- I4 K: A7 i& b9 k% |6 R 引言# {! ?* ^6 v! ^* |' {
地球上的油气资源约有50%储藏在海洋中，全球已探明的海洋石油储量约为540亿吨，其探明程度远低于陆地油气资源。因此，海洋油气资源具有巨大的开发潜力，是石油勘探未来的希望。 0 c' M3 ]6 O1 D2 ?
本文的主要研究内容是海洋地震勘探双检拖缆系统中的几个关键技术，这些技术的研究成果主要用于指导双检拖缆系统的实际研制，除此以外也可将这些研究成果用于其他包含大规模传感器网络的系统中。
2 {* F9 N# c8 _7 x6 h- s7 J, H/ ] 一、海上拖缆地震勘探技术概述' S& y+ x& W- Y# P J+ a" z
地震勘探技术是海洋物探最实用的技术手段，按检波器所处位置的差异，主要分为海上拖缆地震勘探技术和海底电缆地震勘探技术。与海底电缆地震勘探技术相比，海上拖缆具有施工灵活、成本低、效率高的优点，是目前海洋地震勘探的主要方法。海上拖缆地震勘探技术用于油气勘探领域，在海洋工程、科学研究等方面也应用广泛。
: N$ p* w" x) a3 i. ?% l! r 海上拖缆地震勘探系统的结构示意图如图1.1所示。海洋地震勘探通常是以物探船的形式来进行实际勘探作业，物探船在海上利用人工震源激发地震波，地震波传播到海底，经海底地质反射，反射波被水下拖缆中的检波器阵列接收。拖缆采集系统将检波器得到的模拟信号进行量化得到数字信号；传输系统将采集系统得到的地震波数字信号通过电缆、光纤等技术上传到位于船上的上位机中，同时还需要对信号进行实时处理和存储以便于后续的数据分析。由于海底不同的地质结构会导致声波在其中的传播阻抗不同，根据接收到的地震波信号进行声波阻抗反演，即可获得海底的地质信息。
4 C& @* Z0 n+ J 0 ?7 n& y/ _" P: D
图1.1海上拖缆地震勘探系统结构图
0 i. @/ j& E% q7 k. N 二、海上拖缆地震勘探技术发展
, q( c" {5 J$ [1 Z$ [9 V 常规海上拖缆技术的主要工作方式是通过一条水平缆中的水听器阵列采集地震波信号，这种方式下拖缆布置方便、成本低、效率高。但是，在实际作业中拖缆需要置于一定的沉放深度，由于海水的声阻抗比空气大，当海底反射回来的有效反射波信号向上经海水传播到空气中时，会在海水界面发生全反射。
+ `9 e# I/ L' I* }" u 这些经全反射反向传播的地震波信号同样会被拖缆中的水听器捕获接收，从而形成对有效反射波信号的干扰，这种海面反射波也称为鬼波。鬼波最大的危害是对地震波数据造成陷频效应:当拖缆沉放深度较浅时，地震波数据频带较宽，高频性能优异，但是低频部分则缺失严重；拖缆沉放深度较深时，低频成分相对丰富，但是频带变窄，这极大地制约了采集的地震资料质量。为解决上述问题，一系列用于海洋拖缆地震勘探的新技术得以发展并被运用。
( C' c R- K: w! W 斜缆采集技术(又称为变深度缆采集)最早由C.Ray于1982年提出，指的是通过控制拖缆中检波器的沉放深度随检波器偏移距离的增大而增大，使拖缆倾斜布置在水中，如图1.2所示。
4 m$ K% E" B/ F/ c7 r# T0 ]) d 由于检波器深度的不同，接受信号的频带也是不同的，对应的探测岩层深度也不同。因此，斜缆采集数据的频带宽，不同深度岩层均能获得较好的成像。同时，针对斜缆采集的地震资料，利用镜像偏移和联合反褶积技术，可以有效实现鬼波压制。
" {, d% A* x4 Y: Y6 n% w' ?+ e l
+ p2 m" z5 o, j4 B8 R 图1.2斜缆采集技术示意图
8 f4 ?+ K& M3 R7 E; f/ k1 s 上下双缆采集技术，是将两条平行拖缆布置在同一水平位置、不同深度上实现地震资料采集，如图1.3所示。 % j3 D0 y0 t3 [6 |- I; C8 B( _
