場檢測器陣列與全場對(duì)象照射一起使用，則存在都具有與速度Vtot正交的靈敏度方向的跨過陣列的一行檢測器。
[0068] 具有與速度Vtot正交的靈敏度線SDL的檢測器元件將對(duì)速度Vtot沒有靈敏度。具有其它靈敏度方向的所有其它檢測器元件將獲得速度Vtot的較小或較大部分。
[0069] 干涉儀中的每個(gè)檢測器元件檢測對(duì)象光與參考光之間的干涉，以及檢測器元件上的強(qiáng)度由如下方程給出：
[0070]
[0071] 其中，I是檢測器元件上的總光強(qiáng)；
[0072] Iref是參考光強(qiáng)；
[0073] Iobj是對(duì)象光強(qiáng)；
[0074] μ是0與1之間的因子，并取決于光的相干性等；
[0075] αdiff是對(duì)象光與參考光之間的初始光學(xué)相差；
[0076] αdisp是由對(duì)象位移引起的附加光學(xué)相差。
[0077] 方程(1)還可以寫成：
[0078] I＝Iback+Imod·cos(αdiff+αdisp)(2)
[0079] 其中，Iback是背景電平；
[0080] Imod是調(diào)制電平。
[0081] 當(dāng)我們具有以如圖5所示的速度Vtot的運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)給定檢測器元件的靈敏度方向線SDL與速度Vtot的方向之間的角度，這個(gè)檢測器元件的相位αdisp將以相位速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)。如果對(duì)于特定檢測器元件，這個(gè)角度等于或非常接近90°，那么，這個(gè)檢測器元件的相位αdisp將不轉(zhuǎn)動(dòng)，或?qū)⒆兓浅Ｐ』蚍浅＞徛?。?duì)于具有其它靈敏度方向的其它檢測器元件，相位αdisp將轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著SDL線相對(duì)于速度Vtot的方向越來越偏離90°，相位αdisp將轉(zhuǎn)得更快。
[0082] 從方程(2)可以看出，當(dāng)相位αdisp隨時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測器處的強(qiáng)度I將是正弦調(diào)制的。這意味著，相對(duì)于速度Vtot的方向具有90°或接近90°靈敏度方向(SDL)的檢測器將具有與具有其它靈敏度方向的檢測器相比緩慢調(diào)制的強(qiáng)度。在下文中，我們將相對(duì)于速度Vtot具有90°靈敏度方向SDL的檢測器稱為零檢測器。通常，零檢測器始終在改變位置，使得隨著時(shí)間流逝，沿著該行檢測器或在檢測器陣列內(nèi)的不同檢測器將被識(shí)別為零檢測器。
[0083] 本發(fā)明的主要原理是檢測和定位零檢測器，也就是說，定位強(qiáng)度I的變化相對(duì)緩慢的檢測器位置。這可以通過，例如如下方式之一來完成。
[0084] 1.通過以快速取樣
頻率取樣檢測器或檢測器陣列，并計(jì)算與從前樣本的信號(hào)的差值。如果我們調(diào)用來自檢測器S的電或
數(shù)字信號(hào)，我們將具有
[0085] S(t)＝K·I(t)(3)
[0086] 其中，S是來自檢測器的信號(hào)(電或數(shù)字)；
[0087] K是常數(shù)；
[0088] t是時(shí)間；
[0089] I是檢測器上的強(qiáng)度。
[0090] 現(xiàn)在，查看信號(hào)S的瞬時(shí)頻率，我們將找到具有最低頻率S的檢測器代表零檢測器。
