技术领域：
[0001] 本
发明涉及一种基于
能量均衡分布的定向
地震波延时参数优化设计方法，特别是复杂介质条件下最优延时参数的优化设计方法。背景技术：
[0002] 定向波束形成技术源于
相控阵雷达，通过控制各激发装置的
相位，使波在某一方向加强，其它方向削弱，形成具有方向的波束，使目标反射
信号增强，从而达到高
质量及远距离探测目的，该项技术已被应用到
地震勘探领域。
[0003] CN1560651公开了一种《相控阵地震勘探方法》，它采用多个可控
震源按均匀间距共线方式排列。通过控制各个可控震源的延时或
相位差，使得各个可控震源发出的扫描信号在地下某一方向同相
叠加，震动信号加强。通过改变各震源的延时和相位差，从而实现地震波束的定向，使定向地震勘探成为可能。采用相控阵地震勘探方法，为陡倾斜地质体的地震勘探提供了一种有效方法，实现了定向地震勘探，此外还能提高地震勘探深度及地震勘探
分辨率，解决了组合地
震中震源台数不能过多的问题。
[0004] CN101320095公开了一种《单震源定向照明地震信号合成方法》，在测线上设计1个以上乃至n个奇数等间距炮点，同时在该测线上还布设有1个以上乃至N个等道间距检波点，通过可控震源取得炮点1单炮地震数据，移动炮点，取得炮点2单炮地震数据，移动炮点，取得炮点3单炮地震数据，以此方式类推取得乃至n个炮点的单炮地震数据，将延时后的单炮地震数据做线性叠加，合成具有方向性的定向照明地震信号，该信号对应定向地震波场。单震源定向照明地震信号合成方法与相控地震信号相比，信号的
信噪比得到改善，具有需要震源数目少，工作成本低，操作简单，克服了多个激震器不一致性的问题。
[0005] CN101339252《基于单震源的定向照明地震勘探方法》。按传统地质勘探方法确定偏移距、道间距，共线布置
检波器阵列，依据同一组内各炮点的偏移距不同，不同组序号相差n的m个炮点偏移距相同的方法，采集整个剖面的单炮地震数据，对属于同一组的单炮地震数据按编号顺序依次作等间隔延时，将延时后的单炮地震数据做线性叠加，合成具有方向性的定向照明地震信号，该信号对应定向地震波场，利用常规地震
数据处理方法就能得到基于单震源的定向照明地震剖面。
[0006] 定向地震
波形成技术通过控制地震波束方向，改善接收数据中目标反射信号信噪比，而波束方向的控制是通过对延时时间的控制来实现。要获得最优的目标反射信号信噪比，需要确定最优的延时参数。简单地下介质条件下，延时参数可通过上述
专利提供的方法选取，而实际地震勘探面对的经常是复杂介质。发明内容：
[0007] 本发明的目的就在于针对上述
现有技术的不足，提供一种主要用于地震勘探领域的源端及接收端波束定向，针对复杂介质条件的定向地震波延时参数优化设计方法。
[0008] 本发明的主要思想是：通过模型计算，求得不同方向的定向地震数据，依据接收阵列内反射波能量最强和能量均衡分布相结合的原则，取得最优延时参数。
[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0010] 定向地震波延时参数优化设计方法，包括以下步骤：
[0011] a、根据测区地质、地球物理资料，建立勘探区域地下介质模型；
[0012] b、震源点和观测排列按常规地震勘探方法设计，设震源点个数为N，编号顺序分别为1,2,...,N，其中N≥2，各震源点保持等间距d，检波器道数为n，道间距为D，震源函数为f(t)，建立并求解弹性波方程，得到对应N个震源点的N个单炮记录；
[0013] c、根据地震波运动学原理，求取目标反射层上覆介质的均方根速度v；
[0014] d、设地震波主波束方向与法线夹
角为θ，由定向地震波形成原理可知其中延时时间τ为定向地震波形成方法的延时时间参数，再根据三角函数性质-1≤sinθ≤1，则有
[0015] (不等式1)
[0016] 其中延时参数τ取负值时代表信号超前，
[0017] 求解 得到不等式的解集t0≤τ≤t1；
[0018] e、在[t0,t1]内，采用线性插值等间隔选取m个延时时间参数，记为τ1，τ2,...,τi,...,τm，其中τ1＝t0，τm＝t1，m≥20，针对每个延时参数τi(i∈[1,m])，将N个单炮记录按震源点编号分别延时0，2τi，3τi，……,(N-1)τi,然后叠加，得到对应延时参数τi的定向地震记录Hi；
[0019] f、以Hi中勘探目标反射信号同相轴为中心，选取等长的反射波时窗，计算定向地震记录Hi内各道目标反射信号能量Ei,1,Ei,2,...,Ei,j,...,Ei,n，其中j∈[1,n]，根据公式计算接收阵列内各道反射波能量
密度pi,j；
[0020] g、根据 计算Hi内接收阵列接收的目的反射波总能量hi；根据[(τ1,h1),(τ2,h2),...,(τi,hi),...,(τm,hm)]绘制反射波能量随延时时间参数变化曲线，并从中找出前5个最大值点，设该五个最大值点对应的延时参数为：
[0021] τ1',τ2',τ3',τ4',τ5'；
[0022] h、计算对应τ1',τ2',τ3',τ4',τ5'的5个定向地震记录的反射波
能量密度方差，最小方差对应的延时时间即为定向地震波的最优延时时间参数。
