專利名稱：一種利用合成震源記錄相位編碼的疊前深度偏移方法
技術領域：
本發明是一種利用合成震源記錄相位編碼疊前深度偏移方法，它可應用于陸上和海上石油天然氣勘探各公司或地球物理勘探局所屬地震數據處理計算中心，各地震數據處理公司，勘探地球物理研究院、所。(陸上和海上石油天然氣勘探時，需采集人工地震數據并在地震數據計算中心處理地震數據，偏移成像是地震數據處理的中心環節。)技術背景本發明涉及了一種在復雜構造條件下合成震源記錄相位編碼疊前深度偏移方法。
在復雜構造條件下，通常的水平疊加方法失去了CDP道集成雙曲線的前提條件，故反射波同相軸不可能通過動較正達到同相疊加。在此基礎上的疊后偏移，也因此不可能使地下界面準確成像。疊前深度偏移方法可以克服復雜構造及復雜構造下的成像問題，是最精確的地震記錄成像方法。疊前深度偏移方法可以分為兩類一類是克希霍夫(KIRCHHOFF)積分法，這類方法基于求解程函方程，計算旅行時和格林函數，方法靈活、實用和快速，但受高頻近似，多路徑計算的困擾，對復雜構造下的地層難以成像，且不利于真振幅成像。第二類是基于波動方程的波場延拓方法，這類方法從輸入記錄來劃分，又可分為炮集記錄偏移[1]和面炮記錄偏移[2]。波場延拓方法主要有有限差分法，裂步法，相移加插值方法和富利葉有限差分法。炮集記錄是一個物理實驗，基于波動方程波場延拓的炮集記錄疊前深度偏移被公認為是最精確的疊前深度偏移方法，它的缺點是效率低。Berkhhout的面炮記錄疊前深度偏移把所有單炮震源合成為一個新的合成震源，把所有單炮記錄合成為一個新的合成震源記錄，每個新的合成震源含不同的平面波射線參數，然后，按照炮記錄偏移的步驟進行波場延拓和成像計算。面炮疊前深度偏移減少了需要偏移的地震記錄，從而提高了炮集記錄偏移的效率，國際公認的Marmousi模型測試結果表明面炮疊前深度偏移比炮記錄偏移效率約提高25倍[2]。面炮疊前深度偏移還提出了目標照明的技巧，有利于復雜構造下地層的成像。Berkhhout的面炮疊前深度偏移成像精度與炮集記錄偏移等價。文獻[6]利用有限頻帶內平面波震源的最大能量旅行時成像，進一步提高了面炮記錄偏移的效率。
文獻[7，美國專利6,021,094 2/2001 Ober et al]對炮集記錄偏移方法，提出了線性相位編碼，隨機相位編碼和頻率平方相位編碼方法。提高了單炮記錄偏移的效率。文獻[8]進一步提出了兩種在壓制互相關噪音方面更有效的相位編碼方法，一種利用了互相關函數的連續性，以兩炮為一組，稱為依賴頻率的相位編碼，另一種利用相鄰炮震源波場相近的性質，可多炮為一組，編碼相位值與頻率無關，稱為不依賴頻率的相位編碼。
Berkhhout的面炮疊前深度偏移成像精度與炮集記錄偏移等價。它的問題主要有三個1)合成震源和目標照明波場均采用平面波，當地下構造很陡時，會拉長合成震源記錄的長度，降低計算效率。2)波場延拓采用矩陣計算，比較費時[4，5，9]。3)與克希霍夫(KIRCHHOFF)積分法比，效率仍然不高。
本發明全面克服了面炮疊前深度偏移上面存在的三個問題。其要點是1)合成震源和目標照明波場均可采用平面波震源或非平面波震源。2)波場延拓運用富利葉有限差分法[3]。3)在合成震源記錄疊前深度偏移中，利用相位編碼或混合相位編碼，用一個合成震源記錄疊前深度偏移的計算量，近似地得到多個合成震源記錄疊前深度偏移疊加的結果，從而可成倍地提高合成震源或面炮記錄疊前深度偏移的效率，并使人為的互相關噪音降到很低。在成像質量上，隨著參與編碼的合成震源個數的增加，信噪比僅略有降低。為區別平面波震源和面炮震源，下面，我們把平面波震源和非平面波震源統稱為合成震源和合成震源記錄。與炮記錄偏移相比，通過合成震源和合成震源記錄偏移可以成倍，成幾十倍地提高疊前深度偏移的效率。在此基礎上運用適合于合成震源記錄的相位編碼，在疊前深度偏移之前，將合成震源記錄再次疊加，從而可再成倍地提高合成震源記錄疊前深度偏移的效率。
圖1表示p＝0時的平面波合成震源。
圖2表示p＝-58.1μs/m時的平面波合成震源，其中μs/m表示微秒/米，下同。
圖3表示p＝58.1μs/m時的平面波合成震源。
圖4表示分段平面波合成震源，p＝-58.1μs/m。
圖5表示分段平面波合成震源，p＝58.1μs/m。
圖6合成震源記錄相位編碼疊前深度偏移方法計算框7表示目標照明的合成震源記錄疊前深度偏移得到的Marmousi模型數據的疊前深度偏移剖面。共使用了30個不同角度的射線參數P，射線參數間隔ΔP＝12.5μs/m(約2.5度)，目標照明的深度是2200米。射線參數P的取值范圍是(-187.5μs/m，175μs/m)。
圖8表示利用合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，每兩個合成震源相位編碼成一組，目標照明的深度是2200米，采用分段平面波合成震源波場，分段方法是均分三段。與未相位編碼的合成震源記錄疊前深度偏移相比效率提高一倍，同圖7相比，在成像質量上幾乎一樣。
圖9表示利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，一組為四個合成震源記錄，M取2。目標照明的深度是2200米，采用分段平面波合成震源波場，分段方法是均分三段。圖9同圖7相比，在成像質量上僅有細微的差別，而計算效率提高了三倍。
