СИСТЕМА ШУМОПОДАВЛЕНИЯ СО СДВОЕННЫМ ДАТЧИКОМ ДЛЯ ПОДВОДНОЙ СЕЙСМОПРИЕМНОЙ КОСЫ
NOISE SUPPRESSION SYSTEM WITH DUAL TRANSDUCER FOR UNDERWATER HYDROPHONE STREAMER

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в основном относится к морской сейсморазведке, а более конкретно к устройствам и способам снижения эффектов нежелательных сейсмических отражений в датчиках, буксируемых за исследовательским судном, или в датчиках, лежащих на морском дне.
В морской сейсморазведке буксированием гидрофонную решетку буксируют за морским судном вблизи поверхности моря. Гидрофоны размещаются в нескольких сейсмоприемных косах, которые широко известны как стримеры. Сейсмический источник, также буксируемый вблизи поверхности моря, периодически излучает акустическую энергию. Эта акустическая энергия распространяется вниз через толщу морской воды, отражается от глубинных структур и возвращается вверх через толщу морской воды к гидрофонной решетке. Гидрофонная решетка регистрирует восходящую сейсмическую акустическую волну от морского дна. Далее показания гидрофонов преобразуются в сейсмические изображения глубинных структур.
Акустический импеданс представляет собой произведение плотности ρ и скорости звука с в среде, ρс. Всякий раз, при столкновении акустических волн с границей изменения акустического импеданса, происходит отражение. Чем больше изменение акустического импеданса, тем больше энергии отражается. Так как акустические импедансы воздуха и воды значительно отличаются, поверхность моря является почти идеальным отражателем звуковой энергии. После возврата с морского дна или от интересующей пели, энергия снова отражается от поверхности моря обратно к стримеру. Так как гидрофон имеет всенаправленную характеристику, гидрофонная решетка регистрирует ложный отклик, который представляет собой сейсмическую акустическую волну, отраженную от поверхности моря и пришедшую с задержкой по времени, а также имеющую полярность, обратную полярности волны прямого отражения. Ложный отклик представляет собой нисходящую сейсмическую акустическую волну, которая, накладываясь на полезную волну, отнимается от регистрируемого сейсмического изображения.
пров
пров
Ложный отклик образует провал в частотном спектре характеристики гидрофона на частоте f=c/2d, где с - скорость звука, a d глубина погружения стримера. Обычно сейсмические стримеры буксируют на глубине 10 метров или менее. На глубине 10 м частота провала (f) составляет 75 Гц. Для высокого разрешения сейсмического изображения частотная характеристика должна выходить за пределы 100 Гц. Поэтому стримеры иногда буксируют при меньших глубинах погружения для повышения разрешения сейсмическою изображения.
Отраженная волна, вызывающая ложный отклик, может также продолжить распространяться к морскому дну или другому сильному отражателю, отразиться обратно и снова наложиться на полезные отраженные волны, ухудшив тем самым сейсмическое изображение. Эти отраженные волны широко известны как кратные волны.
Буксирование при меньших глубинах погружения является проблематичным, так как на полезные сейсмические сигналы накладывается шум от поверхности моря. Кроме того, круговые водные течения вблизи поверхности моря могут вызывать гидродинамический шум на оболочке стримера. Эти эффекты усугубляются при ухудшении погоды, иногда вынуждая команду прекратить работы до улучшения погоды. Чем глубже проводится буксировка, тем менее заметными факторами являются шум морской поверхности и погода. Если эффекты ложного провала исключить, то желательно буксировку проводить при более глубоком погружении.
z
В глубинных или придонных системах, в которых сейсмоприемная коса или датчики располагаются на морском дне, ложные отклики устраняют способом, широко известным как pz-суммирование. В акустической волне давление р является скалярной, а скорость u частицы - векторной величиной. Гидрофон регистрирует давление р сейсмической акустической волны с положительным всенаправленным откликом. Вертикально ориентированный геофон или акселерометр регистрирует вертикальную компоненту скорости u частицы сейсмической акустической волны с положительным откликом для восходящих сигналов и отрицательным откликом для нисходящих сигналов. При pz-суммировании, сигнал скорости масштабируется по акустическому импедансу ρс морской воды и складывается с сигналом давления. При использовании акселерометра можно проинтегрировать его выходной сигнал для получения сигнала скорости или можно продифференцировать сигнал гидрофона, чтобы он мог спектрально соответствовать сигналу акселерометра. Это осуществляется составным датчиком, который имеет максимальный отклик на восходящую волну и нулевой отклик на нисходящую волну для устранения эффекта ложного отклика и кратных волн. Один такой способ формирования и комбинации сигналов для получения одиночного следа без ложных откликов описан в патенте США №6539308 изобретателем Monk и др. Этот и аналогичные способы хорошо работают, когда на датчик скорости частиц или акселерометр не влияют нежелательные перемещения, создаваемые факторами, не связанными с полезным сигналом. Такие нежелательные ускорения обычно имеют место в придонной системе, развернутой в зоне прибоя или на участке, где существуют сильные глубинные течения.