一方面，上下双缆在不同的深度，相较于单缆采集，接受信号的频带更宽，在低频部分也可以获得丰富的信息；另一方面，针对上下双缆，可以通过稀疏反演技术、F-K域波场沿拓技术等方法实现鬼波压制。
6 ~- v: }# V# Z U( V4 e
. n0 H- P+ R6 J& ?6 ?8 [ 图1.3上下双缆采集技术示意图
* n# w3 W- Y2 q5 c7 H" U 双检采集技术，指的是将压力检波器和垂直速度检波器同时布置在同一个检测点中，实现同一检测点上压力和垂直速度测量。对上行波，压力检波器和垂直速度检波器的极性是相同的；对下行波，也就是海面反射产生的鬼波，压力检波器和垂直速度检波器的极性是相反的。
9 E5 S; M7 H! q2 j 据此，可以对压力检波器和垂直速度检波器得到的地震资料进行合成，实现有效的鬼波压制，提高分辨率。在双检拖缆采集技术中，除压力检波器外，还采用了垂直速度检波器来探测垂直方向的速度并用于双检数据合成。四分量拖缆采集技术可看成双检采集技术的延伸和发展。 1 L. s, u1 {7 I y+ {1 M
四分量拖缆中使用MEMS三分量检波器代替水检拖缆的垂直速度检波器，从而获得横向空间上的数据。因此在双检采集去鬼波的基础上，还可以根据横向空间数据，利用重构算法来提高横向空间分辨率，大幅提高了地震资料的信噪比。
5 W+ ~7 ]$ n' t7 w7 Q, q# x+ _ & q5 U+ f: W! x3 F) e+ |/ ^* g
图1.4四分量拖缆示意图(水听器+三分量MEMS检波器)
) _( H7 v' j `0 w% o+ l 在上面介绍的海上拖缆采集新技术中，斜缆采集技术需要利用外部的控制系统实现拖缆的倾斜布置，布置难度大，布置成本高；上下缆采集技术，需要的拖缆数更多，相应地采集成本也更高，且上下缆的相对位置对海底地震勘探分辨率影响较大，勘探效果易受拖缆漂移情况的影响。 ' L& h/ u8 _5 X! C! O8 u$ ]
相较于上述两种技术，双检拖缆采集技术只是在常规单水检采集系统的基础上，将采集系统由单一的水检改为双检检波器，从拖缆的布置难度和采集成本的角度来考虑都相对较容易实现。除此以外，对双检数据合成去鬼波算法的研究也己经相对成熟。
) p4 ]9 C4 n7 R) v+ j o6 N; T 三、海洋物探双检拖缆技术: h/ W: { b; c0 ]$ T
3.1双检拖缆技术概述
. o" t- V, m$ a( {; k' \( P 双检采集技术最先是在20世纪80年代末被提出的，不过在当时的条件下只能用运动传感器来测量速度分量，实际使用效果并不理想。在2007年，Carlson等学者提出用万向架技术来固定垂直速度传感器，从而可以准确地测量出垂直方向上速度分量。至此，双检拖缆采集技术才正式进入了实用阶段。
" v k6 e8 t0 [$ R. X6 A9 E8 V3 h" W 目前，市面上能看到应用双检拖缆技术最成熟的是挪威PGS公司推出的Geo Streamer双检拖缆采集系统，其中陆检部分使用的是基于MEMS技术的垂直速度检波器。双检拖缆系统示意图如图1.5所示，检波器组中H表示水检压力检波器(Hydrophone)，G表示陆检速度检波器(Geo phone)。
% Z3 x" e& v/ n2 j' _+ } 区别于传统海上拖缆系统，双检拖缆中用集成水检和陆检的检波器组代替单独的水检检波器，两种检波器被固定在拖缆上同一检波点处。水检压力检波器利用压电效应记录检波点处由地震波引起的水声压力波场变化，灵敏度高；陆检速度检波器则是通过机电转换记录检波点处速度波场的变化，适应范围广。对两种检波器的输出信号利用一 1 J2 }4 o' ?! |: L" _* ^9 o% O