圖10表示利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，一組六個合成震源記錄，M取3。目標照明的深度是2200米，采用分段平面波合成震源波場，分段方法是均分三段。圖10同圖7相比，效率提高五倍，信噪比有所降低。
圖11表示利用合成震源記錄與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，每四個合成震源記錄為一組，目標照明的深度是2200米，采用分段平面波合成震源波場，分段方法是均分三段。同圖9相比，信噪比降低，此算例說明合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法可以更好地壓制因相位編碼產生的偏移噪音。
圖12是利用初至旅行時的積分法疊前深度偏移剖面，運算時間多于每四個和六個平面波震源一組的相位編碼合成震源記錄疊前深度偏移，很顯然，其成像質量，尤其是兩千米以下，復雜構造下的成像不及相位編碼記錄疊前深度偏移中的任何一個。
圖13表示目標照明的合成震源記錄疊前深度偏移剖面，使用了射線參數從-166.2μs/m到175.1μs/m，射線參數間隔為12.64μs/m。共28個平面波震源，目標照明的深度是3000米，采用合成平面波震源波場。以此結果為標準，檢驗相位編碼合成震源記錄疊前偏移的效果。
圖14表示利用合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，目標照明的深度是3000米，每兩個合成震源記錄為一組，在成像質量上同圖13相比，幾乎一樣，而效率提高一倍。
圖15表示利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，目標照明的深度是3000米，每四個合成震源記錄為一組，計算效率提高三倍。
圖16表示利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，目標照明的深度是3000米，每七個合成震源記錄為一組，計算效率提高六倍。比較圖14、圖15和圖16可以看出，隨著相位編碼使用的合成震源記錄個數的增加，偏移結果的信噪比逐步降低，但仍可得到主要構造的良好成像結果。
發明內容
本發明是一種利用合成震源記錄相位編碼的疊前深度偏移方法，其特征在于在疊前深度偏移中合成震源包括平面波和非平面波合成震源，合成震源和合成震源記錄必須符合三個條件，且生成合成震源和合成震源記錄的合成算子由波動方程解的如下三個性質的運算組成①線性性在頻率域對應復數加法和乘法；②時移性在頻率域對應一固定的相位因子與炮記錄道的復數乘法；③褶積性在頻率域對應一濾波因子與炮記錄道的復數乘法。合成震源和合成震源記錄分為地表平面波和非平面波合成震源和對應的合成震源記錄及地下照明的合成震源和對應的合成震源記錄，它們都必須符合如下三個條件①滿足波動方程；②合成震源記錄數與原炮數相比，數量顯著降低；③合成震源和合成震源記錄的計算和應用方便。地表合成震源包括平面波和非平面波合成震源，地表合成震源和合成震源記錄用如下步驟生成①在頻率域構造合成算子；②提取震源子波，在頻率域構造震源子波向量；③在頻率域構造震源記錄向量；④對合成算子和震源子波向量作向量的數量積，生成新的震源，即合成震源；對合成算子和震源記錄向量作“向量的數量積”，生成新的合成震源記錄，即合成震源記錄。產生地下照明的合成震源波場包括平面波波場和非平面波波場，地下照明的合成震源和合成震源記錄如下構成①在地下某深度形成平面波波場或分段平面波波場(即非平面波波場)；②應用上行波方程和富利葉有限差分法，把地下某深度形成的平面波波場或分段平面波波場延拓至地面，形成地下照明的合成震源；③由地下照明的合成震源和震源子波構成合成算子；④由合成算子和已知的炮記錄向量構成地下照明的合成震源記錄。
一種利用合成震源記錄與頻率有關的或與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于相位編碼包括合成震源和合成震源記錄乘相位因子后疊加，對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像，計算合成震源和合成震源記錄相位編碼有兩個條件①合成震源和合成震源記錄的譜隨角頻率的變化是光滑的；②當兩個射線參數相近時，合成震源和合成震源記錄對應的互相關函數的譜也相近。利用合成震源和合成震源記錄相位編碼的兩個條件可形成如下兩個合成震源記錄相位編碼方法①根據合成震源和合成震源記錄的譜隨角頻率的變化是光滑的條件，可以設計出合成震源記錄與頻率有關的相位編碼方法；②根據當兩個射線參數相近時，合成震源和合成震源記錄對應的互相關函數的譜也相近的條件，可設計出合成震源記錄與頻率無關的相位編碼方法；③合成震源和合成震源記錄與頻率有關的相位編碼方法是針對兩個合成震源和合成震源記錄進行相位編碼；④合成震源和合成震源記錄與頻率無關的相位編碼方法是針對多個合成震源記錄進行相位編碼；⑤合成震源記錄兩個相位編碼方法，產生相應的兩個疊前深度偏移方法，即與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法和與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法。