[0091] 2.通過使用具有相對(duì)低取樣頻率和每個(gè)樣本相對(duì)長曝光周期的檢測器。這樣，具有比檢測器在時(shí)間上可以分辨的更快強(qiáng)度起伏的檢測器將給不出、或給出相對(duì)低的信號(hào)S起伏(低幅度)，因?yàn)閺?qiáng)度起伏將被平均掉。換句話說，信號(hào)S不能跟上強(qiáng)度I的快速調(diào)制。圖6示出了信號(hào)如何沿著一行檢測器出現(xiàn)的例子。在信號(hào)S的幅度隨如圖6所示的正弦函數(shù)減小的同時(shí)，信號(hào)S的頻率隨相對(duì)于零檢測器的距離增加而增大。除了接近零檢測器的檢測器元件之外，方程(3)對(duì)于這種方法是無效的，因?yàn)檫@些檢測器的強(qiáng)度起伏慢得足以讓檢測器分辨出來。可以通過沿著檢測器線的空間濾波(參看圖6)，和通過分析瞬時(shí)起伏兩者，來識(shí)別和定位零檢測器。
[0092] 3.通過組合上述方法的方法，其中，分析檢測器的瞬時(shí)頻率以及信號(hào)幅度。
[0093] 由于OUI的表面粗糙性和激光的高度相干特性，從OUT反射的對(duì)象光一般具有斑紋性質(zhì)。這也可以從圖6的曲線中看出。當(dāng)干涉儀相對(duì)于OUI運(yùn)動(dòng)或反過來時(shí)，作為運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，斑紋將一般在空間上去相關(guān)，以及方程(3)中的Iobj和αdiff兩者將隨時(shí)間變化。這些隨機(jī)變化將給出如從方程中看到的強(qiáng)度起伏，但這些隨機(jī)強(qiáng)度起伏通常比由相對(duì)對(duì)象運(yùn)動(dòng)Vtot引起的強(qiáng)度變化慢，至少對(duì)于遠(yuǎn)離零檢測器的檢測器是這樣。如上所述的隨機(jī)起伏可以用于獲取(參見圖7)導(dǎo)致更平滑強(qiáng)度曲線的平均效應(yīng)，其中我們還濾波和整流了信號(hào)。平均效應(yīng)可以通過對(duì)來自幾個(gè)相鄰檢測器元件或檢測器陣列的信號(hào)求平均獲得，或平均效應(yīng)可以通過在時(shí)域中求平均而獲得。平均或平滑效應(yīng)可以使檢測和定位零檢測器的確切位置變得更容易。如果在沿著檢測器線的幾個(gè)或許多點(diǎn)取樣圖7中的曲線，則可以使用計(jì)算“
重心”(＝零檢測器)的
算法。Iobj和αdiff的去相關(guān)速度取決于激光束的形狀、尺寸和焦點(diǎn)(參考之前
專利)。
[0094] 圖8示意性地示出了本發(fā)明如何用于檢測海底的地震信號(hào)。干涉儀沿著虛線運(yùn)動(dòng)，以及只要我們具有如圖所指的幅度的單頻、穩(wěn)態(tài)地震信號(hào)，跨過海底運(yùn)動(dòng)的測量點(diǎn)的總(相對(duì))速度在圖中的向量VtotA與向量VtotB之間變化。零檢測器將在檢測器線上的位置A與B之間行走。如果橫向速度Vt是1米每秒，以及地震幅度在50赫茲上是100毫微米，那么，縱向速度幅度將是31.4微米每秒，以及總速度Vtot的方向?qū)⒁?/-0.0018°變化。通過處在海底上方5米的干涉儀，以及通過0.3米的OUI上的激光線的長度、和50毫米的檢測器陣列長度，則檢測器線上的位置A與B之間的距離將是近似26微米，這通常是
像素大小為7微米的4個(gè)像素的距離。
[0095] 有關(guān)零檢測器的檢測的記錄算法的例子如下：
[0096] 1.以給定取樣頻率從沿著檢測器線的所有檢測器元件i中獲取信號(hào)Si(t)(t ＝時(shí)間)；
[0097] 2.對(duì)所有像素計(jì)算Si(t)隨時(shí)間的變化 Si(t)/ t；
[0098] 3.對(duì)于所有像素在某段時(shí)間內(nèi)對(duì) Si(t)/ t求和并求平均，也可以在幾個(gè)相鄰像素上對(duì) Si(t)/ t求平均。如圖x所指，這些相鄰像素的一些也可以位于橫向上；
