专利名称：用于地震数据采集的自适应滤波装置和方法
技术领域：
本发明大体上涉及地质勘测，特别地，涉及一种用于采集和处理地震数据的装置和方法。
背景技术：
用于地震勘探的传统地震检波器、加速计和水下地震检波器系统通常有多个传感器，用来产生表示通常为地震波形式的声能的信号。地震波通常由能源，例如振动车、爆炸物或者在水下地震检波器系统情况下的气枪产生。然后这些地震信号传输到采集/转换电路。对来自一个或多个远程地震传感器(水下地震检波器、地震检波器或其它地震传感器)的模拟信号进行采样，并通过采集/转换电路转换成一系列数值。通�？梢耘渲酶貌杉�/转换电路以实现，例如，调节采样率、更改任何数字滤波或其它数字信号处理参数或者进行诊断。
将一个或多个这样的采集/转换电路连接到一个数据收集单元。每个数据收集单元收集来自所有地震传感器的一系列数值，这些地震传感器连接到所有连在该数据收集单元上的采集/转换单元。该数据收集单元将这些数据传输给一个可以包括地震记录设备的系统控制器。
声地震波包括多种能量信号。它们包括通过区分到达检测器的时间(区分速度)来识别的P & Shear信号。对于任意给定的地质事件，该信号包含不同的频率。因此，它们在时限的垂直和水平时间窗口之间不互相关联。
其它地震信号是不希望得到的信号，如噪声。噪声的一种形式是地滚(ground roll)。地滚噪声，或简称地滚，在相同时间以相同频率到达垂直和水平分量。这些信号在90度互相极化。因此，噪声在时限的垂直和水平记录之间互相关联。
当声源开始活动时产生地滚。从浅阻抗以及目标深度的阻抗反射声能。与从目标深度的反射相比，浅反射有较大的振幅，并且有时同时到达表面检测器。噪声的存在严重影响了地震数据采集，甚至许多传统系统关于噪声特性而不是地震信号的需要来设计。例如，通常采用阵列配置地震检波器的应用以尽量消除地滚的影响，其中是根据相比于信号事件(至少频带限制)这些噪声信号频率不同、有较大振幅并且是分散的。单独使用阵列以减少地滚在消除地滚方面只能够获得部分成功。此外，如果使用传统滤波方法例如频率波数(FK)滤波来消除地滚，它缓慢的速度要求严格的空间采样。
极化滤波器是一大类基于地滚椭圆微粒运动的检测和分离的滤波器。由于地滚的分散特性以及许多假定因当地地质条件而失效，一些极化滤波器只获得了有限的成功。
自适应系统通常特征在于能够以时变的方式使用动态噪声预计输入来调节性能。已知的自适应滤波技术不包括从单个多轴传感器使用垂直和水平分量的能力。而且，普通的滤波方法无法从其它形式的能量中区分出地滚，并且可能在过滤地滚的同时过滤所需的信号。最后，由于对空间采样和接收机阵列的依赖，普通系统不能提供逐站减少地滚的能力。
发明内容
本发明通过提供一种有多个区域单元的系统，致力于解决上述在传统地震数据采集系统中遇到的难题，其中所述区域单元包括一个或多个地震源、一个或多个用于接收由震源产生并且在地层中反射的声能的多轴地震传感器、一个数据采集单元、一个接收机/发射机和一个远离一个或多个区域单元的中心控制处理器。处理器根据初始滤波器系数，使用自适应滤波算法来处理垂直和水平传感器输出，其中所述滤波器系数根据逐个采样而改变作为噪声变化的估计值。在首选实施例中，初始滤波器系数保存在控制器的存储设备中。
依照本发明的方法包括两个步骤。第一步是滤波器设计，其中根据垂直和水平分量之间的瞬间相位差异来定义偏移依赖应用窗口。如果需要，可以使用带通滤波器来选择频带。第二步是仅对偏移窗口之内的数据和进出窗口的时间锥形应用最小均方(LMS)自适应滤波算法。
一方面，本发明用于减少或取消地震检波器阵列以减弱地滚。本发明的系统不依赖与许多接收机阵列设计相关的方位设计参数。本发明提供了使用所需信号作为主要设计因素而不是噪声信号来设计系统的能力。
本发明提供了一种有效的地滚滤波器而无需考虑阵列、空间采样，同时减少对噪声极化的依赖。提供过滤的地震信号的装置包括一个接地以接收声波的检测器，该检测器提供一个输出，包含表明接收声波的方向分量的第一信号和第二信号。将一个处理器连接到该检测器以接收所述第一和第二信号，所述处理器处理对第一信号应用自适应滤波算法的命令，所述自适应滤波包括一个表明结合了第二信号的第一信号的选择部分的反馈信号。