合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法的步驟如下①把參與成像的合成震源和合成震源記錄兩兩分為一組；②把相位編碼值選擇為正負相間的二分之一π弧度；③在每一組中按頻率大小依次乘以上一步所選的相位編碼值，這樣，合成震源和合成震源記錄在相位編碼后的成像公式中，它們的互相關函數值只與正負相間的互相關函數譜之和有關，可使互相關函數很小；④對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像；⑤每組依次按以上步驟處理，把各組得到的相關成像的結果疊加，即是合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移的結果。
合成震源記錄與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法的步驟如下①把參與成像的合成震源和合成震源記錄分為若干組，每組的個數相等，設為M；②選相位編碼的初值；③把相位編碼的初值代入與頻率無關的相位編碼的遞推公式，得到與頻率無關的相位編碼的第二個相位編碼值；
④把相位編碼的第二個相位編碼值代入與頻率無關的相位編碼的遞推公式，得到與頻率無關的相位編碼的第三個相位編碼值，以此遞推，可得到M個相位編碼值；⑤對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像；⑥每組依次按以上步驟處理，把各組得到的相關成像的結果疊加，即是合成震源記錄與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移的結果。
一種利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于①在相位編碼一組合成震源和合成震源記錄時，同時使用兩種不同的相位編碼方法；②同時使用兩種不同的相位編碼方法，等價于同時應用了兩個條件。合成震源記錄混合相位編碼方法是針對多個合成震源記錄進行相位編碼，即把參與成像的合成震源和合成震源記錄分為若干組，每組的個數相同，合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法實現過程如下①在相位編碼一組合成震源和合成震源記錄時，如一組為四個(或六個)合成震源和合成震源記錄。然后把一組中的合成震源和合成震源記錄分為兩部分，如每一部分為兩個(或三個)合成震源和合成震源記錄；②前一部分使用與頻率無關的相位編碼方法，后一部分的相位編碼是與頻率有關的相位編碼方法和與頻率無關的相位編碼方法的結合，其相位編碼值分為兩項，第一項與頻率無關，第二項隨頻率劇烈變化；③對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像計算；④每組依次按以上步驟處理，把各組得到的相關成像的結果疊加，即是合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移的結果。
下面對本發明進行詳細說明合成震源與合成震源記錄在野外采集到的炮集記錄可以看成是波動方程的解在地面的記錄，是波動方程解的一部分，它同在地面的震源子波與物理實驗相對應，是我們已知的物理實驗數據，滿足波動方程。合成震源與合成震源記錄的目的是，通過這些已知的物理實驗數據，產生新的震源和與其對應的新的震源記錄，并使新產生的震源和與其對應的新的震源記錄符合如下條件1)滿足波動方程2)與原炮數相比數量顯著降低3)生成和使用方便。下面我們稱符合上面三個條件的新的震源和對應的新的震源記錄為合成震源與合成震源記錄。
波動方程解的三個性質從已知的炮集記錄即物理實驗數據，生成新的物理實驗數據的根據是聲波方程解的三個性質，即線性性，時移性和可褶積性，這是計算合成震源與合成震源記錄的依據。線性性的含義如下令L=∂2∂x2+∂2∂z2-1v2∂2∂t2]]>如果Lp1＝s1；Lp2＝s2那么有L(ap1+bp2)＝as1+bs2(1)其中v表示速度場，s1和s2表示震源項，或稱為震源子波，簡稱子波。p1和p2表示對應于震源項s1和s2的解，a和b是任意實或復常數。為書寫簡潔，省略了函數s1、s2、p1和p2的空間和時間自變量，以下同。下標2可以推廣到任意整數，s1和s2可以相同也可以不同，p1和p2亦然。時移性可表述如下如果Lp(t)＝s(t)(2)那么Lp(t±t1)＝s(t±t1) (3a)其中t1是任意固定常數。時移性在頻率域可表示為L[p(ω)exp(iωt1)]＝s(ω)exp(iωt1) (3b)時移性表示在空間同一位置上，任何時間放炮得到的記錄除起始時間不同以外，其他應該是一樣的，即某一時刻放炮得到的炮記錄與另一時刻放炮得到的炮記錄的差別僅僅是起始時間的移動而已。