[0023] 有益效果：经试验，基于能量均衡分布的定向地震波延时参数优化设计方法，有效地解决了复杂地质条件下，定向地震波的延时参数优化选取问题，相比于传统的定向地震波形成方法，有效应用于强噪声环境下复杂地质条件的资源勘探，更好地提高地震勘探数据质量。
附图说明：
[0024] 图1介质模型
[0025] 图2延时参数优化后的地震波束形成结果(已去除直达波)τ＝1.875ms[0026] 图3未进行延时参数优化的地震波束形成结果(已去除直达波)τ＝3ms具体实施方式：
[0027] 下面结合附图和
实施例做进一步的详细说明：
[0028] 以辽宁某地倾斜层状介质模型为例，针对第一个反射目标层，进行了基于能量均衡分布的定向地震波延时参数优化设计，但延时参数优化设计不受实例中给出的参数限制。
[0029] 基于能量均衡分布的定向地震波延时参数优化设计，包括以下步骤：
[0030] a、根据测区地质、地球物理资料，建立勘探区域倾斜层状介质模型，如图1所示，模型区域长1220m，深1220m，取
水平向右为x轴的正方向，竖直向下为z轴正方向，两方向的交叉点取为坐标原点，建立直角
坐标系；
[0031] b、震源点和观测排列按常规地震勘探方法设计，震源点个数为N＝9，编号顺序分别为1,2,...,9，震源点坐标依次为(192，20)(200，20)、(208，20)、(216，20)、(224，20)、(232，20)(240，20)(248，20)(252，20)，震源点间距d＝8，检波器在x正方向240～1120m范围内以按道间距D＝4m共线排列，检波器道数n＝221，建立并求解建立弹性波一阶速度－应
力方程(弹性波方程的一种形式)，
[0032]
[0033] 其中，vx、vz分别表示速度的水平分量和垂直分量，τxx、τzz分别表示x,z方向正
应力，τxz为切应力，λ、μ为
拉梅常数，采用交错网格空间域四阶、时间域二阶中心差分格式，即
[0034]
[0035] 其中，i'，j'，l'分别为x，z，t方向循环变量，Dx、Dz分别表示x,z的一阶微分算子，Δt表示时间步长0.125ms，用变量g表示速度vx、vz或应力张量τxx、τzz、τxz，则[0036]
[0037] 稳定条件为 Vmax为最大纵
波速度，边界条件采用PML完美匹配层吸收处理，相应的匹配层方程为，
[0038]
[0039]
[0040] 其中，d(x)、d(z)分别表示x方向和z方向的衰减系数，采用Collino衰减模型，则
[0041]
[0042] δ＝200m为匹配层厚度，R为理论边界反射系数，此处取10-6，震源函数f(t)采用线性升频Chirp信号的自相关子波，Chirp信号的公式为扫描信号起始
频率f1＝10Hz、终止频率f2＝100Hz，扫描信号幅度A＝1，扫描信号时长T＝2s,取自相关函数中心点左右45ms时窗内的信号作为震源信号，取空间
采样步长4m，计算各震源点形成的地震波场，并得到对应N＝9个震源点的N＝9个单炮记录；
[0043] c、根据地震波运动学原理，求取目标反射层上覆介质的均方根速度为v＝2000m/s；
[0044] d、设地震波主波束方向与法线夹角为θ，由定向地震波形成原理可知其中延时时间τ为定向地震波形成方法的延时时间参数，再根据三角函数性质-1≤sinθ≤1，则有
[0045] (不等式1)
[0046] 其中延时参数τ取负值时代表信号超前，求解不等式1，得到不等式的解集-4≤τ≤4ms，本实施例中给出的模型，震源在接收阵列的左侧，属于单边接收，由地震波反射原理，可知主波束方向一定满足0≤θ≤90，即延时参数应为正值，因此可进一步缩小τ的范围为0至4ms，即t0＝0ms，t1＝4ms；
[0047] e、在[t0,t1]内，采用线性插值等间隔选取m＝33个延时时间参数，记为τ1，τ2,...,τi,...,τ33，其中τ1＝0ms，τ33＝4ms，针对每个延时参数τi(i∈[1,33])，将N个单炮记录按震源点编号分别延时0，2τi，3τi，……,32τi后叠加，得到对应延时参数τi的定向地震记录Hi；
[0048] f、以Hi中勘探目标反射信号同相轴为中心，选取同相轴中心左右各50ms的反射波时窗，计算定向地震记录Hi内各道目标反射信号能量：
[0049] Ei,1,Ei,2,...,Ei,j,...,Ei,221，其中j∈[1,221]，
[0050] 根据公式 计算接收阵列内各道反射波能量密度pi,j；
[0051] g、根据 可计算Hi内接收阵列接收的目的反射波总能量hi；根据[(τ1,h1),(τ2,h2),...,(τi,hi),...,(τ32,h32)]可绘制反射波能量随延时时间参数变化曲线，并从中找出前5个最大值点，设该五个最大值点对应的延时参数为τ1'＝1.625ms,τ2'＝1.750ms,τ3'＝1.875ms,τ4'＝2.000ms,τ5'＝2.125ms；
[0052] h、计 算 对 应 τ1' ＝ 1.625ms,τ2' ＝ 1.750ms,τ3' ＝ 1.875ms,τ4' ＝-42.000ms,τ5'＝2.125ms的5个定向地震记录的反射波能量密度方差分别为7.14×10 ，-4 -4 -4 -4 -4
5.13×10 ，4.03×10 ，5.74×10 ，6.69×10 ，最小方差为4.03×10 ，，对应的延时时间
1.875ms，即τ＝1.875ms为定向地震波的最优延时时间参数。