[0099] 4.沿著檢測器線進(jìn)行空間濾波，以找出零檢測器的位置。
[0100] 也可以使用其它算法，其中，沿著檢測器線的信號(hào)S的時(shí)間評(píng)估用于定位零檢測器。
[0101] 本發(fā)明也可以使用1維“位置靈敏檢測器”來分辨強(qiáng)度移動(dòng)的小變化(零檢測器的小移動(dòng))。位置靈敏檢測器可以基于幾個(gè)相鄰檢測器元件之間的耦合或關(guān)聯(lián)技術(shù)，并可以以這種方式來提高靈敏度。
[0102] 為了將對(duì)象上的30厘米激光線成像到5米遠(yuǎn)的50毫米檢測器線上，可以使用近似0.7米的焦距。透鏡與檢測器線之間的光學(xué)距離相對(duì)較大，但參見圖9，可以使用反射鏡或其它光學(xué)元件以獲取總尺度更小的折疊光路。
[0103] 也可以通過利用檢測器前面的不同透鏡、透鏡系統(tǒng)或其它成像元件來提高或降低系統(tǒng)的靈敏度。也可以使用曲面鏡。我們也可以具有并排2條或更多檢測器線的組合系統(tǒng)，其中，一個(gè)系統(tǒng)可以具有在檢測器前面的不同透鏡系統(tǒng)，而其它檢測器線具有不同的透鏡或成像系統(tǒng)。這樣，一個(gè)檢測器系統(tǒng)可以具有高靈敏度，而其它系統(tǒng)具有較低的靈敏度，但在地震幅度方面和整個(gè)干涉儀的未對(duì)準(zhǔn)方面以及與速度方向Vtot相比在激光束方向方面具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，透鏡或成像元件可以在一個(gè)方向上較長以及在另一個(gè)橫向上較窄。
[0104] 如果將反射鏡安裝在成像系統(tǒng)與檢測器之間或在成像系統(tǒng)之外，那么，如圖9所示，將通過傾斜這些反射鏡的一個(gè)或多個(gè)來調(diào)整檢測器元件的靈敏度方向線。如果干涉儀以隨時(shí)間變化的角位置運(yùn)動(dòng)，那么，可能要求相應(yīng)地調(diào)整靈敏度方向。
[0105] 檢測器線、或檢測器陣列或位置靈敏檢測器可長可短，如果(最好)使用若干激光束和成像系統(tǒng)，則其可以從幾微米到幾米。
[0106] 如果使用具有不同靈敏度的兩條或幾條平行檢測器線，則最不靈敏的檢測器線系統(tǒng)(具有最大動(dòng)態(tài)范圍)可以用于調(diào)整具有較高靈敏度的其它檢測器線的靈敏度方向，使得它們可以找到它們的各自零檢測器并在它的有限動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作。
[0107] 本發(fā)明還可以通過使用如上所述的反射鏡的動(dòng)態(tài)操縱來使用靈敏度方向的動(dòng)態(tài)操縱。由來自如上所述的一條或多條平行檢測器線的反饋信號(hào)來控制反射鏡的操縱，使得在使用一條或多條檢測器線時(shí)，在檢測器線上或多或少地保持零檢測器位置不變。這樣，操縱反饋信號(hào)將給出有關(guān)地震信號(hào)的信息。
[0108] 地震信號(hào)的測量可以具有從相對(duì)高地震幅度開始然后幅度逐漸減小的幾秒的持續(xù)時(shí)間。在測量周期內(nèi)可以調(diào)整和改變本發(fā)明的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。這可以通過使用兩條或更多條平行檢測器線，或通過改變或調(diào)整檢測器線前面的光學(xué)元件來完成。
[0109] 本發(fā)明的另一種設(shè)計(jì)顯示在圖10中。
