可控震源输出信号畸变控制问题的研究.doc

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1、可控震源输出信号畸变控制问题的研究陶 知 非 3( 东方地球物理公司装备事业部 ,河北涿州 072751)摘要陶知非 . 可控震源输出信号畸变控制问题的研究 . 物探装备 , 2007 , 17( 1) : 113可控震源输出信号的畸变问题由来已久 。由于对震源输出信号畸变问题的认识不同 ,在实际工作中出现了争 议 ,并且这种争议往往是以牺牲生产效率或震源本身性能评价指标为代价的 ,因此非常有必要研究可控震源输出 信号的畸变及畸变控制问题 。针对震源输出信号的畸变 ,本文从分析畸变参数的引入 、畸变控制以及结合地球物理勘探的需求并通过一个 研究实例来阐述对震源输出信号的畸变控制原则及实施方法

2、。关键词 可控震源 输出信号 畸变 控制ABSTRACTTao Zhif ei. The study on vibrator output distortion control . EGP , 2007 , 17( 1) : 113The di sto rtio n of vi brato r o utp ut signal wa s exi sted since vibro sei s were invent ed. A lo t of ar gument s were rai sed being t he diff erent view s o n vibrato r o utp ut d

3、i sto rtio n , w hich result lo wer p ro ductivit y o r exceed t he limita2tio n of vibrato rsp ecificatio n in t he p ractice . It i s nece ssa r y to st udy vi brato r o utp ut di sto rtio n and di sto rtio n co nt rolto imp ro ve sei smic data qualit y.A s per vibrato r o utp ut signal di sto rti

4、o n , t he article ill ust rated t he p rinciple of vibrato r o utp ut di sto rtio n co nt rol a nd co nt rol applied.Key words vibrato r , o utp ut signal , di sto rtio n , co nt rol发而言 ,存在激发信号波场复杂的实际问题 。反映到震源输出信号的检测上表现出的就是输出信号的 波形畸变 ,并且这种畸变水平因近地表物性的变化 而变化 ,因耦合条件的变化而变化 。可以说 ,可控震源输出信号的畸变问题从可控震源技术的诞生

5、就存 在了 。由于对震源输出信号畸变问题的认识不同 ,在 实际工作中出现了不少争议 ,并且这种争议往往是 以牺牲生产效率或震源本身性 能评 价指 标 为代 价的 。例如 :当在地震激发作业中出现震源输出信号 检测到大畸变值或畸变异常后 ,由于继续作业可能 涉及到对地震数据品质的影响 ,因此甲方或监督方 往往要求停工确认问题所在 。有时经过一些试验验 证后 ,证实输出信号大值畸变或畸变异常非设备本身的因素 ,尽管可以恢复作业 ,但作业方就会因此而引言作为一种由液压伺服控制并驱动的地表激发源 ,可控震源的技术优势与不足同样明显 。正是因为震源采用地表激发方式 ,与炸药激发相比可以减少钻井作业与爆炸

6、环节 ,而这两个环节往往是影响地震勘探作业效率的瓶颈和降低 H S E 风险的主要障碍 ,所以可控震源被认为是高效 、安全的环保型激发源 。但地表激发与炸药震源的地下激发相比存在一些弊病或不足 ,例如 :地震波在生成与下传过程中受可控震源控制系统 、机械液压伺服系统的非线性影响 ;平板与地表耦合关系也影响到激发信号的传输效率 ;低降速带的存在与变化则更是影响了下传信号的能量与相位关系 ,等等 。因此 ,就可控震源激3陶知非 ,男 ,1962 年出生 ,1983 年毕业于国防科技大学自动控制专业 ,教授级高工 ,自 1983 年开始从事可控震源的应用与国产可控震源的设计工作 ,主要研究方向 :

7、可控震源的激发控制与信号设计 。降低作业效率 ,影响经济效益 ; 可是 ,如果放任这一异常现象 ,又有可能这种现象真的是震源某一系统 崩溃的前奏 ,不被重视的结果就是 :1) 允许震源带病 作业 ,可能影响地震资料的品质 ;2) 由于强行施工而 造成震源系统的损坏 ,后续的维修成本和时间投入更高 ,造成的经济损失更大 。 针对可控震源畸变的分析与控制 ,许多人的疑问就是 :可控震源输出信号的畸变分析到底是为了 解决什么问题 ?可控震源的质量控制发展经历了以下几个阶段 : 一致性检查阶段 :19781991 年 ; 数字日检阶段 :19912003 年 ; 强化的数字日检阶段 :20032006