В последнее время привлекло интерес использование комбинации гидрофонов и измерения движения частиц для снижения этих эффектов в сейсмическом стримере. Эксплуатация датчика движения частиц в сейсмическом стримере является проблематичной, так как стример испытывает ускорения, обусловленные буксировкой или эффектами морской поверхности, которые велики по сравнению с ускорениями, вызванными полезными отражениями. Кроме того, эти нежелательные ускорения находятся в той же спектральной полосе, в которой лежит отклик полезных отражений.
Сейсмические стримеры и придонные сейсмоприемные косы испытывают влияние всех углов поперечного наклона, от 0° до 360°, и умеренного диапазона углов продольного наклона. Для реализации вертикально-ориентированного геофона в придонных системах использовали: (а) шарнирно-закрепленный электродинамический геофон; (b) трехкомпонентный не зависящий от наклона электродинамический геофон с определением ориентации и вычислениями вне датчика для анализа измерения относительно силы тяжести; и (с) трехкомпонентный акселерометр микроэлектромеханической системы (МЭМС) с внутренним определением ориентации и вычислениями вне датчика для анализа измерения относительно силы тяжести.
В патенте США №7167413 изобретателя Rouquette, для устранения эффекта ложного провала в сейсмоприемном стримере используют акселерометр. Rouquette использует систему масс и пружин для уменьшения влияния динамики косы на акселерометр и систему динамометрических датчиков для измерения и устранения шума, вызываемого в акселерометре движением косы. Система Rouquette опирается на широко известные сложные механические зависимости, которые не остаются постоянными под влиянием технологических отклонений, старения и условий окружающей среды. Rouquette использует адаптивный алгоритм обработки сигнала для вывода зависимости системы динамометрических датчиков и масс и пружин от ускорения, действующего на акселерометр in situ. Rouquette описывает сложную механическую и электронную систему.
В патенте США №7239577 изобретателя Tenghamn и др. описано устройство и способ устранения ложного провала с использованием датчика скорости частиц акустической волны. Tenghamn и др. изучают использование шарнирно-закрепленного геофона с жидкостным демпфированием. Известно, что жидкость, заполняющая геофон, выбирается для обеспечения демпфирования колебаний датчика на своих шарнирах. До описанного автором Tenghamn и др. было известно, что система виброизоляции с использованием масс и пружин может снизить влияние механического движения косы на отклик геофона. Движение геофона, вызываемое механическим перемещением сейсмоприемной косы, неотличимо от движения частиц акустической волны в отклике геофона. У Tenghamn и др. эффект механического движения косы перекрывает сигнал движения частиц полезной сейсмической полны.
0
В патенте CШA №7359283 изобретателя Vaage и др. описан способ комбинирования датчиков давления и датчиков движения частиц для анализа влияния механического движения на датчики движения частиц. В этом способе не используют характеристику датчика движения частиц ниже определенной частоты f, а только оценивают ее по характеристике датчика давления и известной глубине датчика давления. Отбрасываются те частоты, на которых ожидается механическое движение стримера. Оцениваемая характеристика имеет плохое отношение сигнал-шум на нижних интересующих частотах. Такое отбрасывание спектра ниже определенной частоты не является оптимальным вариантом, так как при этом также отбрасываются полезные сигналы в важном низкочастотном диапазоне, где наиболее вероятно существование данных от глубоко залегающих объектов.
