专利名称：用于水下电缆的双传感器降噪系统的制作方法
用于水下电缆的双传感器降噪系统
背景技术：
本发明总体上涉及海洋地震勘探，并且更具体地涉及降低拖在勘探船后的传感器中或位于海底的传感器中不期望的地震波反射的影响的设备和方法。在拖曳式海洋地震勘探中，在近海面的船舶后拖拽着水听器阵列。位于多个传感器电缆中的水听器通常被称为拖缆。同样拖在近海面的震源周期性地发射声能。该声能通过海洋向下传播，从底层结构反射，然后通过海洋向上返回到水听器阵列。该水听器阵列记录来自海床向上传播的地震声波。随后，将水听器的记录处理成为底层结构的地震图像。声阻抗是媒介密度P和媒介中声速c的乘积P Co任何时候产生的反射都会改变声波遇到的声阻抗。声阻抗变化越大，反射能量越多。由于空气和水的声阻抗差别很大，因此海面是一个近似理想的声能反射器。从海底或感兴趣目标返回之后，该能量再次由海面 反射回拖缆。由于水听器具有全向响应，因此水听器阵列记录重影响应，该重影响应是从海面反射并最后到达延时到达的地震声波，且由于直接反射而颠倒极性。该重影是向下传播的地震声波，当添加到希望的波形上时该地震声波会有损记录的地震图像。该重影在水听器响应的频谱中产生一个陷波，fnotch=c/2d，其中c是声速，并且d是拖缆深度。按照惯例，地震拖缆拖曳在10米或更浅的深度。在10米深度，陷波频率(fnotch)是75Hz。对于高地震图像分辨率，频率响应必须扩展到IOOHz之外。因此，拖缆有时会拖曳在较浅的深度以提高地震图像的分辨率。该重影引起的反射还可延续到海底或其他强反射物，并向上返回再次干扰期望的反射波并降低图像质量。这些反射通常称为多次波。由于来自海面的噪声干扰了期望的地震信号，因此在浅水中拖曳是有问题的。此夕卜，近海面的循环水流会在拖缆外壳导致流动噪声。这些影响随天气变坏而恶化，有时会导致工作人员中断操作，直到天气变好。拖曳越深，海面噪声和天气影响越小。如果可以消除重影陷波影响，则令人希望的是在更深处拖曳。海底或海床、将地震电缆或传感器放置在海床的系统通过普遍共知的技术(如p-z总和)来抑制重影。在声波中，压力P是个标量，而粒子速度U是个矢量。水听器采用正全向响应来记录地震声波压力P。垂直定向地震检波器或加速计采用向上信号的正响应和向下信号的负响应来记录地震声波粒子速度的垂直分量UZ。在P-Z求和中，速度信号由海水的声阻抗P C来衡量，并添加到压力信号。如果使用加速计，可集成其输出以获得速度信号，或可以区分水听器信号，如此以来，可以更好的与加速计信号光谱匹配。这可生成具有对向上传播波的全响应和对向下传播波的零响应以抑制重影和多次波的组合传感器。在由Monk等人发明的美国专利号为6，539，308的专利中描述了一种实现单一去重影痕迹的信号调节和信号整合方法。由于不是期望信号导致的因素，当粒子速度传感器或加速计不受多余的动作影响时，该技术和类似技术有效。当有强大的底部电流时，这类多余的加速度通常位于部署在海浪带或区域的海床系统中。目前，使用水听器和粒子运动测量的组合来降低它们在地震拖缆中的影响已经引起了大家的兴趣。因为该拖缆受到由拖曳或海面效应引起的加速度比由期望反射引起的加速度大，因此操作地震拖缆中的粒子运动传感器存在问题。此外，这些多余的加速度与期望的反射响应位于相同的光谱带中。地震拖缆及海床地震电缆经历从O度到360度的所有侧倾角和适度的螺旋角。为实现垂直定向的地震检波器，海底系统已经使用(a) —个万向动圈式地震检波器；(b) —个3-组件、全倾斜动圈式地震检波器，该检波器具有与该传感器无关的姿态感知和计算以求解与重力有关的测量；以及(c ) 一个3-组件、微电机系统(MEMS )加速计，该加速计具有与该传感器无关的内部姿态感知和计算以求解与重力有关的测量。授予Rouquette的美国专利号7，167，413在地震拖缆中使用加速计来抑制重影-陷波效应。Rouquette使用质量_弹簧系统来降低电缆动力对加速计和负载传感器系统的影响以测量和抑制该加速计上的电缆运动感应噪声。Rouquette系统依赖众所周知的复杂机械关系，该关系不能与制造公差、老化和环境状况保持一致。Rouquette使用信号处理自适应算法来推导负载传感器和质量弹簧系统与作用于原地加速计上的加速度的关系Rouquette描述了一种复杂的机械电子系统。