8、 年 。 这几个阶段也是随着可控震源应用技术的发展而发展的 。一致性检查这是早期对可控震源激发性能的检查方法 ,通 过对检测到的震源输出信号与输出的参考信号进行 对比 ,发现两者之间的“不一致”问题 。 优点 :直观 ,可以非常容易地看出连续性的 变化 。引入畸变参数的目的当前可控震源的控制系统实际上是两个独立的子系统分别控制激发信号的相 位与 输出 信号 的 振 幅 ,即通常所说的相位控制与振幅控制 。为了满足多台组合激发时的同步控制要求 ,可控震源控制系 统通过对其扫描信号的起始时间和扫描过程中相位 的精确控制 ,可以使信号的同步激发控制精度小于0 .1 ms ,平均相位控制精度小于 2。

9、为了拓展激发 频带 ,震源控制系统对其振幅的控制平坦度应不低于 10 % ,而震源控制系统本身对输出信号的畸变并 不直接进行控制 。传统对可控震源振动性能检测与 质量控制方法正是基于控制系统的特点进行的 ,即 : 分别检测可控震源输出信号与参考 (标准) 信号间的 相位差与振幅差 。既然震源控制系统不直接控制输出信号的畸 变 ,那么分析输出信号的畸变又有什么实际意义呢 ? 回顾近代可控震源质量控制的发展历程就会发现引 入畸变分析与评价的目的 。 缺点 :不够定量 ,难以精确地进行对比分析 。由于早期的可控震源对激发信号的控制采用的是位于平板上的检测信号 ,因此 ,检测到的输出信号 本身很容易受

10、与地表耦合条件和近地表物性变化的影响 。正是因为当时采用了一致性方法检查可控震源的激发性能 ,因此早期大家普遍反映震源的一致性 相当难做 ! 有时太耽误生产了 ! 常常为了做好一致 性 ,需要漫山遍野地找一个耦合条件和近地表条件比较好的“点”。如果可能 ,不管在哪儿开始作业 ,每天都要争取先在这个点做完一致性检查后再上线作业 。震源一致性检查难做的问题实际上反映的是输出信号畸变对评价结果的影响 :一方面 ,震源系统确 实存在比对信号间相位本身的误差 ;另外一方面 ,由于检测输出信号振幅的畸变 ,很难判断信号相位差 评价的参考点 。图 1 所示就是典型的震源一致性记 录 ,记录的上半部分是 5

11、台震源的一致性信号 ,记录 的下半部分是参考信号 。从图 1 可以看出 : 震源的图 1 畸变比较严重的震源的一致性记录一致性信号在初始段的畸变是非常明显的 。数字日检随着可控震源的应用从地表相对简单的东部地 区向更复杂的西部地区的转移 ,每天用于一致性检查的时间越来越长 ,已经开始影响正常的作业 ,特别在一些临界性指标的评价中更甚 ,对震源的一致性评价出现了越来越大的争议 。为了能够准确地评价 可控震源的激发性能 ,避免出现对激发性能评价的 多解性 ,从 1991 年开始 ,国内采用数字的方法对震源的输出性能进行评价 ,数字方法的评价因素主要集中在 :每一个样点给出相位与输出力的数字分析结果

12、 ,这些数据还自动存储并形成 QC 数据文件 。用户可以通 过分析软件得到最终的数字分析结果和统计分析结 激发信号的相位 ; 激发信号的输出力 。采用数字方法 ,可以对激发信号在扫描过程中的果 。图 2 显示的就是一例 QC 数据的统计分析结果 。图 2 数字日检记录示例在执行数字日检后 , 由于可控震源的控制方式震资料的品质 ,与我们原来设定的对震源激发质量控制的目标有出入 。因此 ,在后续的标准修订中增 加了一些内容进行调整 ,即对一些评价参数采用平 均与峰值的双重因素控制 。强化的数字日检从 2003 年开始 ,随着新一代震源控制系统的应 用 ,我们开始在可控震源集中的作业区域内推行数

