【正文】 震源振動器結(jié)構(gòu)圖 反作用 重錘的運動與掃描信號頻率變化有關(guān)，如果信號頻率 f變化時，若重錘運動時保持速度恒定，則重錘位移幅度與掃描信號頻率 f成反比變化，重錘運動加速度則與掃描信號頻率 f成正比變化；若重錘運動時保持位移恒定，則重錘運動速度幅度與掃描信號頻率 f成正比變化，而重錘運動加速度幅度與掃描信號頻率 f2的平方成正比變化。對于地震勘探技術(shù)要求來講，自然是可控震源極限頻率帶寬越寬越好。 應(yīng)力是物體某一部分在單位面積上受到的壓力。如果傳入到大地的力用一個信號頻率隨時間變化的函數(shù) F（ t）來，而不是用一個脈沖信號來表示的話，那么，由 檢波器檢測到的大地運動函數(shù) U（ t）可表示為： U（ t） =F（ t） *G（ t） 式中的 表示褶積算子 （ 20） 如果將時間域內(nèi)的褶積轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)考慮問題，可控震源系統(tǒng)的工作方法就比較容易理解 了，因為時間域的褶積在頻率域內(nèi)就成為純數(shù)學(xué)乘法運算。 實際上，可控震源就是產(chǎn)生頻率隨時間呈某種規(guī)律變化的一種輸出力信號源裝置。 Ma c c + MB P 在頻率域，對地震數(shù)據(jù)的互相關(guān)處理可以表示為： P*（ 2?f） ?U（ 2?f） =P*（ 2?f） ?F（ 2?f） ?G（ 2?f）（ 24） （ 23） 同樣的道理，對于質(zhì)量控制而言，采用輸出力與設(shè)定的參考信號進(jìn)行互相關(guān)： P*（ 2?f） ?F（ 2?f） （ 25） 此處， P*（ 2?f）是 P（ 2?f）的共軛復(fù)數(shù)。 （ 3）當(dāng)平板脫離地面后再回到地面時，可控震源信號的相位特性將會產(chǎn)生突變，震源電控系統(tǒng)難于修正此刻所形成的相位誤差，造成可控震源信號特性變差，降低地震資料品質(zhì)。 大約 10 噸 車重的一部分 車重的一部分 大約 10 噸 平板加速度 =0 靜載荷力 = 壓重 (HDW) 重錘加速度 =0 圖 34 隔振氣囊 除了增加可控震源壓重來防止平板脫耦方法以外，還可采用控制可控震源信號振幅的方法以來防止脫耦現(xiàn)象發(fā)生。伺服閥由主閥和一個先導(dǎo)級構(gòu)成。提升能量的方式有一下幾種方法。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)使多臺可控震源組合使用，但考慮到施工成本和費用，可控震源組合臺數(shù)也不是多多益善，應(yīng)視實際施工情況和具體地質(zhì)勘探任務(wù)需要而定。 可控震源采集方法 在以上提升能量的基礎(chǔ)上，根據(jù)可控震源數(shù)據(jù)采集方式，一般可以分為常規(guī)采集、高效采集及高保真采集三大類型。 震源移動時間：震 源從一個震點到另外一個震點移動所需的時間。掃描信號聽時間震源搬點震動時間掃描信號聽時間震源搬點震動時間 圖 41 常規(guī)采集方法示意圖 該采集方法兩炮之間的時間間隔 t包括以下三部分 t=ts+tp+tm (1) 式中： ts為掃描時間； tp為震源準(zhǔn)備時間； tm為可控震源在相鄰炮點之間 的移動時間。 滑動掃描 滑動掃描就是下一組震源不 必等待上一組震源震動結(jié)束即可開始震動的一種采集方法，實現(xiàn)了無等待掃描激發(fā) ,由于滑動掃描的相鄰兩次掃描的間隔時間大大縮短了 ,從而大幅度地提高了生產(chǎn)效率 ,該方法近年來獲得了較大的發(fā)展。 但是， “可控震源 大地”系統(tǒng)之間存在非線性畸變引起諧波干擾，其頻率是掃描寫好的整數(shù)倍，其中，二次諧波的干擾能量最強。 