李明亮，謝偉，王強(qiáng)

（東方地球物理公司，河北 保定 072750）

對(duì)可控震源地震進(jìn)行勘探，需要注意震源車傳輸信號(hào)的方式，可能會(huì)受到各種因素的影響產(chǎn)生諧波。不管在什么樣的地表結(jié)構(gòu)下進(jìn)行工作都會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，這種諧波干擾會(huì)通過(guò)可控震源進(jìn)行記錄。震源震板與地表不耦合的情況下，震板的力信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變，可控震源振動(dòng)的頻率也會(huì)發(fā)生諧振，從而造成震源信號(hào)遭到畸變，諧波相應(yīng)的也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致可控震源的震板無(wú)法接受到信息，從而無(wú)法對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。諧波的產(chǎn)生方式與存在的特征都有較大的差別，因此產(chǎn)生的諧波干擾會(huì)存在較大的差距，比如位置、頻率等。

1 兩種諧波干擾聯(lián)合壓制的方法

1.1 機(jī)械系統(tǒng)諧波的形成原理

對(duì)可控震源的機(jī)械系統(tǒng)著手，分析機(jī)械系統(tǒng)存在的原因，因?yàn)榭煽卣鹪吹男盘?hào)是非正弦，因此，傅立葉基數(shù)能夠兼容任何一種類型的非正弦信號(hào)，如圖1 所示。在傅里葉級(jí)數(shù)原理的展開式中，最小的正周期與原函數(shù)的周期部分相等，一般情況下被稱為一次諧波，因此高次諧波的頻率是一次諧波頻率的若干倍。比如是一次諧波頻率2 倍的波被稱為二次諧波，3 倍的波被稱為三次諧波?？煽卣鹪吹臋C(jī)械系統(tǒng)發(fā)生畸變的原因有很多，比如編碼器、液壓系統(tǒng)、電系統(tǒng)、重錘、活塞皮囊等，都會(huì)讓機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生畸變。而可控震源本身存在的諧波畸變是無(wú)法改變的。

圖1 非正弦信號(hào)分解示意圖

1.2 表層響應(yīng)諧波形成的原理

當(dāng)可控震源的信號(hào)處于向下傳播的狀態(tài)時(shí)，震板與地表之間如何不兼容將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，當(dāng)?shù)卣鸩ㄏ蛳聜鞑r(shí)，會(huì)與多個(gè)信號(hào)重合，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生諧波畸變現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變，這種情況下的畸變諧波就是表層響應(yīng)諧波形成的原因。如果單單考慮諧振，那么為了簡(jiǎn)化，假設(shè)只存在一種頻率，則產(chǎn)生諧波干擾會(huì)與地表有一定的關(guān)系?？煽卣鹪磁c耦合系統(tǒng)示意圖如圖2 所示，可控震源振動(dòng)時(shí)的力為：

可控震源與大地之間的響應(yīng)關(guān)系為：

圖2 可控震源與大地耦合系統(tǒng)示意圖

公式中，ρ 表示密度；E 表示模量；v 表示速度。當(dāng)ρ1v1＞ρ2v2時(shí)，B 的值最大，可控震源的振動(dòng)頻率將與大地的頻率一致，形成共振耦合響應(yīng)系統(tǒng)，從而產(chǎn)生諧振。

2 機(jī)械系統(tǒng)諧波特征

2.1 諧波信號(hào)

可控震源需要有足夠的時(shí)間來(lái)滿足信號(hào)持續(xù)的時(shí)間，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行自定義，如果使用的信號(hào)為正弦掃描，則表達(dá)式為：

公式中，a1表示振幅時(shí)間；表示相位；表示頻率。

f1與f2表示起始與終止的頻率；T 表示長(zhǎng)度。

K 次諧波與掃描信號(hào)之間的表達(dá)式為：

公式中sk（t）表示第k 次的諧波，當(dāng)k=1 時(shí)，是一次諧波，當(dāng)k=2，3，4 時(shí)為二次諧波、三次諧波，如果k＞3，則表示高次諧波，因此k=4 時(shí)表示的是高次諧波。k 次諧波的頻率是信號(hào)的k 倍。間諧波指的是畸變信號(hào)中存在不是一次諧波的倍數(shù)的信號(hào)，因?yàn)椴挥绊懼C波的分析，因此可以將少量的信號(hào)忽略。力信號(hào)中會(huì)有少量的不規(guī)則信號(hào)，并且地震記錄會(huì)將這種不規(guī)則的信號(hào)進(jìn)行記錄。

2.2 諧波干擾模擬

機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波干擾，對(duì)最初的炮記錄有兩種諧波干擾情況，本炮諧波與鄰炮諧波，本炮諧波干擾是當(dāng)前炮記錄中形成的污染而產(chǎn)生的諧波干擾；鄰炮諧波干擾則是對(duì)之前的炮記錄造成的污染產(chǎn)生的諧波干擾。如圖3 所示，用線性升頻與線性降頻掃描信號(hào)對(duì)速度模型進(jìn)行計(jì)算，在模型中有很多的地層存在，其中有一個(gè)類似于橢圓形的物體，該物體能夠達(dá)到的速度超過(guò)5000m/s。