13、字日检 ,在此基础上 ,根据发现的一些技术问题和对 比国际上一些油公司相应的技术规范 ,增加了辅助性检查内容 ,从此 ,可控震源质量控制的发展进入了“强化的数字日检”阶段 。 强化数字日检的检查内容包括 : 峰值 ; 畸变 ;从原来对平板信号的控制转变成对输出力的控制 ,而输出力信号综合了部分重锤信号 ,比单纯平板信号的畸变要小 ,因此用输出力信号进行畸变评价使激发信号的畸变问题得到了一定程度的改善 。同时出现了可以精确地计算出输出信号的相位误差和输出力幅度的方法 ,使一度比较困难的震源一致性评价问题得到了有效的缓解 。在后续的生产中 ,甚至没有因为日检指标问题出现任何争议 。但此时 ,在平静

14、的背后我们已经隐约地感觉到什么地方出现了问题 。在后续的连续跟踪执行过程后 ,我们确实也发现了一些问题 ,主要是一些评价指标的设置对震源激发性能的异常变化不敏感 ,存在技术上的疏漏 。这些漏判可能威胁到后续采集的地 有线与无线一致性 ; 电台通信距离与可靠性检查 。 由于新的检查标准新增了一些辅助的检查内容 ,特别是后期增加了畸变的检查内容后 ,一些用户 开始反映震源的日检又出现比较难做的问题 ,特别是畸变控制指标难以达到 ,其实 ,我们对畸变指标的 控制设计还只是采用了相对指标 ,并没有采用绝对 指标 。回顾整个可控震源激发质量控制标准的制订过 程 ,表面上看我们是兜了一个圈子 :从开始的一

15、致性方式到数 字 方 式 , 然 后 回 到“数 字” + “一 致 性 方 式”。实际上反映出我们对震源激发质量控制的理 解更深刻了 ,对评价指标不是放松而是控制力度更 大 ,这也是符合目前技术发展需求的 。另外 ,新的评 价方法比原来的一致性评价方 法还 是有 本质 的 改善 ,对评价更科学合理 ,同时也兼顾了不同方法间的 相互认证 ,结论更为可靠 。 增加一些敏感性检测因素的原因我们在以往的可控震源激发质量控制标准宣贯 中阐述了这样的主题思想 : 即对可控震源的激发而言 ,质量控制的本身并不能直接对地震数据质量产 生改善的效果 ,而是提供对可控震源本身技术状况 的预测与分析 。为了能够分

16、析和掌握可控震源作业过程中的技 术状况 ,我们引用了在实际应用过程中可控震源典型的失效模型 ,即 : 瞬间 (崩溃式) 失效 ; 渐变失效 。 从影响地震数据品质的关联性角度看 ,对于第一种情形我们并不担心 ,因为可控震源的功能失效意味着已经不能继续作业 。换言之 ,在此之前的数 据是可信的 ,而在此之后没有产生新的数据 。因此 , 在这种方式下是不存在地震数据质量风险的 ,而对 于后者则是我们重点研究与控制的对象 。可控震源在激发过程中出现渐变失效的危害在于 :当我们发现失效时 ,我们能否清楚地知道可控震 源做了多少次可靠的地震数据激发 。换言之 ,在此 之前的数据有多少是可信的 ? 这才是

17、地震数据质量 的风险所在 。而可控震源激发质量的评价与控制正 是要规避这样的风险 !这也是可控震源激发质量控制标准的立意与标 准在执行过程中的主要分歧所在 。制定标准的立意是希望作业设备在使用中出现 异常 时能 够 及时 发现 ,终止可能出现的任何质量风险 ,有点“宁可错杀 , 不能漏网 !”的意味 。如果真的出现“错杀”,这时往 往就会与生产效率出现抵触 。尽管这种“错杀”的比 例并不大 ,但目前由于作业效率与经济指标有关 ,并且作业时间安排都非常紧凑 ,没有留下足够的时间 来处理一些“特殊异常问题”,因此“错杀”引起的抱 怨最大 。从原则性来看 ,对可控震源激发质量的控 制实质上是地震数据

18、风险界定的问题 。还有一种特殊的情形 : 如果最终的地震解释成果与后续的地质钻井结果符合 ,可能没有人再回过 头来研究地震数据是否会受到其他因素的影响从而 导致不准确的问题 ,但是如果地震成果与最终的地 质钻井结论相左 ,则从地震数据采集 、处理 ,到最终 的成果解释的每个环节都有可能出现问题 ,追究的最终结果往往是在激发环节上最容易找到“似是而 非”或者“不容易说清楚”的痕迹 。因为整个地震勘探链条中 ,只有激发环节的数据采集过程不可复现 。在跟踪数字日检的实际执行过程中发现 ,可控震源的一些系统故障初期异常在设定的检查项目中表现并不显著 ,这也是数字日检受欢迎的主要原因 。如果操作员在检查

