一種三分量檢波器水平分量快速校正方法

李懷良，庹先國，，蔣　鑫，劉　瑤

一種三分量檢波器水平分量快速校正方法

李懷良1，庹先國1，2，蔣鑫2，劉瑤1

（1.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室，四川綿陽621010；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

針對三分量垂直地震測井（VSP）資料采集過程中，普遍存在的檢波器水平分量方位隨機、三分量旋轉(zhuǎn)定向困難等問題。結(jié)合VSP資料采集的特點，集成設(shè)計一種可快速獲取高精度方位信息的檢波器姿態(tài)檢測方式，基于該方位執(zhí)行重新旋轉(zhuǎn)投影實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速校正。該方法利用低成本加速度計、陀螺儀、電子羅盤實現(xiàn)姿態(tài)檢測，并利用OpenGL三維建模技術(shù)重構(gòu)并顯示檢波器的姿態(tài)信息，根據(jù)獲取的方位信息結(jié)合三分量檢波器水平分量的旋轉(zhuǎn)投影關(guān)系及數(shù)據(jù)融合算法，獲得精準的校正公式，從而實現(xiàn)水平分量數(shù)據(jù)的快速校正。大量現(xiàn)場試驗證明該方法可行有效，且相較于傳統(tǒng)方法，校正結(jié)果更可靠、速度更快。

三分量VSP；地震數(shù)據(jù)校正；姿態(tài)檢測；方位校正

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.020

0　引言

三分量地震勘探已成為目前主流的油氣勘探方法［1-3］，但在井中、海上等復(fù)雜條件下進行三分量勘探時，普遍存在著三分量檢波器垂直分量的方向偏離鉛垂方向；并且當(dāng)井下三分量檢波器從一個深度移到另一個深度時，檢波器水平分量的方位是隨機取向的；因此，需要采取有效的方法實現(xiàn)水平分量數(shù)據(jù)的準確校正。當(dāng)前國內(nèi)外主要通過能量近似估算的方法（即利用3個分量資料的直達波能量）計算水平分量方位角［4-7］，以此為基礎(chǔ)進行旋轉(zhuǎn)校正，這一方法在長期的海上三分量地震勘探中發(fā)揮了重要作用，也取得了比較好的效果，但不可否認其自身也存在兩個固有問題：1）利用校正前的原始數(shù)據(jù)近似估算方位角，再利用該方位角進行校正，校正數(shù)據(jù)的真實性和精度值得商榷；2）涉及大量的數(shù)據(jù)計算，復(fù)雜度較高，尤其是在當(dāng)前大規(guī)模三分量勘探領(lǐng)域的應(yīng)用有一定限制［8］。

因此本文從硬件的角度，設(shè)計一種水平分量數(shù)據(jù)的快速校正方法，通過獲取水平分量檢波器方位和傾角信息，同時兼顧井中檢波器旋轉(zhuǎn)的隨機性，實時獲取檢波器的姿態(tài)信息，以此為基礎(chǔ)對檢波器的水平分量進行重新旋轉(zhuǎn)投影，從而實現(xiàn)水平分量數(shù)據(jù)的快速校正，并借助OpenGL三維圖形顯示函數(shù)，完成檢波器姿態(tài)檢測的可視化。通過有效的校正有助于選擇合理的震源激發(fā)位置，提高地震記錄的信噪比。

1　姿態(tài)檢測技術(shù)的數(shù)字集成

檢波器姿態(tài)檢測的數(shù)字集成，主要是檢波器3個軸向上同軸連接MEMS慣性傳感器組，以慣性傳感器為基礎(chǔ)組合實現(xiàn)傾角與方位信息的快速測量，具體實現(xiàn)過程如下所述。

1.1MEMS慣性傳感器組合

MEMS慣性傳感器組由三軸電子羅盤，三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀組成，分別用于測量地磁分量、傾角和對整個系統(tǒng)進行動態(tài)補償［9-10］。3種慣性傳感器的每個軸向?qū)?yīng)組合疊加成慣性傳感器組的3個軸向，然后將MEMS傳感器組軸向與三分量地震傳感器的各個軸向同軸對應(yīng)相連，如圖1所示。通過這種方式，三分量傳感器的姿態(tài)變化便可由慣性傳感器組所測量的姿態(tài)信息得到。

電子羅盤主要用于測量地磁的大小，從而得到傳感器敏感軸的方位指向，但是如果在電子羅盤處于傾斜狀態(tài)或是在受到地磁外強磁場干擾的情況下，其準確度便會受到一定的影響，導(dǎo)致測量得到的結(jié)果不準確［11-12］。