[0110] 在這種情況下，將激光束引向被研究對(duì)象(OUI)，以便照射表面上的單個(gè)點(diǎn)(圖10中的測量點(diǎn))。激光束可以會(huì)聚或發(fā)散，其焦點(diǎn)在距所述源的不同距離，包括OUI下面或外面的點(diǎn)。光束也可以具有不同形狀(圓形、長方形等)，以及取代一點(diǎn)，光束也可以朝向表面下的一條線聚焦。
[0111] 如圖10所示，檢測器元件線排列在基本上與橫向速度分量Vt相同的方向上。如前所述，每個(gè)檢測器元件可以被檢測器陣列取代。檢測器元件或檢測器陣列也被一條或多條參考光束照射，一條或多條參考光束至少部分與從OUI反射的對(duì)象光相干(在圖10中未示出參考光束)。從OUI上的測量點(diǎn)反射的光線也可以被反射鏡反射或被其它元件或被其它部件引導(dǎo)，使得可以以除如圖10所示之外的其它方式，來物理放置和幾何排列所述檢測器線或檢測器陣列。
[0112] 在圖10中，示出了零平面。這是穿過測量點(diǎn)并與速度向量Vtot正交的空間平面。如前所述，位于沿著檢測器線的特定位置的每個(gè)檢測器元件具有它自己的特定靈敏度方向。圖10中的直線SDL代表如此的直線或方向。
[0113] 干涉儀和激光束以角方向放置和排列，使得檢測器線上的至少一個(gè)檢測器或檢測器陣列具有與零平面平行并實(shí)際上位于零平面內(nèi)的靈敏度方向線SDL。對(duì)于如圖10所示的布置，檢測器元件的靈敏度方向不是從測量點(diǎn)(OUI上的激光斑點(diǎn))到檢測器元件的直線。檢測器元件的靈敏度方向顯示在圖11中。
[0114] 靈敏度方向線SDL在零平面內(nèi)的檢測器元件將對(duì)速度Vtot沒有靈敏度，但具有其它靈敏度方向的所有其它檢測器元件將拾取速度Vtot的較小或較大部分。
[0115] 有關(guān)光強(qiáng)的方程對(duì)于這種光學(xué)配置與對(duì)于以前的配置相同，因此，方程(1)和(2)仍然有效。
[0116] 圖12示意性地示出了本發(fā)明如何用于檢測海底的地震信號(hào)。只要我們具有如圖所指的幅度的單頻穩(wěn)態(tài)地震信號(hào)，跨過海底運(yùn)動(dòng)的測量點(diǎn)的總(相對(duì))速度在圖中的向量VtotA與向量VtotB之間變化。零檢測器將在檢測器線上的位置A與B之間行走。如果橫向速度Vt是1米每秒，以及地震幅度在50赫茲是100毫微米，那么，縱向速度幅度將是31.4微米每秒，以及總速度Vtot的方向?qū)⒁?/-0.0018°變化。如果干涉儀處在海底上方5米的位置，則檢測器線上的位置A與B之間的距離將是314微米，這通常是像素大小為7微米的40個(gè)像素距離。
[0117] 此外，通過這種光學(xué)配置，我們可以使用“位置靈敏檢測器”來分辨強(qiáng)度移動(dòng)的小變化(零檢測器的小移動(dòng))。這種配置與第一種配置之間的主要差異在于未使用成像光學(xué)部件，以及所述檢測器元件線將通常更長。
[0118] 但是，如圖13所示，也可以通過在檢測器前面使用正負(fù)透鏡、透鏡系統(tǒng)或其它成像元件，來提高或降低這第二種配置的靈敏度。也可以使用曲面鏡。此外，在這種情況下，我們也可以具有并排2條或更多條檢測器線的組合系統(tǒng)，其中，一個(gè)系統(tǒng)可以具有在檢測器前面的不同透鏡系統(tǒng)(或沒有透鏡)，而其它檢測器線具有不同透鏡或成像系統(tǒng)。
[0119] 如前所述，檢測器線、或檢測器陣列或位置靈敏檢測器可長可短；如果(最好)使用幾條激光束，則其可以從幾微米到幾米或甚至沿幾百米的距離連續(xù)。如果檢測器線的長度受到限制，則零檢測器位置可以終止在檢測器線陣列的外部，因此，沒有沿著該線的檢測器元件成為零檢測器。在這種情況下，可以調(diào)整激光束的方向，直到零檢測器位置進(jìn)入檢測器元件線的范圍(長度)內(nèi)。另外，如果去往檢測器線的光線在到達(dá)檢測器之前通過反射鏡反射，則可以使這些反射鏡傾斜，以便為系統(tǒng)獲得適當(dāng)?shù)撵`敏度方向。