19、过程中不注意参数异常的表现或缺乏经验 ,则会出现漏检 ,这样会对地震数据的品质 构成威胁 。因此 ,为了提高对可控震源输出信号早期异常进行显著性检测的精度 ,必须引进对敏感性参数的 检测和分析 。双重因素控制中的峰值参数是对控制 变化比较敏感的参数之一 ,而平均值参数经过归一 化处理后 ,反映的是综合结果 ,对参数的瞬时变化已 经失去了敏感性 。主动受控与非主动受控问题为了更好地说明畸变等敏感参数在分析可控震 源输出信号异常所表现出的显著性问题 ,我们引用 了主动受控与非主动受控参数的概念 。从前面的阐述中知道 : 可控震源控制系统实际上由相位与振幅控制系统构成 。换言之 ,震源输出 信号的相

20、位与振幅都是主动受控参数 。因此对外界 的扰动具有较强的抗干扰性 ,这是闭环 ( 反馈) 系统 的最重要标志 。在实际应用中 ,由于可控震源控制 系统对相位和输出力的控制能力较强 ,一般性故障或故障初期的不稳定性对相位 和输 出力 的 影响 较 弱 ,甚至会在误差范围内波动 。从专业控制的角度看 ,这已经属于不合格了 。但是 , 从非专业的角度非主动受控参数是指控制系统虽然没有对该参数直接进行控制 ,但非主动受控参数与非受控参数 不同 ,该参数的变化实际上可以受其他主动受控参 数的影响而呈现一定的规律性 。因此非主动受控参 数容易反映外界的扰动 ,并且能够灵敏地感受到一些主动受控参数的变化 。

21、所以 ,引入对系统异常比 较敏感 、能够对早期异常系统反映敏感的非主动受 控因素来监视系统的异常就更合适 。看 ,这种异常因为没有超过设定的监视范围而没有显著地体现出来 。如图 3 所示 ,通过对非主动性受控参数的分析 ,我们发现作业中的可控震源暴露出的一些问题 ,但是 ,在对主动受控参数的统计分析中问题却并不显著 ,这也是主动受控参数在监视异常时所表现出的不敏感性 。图 3峰值输出力的统计分析图 4 峰值畸变统计分析如图 4 所示 ,通过对可控震源峰值畸变的统计分析 ,发现震源在作业中的输出信号的畸变存在着 较大的离散性 ,表明震源的工作状态受到了某种因 素的干扰 。对主动受控参数可以在一定

22、范围内更好地满足设定指标要求 ,而非主动受控参数则受更多综合因 素的影响或者说非主动受控参数与输入的关系具有 非唯一的关联性 ,在较大的范围内呈现明显地随机 性变化 ,这也增加了对一些问题判断的复杂性 。畸变分析 ,就是为了增加对可控震源输出性能异常显著性分析而引入的非主动受控参数之一 。问题 ; 强化激发信号的信噪比 ,拓展接收信号的频 带 ; 改善震源平板与地表的耦合条件 ,增加有效 信号的下传能量 。如果可控震源在激发过程中产生较大的信号畸 变 ,则意味着 : 下传的有效激发能量减少 ,影响反射信号的 能量 ; 降低接收信号的频宽 ,影响对地下地质目标的分辨能力 。所以 ,从地球物理的角

23、度看畸变控制的意义实 际上是提高信噪比和分辨率问题 。但是 ,我们必须 明确的是 :激发信号的畸变与地震信号品质的改善 并没有一个定量的对应关系 。对于震源不同的激发强度的设定 ,震源输出信号畸变值的评价标准也不 同 ;对于不同的勘探任务和目的 ,震源输出信号畸变 的评价标准也不一样 。如 :对于浅层高精度勘探时 , 由于激发信号的优势信噪比更重要 ,因此要求震源 输出信号的畸变值尽可能的低 。这样 ,为了达到一个较高的激发信噪比 ,就要选择一个合适的激发幅 度 (强度) ,使得震源在该设定强度下的输出信号畸 变最小 ;对于目的层埋藏较深的勘探任务 ,由于激发 信号的穿透能量更重要 ,因此要求