圖1　慣性傳感器組和檢波器3個軸向連接圖

加速度傳感器主要用于測量加速度的大小。在沒有外界加速度的情況下，測量的結(jié)果即是地球的重力加速度分解到各個軸向的分量；然后根據(jù)各個分量的大小計算傳感器組相對于水平面的傾斜角度，據(jù)此就可以對電子羅盤做出相應(yīng)的傾斜補償?？紤]到應(yīng)用的場合，當(dāng)檢波器固定時，只有地震傳感器接收到的地震波能夠?qū)铀俣葌鞲衅髟斐捎绊?，所以可以通過陀螺儀對其補償，得到需要的輸出。

陀螺儀可測量傳感器沿各個軸向的角速度，主要用于做動態(tài)補償，不過考慮到地震檢波器通常處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以設(shè)計中陀螺儀主要起輔助作用。

1.2數(shù)據(jù)融合設(shè)計

電子羅盤主要測量傳感器與地理正北的夾角，即方位角（ψ），其范圍為0°～360°。加速度傳感器主要測量檢波器正向與其在水平面上投影的夾角，向上仰為正，向下仰為負，右轉(zhuǎn)為正，左轉(zhuǎn)為負，即上下方向為俯仰角（φ），左右方向為翻滾角（θ）。計算公式為

式中：Hx，Hy，Hz——電子羅盤3軸的輸出；

Ax，Ay，Az——加速度傳感器3軸的輸出；

α——磁偏角（地磁北和地理北的夾角）。

陀螺儀具有良好的動態(tài)特性，可以通過積分得到短時的姿態(tài)變化信息，主要用于對電子羅盤的動態(tài)補償。計算公式為

由于加速度傳感器和電子羅盤得到的傳感器姿態(tài)角度不具有短時穩(wěn)定性，而陀螺儀進行長時間補償計算時，會產(chǎn)生累積誤差；所以，本文采用圖2中的互補濾波器來對慣性傳感器組的角度輸出進行融合計算，從而得到穩(wěn)定的輸出結(jié)果。

圖2　互補濾波算法示意圖

1.3檢波器姿態(tài)顯示設(shè)計

本文主要采用OpenGL三維建模技術(shù)的自由幾何變換方式將不同姿態(tài)信息的檢波器立體模型顯示在屏幕上。完成檢波器姿態(tài)信息獲取后，進行檢波器模型的自由幾何變換（在世界坐標(biāo)系下幾何圖元相對坐標(biāo)原點的平移、旋轉(zhuǎn)與縮放變換）。如圖3所示，移動坐標(biāo)原點相當(dāng)于檢波器模型的平移運動，旋轉(zhuǎn)變換是指檢波器模型所在的坐標(biāo)系發(fā)生旋轉(zhuǎn)變換?？s放變換比較復(fù)雜，由于檢波器模型是相對原點和坐標(biāo)系定義和繪制的，縮放坐標(biāo)系即是坐標(biāo)系中的檢波器模型縮放。

圖3　自由幾何變換

圖4　檢波器校正示意圖

2　校正算法設(shè)計

三分量垂直測井（VSP）采集時，檢波器旋轉(zhuǎn)校正示意圖如圖4所示。傾斜的井中，檢波器的3個分量構(gòu)成的直角坐標(biāo)系為c1c2c3。另外一個直角坐標(biāo)系uνw表示為：u軸鉛垂向下，w軸方向與c3軸方向相同，θ表示u軸到c1軸的夾角，ν軸與u軸垂直。xyz直角坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系，表示為：z軸與ν軸重合，x軸與u軸重合。三分量檢波器旋轉(zhuǎn)定向后的直角坐標(biāo)系crctcv定義為：cv軸鉛垂向下，cr軸沿震源與檢波器連線的水平方向，ct軸垂直于震源與檢波器連線方向。校正之前，VSP采集的三分量的數(shù)據(jù)是在c1c2c3坐標(biāo)系中，校正之后三分量的數(shù)據(jù)表示在直角坐標(biāo)系crctcv中。具體校正算法如下所述。

設(shè)VSP井中三分量檢波器所記錄的三分量分別為c1，c2，c3，將三分量旋轉(zhuǎn)到uνw直角坐標(biāo)系中可得到：

在xyz坐標(biāo)系中，設(shè)u軸的方向余弦為（p1，q1，r1），ν軸的方向余弦為（p2，q2，r2），w軸的方向余弦為（p3，q3，r3），則xyz直角坐標(biāo)系可由uνw直角坐標(biāo)系表示為

xyz直角坐標(biāo)系由三分量檢波器校正之后的直角坐標(biāo)系crctcv表示為

其中：

將式（3）代入式（4）、式（4）代入式（6）可得：

式（7）為三分量VSP檢波器的校正算法關(guān)系式。當(dāng)震源點位置和檢波器位置確定時，震源與檢波器連線方向是確定的；檢波器所在的井軌跡方向由慣性傳感器組獲得，所以式（4）和式（5）中的參數(shù)矩陣都是確定的。三分量檢波器的水平方向也可由慣性傳感器組直接讀取，所以式（7）中的水平分量方位角θ也已知。