检测器最好是MEMS多轴加速计，可选的带通滤波器可用于过滤自适应滤波输出。作为替代，带通滤波器可以是其它任意的有用的通带滤波器，例如带阻滤波器。
通过附图，以及考虑下述的描述，将能够最好地理解本发明的新颖特性以及发明本身，其中相似的附图标记表示相似的部分，附图包括图1是一种依照本发明的地震数据采集系统的实施例的系统示意图；图2是用于如图1所示系统中的多轴传感器；图3是图2的传感器模块的实施例；图4是图3的传感器�？榈奶娲凳├�
图5A表示一种传统的自适应滤波器；图5B是一种依照本发明的自适应滤波器；图6是一种依照本发明的方法的流程图；以及图7是一种依照本发明的替代方法的流程图。
具体实施例方式
图1是一种依照本发明的地震勘测系统的实施例的系统示意图。系统100包括一个用于向系统100中的一个或多个远程单元发送命令并从其接收数据信号的主控制和记录单元102。如图所示，主控制和记录单元102是个如对技术熟悉的人所知的“车”或“仪器车”的移动单元。作为替代，主控制和记录单元也可以放置在任何车辆或载体上，或者半永久性地安装在预定位置。
主控制和记录单元102(在下文中简称为中心控制器102)连接到一个或多个接收机单元104。接收机单元可以与中心控制器102一起放置，或者放置在例如扩展的区域中。通过双向通信链路124将接收机104连接到多个数据采集单元(“DAUs”)106a-106b等。数据采集单元106包括用于接收来自地震传感器108a的阵列108的信号的电路。每个地震传感器最好能够提供一个表示感应到的地震活动的数字输出信号。在替代实施例中，传感器输出信号是模拟的，在DAU中执行的A/D转换。
系统100还包括一个地震源110，例如一个或多个振动车的全体，爆炸物(例如炸药)，气枪或类似物。震源110和中心控制器102经由双向通信链路122互相连接。通信链路122可以是模拟或者数字的，通信的数据最好包括控制设置、发射命令、位置(相关的和/或全面的)状态信息、震源可用性、震源等级和任何其它在管理勘测方面有用的信息。
在操作上，震源110将声源传进地球表面114，从而设置了大体向下辐射进地球的声波116。声波116将在阻抗变化例如地层边界120处部分反射，从而产生大体上传播回表面114的反射波118。
通过独立传感器108a在检测器阵列108处检测反射波118。传感器可以是适合于检测声能的任意型号传感器，例如地震检波器、扩音器、基于加速计的检测器、在湿地条件下的水下地震检波器以及类似物。作为替代，阵列可以是单个元件或者包括许多元件。检测器108a可以提供模拟或数字输出信号，可以组合阵列108中的检测器，例如刚才描述的检测器型号和/或输出信号的组合。
在首选实施例中，检测器108a是使用微机电系统(MEMS)加速计的多轴检测器。这些MEMS检测器在提交于2001年9月12日的U.S.申请09/936,634中有详细讨论，该申请是基于提交于2000年3月17日的PCT申请PCT/US00/07310。因此，在此引用了这两个申请的全部内容。
来自阵列108的输出信号可以包括来自独立检测器108a的信号或者包括每个检测器一个信号。在实施例中，使用在每个数据采集单元106a-106b中的处理器(未单独画出)来预处理信号。然后将数据传输到接收机104。接收机104简化地表示成单个接收机。熟悉技术的人将能理解实践中可以配置任意数量的接收机以接收来自传感器阵列108的数据。可以依照本实施例来处理信号，或者在系统100的任何适当位置，例如在接收机104或中心控制器102之内使用依照本发明的自适应滤波器，来处理信号。