由Tenghamn等人发明的美国专利号为7，239，577描述了一种使用声波粒子速度传感器抑制重影陷波的设备和方法。Tenghamn等人传授了流体阻尼、万向架固式地震检波器的使用。本领域众所周知的是选择封装该地震检波器的流体来提供悬挂在其平衡架上的传感器的阻尼。然而，本领域众所周知而在Tenghamn等人中没有描述的是质量_弹簧隔振系统可降低电缆机械运动对地震检波器响应的影响。由电缆机械运动引起的地震检波器的运动与地震检波器响应中的声波粒子运动是不可区分的。期望的地震波粒子运动被Tenghamn等人的电缆机械运动所掩盖。由Vaage等人发明的美国专利号7，359，283描述了一种结合负载传感器和粒子运动传感器来解决机械运动对粒子运动传感器的影响的方法。在该方法中，在某一频率fO以下不使用粒子运动传感器的响应，而只是从压力传感器响应和已知的压力传感器深度来估计。这些抑制的频率是拖缆的机械运动所期望的。在更低的感兴趣频率上，估计响应具有差的信噪比。某一频率以下的这种抑制不是最优的，因为它还抑制了重要低频段中的有用信号，在该低频段内可能存在深度目标数据。尽管以上提到的专利都描述了抑制地震拖缆中的重影陷波的方法，但是所有这些专利都缺乏充分说明拖缆绳和水流导致的运动对粒子运动传感器的影响。所有这些专利还缺乏生成高保真、具有低至感兴趣的最低频率的良好信噪比的感应声波成分。概述这些不足可由体现本发明特点的水下电缆的噪声抑制系统来克服。此类系统的一个版本包括布置在水下电缆中的粒子运动传感器。这些传感器生成原始传感器信号，该信号包括对由地震和电缆运动引起的粒子运动的响应。一种自适应处理装置使用水下电缆的自适应水动力模型从原始传感器信号生成估计传感器信号。该估计传感器信号表示没有地震时水下电缆对电缆运动的响应的估计。从原始传感器信号中减去估计传感器信号的装置用于确定对由地震引起的粒子运动的响应。水下电缆噪声降低系统的另一个版本包括布置在水下电缆中的粒子运动传感器。该传感器生成原始传感器信号。自适应处理装置使用水下电缆的自适应水动力模型来从原始传感器信号中生成估计传感器信号。对地震灵敏的地震探测器在地震期内禁用自适应处理装置。这样，该估计传感器信号表示没有地震时粒子运动传感器对噪声源的响应。在本发明的另一个方面，一种降低水下电缆中的噪声的方法，包括(a)使用水下电缆的自适应水动力模型来从原始传感器信号计算由电缆运动产生的估计传感器信号，该原始传感器信号由布置在水下电缆上的粒子运动传感器提供；以及(b)通过从原始传感器信号中减去估计传感器信号来确定对由地震引起的粒子运动的响应。附图
简要说明通过参照以下描述、所附权利要求和附图可更好的理解本发明的这些方面和特征，其中
图I是体现本发明特征的水下电缆噪声降低系统的框图。详细说明在图I的框图中，水听器10生成水听器信号H。该水听器可实现为安装在水下传感器电缆(比如，拖曳的拖缆或连接到勘探船的海底电缆)中的一个单一的信号水听器或一组水听器。本例中的水听器是一个加速度消除水听器，该水听器对压力变化灵敏，但是对由传感器电缆动态变化引起的加速度不灵敏。与传感器电缆中的水听器大致共同定位的是第
二传感器，粒子运动传感器14——本例中，是三轴加速计——测量由地震波反射引起的粒子加速度。该粒子运动传感器可以是任何对粒子速度或加速度响应的传感器。加速计、地震波探测器、加速度敏感水听器、类似此类传感器组或不同此类传感器的组合是粒子运动传感器实现的其他例子。粒子运动传感器14生成原始传感器信号A，该信号包括对由地震弓I起的粒子运动和对电缆运动的响应。由于传感器电缆动态旋转的可能性，与粒子运动传感器14相关联的方向传感器16用于确定与重力矢量有关的粒子运动测量的方向。多轴传感器(比如，对直流作出响应的MEMS加速计)结合粒子运动感应和单个部件中的方向感应。传统计算装置可用于确定与重力有关的粒子运动测量的方向。如果方向的一个轴已知，而沿着该轴的电缆运动不是一个影响因素，则该粒子运动传感器可以是一个两轴单元。因为与拖缆平行的轴可以由其他装置(比如导航系统)来确定，因此两轴传感器可用于拖曳的拖缆中。另一个替代方案是使用能够自我修复的万向架固定式粒子运动传感器(比如万向架固定式检波器)。在万向架固定式粒子运动传感器中，方向传感器不是必需的。另一个替代方案是与该粒子运动传感器联合使用的单独的方向传感器。无论如何，用于该框图和贯穿本说明书的原始传感器信号A指的是重力参考测量。地震探测器18分析该水听器信号H以确定是否存在地震，比如反射的地震信号。无论何时水听器信号的振幅超过了预定频谱内的预定门限，该地震探测器输出地震信号