定的算法进行数据合成，就可得到消除鬼波后的有效反射波信号。
/ @9 f3 t5 o9 N9 W# ~
3 C% z6 X0 g, e 图1.5双检拖缆地震勘探技术示意图
5 S9 [8 F; N" A. g( P 3.2双检拖缆技术的特点 : `; G/ u5 _3 [- h% @
1)消除鬼波 5 t. |7 r% g/ w) N5 B. e
双检拖缆技术中利用集成水检和陆检的检波器组在同一时刻记录该检波点处的地震波场，由陆检速度检波器记录垂直方向上由地震波引起的质点运动速度，由水检检波器记录同一点由质点运动引起的水声压力变化。 5 F+ b( t# A. f7 T0 [0 t
水检记录的水压分量是无方向的标量信息，只有极性的概念；陆检记录的垂直速度分量是矢量，速度方向与检波器极性对应。对于上行波来说水检和陆检记录的极性相同，而对于下行波水检和陆检记录的极性相反。上行波在两种检波器记录的极性全为正或者全为负；下行波水检记录极性为正时，陆检记录到的极性则为负。 . ?2 W' a( a% h) z$ V K* C
两种检波器在地震波场中所处位置相同，因而反射周期也完全一致。将这二者记录的地震波场相加则下行波得以压制，上行波得以加强；相减则会只得到下行波。综上所述，利用水检记录的水压分量与陆检记录的垂直速度分量在对于不同类型地震波信号表现出的特征差异，可以有效消除鬼波对于有效地震波的干扰，提高采集系统的信噪比，改善记录的地震波数据质量。
: y9 U6 q3 n5 a4 f/ l3 e 2)拓宽频带
9 n5 }- j7 M3 q; Q 由于双检拖缆中集成水检和陆检的检波器组，可以同时对地震波场中的水压分量和垂直速度分量进行记录，利用特定的数据处理算法可以实现对鬼波的压制，从而消除由鬼波造成的陷频效应。双检拖缆中水检水听器、陆检速度检波器和二者合并道数据的频谱曲线如图1.6所示。 ( }$ d8 q& i4 D6 t$ w3 @! }3 N
通过分析此图可得到以下结论:陆检速度检波器记录的数据低频成分相对丰富，但是在中高频段振幅迅速下降；水检水听器记录的数据中高频端振幅较大，然而低频成分相对丢失严重；二者合并后刚好可以产生互补，水陆检合并数据低频成分丰富、频谱曲线相对光滑。综上所述，双检技术实现了提升低频成分、拓展频带宽度的目的。 3 R# z5 l; @- K- m
/ Q( v2 L" |$ S: I, K5 z 图1.6双检拖缆检波器幅频响应曲线 4 R G+ s% _% C; M
3.3双检消除鬼波的原理
9 Z4 f# O3 @% P4 D0 S0 K6 R0 i 双检拖缆采集技术中，水检记录的是地震波场引起的海水疏密程度的变化，陆检记录的是地震波场引起的检波点处质点在垂直方向上的运动。以弹簧的伸缩来模拟地震波在海水中的传播，考虑如图1.7所示的情况，假设纵波的传播方向由下向上。压缩图中位于初始状态的弹簧，弹簧变为压缩状态。
- E* u! u2 B/ N3 X! Y 如图中压缩部分所示，在弹簧上会产生一个由下向上的压缩波场，同时弹簧末尾的质点在垂直方向上的运动同样是由下向上，此时纵波传播方向与质点运动方向相同。考虑相反的情况，拉伸图中位于初始状态的弹簧，弹簧变为拉伸状态。如图中膨胀部分所示，在弹簧上会产生一个由下向上的膨胀波场，同时弹簧末尾的质点在垂直方向上的运动变为由上向下，此时纵波传播方向与质点运动方向相反。 3 x/ ~4 t# A3 H' r+ H- _* g9 u! ~
综上所述，可得到以下结论:纵波传播方向与质点运动方向相同会产生压缩波场；纵波传播方向与质点运动方向相反会产生膨胀波场。
# Q" q/ C' h2 ]/ B ! n# Z( Y; o4 n& Z( L+ P$ S' s
图1.7纵波传播方向与质点运动方向的关系 1 w+ a' U' I* X6 D