Хотя во всех указанных патентах рассмотрены способы устранения ложного провала в сейсмоприемном стримере, их общим недостатком является отсутствие достаточного учета влияния на датчики движения частиц эффектов буксирования стримеров и движения, вызванного течением. Также во всех указанных патентах отсутствует формирование высококачественных измеренных компонентов акустической волны с хорошим отношением сигнал-шум вплоть до самых нижних интересующих частот.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Эти недостатки устраняются с помощью системы шумоподавления подводной сейсмоприемной косы, в которой заключаются признаки изобретения. Один вариант такой системы включает в себя датчик движения частиц, расположенный в подводной сейсмоприемной косе. Датчик формирует необработанный сигнал датчика, в котором содержатся отклики на движение частиц, вызванное сейсмическими событиями и перемещением сейсмоприемной косы. В средствах адаптивной обработки используется адаптивная гидродинамическая модель подводной сейсмоприемной косы для получения расчетного сигнала датчика из необработанного сигнала датчика. Расчетный сигнал датчика представляет собой оценку отклика подводной сейсмоприемной косы на движение сейсмоприемной косы в отсутствие сейсмических событий. Для определения отклика на вызванное сейсмическими событиями движение частиц используются средства вычитания расчетного сигнала датчика из необработанного сигнала датчика.
Другой вариант системы шумоподавления подводной сейсмоприемной косы включает в себя датчик движения частиц, расположенный в подводной сейсмоприемной косе. Датчик формирует необработанный сигнал датчика. Для получения расчетного сигнала датчика из необработанного сигнала датчика в средствах адаптивной обработки используется адаптивная гидродинамическая модель подводной сейсмоприемной косы. Детектор сейсмических событий, реагирующий на сейсмические события, отключает средства адаптивной обработки во время сейсмического события. Таким образом, расчетный сигнал датчика представляет собой отклик датчика движения частиц на источники шума в отсутствие сейсмических событий.
Еще одной особенностью изобретения является способ подавления шума в подводной сейсмоприемной косе, который включает в себя: (а) использование адаптивной гидродинамической модели подводной сейсмоприемной косы для вычисления расчетного сигнала датчика, вызванного перемещением сейсмоприемной косы, из необработанного сигнала датчика, полученного датчиком движения частиц, расположенным в подводной сейсмоприемной косе; и (b) определение отклика на вызванное сейсмическими событиями движение частиц путем вычитания расчетного сигнала датчика из необработанного сигнала датчика.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Данные особенности и признаки изобретения очевидны из следующего описания, пунктов формулы изобретения и приложенных чертежей, в которых:
Фиг.1 - блок-схема системы шумоподавления подводной сейсмоприемной косы, в которой заключаются признаки изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На блок-схеме Фиг.1 гидрофон 10 формирует сигнал Н гидрофона. Гидрофон может быть реализован в виде одиночного гидрофона или группы гидрофонов, установленных в подводной сейсмоприемной косе, например в буксируемом стримере или в придонной сейсмоприемной косе, соединенной с исследовательским судном. Гидрофоном в данном примере является гидрофон с подавлением помех от ускорения, который реагирует на изменение давления и не реагирует на вызванное динамикой сейсмоприемной косы ускорение. Почти рядом с гидрофоном в сейсмоприемной косе располагают второй датчик 14 движения частиц. В данном примере это трехкоординатный акселерометр, которым измеряют вызванное сейсмическими отражениями ускорение частиц. Датчиком движения частиц может быть любой датчик, реагирующий на скорость или ускорение частиц. Другие варианты реализации датчика движения частиц: акселерометры, геофоны, гидрофоны, реагирующие на ускорение, группы таких аналогичных датчиков или комбинации таких различных датчиков. Датчик движения 14 частиц формирует необработанный сигнал А датчика, который включает в себя отклики на движение частиц, вызванное сейсмическими событиями и перемещением сейсмоприемной косы.
Поскольку возможно динамическое вращение сейсмоприемной косы, то для ориентации измерений движения частиц относительно вектора силы тяжести используется датчик 16 ориентации, связанный с датчиком 14 движения частиц. В многокоординатном датчике, например, в МЭМС акселерометре с характеристикой вплоть до постоянного тока, в одном компоненте совмещается измерение движения частиц и измерение ориентации. Для ориентации измерения движения частиц относительно силы тяжести можно использовать обычные средства вычисления. Датчиком движения частиц может быть двухкоордииатное устройство, если одна ось ориентации известна и движение сейсмоприемной косы вдоль этой оси не является параметром. Двухкоординатный датчик может быть полезен в буксируемом стримере, для которого параллельная стримеру ось определяется другими средствами, например, системой навигации. Другим вариантом является использование шарнирно-закрепленного датчика движения частиц, например, самовыравнивающегося шарнирно-закрепленного геофона. В шарнирно-закрепленном датчике движения частиц необязательно использовать датчик ориентации. Еще одним вариантом является отдельный датчик ориентации, используемый в комбинации с датчиком движения частиц. В любом случае, необработанный сигнал А датчика, используемый в блок-схеме и везде в данном описании, относится к гравитационным измерениям.