從線性性和時移性不難得出可褶積性即L[p(t)*h(t)]＝s(t)*h(t)(4a)此性質在頻域可表示為L[p(ω)h(ω)]＝s(ω)h(ω) (4b)其中h(t)表示濾波因子，褶積性可以看成是線性性(1)式中常數a和b的擴展與時移性的結合，(4b)表示對震源和炮記錄的各道作同一個褶積運算后，其結果仍然滿足波動方程。
合成算子的產生合成震源由合成算子和震源子波產生，合成震源記錄由合成算子和野外接收到的炮記錄產生。針對不同的成像要求，可以設計不同的合成震源，對不同的合成震源又可以設計不同的合成算子，地面平面波震源的合成算子可用向量定義如下syn→=[exp(iωt1),exp(iωt2),...,exp(iωtn)---(5)]]>其中 ti＝p(xi-xc)(6)p=sinαv0---(7)]]>這里v0表示地表速度，p表示射線參數，單位是慢度，α是平面波入射角，xi，(i＝1，2，...n)表示炮點在水平方向上的坐標，xc表示各炮點坐標的中點。
假設各炮的震源子波相同，測線上所有不同位置的震源用向量表示如下s(ω)→=[s(ω,x1),s(ω,x2),...,s(ω,xn)]=[s(ω),s(ω),...,s(ω)]]]>對應于射線參數p的平面波合成震源S(ω)可表示為S(ω)=syn→·s(ω)→=Σiexp(iωti)s(ω,xi)=syn→·s(ω)=Σiexp(iωti)s(ω)---(8)]]>這里應用的是波動方程解的線性性和時移性。圖A.1表示的是p＝0時的平面波震源，圖A.2表示的是p＝-58.1μs/m時的平面波震源，圖A.3表示的是p＝58.1μs/m時的平面波震源。與平面波合成震源類似，測線上所有不同位置的炮記錄形式上可用向量表示如下p(ω)→=[p(ω,x1),p(ω,x2),...,p(ω,xn)]]]>與平面波合成震源S(ω)相對應的平面波合成震源記錄P(ω)可表示為P(ω)=syn→·p(ω)→=Σiexp(iωti)p(ω,xi)---(9)]]>(9)式的右邊表示類似向量與向量的數量積，不同點在于項exp(iωti)pi(ω)的含義是對整個炮記錄pi(ω，xi)作時移，求和的意義是對地面同一位置的道相加，與(8)式相同，(9)式應用的是波動方程解的線性性和時移性。這樣，S(ω)和P(ω)就組成了新的滿足波動方程的物理實驗，它具有射線參數p，不同p值的平面波合成震源，形成不同照射角度的物理實驗。
地下照明平面波合成算子為使復雜構造下的地層更好成像，設計地下照明波場是一種有效手段。先以照明波場是平面波為例來說明如何構造合成算子，用S(ω，xi，zm)表示深度為zm處的地下合成的平面波照明波場，用上行波方程向上作波場延拓可以得到地表震源波場S(ω，xi，z＝0)。實際上，S(ω，xi，z＝0)就是(8)式的左邊的合成震源。不失一般性，假設各炮的震源子波相同為s(ω)，地下平面波照明合成算子可計算如下s(ω,xi)=S(ω,xi,z=0)s(ω),i=1,2,···,n---(10)]]>這里，應用的是(4)式。子波s(ω)可從記錄中提取也可采用雷克子波，當ω和xi固定時，(10)式右邊是兩個復數相除，表示合成算子向量的第i個分量。地下平面波照明合成算子 可表示為syn→=[s(ω,x1),s(ω,x2),···,s(ω,xn)]]]>利用(10)式的地下平面波照明合成算子和(9)式，可以得到與地下平面波合成震源S(ω，xi，z＝0)相對應的地下平面波合成震源記錄為P(ω)=syn→·p(ω)→=Σip(ω,xi)s(ω,xi)---(11)]]>(10)和(11)式中的s(ω，xi)相當于(4b)式中的h(ω)，xi表示炮點位置。(11)式表示先對每炮的道作同一褶積運算，然后再把各炮同一位置的道相加，即把共檢波點道集相加。地下平面波合成震源和地下平面波合成震源記錄又稱為面炮震源和面炮震源記錄。
非平面波合成算子對一般成像要求，地面平面波震源都可滿足，其成像質量如炮集偏移一樣。對復雜構造下成像，由于有地下照明手段，面炮震源記錄偏移與炮集偏移相比，要更勝一籌。然而，平面波震源在地下構造特別陡時，平面波震源的最大時間與最小時間會相差很大，這樣會增加計算量。根據波動方程解的性質，本發明除設計平面波震源外還可以設計非平面波震源，如圖2所示的分段平面波震源，它們既可作為地表的合成震源也可作為地下照明的合成震源波場，地表分段平面波震源合成算子可分段利用(6)式計算，在每段內分段平面波震源合成算子與平面波合成算子的計算相同，都利用(10)式計算。分段平面波合成震源和合成震源記錄分別利用(8)式和(11)式計算。圖B.1表示的是p＝-58.1μs/m時的分段平面波震源，圖B.2表示的是p＝58.1μs/m時的分段平面波震源。平面波震源和分段平面波震源也可作為地下照明的平面波震源波場和分段平面波震源波場。分段平面波合成震源保持了平面波合成震源的特點，又解決了平面波震源最大時間與最小時間相差很大時影響計算效率的問題。本發明把平面波合成震源和非平面波合成震源及其對應的記錄統稱為合成震源和合成震源記錄。