20。地震的实际探测可由电缆中的电子设备或探测船上水听器信号的分析来完成。在数据采集或后采集处理期间，可实时完成探测。典型地，地震导航系统28 (比如，美国德克萨斯州的休斯顿离子地球物理公司的Spectra或Orca)还用在海洋数据采集期内。该地震导航系统提供了一个地震源触发信号19。该地震导航系统28可以将该地震源触发信号传递到地震探测器18以提高探测可用性。自适应水动力模型22可用作自适应处理装置以估计粒子运动传感器10对电缆运动的响应。可使用Kalman滤波器作为自适应处理装置的一部分来改进该模型。当没有探测到地震时，原始传感器信号A与估计传感器信号A’在减法框24内进行比较，该减法框构成从原始传感器信号中减去估计传感器信号的装置。A-A’的差用于更新自适应处理装置中Kalman滤波器的协方差矩阵。自适应的其他选项包括递归最小二乘法、神经网络、或�：呒�。如果确定所期望的地震响应使该模型恶化，假设在水听器和加速计处同时探测所期望的地震响应，在地震期间通过地震信号20禁用模型自适应，如交换器26所示。模型应用和自适应可通过布置在拖缆中、船上或陆地上的计算装置来实现。可在数据采集或后处理期间实时完成。视情况需要，可使用可用于该模型的其他信息来提高水动力模型的精确度。这可包括实时船舶动力、GPS数据、舰船速度的测量，或与传感器电缆动力有关的任何其他测量。船用导航系统28估计探测到地震能量位置处的拖缆位置、速度和加速度。所计算的导航数据29可用于提高水动力模型的精度。该水动力模型还可由该导航系统用于增加支持其估计的数据，如导航数据29的双向流所示。由于在地震期间通过自适应动态模型使得地震探测器18无法自适应，水动力模型(估计传感器信号A’)的输出将表示没有所期望的地震反射时加速计对电缆运动和其他噪声源的响应。在用于减法的第二装置30中产生估计传感器信号A’与原始传感器信号A之间的差。该差表示对粒子运动的降低噪声响应P，这是所期望的地震响应。通过形成结合 对粒子运动P的响应和水听器信号H的装置，PZ求和32用于抑制重影陷波或由多余的多次波所产生的响应以生成去重影地震响应信号S，该水听器信号可被区分从而光谱地匹配原始粒子运动传感器信号A。尽管参照单一版本的变化详细描述了本发明，但是其他版本是可能的。例如，结合水听器和粒子运动测量的方法可通过PZ求和来实现，或通过正在使用或研究的降低多次波或重影陷波效应的任何其他方式来实现。此外，可实时或在后处理中离线完成单个水听器和粒子运动测量的调整和缩放及所有其他计算。这可包括由入射角或声阻抗所引起的粒子运动测量的缩放。还可包括信号的区分或集成，如此以来它们可以被光谱地匹配。因此，如这些少数例子所建议，详细描述的版本旨在帮助举例说明而非不限制本发明。
权利要求
1.一种用于水下电缆的噪声抑制系统，包括 一个布置在水下电缆中且生成原始传感器信号的粒子运动传感器，该原始传感器信号包括对由地震和电缆运动所引起的粒子运动的响应； 使用水下电缆的自适应水动力模型来从原始传感器信号生成估计传感器信号的自适应处理装置，其中该估计传感器信号表示在没有地震时水下电缆对电缆运动的响应的估计； 从该原始传感器信号中减去该估计传感器信号来确定对由地震引起的粒子运动的响应的装置。
2.如权利要求I所述的噪声抑制系统，进一步包括对地震灵敏且在地震期内禁用该自适应处理装置的地震探测器。
3.如权利要求2所述的噪声抑制系统，进一步包括加速度消除水听器，该加速度消除水听器向该地震探测器发送水听器信号以从该水听器信号中探测地震。
4.如权利要求3所述的噪声抑制系统，其中该加速度消除水听器和该粒子运动传感器协同定位于该水下电缆上。
5.如权利要求I所述的噪声抑制系统，进一步包括生成水听器信号的水听器及结合对粒子运动的响应和该水听器信号来生成地震响应信号的装置。
6.如权利要求I所述的噪声抑制系统，其中该自适应水动力模型从该原始传感器信号和该估计传感器信号之间的差值中导出该估计传感器信号。
7.如权利要求I所述的噪声抑制系统，进一步包括向该自适应水动力模型提供导航数据的船用导航系统。
8.如权利要求I所述的噪声抑制系统，进一步包括接收来自该适应水动力模型的数据以提高由该船用导航系统所计算的导航数据的质量的船用导航系统。