圖 44 滑動掃描記錄分離 理論上 ,滑動掃描的滑動時間不小于聽時間，滑動時間越短 ,生產(chǎn)效率越高 。這實際接收的震動信號，可以表示為 ： 可以看出， x(t)與地面力信號的時間導(dǎo)數(shù)是相同的，是更接近真是情況的褶積模型。 圖 45 滑動掃描產(chǎn)生諧波 高保真采集 高保真采集的提出，是針對滑動掃描采集產(chǎn)生諧波而提出的。 目前，滑動掃描方式一般采用升頻掃描方式，滑動掃描的特點決定了前一炮記錄受到后一炮記錄諧波干擾的污染。 圖 43 滑動掃描施工示意圖 可以看出，該施工方法的理論最大生產(chǎn)率為每炮記錄用時 =聽時間。 如圖 52 所示： 圖 42 交替掃描施工示意圖 可以看出，理論上，每炮記錄所用時間為掃描時間 +聽時間，在使用兩組以上的震源施工情況下，與常規(guī)采集方式相比，可以節(jié)約震源搬家的時間，提高了施工效率。按照正常的震動時間 +聽時間的順序，進(jìn)行采集生產(chǎn)的作業(yè)方式。 掃描長度：可控震源從震動開始到震動結(jié)束的時間。一般來講，震源振動次數(shù)疊加越多，相關(guān)記錄信噪比越高，但不能無止境地增加振動次數(shù)而影響生產(chǎn)效率，如果記錄信噪比已經(jīng)滿意，繼續(xù)增大 掃描次數(shù)便會變得徒勞無益。但是，掃描長度受到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲容量、易在信號采集時引入噪聲以及施工效率等因素的限制，不可能無限增加掃描長度，因此，除了延長掃描長度增加震源信號能量方法以外，還需引用其它累積可控震源能量的方法。先導(dǎo)級由力矩馬達(dá)驅(qū)動 ，電控箱體產(chǎn)生 控制力矩馬達(dá)的電流信號?？煽卣鹪匆话憧刹捎枚ㄐ臍饽液投ㄐ挠透變煞N裝置來補償重錘質(zhì)量影響，現(xiàn)在可控震源多使用定心氣囊，如圖所示：對于定心氣囊而言，充氣壓力大小對于定心氣囊能否起到補償重錘質(zhì)量作用十分明顯，在施工前需對充氣壓力進(jìn)行調(diào)整，使得重錘可以穩(wěn)定在框架中心位置。在靜態(tài)時，即震源平板與重錘無加速度運動時，加在平板上的方向向下的作用力稱為壓重，它的量值大小必須大于重錘液缸所產(chǎn)生的最大推力，可表示為： HDW≥HPF 可控震源的隔振氣囊是利用空氣的可壓縮性實現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧，其自然頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于掃描信號最低頻率。我們知道，一般可控震源所產(chǎn)生的最大推力可達(dá)幾十噸，而由于可控震源本身所產(chǎn)生壓在平板上的重量即反作用重錘和平板重量之和不過幾噸，遠(yuǎn)比震源產(chǎn)生的最大推力要小，這樣在震源振動時，平板會脫離地面，這種現(xiàn)象稱為脫耦，對可控震源十分有害，這是因為： （ 1）當(dāng)平板脫離地面時，震源振動能量不是傳給地面，而是傳給可控震源運載底盤，易于引起震源機械部件損壞。 F ( t ) = ( M m A m + M p A p )A pA m重錘加速度平板加速度重錘質(zhì)量 = M m平板質(zhì)量 = M pM mM p 圖 33 震源出力示意圖 在實際工作中，震源振動輸出力 F（ t）往往取決于震源本身的特性和對震 源的控制。輸出力信號可以是連續(xù)變化的信號如掃描信號，也可以是按照一定步長 /間隔變化的信號，如偽隨機編碼序列信號。 F*（ 2?f） ?U（ 2?f） =F*（ 2?f） ?F（ 2?f） ?G（ 2?f） =?F（ 2?f） ?2?G（ 2?f）（ 22） 式中的 F*是 F的共軛值 ， ?F（ 2?f） ?2為震源輸 出力的能量譜。 