[0120] 通過這第二種配置，可以使激光束動(dòng)態(tài)操縱，其中光束的操縱由來自如上所述的一條或多條平行檢測器線的反饋信號(hào)來控制，使得在使用一條或多條檢測器線時(shí)，在檢測器線上零檢測器位置或多或少保持不變。如前所述，操縱反饋信號(hào)將給出有關(guān)地震信號(hào)的信息。最好只在一個(gè)方向，基本上在與速度Vtot相同的方向上控制激光束，并且，速度Vtot通常與檢測器線的方向相同或幾乎相同。
[0121] 一般說來，與前面參照?qǐng)D5所述的系統(tǒng)不同，圖10中的系統(tǒng)將具有較高的靈敏度，但隨著與OUI的距離增大具有較小的動(dòng)態(tài)范圍。由于零檢測器區(qū)域?qū)㈦S著距離增大而更寬，與OUI的距離可以由系統(tǒng)利用來自檢測器線的數(shù)據(jù)S求出。
[0122] 第二種配置與第一種相比的缺點(diǎn)是，干涉儀與OUI之間的距離變化可能沿著檢測器線給出假信號(hào)。這些假信號(hào)可能較小，但如果系統(tǒng)被安排成分辨非常小的幅度，這種錯(cuò)誤源可能是限制因素。
[0123] 相位調(diào)制
[0124] 如果系統(tǒng)(第一和第二種配置兩者)的激光束和靈敏度方向拾取了干涉儀或OUI的運(yùn)動(dòng)的大部分，那么，參見圖14，可以使用參考光束的相位調(diào)制來補(bǔ)償這個(gè)。這描述在GB-A-2411001中。
[0125] 如果系統(tǒng)拾取了干涉儀的運(yùn)動(dòng)的相對(duì)大部分，則這意味著速度Vl變大，使得Vl可能具有頂上帶有小的“AC”分量的大的恒定(“DC”)分量。可以通過利用參考光束的相位調(diào)制來除去Vl的大DC分量。相位調(diào)制實(shí)際上意味著，我們?cè)跈z測器線上向一側(cè)(左側(cè)或右側(cè))移動(dòng)圖7中的曲線。表達(dá)這種情況的另一種方式是表述成，當(dāng)使用參考光束的相位調(diào)制時(shí)，零線或零平面和總速度Vtot之間的角度變成不同于90°。
[0126] 如果例如以相對(duì)于干涉儀的傳播方向向前或向后的角度來引導(dǎo)激光束(參照?qǐng)D8和圖12)，那么，速度Vl將獲得較小或較大的“DC”電平。在這種情況下，可以使用相位調(diào)制來補(bǔ)償這個(gè)。
[0127] 當(dāng)使用相位調(diào)制時(shí)，我們將“人造”縱向速度放在系統(tǒng)上。如果我們模擬具有給定幅度和頻率的正弦變化速度Vl，以及如果我們沿著檢測器線在這個(gè)相同頻率上找到相應(yīng)的零檢測器“幅度”，那么，我們實(shí)際上可以從這個(gè)數(shù)據(jù)中計(jì)算橫向速度Vt。
[0128] 3維測量
[0129] 如果使
用例如像圖5和/或圖10中的那幾個(gè)那樣的三個(gè)分立單元，則本發(fā)明可以用于測量3維空間位移。圖15示出了這樣的例子，其中，用3維測量海底的地震信號(hào)。圖中的每條激光束可以是如前所述的激光束或激光線。通過如圖15所示的布置，將在速度方向上指向前的單元中需要相位調(diào)制。
[0130] 假設(shè)OUI振蕩(波)的波長大于OUI上激光束中的靈敏度線所投射的位置之間的距離。
[0131] 如果我們具有在大型系統(tǒng)陣列中運(yùn)動(dòng)、像如圖5所示的那個(gè)那樣的大量系統(tǒng)，我們可以在較大海底區(qū)域上進(jìn)行測量。我們也可以使用從相同照射線或照射點(diǎn)反射的光可被不同相鄰檢測器系統(tǒng)拾取的組合系統(tǒng)，以便以不同靈敏度方向獲取測量結(jié)果。