水检记录的是水压随着海水疏密程度的变化，当海水由疏变密开始压缩水听器，水听器记录的极性为负，海水由密变疏时水听器记录的极性为正。陆检记录质点在垂直方向上的运动，质点运动方向发生变化时陆检检波器记录的极性也会随之改变。质点运动方向为上时，陆检记录的极性为负；质点运动方向为下时，陆检记录的极性为正。由于海平面反射系数接近-1，海底有效反射波经海平面反射后，极性反转，同时由上行波转变为下行波。 2 E& L( |* G! V- }
因此，如下图1.8所示，对于水检检波器来说，其记录的有效反射波和鬼波极性相反；对于陆检检波器来说，其记录的有效反射波和鬼波极性相同。即水、陆检波器接收到的海底有效反射波极性相同，而鬼波信号极性相反。
2 G8 X# L; ~3 i0 T V% J
4 N' L$ j5 V" U5 K 图1.8双检数据合成去鬼波示意图 5 p$ z! k( E: [/ B
双检合成消除鬼波信号的基本原理，正是利用水检检波器和陆检检波器对于有效反射波和鬼波记录极性规则的差异，采用适当的双检数据合成算法合成数据就可得到加强后的有效反射波信号，实现消除鬼波的目的。 ' U/ u' N# B9 ~6 F' ]4 O
3.4双检数据合成的算法 2 e7 _, R3 f3 k. X3 t/ j
海洋物探双检拖缆技术中，水检部分采集到的压力波信号P可分为两部分:海底有效反射波pup及海面反射鬼波pdown，所以有公式(1.1)。再对公式(1.1)左右两边同时做频率-波数域的二维傅里叶变换可得到公式(1.2)。其中，w表示角频率；kx表示沿拖缆方向的波数；z表示拖缆的沉放深度（ 即检波器深度 ）。
$ U4 K# ]' G0 [6 P- g
/ F. A7 |) ?! @" W$ T8 T （1.1） ) |$ ~9 [9 K2 q; `3 O! `" p4 }3 T! A
7 r: k$ _4 `- ~, {1 X: B4 q （1.2) - h8 n/ t# ^0 r1 T+ V$ d+ {" C
由于海面反射系数接近于-1，根据频率-波数域的二维声波方程，即可得二维波场沿深度轴方向的波场延拓公式
6 j* @' B7 U: ?( @+ ~4 g' X+ J4 ? 0 u" d0 z: |; X- l
有效反射波pup及鬼波pdown可表示为式(1.3)所示。其中，kz表示不垂直方向的波数，P0(W，kx，0)为海平面处波场。在不考虑y 方向的情况下，kx、kz和波数k的关系为式(1.4)。由式(1.2)和(1.3)可以得到pup和p之间在频率-波数域的关系式，公式(1.5)。
0 ~+ H4 E. w" x) Q- Q( W
# v0 ?) d' a8 Y$ P/ w (1.3) ' D% ~* {9 c7 q9 S+ Z& u0 U
$ c" N- u+ C o
(1.4)
. q) T/ ? z# p" @9 Z . H* n) F6 z% w3 D# K
(1.5)
0 g8 Y# ?7 P; q3 i& r2 C) R; f 根据牛顿第二运动定律，水检测得的压力波场p和陆检测得的速度波场vz有公式(1.6)的关系，即声波扰动时的动力学方程。式中，ρ表示海水的密度。对式(1.6)两边做频率-波数域的二维傅里叶变换，依据傅里叶变换的性质，得到式(1.7)。
3 q% Z B5 l; Z 4 [0 W, K& Y9 i; t# r5 ~
（1.6) 8 p! G q' H0 x7 q# K$ R2 y+ p
+ i% t j; w9 C8 z( i: J1 L! a- F (1.7)
& h% z$ q* T* {$ y0 v 将等式(1.3)代入等式(1.7)可得到频率-波数域速度波场vz与海底有效反射波pup的关系式，公式(1.8)。 9 J$ Y+ ^; h# q; }9 I! H. T' P