合成震源與合成震源記錄波場延拓與成像由于單炮震源和單炮記錄與合成震源與合成震源記錄相對應，它們都是物理實驗，所以在作疊前深度偏移時，合成震源與合成震源記錄的波場延拓與成像均可采用與單炮震源與單炮震源記錄波場延拓和成像相同的方法，如波場延拓可采用富利葉有限差分法，而成像可使用如下互相關成像準則rj(x,zn)=Re[ΣωPj(ω,x,zn)Sj*(ω,x,zn)]---(12)]]>在(12)式中，zn表示深度，x表示水平距離，Pj(ω，x，zn)和Sj(ω，x，zn)分別表示合成震源與合成震源記錄在深度為zn，水平距離為x的波場值，下標j依次表示取不同射線參數p所對應的合成震源與合成震源記錄。rj(x，zn)是疊前深度偏移剖面，*號表示取共軛，Re表示取復數的實部，由于每一個合成震源和它對應的合成震源記錄等價于一次物理實驗，為了得到高成像質量的疊前深度偏移剖面，需要作不同射線參數合成震源和合成震源記錄偏移，并把成像結果疊加，以得到最終偏移結果r(x，zn)r(x,zn)=Σj=1Nqrj(x,zn)---(13)]]>(13)式中的Nq表示合成震源射線參數的個數。
合成震源記錄的相位編碼方法盡管合成震源疊前深度偏移可以成倍、成幾十倍地提高炮集深度偏移的效率，然而，與積分法的計算效率相比，基于波場延拓偏移方法的效率仍偏低，因而進一步提高基于波場延拓偏移方法的效率仍是一個有實用意義的重要課題。本發明通過對合成震源記錄的相位編碼，成倍地提高了合成震源記錄疊前深度偏移的效率。合成震源記錄的相位編碼方法包括合成震源記錄與頻率有關的相位編碼方法和合成震源記錄與頻率無關的相位編碼，及合成震源記錄的混合相位編碼方法。一般而言，合成震源記錄相位編碼時，要把參與成像的合成震源記錄分成若干組，每組的個數設為N，N個合成震源波場相位編碼后可得到一個疊加的合成震源波場 對應的相位編碼后的合成震源記錄是N個合成震源記錄相位編碼后疊加的結果 其中j是相位編碼值。應用互相關成像準則(12)式，與單個合成震源記錄偏移同樣的波場延拓步驟，可得橫向位置為x，深度為z處的合成震源記錄相位編碼偏移的結果r‾(x,z)=Re{ΣωΦs*(x,z,ω)Φr(x,z,ω)}---(16)]]>把(14)式和(15)式代入(16)式，其中除含有所需的成像項以外，會產生許多人為的交互項，這是我們要設法去掉的人為偏移噪音，相位編碼的目的是確定相位j(1≤j≤N)，使相位編碼偏移后的結果r(x，z)接近于單獨N個合成震源記錄偏移疊加的結果r(x，z)r(x,z)=Re{Σj=1NΣωPj(x,z,ω)Sj*(x,z,ω)}---(17)]]>j取不同的相位編碼值，得到不同的相位編碼方法。本發明合成震源記錄相位編碼有兩個條件第一個條件是合成震源和合成震源記錄的譜隨角頻率的變化是光滑的；第二個條件是當兩個射線參數相近時，合成震源和合成震源記錄對應的互相關函數的譜也相近。它們分別是合成震源記錄與頻率有關的相位編碼方法和合成震源記錄與頻率無關的相位編碼方法的基礎。
合成震源記錄與頻率有關的相位編碼方法該方法針對兩個合成震源記錄為一組進行相位編碼，不考慮合成震源的射線參數間隔，把合成震源記錄相位編碼后的交互項P1(x，z，ω)S2*(x，z，ω)exp(1-2)和P2(x，z，ω)S1*(x，z，ω)exp(2-1)相加，取1(ω)＝(0，0，0，0，......)， 就可以很好地壓制相位編碼引起的偏移噪音。這種編碼方法應用的是第一個條件，即合成震源與合成震源記錄的譜Sj(x，z，ω)和Pj(x，z，ω)(j＝1，2，...，N)，隨ω的變化是光滑的。根據這一條件，Sj(x，z，ω)和Pj(x，z，ω)(j＝1，2)均隨角頻率ω緩變，因此互相關函數也隨ω緩變，選取相位函數使相鄰的頻率取反號，對所有頻率求和時，使(16)式右邊中的交互項取較小值。
合成震源記錄與頻率無關的相位編碼方法該方法針對多個合成震源記錄為一組進行相位編碼。把參與成像的合成震源記錄分成若干組，每組合成震源記錄的個數都為N。取射線參數間隔較小的合成震源為一組，一般情況，五度以下即可。根據第二個條件，當兩個射線參數相近時，它們對應的互相關函數的譜Pj(x，z，ω)Sk*(x，z，ω)和Pk(x，z，ω)Sj*(x，z，ω)，(k，j＝1，2，...，N)也相近，對N≥j，k≥1，j≠k，因此有Pj(x,z,ω)Sk*(x,z,ω)≈Pk(x,z,ω)Sj*(x,z,ω)≡c(x,z,ω)]]>在(16)式中，把PjSk*(x，z，ω)exp(j-k)項和PkSj*(x，z，ω)exp(k-j)項相結合，再利用上式，所有互相關函數之和可近似表示為 令其近似為零，可知相位j(j＝1，...，N)應滿足 (18)式可以使用迭代方法求解，首先選初值1，由1可求出2，假定已求得相位2，3，...k，相位k+1為 由(19)式，可確定所有N個相位編碼值。
合成震源記錄的混合相位編碼合成震源記錄的混合相位編碼基于合成震源記錄與頻率有關和與頻率無關相位編碼基礎之上，把參與成像的合成震源記錄分成若干組，每組合成震源記錄的個數都為N，取1≤M≤N，規定當j≤M時相位j與頻率無關，并且M＜j≤N時相位j與頻率有關j(ω)＝j+f(ω)(M＜j≤N)，其中j(M＜j≤N)與頻率無關，f(ω)=(π2,-π2,π2,-π2,......).]]>我們的目的是確定相位j(1≤j≤N)，使相位編碼偏移后的結果r(x，z)接近于單獨N個合成震源記錄偏移疊加的結果r(x，z)。顯然，(16)式的計算效率要比(17)式高N倍。問題是如何消除(16)式中的偏移誤差。把混合相位編碼值j代入(14)和(15)式，然后把(14)和(15)式代入(16)式，由(16)和(17)式可知，(16)式中，除了含(17)式的成像項之外，還包括許多不需要的交互項，用(16)式減(17)式，從簡單的代數運算可知，相位編碼后，由交互項引起的人為偏移誤差ε可分為三種類型，表示如下