通過大地介質(zhì)進(jìn)行傳播的 彈性 波受大地壓縮和應(yīng)變特性影響。假定條件是： 地下結(jié)構(gòu)由一系列地層形成， 近地表下的地層是連續(xù)的，并且 假設(shè)各個地層的壓縮和應(yīng)變特性都是線性的。而掃描信號頻率增大時，重錘運動的速度和加速度也將受 到限制，當(dāng)信號頻率增大到一定的程度時，重錘運動速動速度幅度和加速度幅度都會隨之下降，并存在著一個最小極限，與此重錘運動極限位置相對應(yīng)的掃描信號頻率稱為高頻極限頻率。 反作用重錘：反作用重錘為一個金屬塊體，其典型重量為 2噸至 4噸以上。 、 可控震源振動器 一般來說，可控震源振動器部分包括兩個主要部件：平板和反作用重錘。同步振動控制系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生可驅(qū)動可控震源振動的各種類型信號，實現(xiàn)震源信號特性反饋控制，以及完成無線通訊及遙控啟動控制等項功能。 ③ 在可控震源相關(guān)記錄中，相關(guān)子波的主波峰值出現(xiàn)的時刻與地震波反射開始時間相對應(yīng)，它與炸藥震源記錄中反射波達(dá)到時刻，也即脈沖震源反射波初至?xí)r間相對應(yīng)。 可控震源掃描信號相關(guān)子波的一般特點： ① 可控震源地震記錄互相關(guān)結(jié)果與用炸藥震源得到的反射脈沖基本形態(tài)一樣； ② 可控震源相關(guān)脈沖信號為掃描信號與大地響應(yīng)的褶積； ③ 可控震源相關(guān)地 震記錄的反射信號基本上是對稱的自相關(guān)信號，但會受到大地的相位濾波特性和可控震源系統(tǒng)非線性等因素的影響； ④ 對掃描信號頻率的選擇要考慮大地濾波對信號頻寬影響的因素； ⑤ 自相關(guān)子波在零時的振幅值表示了掃描信號的能量； ⑥ 掃描信號頻帶越寬，自相關(guān)子波就越窄；掃描信號頻帶越窄，自相關(guān)子波邊葉水平就越高； ⑦ 掃描信號的自相關(guān)函數(shù)的邊葉可通過在掃描信號兩邊加斜坡（鑲邊函數(shù)）的方法來加以改善。另外在選擇信號頻率時，也要注意信號頻率范圍，所選用的信號頻率應(yīng)比預(yù)期能接收到的頻率范圍要寬一些，否則有些預(yù)期可以接收到的信號頻率落入到過渡帶中，將會使信號振幅減弱，不利于提高地震資料頻率特性。在這三種過渡帶中以余弦包絡(luò)壓制相關(guān)邊葉效果最好。相關(guān)邊葉產(chǎn)生的另外原因主要是由于掃描信號的邊界效應(yīng)，即掃描信號的突然開始和終止而引起的，如果在掃描信號開始和結(jié)束時，使信號振幅變化為一個漸進(jìn)過程，即在掃描信號兩邊加斜坡的方法，就會使信號的相關(guān)子波邊葉幅度大大減小。因為這種330 毫秒 6 赫（ 10－ 16 赫） 166 毫秒 12 赫（ 16－ 28 赫） 41 48 赫（ 4－ 52 赫） 噪聲不是由于物理因素（如高壓線、風(fēng)吹草動、車輛或人員走動）產(chǎn)生的振動形成，而是由于相關(guān)處理運算本身所產(chǎn)生的，所以稱這種噪聲為相關(guān)噪聲。 評價相關(guān)子波優(yōu)劣的三個原則： 1) 相關(guān)子波峰值在時移軸上的位置：它取決于參考信號與震源信號啟動同步精度； 2) 相關(guān)子波正，負(fù)邊峰值振幅的相對水平：在通常情況下它們應(yīng)該對稱，否則就意味著參考信號與震源輸出力信號之間有相位誤差存在； 3) 相關(guān)子波時移軸正，負(fù)方向相關(guān)噪音的相對水平：對于升頻掃描信號，如果相關(guān)子波時移軸負(fù)方向相關(guān)噪音幅值較大，表明震源輸出力信號中含有較強諧波成分；而對于降頻掃描信號，如果相關(guān)子波時移軸正方向相關(guān)噪音幅值較大，也表明震源輸出力信號中含有較強諧波 成分。 