24、震源激发信号的 中心频率不能设 定太 高 。由于 激发 频率 较 低的 缘故 ,对输出信号的畸变值就不可能做更多的要求 。2 . 畸变的评价正确地评价可控震源输出信号的畸变有两重 含义 :(1) 对于地球物理工作者而言 ,通过对输出信 号的畸变分析 ,确定合理的激发参数与下传激发信号的信噪比 ;(2) 对质量控制者而言 ,通过输出信号的畸变 分析 ,及时发现震源本身的故障隐患或已经出现的 故障 。前者是要在野外采集/ 激发参数试验中确定 ,用于评价激发强度的设定是否合理 ,激发效果能否满 足地质任务 (勘探深度 、激发信噪比等) 的要求 。而 后者则是可控震源质量控制的内容 ,主要用于评价 震

25、源是否存在故障或故障隐患 。如 : 当平板出现结 构性破坏 、振动器结构损坏 、储能器皮囊破裂等问题时 ,均能造成震源输出信号畸变的异常 。畸 变 控 制畸变的产生与评价1 . 畸变的产生可控震源产生的畸变主要来源于其机械 、液压 、 伺服控制系统以及平板与大地 间的 近地 表耦 合 系 统 ,即 : 机 、电 、液系统的非线性 ; 受迫振动响应 ; 振动平板的刚性与形变 ; 机械故障 ; 时/ 频变等效泥土质量 ; 近激发源物性结构 ; 传感器的近场检测 ; 平板与大地的耦合状态 。 可控震源输出力的畸变最终表现为源致谐波干扰形式的存在 。在没有震源激发信号前 ,数据采集 系统记录的是排列随

26、机干扰背景 。当震源振动后 , 干扰波的强度明显增加 。试验结果表明 : 震源输出信号的畸变强度与激发强度有密切关系 ,但不是呈 线性变化的 。试验还表明 : 较低的激发强度与较高的激发强 度都可以导致较大的输出畸变 ,畸变本身不仅和平 板与大地的耦合状态有关 ,同时还与平板振动过程中带动的等效振动泥土的质量有关 。而等效振动泥 土的质量是一个随扫描信号的频率变化而变化的质 量 ,因此 ,输出信号的畸变具有较强的非线性特征 。 从地球物理的角度看可控震源的激发过程 ,用户在进行激发信号的设计与应用时 ,主要考虑 : 提高对地下地质目标的分辨能力 ,解决地质因此我们说 ,可控震源在质量控制中对震

27、源输是解决畸变问题的关键 ,而甄别这类问题的有效方法就是采用畸变分析 。 某地作业的一台可控震源的输出性能测试结果与其它震源的结果有异样的地方 ,即 :输出信号的畸 变值异常 。现场监督要求给出合理的解释 ,否则不能通过设备审计 ,不允许该震源参与作业 。图 5 显示的是一个工况正常的震源的输出信号 主要参数分析结果 ,特别要注意观察图中输出信号 的畸变显示结果 (左栏中间的显示) 。图 6 显示的是一个工况非正常震源的输出参数分析结果 。我们注意到畸变的分析显示 : 峰值畸变 从图 5 显示的约 30 %增加到图 6 的 40 % 。如果不对信号畸变进行仔细地分析 , 则完全有出信号畸变的评

28、价主要解决的是震源本身的激发信号品质问题 。畸变控制的目的1 . 甄别输出信号异常所在首先要甄别可控震源输出信号的异常是机械 、液压系统的故障所致 ,还是激发过程中平板与大地耦合不良所产生的问题 。由于可控震源在激发过程中容易出现平板与大地耦合不良的问题 ,而且这种情况在复杂地区作业时发生的几率更高 。因此 ,在处理这类地区输出信号畸变异常的时候 ,如何对畸变异常的原因进行准确地判断 ,减少非技术因素对地震作业效率的影响 ,图 5输出信号正常的参数分析图 6输出信号非正常的参数分析可能认为这种 10 %左右的变化应该在正常范围内 。实际上 ,恰恰是震源输出信号的这种异常畸变引起 了现场质量监督

29、的质疑 !通过分析 ,我们告诉野外现场的技术人员 :这个 畸变异常确实是可控震源系统本身的问题造成的 ,因为畸变分析的结果明明白白地表明导致信号畸变 总量增加的原因是奇次 (图 6 中虚线) 谐波成分的增 加 ,而耦合问题则往往使偶次谐波 ( 图 6 中实线) 分 量增加 。因此这个畸变应该与地表变化没有关系 , 请他们务必仔细查找震源本身的原因 。最后野外返回的求证结果是 : 由于作业中活塞 杆与平板的连接出现了结构性损坏裂纹 ,野外现场 对该部位打了一个“外科手术式”的补丁 ,而输出信 号的畸变异常正是在完成焊接后 ,进行性能检测过 程中发现的 。正是这种非正常的焊接方式直接破坏了震动器整