3　測試結(jié)果

本文以某大型物探基地測試為例。測試方法為：1）首先在指定的井下，按深度從1～15m依次布置15只檢波器；2）連續(xù)多次測試檢波器檢測的姿態(tài)信息，并記錄地質(zhì)羅盤的方位信息；3）在不同地方進行人工敲擊觸發(fā)采集并記錄其波形數(shù)據(jù)。4）對波形數(shù)據(jù)進行檢波器的姿態(tài)校正。測試施工圖如圖5所示，鉆孔所在位置為3層介質(zhì)，厚度、速度均不相同。

圖5　測試施工圖

3.1方位測試

本文主要采用標(biāo)準的方位校準進行測試，姿態(tài)顯示結(jié)果如圖6所示。

圖6　檢波器三維姿態(tài)顯示效果

表1為10°的傾斜范圍內(nèi)，慣性傳感器的方位角輸出和地質(zhì)羅盤測量的方位角之間的對比。

從上述結(jié)果可以看出，檢波器的方位角精確度能保證在1°以內(nèi)，滿足后期校正處理的要求。

3.2校正測試

為驗證本文設(shè)計的檢波器姿態(tài)校正技術(shù)應(yīng)用效果，將校正前的三分量數(shù)據(jù)與校正后的三分量數(shù)據(jù)進行對比分析。為便于分析，本文將系統(tǒng)接收到的結(jié)果進行抽道集處理，即每個分量單獨顯示。限于篇幅，這里僅給出左邊1m震源位置的抽取結(jié)果，如圖7所示。

圖7　波形抽道集顯示

可以看出，VSP采集數(shù)據(jù)的3個分量結(jié)果校正之后，波形數(shù)據(jù)的分辨率明顯提高，初至明顯。

表1　方位準確度測量

4　結(jié)束語

結(jié)合三分量VSP地震資料采集需求，本文首先利用MEMS慣性傳感器組合實現(xiàn)對三分量檢波器的姿態(tài)檢測，并針對多傳感器的組合輸出進行互補濾波的數(shù)據(jù)融合，為檢波器的3個分量在校正處理時提供準確的參考值；文中結(jié)合三維空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換給出了檢波器中3個分量的校正公式，同時快速的檢波器三維姿態(tài)顯示有助于選取震源激發(fā)位置，從而提高施工效率及地震資料采集的質(zhì)量。文中結(jié)合實際勘探工區(qū)驗證了該校正方式及算法的可行性，數(shù)據(jù)校正前后的對比效果也顯示該方位能進一步提高地震資料解釋的準確度，相較于傳統(tǒng)方法，該方法能根據(jù)真實數(shù)據(jù)反應(yīng)真實的校正結(jié)果。

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Fast calibration method to horizontal-com ponent data of three-com ponent geophones

LI Huailiang1，TUO Xianguo1，2，JIANG Xin2，LIU Yao1
（1.Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention&Geoenvironmental Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

A fast gesture detection method to obtain high-precision azimuth information of geophones has been designed in this paper in view of common problems existing in geophone such as random orientation of horizontal components and difficult rotational positioning of three components during the data acquisition process of three-component vertical seismic profiling（VSP）. The method is developed on the basis of the acquisition characteristics of VSP.From the azimuth determined，the components are rotated again so as to fast correct the data.A low-cost accelerometer，a gyroscope，and an electronic compass are used to detect the gesture of the geophone；an OpenGL three-dimensional modeling is used to reconstruct and display the information of the gesture.An accurate calibration formula is worked out according to the orientation information obtained，as well as the rotation-projection relation and data fusion algorithm，thus ensuring the fast calibration of horizontal component data.A large number of field tests have demonstrated that the feasibility and effectiveness of this method，and compared to the traditional method，this method is more reliable in calibration results and much faster.

three component VSP；seismic data calibration；gesturemeasuring；orientation calibration

A

1674-5124（2015）09-0087-05

2015-03-23；

2015-04-30

國家重大科研儀器設(shè)備研制專項（41227802）；四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0184）；西南科技大學(xué)科研基金（13zx7135，15yyhk14）

李懷良（1985-），男，講師，博士，主要從事信號檢測與數(shù)字信號處理方面的研究。