: K0 u5 L1 U) m% P3 V/ L1 Y (1.8) ; W' P# k" m) @; O5 H6 ^) v) D
联立等式(1.2)和(1.8)，可得到方程组(1.9)。
T5 k6 G( m+ u3 V7 {! n k ! {3 S+ l8 s5 t: `5 X& l/ G% D+ Z
(1.9) # f0 t; S! ]3 a4 z6 i
通过解析上面方程组就可以将有效反射波pup和海面反射鬼波pdown分离开来，达到消除鬼波的目的。因为这种算法是将双检数据变换到频率-波数域进行处理，所以通常称之为f-k域波场分离法。
5 `3 t+ F6 r8 l+ V4 X3 H 四、双检拖缆中的关键技术1 g: P6 J; X/ v
海洋物探双检拖缆不仅是海上拖缆系统的简单延续，也是海上地震勘探发展的新阶段。与传统的单检波器拖缆相比，双检拖缆因工作原理和系统结构的不同，在设计与实现过程仍需解决传统拖缆不曾遇到的各种挑战。双检拖缆的主体研究内容包括: / V" H( M6 F3 k, J9 J! @
多种不同类型检波器输出信号的调理及读出，多检波器对应的多倍数据长距离传输，多通道多检波器釆集过程的同步，水下拖缆数据的汇聚，上位机与拖缆系统的数据交互方式，整个系统的远距离供电，数据的存储与分析，双检 2 ~6 p/ Q- g9 \ \' C; Y
数据合成算法的模拟与实现，拖缆姿态的控制，上位机的实时控制与状态监测软件，震源激发子系统等等。 8 I& ^: K# x1 L9 X& F( Z7 q
根据上文对于双检拖缆技术基本原理以及所需研究内容的分析，结合实验室现有的条件，明确本文拟解决的关键技术可分为以下部分:
2 O; c4 ~( c8 j' R0 e 4.1数据采集
+ q, G) |2 @/ L% g5 K( B# r2 F 双检拖缆中采集系统的性能决定了整个勘探过程的质量和精度。采集系统部分主要用来实现地震波信号采集的功能，包括地震检波器、信号调理电路和信号读出电路三部分。由于双检采集过程中需要采集地震波同一时刻同一位置的不同表征分量，例如压力波场、速度波场等，所以采集系统中需要采用不同类型的检波器作为基本的传感单元。
1 f0 \2 l d$ P/ {& L5 @ 传统拖缆的采集系统中往往只需要采用水检压电式水听器来将水声压力波场转化为电信号，而双检拖缆中除此之外还应该包含用于检测速度波场变化的陆检检波器。在陆上石油勘探中，主要是采用动圈式速度检波器(如SM-4、20DX等)来进行转化地震波振动为电信号的工作。 3 }1 [% l( |. p) }0 [
近些年来，在国外的地震勘探市场上，基于MEMS技术制成的的加速度传感器也同样广泛运用于陆地石油勘探，MEMS加速度传感器具有大动态范围、高灵敏度、低噪声、低零漂等优点。
( X7 A& s! }5 p( o 因此本文研究的采集系统中检波器部分将包含压电式水听器、动圈式速度传感器和MEMS加速度传感器。 0 s8 j% N/ R0 W8 I; @/ T9 U3 C
对于不同的传感器来说，其测量的地震波分量不同，工作条件和工作原理也都不尽相同，这造成了不同传感器输出信号特征是不同的，所以每种传感器都应设计相应的信号调理电路。地震勘探中通常要求采集系统的动态范围高达120dB，如何实现大动态范围的高精度波形数字化技术，也是数据采集部分研究的重点。 ; i( D, g: w( D8 F1 \2 V" G2 I
4.2数据传输 " k) ? q1 i3 G, U i0 J
双检拖缆中传输系统的性能好坏决定着采集系统得到的地震波数据能否被正常传输至上位机，传输系统将分布在整条拖缆各处的采集电路连接为一个整体。 ' t3 g* h& \, ]1 n3 b" R# }/ V