在一个实施例中，中心控制器102和接收机104之间的连接112，接收机104和DAUs106之间以及每个DAU和传感器阵列108之间的连接124，和中心控制器102和震源110之间的连接122都是导线112a和112b、122a、122b、124a、124b。这些连接统称为连接112/124，或者当需要时，将使用各自的附图标记来引用单条连接。选择包括连接112/124在内的这些导线以充分传输特定应用所要求的电源和数据。作为替代，连接112/124可以是能够传输电源和数据信号的任何适当连接。在完整的信号路径上，一条连接，例如连接112a，不必是与任何其它连接例如112b相同的连接类型。典型连接可以是导线、射频、光纤或电磁的任意组合。作为替代的，当向任意特殊单元例如接收机中的电池或发电机提供电源作为震源110时，连接112/124也可以包括一个无线电链路。在这些替代实施例中，收发机(接收机和发射机的组合)安装在连接的单元中。中心控制器102和接收机104之间的连接112/124用虚线表示以标明该点。
参见图2，传感器装置108a的实施例包括一个连接到第一封端帽210、第二封端帽215和传感器�？�305的外壳205。外壳205通过连接元件例如机械夹具310、315、320和325连接到封端帽210和215。
密封元件330a-d密封外壳205和第一封端帽210之间的连接，密封元件335a-d密封外壳205和第二封端帽215之间的连接。密封元件330a-d和335a-d可以是能够被压缩在预定位置以进行密封的弹性环。
外壳205最好包括一个空腔340和平坦表面345。在实施例中，外壳205是由高强度材料制造的金属管以提供坚固的压力容器。
传感器�？�305在外壳205的空腔340中由平坦表面345支撑，并通过PC板连接355连接到第一封端帽210。
参见图3，传感器�？�305最好包括传感器组件405a-c和衬底410。每个传感器组件405a-c包括对应的感应轴415、420和425。每个感应轴415、420和425分别与x轴、y轴和z轴大致平行。
参见图4，传感器�？�305的一个替代实施例包括多个传感器组件405、衬底410和单片组件1902。传感器组件405连接到单片组件1902。在实施例中，传感器�？�305包括第一传感器组件405a、第二传感器组件405b和第三传感器组件405c。第一传感器组件405a包括一个感应轴415。该感应轴415与x轴大致平行。第一传感器组件405a连接到单片电路组件1902以保持感应轴415平行于x轴。第二传感器组件405b包括一个感应轴420。该感应轴420与y轴大致平行。第二传感器组件405b连接到单片电路组件1902以保持感应轴420平行于y轴。第三传感器组件405c包括一个感应轴425。该感应轴425与z轴大致平行。第三传感器组件405c连接到单片电路组件1902以保持感应轴425平行于z轴。
本发明的装置提供了一种自适应滤波器以在信号处理之前消除不需要的信号，例如地滚。图5A表示一种传统的自适应滤波器。类似的自适应滤波器用于消除来自地震信号的不一致的分散噪声，例如机械噪声。在Crews等人的U.S.专利4,890,264中描述了这种滤波器应用的例子。传统滤波器的另一应用是消除地滚噪声。在Widrow的U.S.专利4,556,962中可以看到这种地滚滤波器应用的例子。Widrow设备利用一个滤波输入信号n’(k)，其来自用于检测地滚的独立地震检波器或者直接来自声源的信号。术语n’(k)代表噪声输入，x(k)是自适应滤波器输入的普通表示，并且其输出信号用y(k)表示。第二系统输入是所需的信号d(k)，所需信号d(k)是噪声n(k)和已知声传感器检测到的声信号s(k)的组合。然后加总输入d(k)和自适应滤波器转换的输出y(k)以产生表示信号误差的输出e(k)。然后将误差信号e(k)反馈回自适应滤波器以更新滤波输出y(k)来进行连续的数据处理。在这一典型系统中，通过将噪声输入与来自地震检波器阵列的平均信号相加，消除了地滚。在所描述的所有例子中，地震检波器是单向的检测器。
图5B是一种依照本发明的自适应滤波器500。该自适应滤波器包括向滤波器提供垂直和水平(或放射状radial)分量的多轴传感器输入信号。地滚表现为椭圆逆向微粒运动，这导致能量到达如上面所述以及图2-4所示的那些三分量地震检测器的垂直和水平分量。而且，地滚的极化特性允许地滚和可能与水平和垂直分量之间相关的其它信号和/或噪声之间有区别。