ε＝r(x，z)-r(x，z)＝r1(x，z)+r2(x，z)+r3(x，z) (20)(20)式中的r1(x，z)，r2(x，z)和r3(x，z)，分別為由含j，j和含f(ω)的交互項組成。其中j，j，用與頻率無關的相位編碼方法求出，利用合成震源記錄相位編碼的第二個條件，可使r1(x，z)和r2(x，z)很小。利用合成震源記錄相位編碼的第一個條件和f(ω)，同與頻率有關的相位編碼方法同理，可使r3(x，z)很小。實際應用表明，由于合成震源記錄的混合相位編碼方法同時使用了兩個條件，因而具有更靈活，更一般的特點，效果最好。
本發明的合成震源記錄混合相位編碼方法允許部分相位值隨頻率變化，參數M定義了與頻率無關的相位編碼值的合成震源記錄個數，當M＝N時退化為合成震源記錄與頻率無關的相位編碼方法，文獻[8]中與頻率無關的相位編碼方法是針對炮記錄的，而炮記錄是合成震源記錄的特例，因此，文獻[8]中的與頻率無關的相位編碼方法是本發明合成震源記錄相位編碼方法的特例。同理，文獻[8]中的與頻率有關的相位編碼方法是本發明合成震源記錄相位編碼方法的特例。
本發明的優點如下(1)適應劇烈橫向變速，適應復雜構造下成像。
(2)計算精度高，等價于炮集記錄偏移。
(3)合成震源記錄疊前深度偏移方法在性能上，與共炮檢距剖面偏移等價，有利于速度分析。
(4)震源波場設計靈活，既可以為平面波震源也可以為非平面波震源。可構成各種獨有的照明手段，可以把震源波場從地表移到地下目標區。
(5)對不同介質運用不同波場延拓方法。
(6)計算速度比炮集偏移快幾倍到幾十倍，內存省，可推廣到3維疊前深度偏移。
(7)成像方法多不僅有相關成像，而且有最小二乘成像和目標成像。
(8)適應起伏地表。
(9)采用合成震源記錄混合編碼方法，成倍提高了合成震源記錄疊前深度偏移計算效率。
(10)算法的并行性好，有利于并行計算。
具體實施例方式
本發明提出的一種利用相位編碼合成震源記錄疊前深度偏移方法，可以在適當配置的微機或工作站上，編制成相應的計算機程序予以實現。所提方法程序的基本計算框圖見圖C。
實施例應用本發明提出的相位編碼合成震源記錄疊前深度偏移方法，使用目標照明手段，編制了相應的計算機程序對Marmousi模型和墨西哥灣海底電纜縱波數據進行試算，證實了本發明方法的正確性和有效性。一.Marmousi模型試算圖1a表示目標照明的合成震源記錄疊前深度偏移得到的Marmousi模型數據的疊前深度偏移剖面。共使用了30個不同角度的射線參數P，射線參數間隔ΔP＝12.5μs/m(約2.5度)，目標照明的深度是2200米。射線參數P的取值范圍是(-187.5μs/m，175μs/m)。
圖1b表示利用合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，每兩個合成震源相位編碼成一組，目標照明的深度是2200米，采用分段平面波合成震源波場，分段方法是均分三段。與未相位編碼的合成震源記錄疊前深度偏移相比效率提高一倍，同圖1a相比，在成像質量上幾乎一樣。
圖1c，1d表示利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，一組分別為四個和六個合成震源記錄，M分別取2和3。目標照明的深度是2200米，采用分段平面波合成震源波場，分段方法是均分三段。圖1c同圖1a相比，在成像質量上僅有細微的差別，而計算效率提高了三倍。圖1d同圖1a相比，效率提高五倍，信噪比有所降低。
圖1e表示利用合成震源記錄與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，每四個合成震源記錄為一組，目標照明的深度是2200米，采用分段平面波合成震源波場，分段方法是均分三段。同圖1c相比，信噪比降低，此算例說明合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法可以更好地壓制因相位編碼產生的偏移噪音。
圖1f是利用初至旅行時的積分法疊前深度偏移剖面，運算時間多于每四個和六個平面波震源一組的相位編碼合成震源記錄疊前深度偏移，很顯然，其成像質量，尤其是兩千米以下，復雜構造下的成像不及相位編碼記錄疊前深度偏移中的任何一個。二.墨西哥灣海底電纜縱波數據試算該數據集是在墨西哥灣Mahogany地區，固定海底接收點，炮點在海面移動采集的，共分七段施工，相當于每炮都變觀。
圖2a表示目標照明的合成震源記錄疊前深度偏移剖面，使用了射線參數從-166.2μs/m到175.1μs/m，射線參數間隔為12.64μs/m。共28個平面波震源，目標照明的深度是3000米，采用合成平面波震源波場。以此結果為標準，檢驗相位編碼合成震源記錄疊前偏移的效果。