30、体的应力 ,导致输出信号的畸变值增加 。可以想象 ,如果没有引入非主动性受控的畸变作为敏感性 参数分析 ,如果没有现场质量监督对畸变异常的敏 锐和执着 ,就没有办法发现这样隐蔽的问题 。2 . 通过畸变分析 ,降低震源平板脱耦的风险在某地进行的地震采集作业中 ,发现了震源输 出信号畸变异常的情况 ,峰值畸变值达到 65 % 。重 新对震源进行必要的测试 ,并且在原测试位置重复 对震源进行测试 ,发现震源系统本身并没有问题 ,可 控震源性能测试中正常的输出显示与参数分析结果见图 7 所示 。令人困惑的是 : 这种畸变异常出现的地点毫无 规律 ,有时在原振点偏移几米 ,重新测试就能恢复正 常 ,但

31、重新回到原振点测试结果还是畸变异常 ,在发 现畸变异常的振点得到的测试结果如图 8 所示 ,从中可见输出信号的峰值畸变超过了 65 % 。图 7 正常的输出显示与参数分析结果在这种情况下 ,现场出现了两种意见 :一种意见认为既然与震源本身没有关系 ,就可以继续生产 ;另 外一种意见则认为应该找出畸变产生的原因和控制 畸变 。对于图 8 出现的畸变异常不能就目前的分析显 示结果作出判断 ,对震源输出信号畸变的大小应该分析其是否可能对地震数据的采集质量构成威胁 。 为此 ,我们在分析中引进了震源输出信号的峰值输出力曲线 ,如图 9 所示 。从图 9 的分析可以得到两个明确的判断结论 : (1) 输

32、出信号在扫描后期引发的畸变异常已经影响到峰值信号的输出幅度 ,峰值信号的振幅已经超过了该可控震源最大允许使用的静载荷压重 ;(2) 输出信号在扫描后期引发的畸变主要是偶 次谐波造成的 。因此 ,畸变的异常与大地的耦合状 况有关 ,确实与震源机械 、液压系统无关 。限于当时特殊的条件限制 ,最终还难以确定主导性原因是峰值输出信号超限还是震源平板耦合条 件变差 ,但是由于畸变的异常已经导致震源输出信号峰值力超过允许的使用值 。因此 ,震源在作业中存在平板与大地脱耦的风险 ,必须对畸变采取控制 措施 。通过改善震源平板与大地的耦合条件 , 降低图 8性能测试结果的显示方法之一图 9性能测试结果的显示

33、方法之二输出信号的畸变 ,消除影响地震资料品质的风险 。的扫描参数 :畸变控制的几种方法 对相位控制有影响的扫描参数 : 起始频率 、我们在实际工作中发现 : 激发频率越接近低频扫描速率 ;极限频率 、大地的固有谐振频率或高频截止频率 ,激 对振幅控制有影响的扫描参数 : 起始频率 、发信号的畸变越难控制 ;激发强度越高 ,源致的干扰终了频率 、斜坡长度 ; 对振幅和相位控制都有影响的扫描参数 :信 号类型 。2 . 控制参数的选择对可控震源激发过程而言 ,选择不同的控制参 数和扫描参数对其性能有不同的影响 。但是 ,通常 情况下 ,控制参数的选择是可以根据质量控制监测结果进行必要调整的 ,而

34、扫描参数一旦确定下来 ,则背景也就越强 ,输出信号的畸变值相对越大 ;激发近地表胶结性越差 ,谐波干扰越发育 ;激发过程中耦合不好 ,则激发质量就会下降 。因此 ,对畸变的控制也从激发信号选择 、控制参数选择与输出幅度参数等几个方面入手 。1 . 信号的选择在震源激发过程中对其输出性能也有较大影响无法改变 。因此 ,在扫描参数试验完成后一定要重新确定震源激发过程中质量评价指标是否处在可以 接受的范围内 。下述控制参数的选择在震源激发过程中对其性 能有较大的影响 : 对相位控制有影响的控制参数 : 锁相信号 、 锁相方式 、锁相环路增益 ; 对振幅控制有影响的控制参数 : 控制信号 、 控制方式