地滚的问题在于它速度缓慢并且分散。这些因素共同使消除地滚的处理变得麻烦。依照本发明的自适应滤波器提供了利用分量之间的关联的单个接收台滤波器，以使用非固定滤波器来识别和消除噪声。
当地滚的振幅大到足以成为地震数据的考虑因素时，在发射记录中可以清楚地看到作为高振幅、低频率、分散的噪声序列。然而，还有其它的波类型，例如能够几乎同时到达并且被误认为地滚的纯剪切折射到达波和乐甫波(Love waves)。本发明的滤波器设计在滤波之前及时隔离了地滚以及频率，以便只过滤被地滚明确污染的地震数据。
图5B表示检测的垂直数据使用信号加噪声s(k)+n(k)作为系统输入d(k)。检测放射状波，输入是对系统自适应滤波器的噪声信号n’(k)。在本发明中，通过产生一个使用时间参数来隔离特定放射状数据的“窗口”，来进一步净化滤波器输出。可选的带通(BP)滤波器可用于使数据频带变小。因此，在使用d(k)加总之前，转换的输出y(k)更加精确。这导致了反馈回自适应滤波器的更小的系统误差输出e(k)。
通过显示来自一个单个三分量传感器的垂直和水平数据的瞬间相位之间的不同区域来完成地滚的区分。产生的差异部分提供了简易识别极化噪声的能力。
上述的和图1-5B所示的系统100可用于本发明的首选方法中。声源可用于向地球施加声能信号。声能也会产生与从所需或目标深度反射回的声信号基本同时到达多轴传感器的地滚噪声信号。多轴检测器将接收到的声信号转换成垂直和水平输出信号。将来自多轴检测器108a的垂直和水平信号发送到放置在例如数据采集单元中的处理器中。数据采集单元包括用于处理应用于垂直和水平输出信号的滤波算法的存储指令。滤波算法是一个自适应滤波器，通过该自适应滤波器来根据改变输入条件来改变输入噪声系数。初始滤波系数可以保存在存储设备中以供处理器应用于自适应滤波器。存储设备和处理器无需放在一起。在实施例中，处理器和存储设备位于中心控制器中。作为替代，系数可以放在DAU的存储设备中或者任何其它所需的位置。同样，处理器无需放在中心控制器中。处理器可以放在任何所需的位置，例如DAU中。下面参照图6和7进一步描述该方法。
现在参见图6，显示的是依照本发明采用自适应滤波器以从选择信号中减弱地滚的首选方法600的流程。在首选实施例中，本方法的指令包含在上述的和图1所示的系统中的存储器中。由系统中的处理器来执行这些指令以从包括所需地震反射波以及地滚噪声的垂直信号中消除地滚。
如上所述，使用从多轴地震传感器的垂直和水平输出接收的信号确定窗口参数602。该参数表示有特殊地滚特征的那些信号。例如，当垂直和水平信号相位差异大约为90度时。
向自适应滤波器发送传感器水平输出信号604，应用可选带通滤波器606以选择特殊的频带。然后，比较水平信号与窗口参数608，将那些符合窗口参数标准的频率与包括地滚噪声的垂直传感器信号相加610。产生的输出重复地发送回自适应滤波器以进行进一步滤波，以便最终输出的垂直信号基本上没有地滚噪声。
现在参见图7，显示了依照本发明的替代的自适应滤波方法700。该方法基本上与图6的方法相似，除了反转了垂直和水平传感器输出信号。当需要时，该方法提供了过滤的水平信号。使用从多轴地震传感器的垂直和水平输出接收的信号来确定窗口参数702。该参数表示有特殊地滚特征的那些信号。例如，当垂直和水平信号相位差异大约为90度时。
向自适应滤波器发送传感器垂直输出信号704，应用可选带通滤波器706以选择特殊的频带。然后，比较垂直信号与窗口参数708，将那些符合窗口参数标准的频率与包括地滚噪声的水平传感器信号相加710。产生的输出重复地发送回自适应滤波器以进行进一步滤波，以便最终输出的水平信号基本上没有地滚噪声。
前述的描述是出于说明和解释的目的而针对于本发明的特定实施例。然而，对于熟悉技术的人来说，在不背离本发明范围的条件下，有可能对上述提出的实施例进行修改和变化是显而易见的。附上的权利要求书意在解释包括所有这种修改和变化。