圖 219 相關(guān)子波 分辨率 分辨率反映了掃描信號相關(guān)子波的分辨率，它與掃描信號的中心頻率 f0有關(guān)： R＝ 1/2f0 （ 18） 對于線性掃描信號的相關(guān)子波，只有在 R≥3 4或者 ROCT≥ 2才有意義。下圖中則說明相對頻寬不同，而絕對頻寬相同時的掃描信號對自相關(guān)子波形狀的影響。對這種類型的相關(guān)子波中心部位特征分析可用清晰度、分辨率和延續(xù)時間三個量來刻畫： 1. 清晰度 圖 216 相關(guān)子波清晰度 清晰度可以用相關(guān)子波最大波峰值與相鄰波峰值來表示，如圖 216所示。 可控震源參考信號與與地層反射信號的相關(guān)子波是構(gòu)成可控震源相關(guān)記錄的基本波形，因此，相關(guān)子波的特性將直接影響震源面貌和資料的品質(zhì)優(yōu)劣，對相關(guān)子波性質(zhì)的了解和研究也就顯得尤為重要。若在可控震源原始記錄中存在一個強脈沖信號，在相關(guān)記錄中就會產(chǎn)生一個很強的掃描信號，從而將記錄中的有效相關(guān)反射信息覆蓋。在相關(guān)波形中僅含有兩個信號所共有的 30Hz 頻率成份，因此，相關(guān)后得到一個 30Hz 的正弦波。 兩個信號相關(guān)的特性 1）兩個相位相差 90176。 2） 自相關(guān)函數(shù) Φaa （ τ ）是 τ 的偶函數(shù) ，也即自相關(guān)子波是一個關(guān)于坐標(biāo)中心軸對稱的波形。 t? ab (t ) 圖 213 自相關(guān)子波 對于自相關(guān)波形，有以下幾點結(jié)論： 1） 在自變量 τ ＝ 0時，自相關(guān)函數(shù)有著正的最大值。 (5) 掃描信號 (1) (3) T0 下傳掃描信號 (4) 自相關(guān) (2) * = (6) A B C D 以 τ 為時移量 滑動 圖 212 自相關(guān)函數(shù) 由圖 310 中的波形（ 6），我們可以知道： （ 1） 兩個頻率不相同的波形之間沒有或有很小的相關(guān)量； （ 2） 掃描信號的自相關(guān)函數(shù)在較大時移處（ A和 D處）具有很小的相關(guān)量。 自相關(guān)過程可以認(rèn)為是在每個樣點上，分別計算出兩個信號波形在縱坐標(biāo)的乘積值，然后將它們求和，這個過程應(yīng)在一個固定掃描信號的掃描長度內(nèi)進(jìn)行。 在圖 211中，表示了通過自相關(guān)函數(shù)的計算，對信號進(jìn)行相關(guān)處理的一個例子。 與相關(guān)前信號相 比，相關(guān)將顯著地改善檢波器所接收到信號的信噪比。 2） 一般情況下， Φab （ τ ）不是關(guān)于 τ 的偶函數(shù)。正如我們從波形中所看到的那樣，頻率成份不相同的兩個信號波形沒有或者有著很小的相關(guān)量，所以互相關(guān)處理實 際上是對掃描信號中沒有共同存在的頻率信號成份進(jìn)行濾除的一個過程。該信號是各個不同反射信號之和。 圖 28 相關(guān)實現(xiàn)過程 a0a1a2a3a4a(k) s a mpl e kamplitudes a mpl e kb0b1b2b3b4b(k)amplitudec0c1 c2c(k)amplitudes a mpl e k 圖 29 相關(guān)過程 在可控震源應(yīng)用過程中，顯然： ? a（ k） =檢波器接受的信號 =采集長度 ? b（ k） =參考信號 =掃描長度 ? c（ k） =a(k)與 b(k)的互相關(guān)結(jié)果 =記錄長度 = a(k)b(k)+1