35、 、振幅增益 、输出力水平 、初始控制时间 、初 始振幅控制方式 、极限限幅值 ; 对振幅和相位控制都有影响的控制参数 :卡 尔曼滤波 、数字自适应控制 。3 . 输出幅度/ 强度的改变由于可控震源激发信号的输出幅度/ 强度的变 化直接影响输出信号的畸变水平 ,因此多数情况下 ,一些人愿意通过降低激发信号的输出幅度这种简单 的方法来降低可 控震 源 输出 信号 的畸 变 水平 。但是 ,降低可控震源激发信号的输出幅度是要以牺牲 激发能量为代价的 。因此 ,只有在以下限定的条件 下 ,才可以使用这种方法 :(1) 激发能量足够 ,勘探的目的主要是提高分 辨率 ,以改善信噪比为主 ;(2) 峰值输

36、出力超过震源最大静载荷压重的限 制 ,对数据品质构成了威胁 。畸变控制的基本原则1 . 传统控制的概念(1) 对高畸变或畸变异常采取任其自然的态度 一些人对震源输出力出现高畸变或异常采用任 其自然的态度 ,一切畸变异常都归咎于作业区地表 的异常 。这是片面的 ,也是容易引发数据质量风险的一种观点 ,这些数据质量风险包括降低激发信号 的信噪比 、增加源致噪音的水平 、引发平板脱耦 、机 械液压系统出现不可恢复性故障等 。(2) 急于通过降低输出力 ,降低输出畸变 还有人对高畸变和畸变异常过于敏感 ,为了使畸变尽快得到控制 ,便急于通过降低震源的输出力 水平或设定的激发强度来控制 输出 信号 的畸

37、 变 范围 。这种控制畸变的观点值得肯定 ,但是要知道 ,降低输出力实际上降低了激发能量 ,可能对完成预定 的地质任务有影 响 。特 别是 在 理由 不充 分的 情 况下 ,甲方不会轻易认可 。因此 , 在没有查清问题之 前 ,对降低激发信号的输出能量应该特别慎重 。2 . 新的控制思维(1) 首先需要指出 : 我们在实际工作中确实发 现一些特殊的地区或地表会引发一些奇特的震源输出信号畸变异常 , 并 且 从表 面上 看不 出 任何 预兆 。因此 ,这样的特殊性成为一些不愿意去做细致的调查研究人员的借口 。(2) 必须明确指出 : 任何震源激发信号的畸变 都要受控 ,并且取决于地质目标和工区的

38、环境 。通 过畸变分析 ,发现超过受控范围的变化是否是震源 机械 、液压系统出现故障的前兆 ,提前将隐患排除 ,保证震源作业的质量 。(3) 畸变控制首先要考虑的是排除可控震源机 械液压系统不可恢复性故障的影响 ,严格控制峰值 畸变值 ,降低平板脱耦的风险 。如果可能 ,应该优先 考虑对影响畸变的区间进行振幅约束 ,然后才是重 新设定新的激发强度 ,尽可能地保证震源激发能量 ,避免影响震源激发的地质效果 ,因为获得高信噪比 的地震数据一直是地震勘探作业追求的工作目标 。关于畸变控制方法的一个研究实例这是一个在实际工作中遇到的问题 : 某型 6 万 磅级可控震源准备投入某地作业 。在进行性能测试

39、 后发现尽管输出信号的相位与输出振幅都受控 ,但 是当采用 75 %的激发幅度时 ,输出信号的畸变在初 始段和中间段都超过了 45 % , 见图 10 所示 。更仔 细的分析还发现 ,在初始段和中间段的峰值输出力 也超过了该信号震源最大的静载荷压重值 ,属于不 能接受的使用工况 。通过进一步的测试表明 : 在该地区使用的激发 参数和近地表地质环境下 ,所有震源的测试结果基 本相当 ,因此 , 说明 该异 常 并不 是震 源系 统 本身 造 成的 。在上述情况下 , 该如何调整可控震源的激发参 数 ,满足地震作业的技术要求 ?首先想到的方法自然就是尝试降低激发能量的 试验 。先将激发 幅 度降