目前針對(duì)鄰炮諧波干擾采用的方式是機(jī)械系統(tǒng)諧波壓制，鄰炮諧波干擾的范圍分布較緊密，屬于近偏移，近偏移指的是產(chǎn)生諧波干擾炮的距離，圖3 中的速度模型采用的方式是滑動(dòng)掃描，主要的參數(shù)有線性掃描、起始/終止頻率以及掃描時(shí)間，滑動(dòng)掃描的時(shí)間為3s，采樣時(shí)間為0.5ms。震源車分別在1km、2km、3km 處激發(fā)。

2.3 諧波壓制

機(jī)械系統(tǒng)諧波可用來(lái)指導(dǎo)機(jī)械系統(tǒng)諧波干擾的壓制。機(jī)械系統(tǒng)諧波出現(xiàn)的時(shí)間可以通過(guò)表達(dá)式進(jìn)行表達(dá)，在條件不好的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集要避免產(chǎn)生諧波干擾。機(jī)械系統(tǒng)的諧波與一次諧波在相位上有一定規(guī)律，因此機(jī)械系統(tǒng)的諧波壓制采用的方法是相移法。分析機(jī)械系統(tǒng)的諧波干擾原理，在震板記錄中的力信號(hào)中有一次諧波信號(hào)，測(cè)試力信號(hào)能夠得到地震記錄的諧波干擾。將機(jī)械系統(tǒng)諧波干擾去除的方式是使用原始數(shù)據(jù)減去預(yù)測(cè)諧波干擾數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果就能夠?qū)⒅C波干擾去除。

3 表層響應(yīng)諧波特征

3.1 諧波信號(hào)

分析表層響應(yīng)諧波能量，如圖4 所示，圖a 中的線框分別表示受到諧波干擾與未受到諧波干擾的影響變化，圖b 表示的是方根振幅曲線，從圖中可以看出，正常信號(hào)的能量要比諧波能量低很多，為了能夠更加清晰的顯示諧波能量，需要將圖中的曲線分開表示，對(duì)圖c 和d 的反應(yīng)情況進(jìn)行分析可以得出，諧波的能量高達(dá)420000，沒有諧波的區(qū)域能量只有260。諧波在單炮記錄上主要分布在近偏移，對(duì)諧波的壓制非常不利，如果炮域?qū)⒅C波的能量強(qiáng)行去除，會(huì)影響去噪的效果。

圖3 速度模型

圖4 諧波能量分析

從圖中的空間分布來(lái)看，可控震源的采集并沒有將表層響應(yīng)的諧波干擾全部存儲(chǔ)，而是否出現(xiàn)諧波干擾則與地表的情況具有一定的關(guān)聯(lián)，而且單炮記錄有自身的特點(diǎn)，就是具有一定的隨機(jī)性。對(duì)表層響應(yīng)諧波干擾的原理進(jìn)行分析，出現(xiàn)表層響應(yīng)的原因就是因?yàn)榭煽卣鹪粗辛π盘?hào)與畸變信號(hào)重疊得來(lái)的結(jié)果。如果機(jī)械系統(tǒng)不存在諧波干擾，則力信號(hào)就是掃描信號(hào)，掃描信號(hào)就是力信號(hào)。表層響應(yīng)諧波干擾具有集中性的特點(diǎn)，且地域性強(qiáng)，而單炮記錄有一定的隨機(jī)性，因此產(chǎn)生的諧波干擾只能集中在某一個(gè)較小的頻段中。

3.2 諧波正演模擬

為了明確產(chǎn)生諧波干擾原因，對(duì)起始/終止頻率、掃描長(zhǎng)度、地表情況進(jìn)行對(duì)比研究，起始/終止頻率f1與f2的頻率為6Hz 與84Hz，長(zhǎng)度T 為12，在線性信號(hào)中添加不同的諧波畸變才能進(jìn)行諧波正演模擬。

3.3 表層響應(yīng)諧波壓制

表層響應(yīng)諧波能夠?qū)χC波進(jìn)行壓制，對(duì)影響表層響應(yīng)諧波的原因進(jìn)行分析后，可以設(shè)計(jì)采集信號(hào)的參數(shù)，消除表層響應(yīng)諧波干擾，或者降低掃描信號(hào)的始末頻率，延長(zhǎng)諧波產(chǎn)生的時(shí)間，能夠更好的壓制諧波干擾的產(chǎn)生；增加掃描長(zhǎng)度也可以有效壓制諧波干擾，且地表越硬則越容易產(chǎn)生諧波干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波與表層響應(yīng)產(chǎn)生的諧波有較大的區(qū)別，產(chǎn)生機(jī)械系統(tǒng)諧波的原因是因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)生了畸變，從而造成輸出的力信號(hào)與可控震源的掃描信號(hào)不同，從而發(fā)生諧波干擾；而表層響應(yīng)諧波產(chǎn)生的原因是因?yàn)榱π盘?hào)與向下傳播信號(hào)的方式不同，從而產(chǎn)生諧波干擾?？煽卣鹪床杉夹g(shù)在未來(lái)的地震勘探中的發(fā)展前景廣闊，會(huì)逐漸發(fā)展為高效采集方向。