圖2b表示利用合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，每兩個合成震源記錄為一組，在成像質量上同圖2a相比，幾乎一樣，而效率提高一倍。
圖2c，2d表示利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法得到的偏移剖面，分別為每四個，七個合成震源記錄為一組，計算效率分別提高三倍，六倍。比較圖2b，2c，2d可以看出，隨著相位編碼使用的合成震源記錄個數的增加，偏移結果的信噪比逐步降低，但仍可得到主要構造的良好成像結果。
引用文獻美國專利文件6,021,094 2/2001 Ober et al 367/53其它文獻[1]Han B.A.，1998 comparison of four depth-migration methodsPresented at 68rd SEG Mtg.[2]Rietveld W E A.，1995 Controlled illumination of prestack seismic migrationPh.D.thesis，DelftUniversity of Technology，The Netherlands.[3]張叔倫，孫沛勇，1999，基于平面波合成的富立葉有限差分疊前深度偏移石油地球物理勘探，34(1)，1～7.[4]Ristow D，Rühl T.，1994，Fourier finite-difference migrationGeophysics，59(12)，1882～1893.[5]Rühl T. Kopp C，Ristow D.，1995，Fourier finite-difference migration for steeply dipping reflectors withcomplex overburdenGeophysical prospecting，43(7)，919～938.[6]孫沛勇，張叔倫，2000，平面波最大能量疊前深度偏移石油地球物理勘探，35(3)，283～289。[7]Romero L. A.，Ghiglia D.C.，Ober C.C.，Morton S.A.，2000 Phase encoding of shot records in prestackmigrationGeophysics，65(2)，426～436.[8]Jing X，Finn C，Dickens T A.，Willen D E.，2000 Encoding multiple shot gathers in prestack migrationPresented at 70rd SEG Mtg.[9]Berkhout，A.J.，1985，Seismic migrationImaging ofAcoustic energy by wavefield extrapolation.A.Theroretical Aspects3rdEdElsevier Science Publ.Co.，Inc.
權利要求
1一種利用合成震源記錄相位編碼的疊前深度偏移方法，其特征在于在疊前深度偏移中合成震源包括平面波和非平面波合成震源，合成震源和合成震源記錄必須符合三個條件，且生成合成震源和合成震源記錄的合成算子由波動方程解的如下三個性質的運算組成①線性性在頻率域對應復數加法和乘法；②時移性在頻率域對應一固定的相位因子與炮記錄道的復數乘法；③褶積性在頻率域對應一濾波因子與炮記錄道的復數乘法。
2根據權利要求1，一種利用合成震源記錄相位編碼的疊前深度偏移方法。其特征在于，合成震源和合成震源記錄分為地表平面波和非平面波合成震源和對應的合成震源記錄及地下照明的合成震源和對應的合成震源記錄，它們都必須符合如下三個條件①滿足波動方程；②合成震源記錄數與原炮數相比，數量顯著降低；③合成震源和合成震源記錄的計算和應用方便。
3根據權利要求1，一種利用合成震源記錄相位編碼的疊前深度偏移方法。其特征在于地表合成震源包括平面波和非平面波合成震源，地表合成震源和合成震源記錄用如下步驟生成①在頻率域構造合成算子；②提取震源子波，在頻率域構造震源子波向量；③在頻率域構造震源記錄向量；④對合成算子和震源子波向量作向量的數量積，生成新的震源，即合成震源；對合成算子和震源記錄向量作“向量的數量積”，生成新的合成震源記錄，即合成震源記錄。
4根據權利要求1，一種利用合成震源記錄相位編碼的疊前深度偏移方法，其特征在于產生地下照明的合成震源波場包括平面波波場和非平面波波場，地下照明的合成震源和合成震源記錄如下構成①在地下某深度形成平面波波場或分段平面波波場(即非平面波波場)；②應用上行波方程和富利葉有限差分法，把地下某深度形成的平面波波場或分段平面波波場延拓至地面，形成地下照明的合成震源；③由地下照明的合成震源和震源子波構成合成算子；④由合成算子和已知的炮記錄向量構成地下照明的合成震源記錄。
5一種利用合成震源記錄與頻率有關的或與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于相位編碼包括合成震源和合成震源記錄乘相位因子后疊加，對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像，計算合成震源和合成震源記錄相位編碼有兩個條件①合成震源和合成震源記錄的譜隨角頻率的變化是光滑的；②當兩個射線參數相近時，合成震源和合成震源記錄對應的互相關函數的譜也相近。