双检拖缆相较于传统拖缆系统带来最直接的变化就是检波器数量成倍的增力口，传统拖缆系统中每个采集节点只对应于一个水检检波器，而本文研究的双检拖缆系统中每个采集节点至少包含一个水检检波器、一个陆检速度检波器和一个陆检加速度检波器。
& k& a# ~6 E, ^* |$ t 若考虑到将双检拖缆延伸至四分量拖缆，每个采集节点需要一个水检检波器和一个三分量陆检检波器即总共四个地震波检波器。检波器数量增加的同时带来的是数据传输速率需求增大。参考国内外海上拖缆地震勘探技术支持厂商的相关产品，拖缆的有效采集长度基本维持在12km以上，道间距普遍为12.5m，最大采样率一般能达到0.5ms，同时采样精度为24bit。
x2 t' x( j+ C1 o, \0 t 以此为依据来讨论双检拖缆技术中传输系统性能的需求。双检拖缆系统中各采集电路的数据是通过上传至传输电路，再由传输电路通过级联的方式逐级向上传输，这样越靠近前级，传输电路需满足的数据传输率越会呈线性增大的趋势。若考虑实际工作过程中数据的实时传输，最前级传输电路(与船上系统直接相连)需满足的最小数据传输速率为(12000/12.5)X(1000/0.5)x24x3=138.24M6ps。 N; M2 J2 Y$ |& p4 D9 a0 h2 G/ q# _" }
以此为基础考虑数据传输协议层的损耗以及冗余设计，要求的数据传输率将达到250Mbps左右。综上所述，双检拖缆的数据传输部分主要研究内容为传输电路间高速数据的长距离可靠传输。 0 u: {0 P8 V# C. F) Y" z7 P
随着检波器数量和拖缆数量的增加，上传至船上系统的数据量也会随之倍增。如果仍使用传统拖缆技术中基于读出机箱中多块采集板卡实现的数据读出方法，所需的机箱数和连接线缆数量将是个很庞大的数字。如何简单有效得将汇聚到船上系统的数据上传至上位机也将是数据传输部分研究的重难点。 5 l( m/ v( \- t! F& z' v& h
4.3系统同步 " h, P; E% X7 F5 R( x) u
水下拖缆系统的同步是传统拖缆设计过程中需解决的关键性问题，对于双检拖缆来说，这个问题同样存在。相对于传统拖缆，双检拖缆采集系统中检波器数量更多，地震波采样得到的数据量更大，系统的同步难度也更高。双检拖缆水下有效采集段的长度普遍能达到几千米，在该采集段内布置了大量的地震波检波器，对于这样大规模的传感器网络来说，如何保证多个采集通道间的高精度同步一直是海洋地震勘探技术中的关键性问题。 : W& e7 h- h1 b1 y6 {% u) P
在双检拖缆系统中，系统的同步可以分为命令同步和时钟同步两部分。命令同步，即命令在传输过程中出现的传输延时问题，传统的拖缆设计常采用延时补偿的方式来解决，逐级增加命令的延迟时间可以保证命令信号在每一级的同步性。延迟时间测量比较精确的方法是利用命令回环技术。
; a( V( j9 G' n9 ? 对于命令同步技术的研究已经相对成熟，本文对此部分仅进行简单介绍不做深入讨论。对于时钟同步问题的解决，传统拖缆设计中常采用的方法是基于PLL锁相环的时钟分发技术和基于SerDes串并转换的时钟恢复技术。这两种技术都存在着技术线路复杂、功耗高等问题，对于新型双检拖缆的设计已不再适用。所以，时钟同步技术将会是双检拖缆系统同步的研究重点。 " a3 }* S1 b* h+ O
总结
& @. `& Y; {6 q T( ^7 s 本文的研究内容主要是双检拖缆系统中的几个关键技术，分别是数据采集、数据传输和系统同步三个方面。这些技术的研究成果主要用于指导双检拖缆系统的实际研制工作，以外也可将这些技术成果用于其他包含大规模传感器网络的系统中。
) \0 l6 _% r: g* h2 H' R$ s
+ ?; O# E/ V0 G" P4 x' O% L6 b7 P4 k6 n# p% p. s! N
| 