9.如权利要求2所述的噪声抑制系统，进一步包括向该地震探测器提供地震源触发信号的船用导航系统。
10.如权利要求I所述的噪声抑制系统，其中，该自适应处理装置实时操作。
11.如权利要求I所述的噪声抑制系统，其中，该自适应处理装置对所存储的原始传感器信号进行离线操作。
12.—种降低水下电缆中的噪声的方法,包括 使用水下电缆的自适应水动力模型从由布置在水下电缆上的粒子运动传感器提供的原始传感器信号计算由电缆运动导致的估计传感器信号； 通过从该原始传感器信号中减去该估计传感器信号来确定对由地震引起的粒子运动的响应。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括 探测地震；以及 在地震期间禁止该估计传感器信号的计算。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括，从来自与该粒子运动传感器协同定位的水听器的水听器信号中探测地震。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括，结合对粒子运动的响应和来自与该粒子运动传感器协同定位的加速度消除水听器的水听器信号以生成地震响应信号。
16.如权利要求12所述的方法，进一步包括，从船用导航系统向该自适应水动力模型提供导航数据。
17.如权利要求12所述的方法，进一步包括，使用该估计传感器信号以提高由该船用导航系统所计算的导航数据的质量。
18.如权利要求12所述的方法，该方法实时操作。
19.如权利要求12所述的方法，进一步包括，离线使用该自适应水动力模型来计算该估计传感器信号。
20.一种用于水下电缆的噪声抑制系统，包括 一个布置在水下电缆中且生成原始传感器信号的粒子运动传感器； 使用该水下电缆的自适应水动力模型从该原始传感器信号生成估计传感器信号的自适应处理装置； 对地震灵敏且在地震期内禁用该自适应处理装置的地震探测器，其中该估计传感器信号表示在没有地震时该粒子运动传感器对噪声源的响应。
21.如权利要求20所述的噪声抑制系统，进一步包括，从该原始传感器信号中减去该估计传感器信号来确定对由地震引起的粒子运动的响应的装置。
22.如权利要求20所述的噪声抑制系统，进一步包括生成水听器信号的水听器及结合对由地震引起的粒子运动的响应和该水听器信号来生成地震响应信号的装置。
23.如权利要求20所述的噪声抑制系统，进一步包括，向该地震探测器发送水听器信号以从该水听器信号中探测地震的加速度消除水听器。
24.如权利要求23所述的噪声抑制系统，其中该加速度消除水听器和该粒子运动传感器协同定位于该水下电缆上。
25.如权利要求20所述的噪声抑制系统，其中该自适应水动力模型从该原始传感器信号和该估计传感器信号的差值中推导出该估计传感器信号。
26.如权利要求20所述的噪声降低系统，进一步包括，向该自适应水动力模型提供导航数据的船用导航系统。
27.如权利要求20所述的噪声抑制系统，进一步包括，从该自适应水动力模型接收数据以提高由该船用导航系统所计算的导航数据的质量的船用导航系统。
28.如权利要求20所述的噪声抑制系统，其中该自适应处理装置实时操作。
29.如权利要求20所述的噪声抑制系统，其中，该自适应处理装置对所存储的原始传感器信号进行离线工作。
全文摘要
一种抑制水下传感器电缆(比如，拖缆或海底电缆)中的噪声的系统和方法。该电缆的自适应水动力模型(22)从来自粒子运动传感器(比如加速计(14))的原始传感器信号中生成估计传感器信号。该估计传感器信号表示在没有地震时水下电缆对电缆运动的响应的估计。通过从原始传感器信号中减去(24)估计传感器信号以抑制原始传感器信号中的电缆运动和其他噪声影响来生成单独对粒子运动的噪声降低响应。地震探测器(18)使用来自加速度抑制水听器(10)的水听器信号以在地震期内禁止(26)适配水动力模型。通过PZ求和(32)将该水听器信号与对粒子运动的响应相结合，以生成去重影的地震响应信号。
文档编号G01V1/36GK102792188SQ201180012675
公开日2012年11月21日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者D·J·兰伯特 申请人:离子地球物理学公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