6根據權利要求5，一種利用合成震源記錄與頻率有關的或與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于利用合成震源和合成震源記錄相位編碼的兩個條件可形成如下兩個合成震源記錄相位編碼方法①根據合成震源和合成震源記錄的譜隨角頻率的變化是光滑的條件，可以設計出合成震源記錄與頻率有關的相位編碼方法；②根據當兩個射線參數相近時，合成震源和合成震源記錄對應的互相關函數的譜也相近的條件，可設計出合成震源記錄與頻率無關的相位編碼方法；③合成震源和合成震源記錄與頻率有關的相位編碼方法是針對兩個合成震源和合成震源記錄進行相位編碼；④合成震源和合成震源記錄與頻率無關的相位編碼方法是針對多個合成震源記錄進行相位編碼；⑤合成震源記錄兩個相位編碼方法，產生相應的兩個疊前深度偏移方法，即與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法和與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法。
7根據權利要求6，一種利用合成震源記錄與頻率有關的或與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移方法的步驟如下①把參與成像的合成震源和合成震源記錄兩兩分為一組；②把相位編碼值選擇為正負相間的二分之一π弧度；③在每一組中按頻率大小依次乘以上一步所選的相位編碼值，這樣，合成震源和合成震源記錄在相位編碼后的成像公式中，它們的互相關函數值只與正負相間的互相關函數譜之和有關，可使互相關函數很小；④對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像；⑤每組依次按以上步驟處理，把各組得到的相關成像的結果疊加，即是合成震源記錄與頻率有關的相位編碼疊前深度偏移的結果。
8根據權利要求6，一種利用合成震源記錄與頻率有關的或與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于合成震源記錄與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移方法的步驟如下①把參與成像的合成震源和合成震源記錄分為若干組，每組的個數相等，設為M；②選相位編碼的初值；③把相位編碼的初值代入與頻率無關的相位編碼的遞推公式，得到與頻率無關的相位編碼的第二個相位編碼值；④把相位編碼的第二個相位編碼值代入與頻率無關的相位編碼的遞推公式，得到與頻率無關的相位編碼的第三個相位編碼值，以此遞推，可得到M個相位編碼值；⑤對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像；⑥每組依次按以上步驟處理，把各組得到的相關成像的結果疊加，即是合成震源記錄與頻率無關的相位編碼疊前深度偏移的結果。
9一種利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于①在相位編碼一組合成震源和合成震源記錄時，同時使用兩種不同的相位編碼方法；②同時使用兩種不同的相位編碼方法，等價于同時應用了兩個條件。
10根據權利要求9，一種利用合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法，其特征在于合成震源記錄混合相位編碼方法是針對多個合成震源記錄進行相位編碼，即把參與成像的合成震源和合成震源記錄分為若干組，每組的個數相同，合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移方法實現過程如下①在相位編碼一組合成震源和合成震源記錄時，如一組為四個(或六個)合成震源和合成震源記錄。然后把一組中的合成震源和合成震源記錄分為兩部分，如每一部分為兩個(或三個)合成震源和合成震源記錄；②前一部分使用與頻率無關的相位編碼方法，后一部分的相位編碼是與頻率有關的相位編碼方法和與頻率無關的相位編碼方法的結合，其相位編碼值分為兩項，第一項與頻率無關，第二項隨頻率劇烈變化；③對相位編碼后的合成震源和合成震源記錄進行富利葉有限差分法波場延拓和相關成像計算；④每組依次按以上步驟處理，把各組得到的相關成像的結果疊加，即是合成震源記錄混合相位編碼疊前深度偏移的結果。
全文摘要
本發明提供了在復雜構造下一種利用合成震源記錄相位編碼疊前深度偏移方法。通過把面炮的平面波震源和地下照明的平面波震源波場推廣為非平面波震源和地下照明的非平面波震源波場，把相位編碼技術和一種新的混合相位編碼技術，應用到目標照明的面炮記錄或合成震源記錄上，既可使面炮記錄偏移效率成倍提高，又可降低因相位編碼產生的人為誤差，保持成像的高質量。
文檔編號G01V1/28GK1472547SQ0212588
公開日2004年2月4日 申請日期2002年8月1日 優先權日2002年8月1日
發明者張叔倫, 孫沛勇, 趙景霞 申請人:張叔倫, 孫沛勇, 趙景霞