Детектор 18 сейсмических событий анализирует сигнал Н гидрофона на наличие или отсутствие сейсмического события, например отраженных сейсмических сигналов. Всякий раз, когда амплитуда сигнала гидрофона превышает заданный порог в пределах заданного частотного спектра, детектор сейсмических событий выдает сигнал 20 сейсмического события. Фактическая регистрация сейсмического события может быть осуществлена при помощи электроники в сейсмоприемной косе или путем анализа сигнала гидрофона на борту исследовательского судна. Регистрация может проводиться в реальном времени во время сбора данных или при обработке после сбора данных. Также при проведении морских работ обычно используется сейсмическая навигационная система 28, например, Spectra или Оrca Геофизической корпорации "Институт навигации" Хьюстона, шт. Техас, США. Сейсмическая навигационная система выдает сигнал 19 события запуска сейсмического источника. Для повышения надежности регистрации сейсмическая навигационная система 28 может передавать сигнал события запуска сейсмического источника в детектор 18 сейсмических событий.
В качестве средства адаптивной обработки для оценки отклика датчика 10 движения частиц на движение сейсмоприемной косы используют адаптивную гидродинамическую модель 22. В качестве составляющей части средств адаптивной обработки для улучшения модели можно применять фильтр Кальмана. При отсутствии регистрации сейсмических событий, необработанный сигнал А датчика сравнивается с расчетным сигналом А' датчика в блоке 24 вычитания, который представляет собой средство вычитания расчетного сигнала из необработанного сигнала датчика. Разница АА' используется для обновления ковариантной матрицы фильтра Кальмана в средствах адаптивной обработки. Другие варианты адаптации включают в себя рекурсивный метод наименьших квадратов, нейронную сеть или нечеткую логику. Если выявляется, что полезный сейсмический отклик разрушает модель в связи с тем, что регистрируемый полезный сейсмический отклик возникает одновременно в гидрофоне и акселерометре, адаптация модели может быть отключена во время сейсмического события сигналом 20 сейсмического события, что представлено с помощью ключа 26. Применение и адаптация модели могут осуществляться вычислительными средствами, развернутыми в стримере, на корабле или на земле. Это может проводиться в реальном времени во время сбора данных или при последующей обработке. При желании, точность гидродинамической модели можно повысить использованием других данных, пригодных для модели. Эти данные могут включать в себя измерение динамики судна в реальном времени, данные глобальной навигационной системы, скорость судна или любые другие измерения, имеющие отношение к динамике сейсмоприемной косы. Бортовая навигационная система 28 оценивает положение, скорость и ускорение стримеров в точках регистрации сейсмической энергии. Эти расчетные навигационные данные 29 можно использовать для повышения точности гидродинамической модели. Гидродинамическая модель также может быть использована навигационной системой для пополнения данных, обеспечивающих эти оценки, что показано двунаправленностью потока навигационных данных 29.
Так как детектор 18 сейсмических событий во время сейсмических событий отключает адаптацию, осуществляемую адаптивной динамической моделью, на выходе гидродинамической модели (расчетный сигнал А' датчика) будет формироваться отклик акселерометра на перемещение сейсмоприемной косы и другие источники шума в отсутствие полезных сейсмических отражений. В другом средстве вычитания 30 формируется разница между расчетным сигналом А' датчика и необработанным сигналом А датчика. Данная разница представляет собой бесшумный отклик Р на движение частиц, который является полезным сейсмическим откликом. pz-суммирование 32 используется для устранения ложного провала или отклика вследствие нежелательных кратных волн путем компоновки средств комбинирования отклика Р на движение частиц с сигналом Н гидрофона, который может быть продифференцирован для спектрального соответствия необработанному сигналу А датчика движения частиц, для получения сигнала S сейсмического отклика без ложных составляющих.
Хотя изобретение было подробно описано на основании одного варианта с модификациями, возможны также другие варианты. Например, способ комбинирования гидрофона и измерений движения частиц может быть реализован путем pz-суммирования так, как описано, или с помощью любых других используемых или изучаемых средств снижения эффектов кратных воли или ложного провала. Кроме того, согласование и масштабирование отдельных измерений гидрофона и измерений движения частиц, а также все другие описанные вычисления могут выполняться либо в реальном времени либо автономно, при последующей обработке. Это может быть масштабирование измерения движения частиц посредством угла падения или акустического импеданса. Это также может быть дифференцирование или интегрирование сигналов для их спектрального согласования. Таким образом, как показывают эти несколько примеров, подробно описанные варианты служат для облегчения представления и не ограничивают изобретение.