40、到 65 % , 测 试 结 果 如 图 11 所示 。从图 11 中我们可以看出 ,降低激发幅度后 , 中间段的峰值输出振幅有了明显地降低 ,输出信号 的畸变也得到改善 。但是 ,初始段的输出振幅与畸变没有明显改变 。图 1075 %激发幅度下的性能测试结果图 1165 %激发幅度下的性能测试结果通过逐步降低激发幅度发现 : 当激发幅度降低取平板耦合条件的改善 ,就有些太浪费资源了 。试想一下 ,一个激发能级在 6 万磅级的可控震源的实到 45 %时 , 初 始 段 峰 值 输 出 力 开 始 得 到 有 效 地 控制 ,见图 12 所示 。际输出能量仅在 3 万磅 ,显然是对资源的极大浪费

41、 。如果我们认为此时的参数调整就完成了的话 ,而正常震源的激发幅度在采用基值振幅控制方式下的设定应该是其激发能级的 65 % 75 %之间 。那就大错特错了 ! 因为 ,单纯地降低激发幅度来换仔细地分析不同激发幅度带来的输出力与畸变曲线 ,可以发现 :关键的环节在于初始段的输出信号 受控问题 ,输出信号的振幅与畸变一定存在关联性 。 从这个思路出发 ,我们开始调整可控震源控制系统 初始段的信号的增益控制 。通过尝试不同的控制时间与增益值 ,我们得到 了调整后的测试结果 ,见图 13 所示 。对比图 12 与图 13 就会看出 : 通过对初始段输出信号的控制 ,在不降低震源激发幅度的同时 ,满足

42、 整个频段上没有出现峰值输出力超限的要求 ,激发 能量并没有实质性降低 。同时由于初始段输出振幅 受控 ,改善了平板与大地的耦合条件 。因此 ,输出信号的畸变也得到明显降低 ,这才是控制畸变的方法 与最终目的 !图 1245 %激发幅度下的性能测试结果图 13 调整初始段控制参数后 ,75 %激发幅度下的性能测试结果3 . 对震源输出信号的畸变控制要因地制宜 ,决不能为了降低激发信号的畸变而降低激发信号的能 量 。结 束 语不少地球物理工作者一直希望能够提供对于可参 考 文 献控震源在激发过程中产生多大的畸变值是合理的 ?Saf a r M H . O n t he deter minatio

43、 n of t he do w n going P2wave radiated by t he vertical sei smic vibrato r . Geop hysi2cal Pro specting ,1984 ,32 :392405Salla s J J . Sei smic vibrato r co nt rol and do w n going P2wave . Geop hysic s ,1984 ,49 :732740Salla s J J a nd Weber R M . Co mment s o n“The amplit ude a nd p ha se re spo

44、nse of a sei smic vibrato r ”by W E L er2will . Geop hysical Pro specting ,1982 ,30 :935938Wa ker D. Har mo nic re so na nce st r uct ure and chao tic dy2namics in t he ea rt h2vibrato r system. Geop hysical Pro s2p ecting ,1995 ,43 :487507A ndrey V L ebedev a nd Igo r A Beresenev. No nli nea r di s

45、2to rtio n of signal s radiated by vibrato r so urce s. Geop hys2ic s ,69 :968977W E L erwill . The a mplit ude a nd p ha se respo nse of a sei smic vibrato r . Geop hysical Pro specting ,27 :935938Pa scal Collec et al . V E432 Vibrato r Elect ro nic TrainingGuide Manual . 2003Denni s K Reust . Vi b

46、rato r fo rce co nt rol : Ho w si mple ca n it get ?1畸变值的大小与地震数据信噪比的关系是怎样的 ?但是 ,由于可控震源在激发过程中波场的复杂性和地表与近地表的一些不确定性因素 ,迄今仍无法提2供这类信息 。因此 ,一些资料中的描述是这样的 :在3有些地区 ,畸变值即使达到 60 %也是正常的 。但在有些地区 ,畸变值只有 20 %也是不好的 。这样的描述在技术层面上比较难以操作与掌握 。但是 ,这并4不影响通过畸变分析 ,判断出哪些畸变异常是可控震源在激发过程中必须要绝对禁止的 。综上所述 ,5可以得出以下结论 :1 . 畸变参数的引入是为了及早地发现可控震6源出现故障的前兆 ,避免震源在出现渐变失效的故障状态下可能给地震数据带来的质量风险 ;72 . 对可控震源输出信号畸变的控制是基于满8足震源在激发过程中与地表的良好耦合 ,避免在振动过程中出现平板与大地的脱耦所导致的数据质量收稿日期 :2007201208风险 ;物探装备被评为河北省优秀期刊今年 1 月 8 日接河北省新闻出版局