权利要求
1.一种在地震勘测系统中过滤地震信号的方法，该方法包括a)使用一个检测器来接收一个声波；b)从所述检测器发送第一信号和第二信号，所述第一和第二信号表示接收到的声波的方向分量；以及c)对所述第一信号应用一个自适应滤波算法，所述自适应滤波包括一个反馈信号，该反馈信号表明结合了第二信号的第一信号的一个选中部分。
2.权利要求1的方法，进一步包括，至少部分地通过对所述自适应滤波算法的输出应用一套预定窗口参数来确定所述第一信号的选中部分。
3.权利要求1的方法，进一步包括，至少部分地通过对所述自适应滤波算法的输出应用频带滤波器来确定所述第一信号的选中部分。
4.权利要求3的方法，其中所述频带滤波器是一个带通滤波器。
5.权利要求1的方法，其中所述第一和第二信号包括有大约90度相位差异的信号。
6.权利要求1的方法，其中所述第一信号是水平信号，所述第二信号是垂直信号。
7.权利要求1的方法，其中所述算法用于从所述地震信号中消除地滚。
8.权利要求2的方法，其中所述预定窗口参数包括相位和定时参数。
9.权利要求1的方法，其中应用所述自适应滤波器进一步包括，至少部分地根据初始滤波器系数来应用自适应滤波器。
10.权利要求9的方法，进一步包括，当向连续接收的声波应用自适应滤波时，更新所述初始滤波器系数。
11.权利要求2的方法，其中确定窗口参数包括至少部分地根据声波的垂直和水平分量之间的相位差异来选择偏移依赖应用窗口。
12.权利要求1的方法，其中所述检测器包括一个多轴检测器。
13.权利要求12的方法进一步包括使用一个MEMS多轴检测器来接收声波。
14.一种用于提供过滤后的地震信号的装置，包括a)一个连接到地球以接收声波的检测器，该检测器提供一个包括第一和第二信号的输出，所述第一和第二信号表示接收到的声波的方向分量；b)一个连接到所述检测器以接收第一和第二信号的处理器，所述处理器处理指令以向第一信号应用自适应滤波算法，所述自适应滤波包括一个反馈信号，该反馈信号表明结合了第二信号的第一信号的选中部分。
15.根据权利要求14的装置，其中所述检测器包括一个多轴检测器。
16.根据权利要求15的装置，其中所述多轴检测器包括一个多轴MEMS加速计。
17.根据权利要求14的装置进一步包括一个频带滤波器以过滤自适应滤波器的输出。
18.根据权利要求17的装置，其中所述频带滤波器包括一个带通滤波器。
19.根据权利要求14的装置，其中至少部分地通过对所述自适应滤波算法的输出应用一套预定窗口参数来确定所述第一信号的选中部分。
20.根据权利要求14的装置，其中所述第一和第二信号包括有大约90度的相位差异的信号。
21.根据权利要求14的装置，其中所述第一信号是水平信号，所述第二信号是垂直信号。
22.根据权利要求14的装置进一步包括一个装置输出信号，其中应用所述算法以从所述地震信号中消除地滚。
23.根据权利要求19的装置，其中所述预定窗口参数包括相位和定时参数。
24.根据权利要求14的装置进一步包括，一个其中保存了至少部分用于自适应滤波器应用的初始滤波器系数的存储设备。
25.根据权利要求24的装置，其中当向连续接收的声波应用自适应滤波器时，所述处理器更新所述初始滤波器系数。
26.根据权利要求19的装置，其中所述窗口参数包括至少部分地根据声波的垂直和水平分量之间相位差异的偏移依赖应用窗口。
全文摘要
本发明提供了一种基本上消除了在地震数据采集时遇到的地滚噪声的自适应滤波方法(图5B)。(图1)还提供了一种包括一个连接到一个多轴传感器设备的自适应滤波电路(图5B)的用于采集地震数据的装置 (305) 。
文档编号G01V1/18GK1646938SQ03808905
公开日2005年7月27日 申请日期2003年3月19日 优先权日2002年3月20日
发明者拉塞尔·A·卡皮乌斯, 加里·A·格雷斯 申请人:输入输出公司
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
