專利名稱：用于定位地震勘探排列系統(tǒng)的前端的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及海洋地震數(shù)據(jù)采集，更特別是涉及用于定位拖纜陣列的前部的技術。
背景技術：
地震勘探涉及針對烴礦床勘測地下地質(zhì)構造。地震勘測通常涉及在預定位置處部署地震源和地震傳感器。所述源產(chǎn)生地震波，地震波傳播到地質(zhì)構造中，從而沿著其路徑形成壓力變化和振動。地質(zhì)構造的彈性屬性變化使地震波散開，改變其傳播方向和其他屬性。 所述源發(fā)射的部分能量到達地震傳感器。一些地震傳感器對壓力變化敏感(水聽器)，另一些對粒子運動敏感(例如地音探聽器)，工業(yè)勘測可以只部署一種傳感器或者兩種傳感器都部署。響應于檢測到的地震事件，傳感器生成電信號以產(chǎn)生地震數(shù)據(jù)。隨后對地震數(shù)據(jù)的分析可表明烴礦床的可能位置的存在與否。一些勘測被稱為“海洋”勘測，因為它們是在海洋環(huán)境下進行的。然而，“海洋”勘測不僅可以在海水環(huán)境下進行，而且可以在淡水和淡海水環(huán)境下進行。在一種稱為“拖曳陣列”勘測的海洋勘測中，地震傳感器和源的陣列被拖曳在勘測船的后面。地震傳感器容納在被勘測船拖曳的拖纜內(nèi)或上。在多個拖纜被用于地震數(shù)據(jù)采集的情況下，偏轉(zhuǎn)器裝置(例如門和/或單翼等) 常常用來保持拖纜分離。然后使用導入裝置將船連接到偏轉(zhuǎn)器。為了保持陣列前部的拖纜深度，使用浮子或掃雷器來獲得前部的充分浮力，并因此避免前部下潛。為了確定拖纜的位置，常常在浮子或者特定的專用前端定位浮子上使用GPS單元。這些浮子很笨重，并且由于其就坐在拖纜的前面上而難以保持。此外，它們需要更多的準備時間，因此使得操作效率降低。使得GPS位于浮子上的另一缺點在于其需要能量，且這種能量來自于導入裝置或者拖纜，因為電池能量不足以為GPS及其相關的通信無線電設備供能。由于偏轉(zhuǎn)器很大，用來連接掃雷器和翼的繩和鏈暴露于很大的力，很難保持電氣接線不受拖纜和浮子的影響。 此外，需要另外的設備來連接前端GPS。授予Kongsberg Seatex AS的美國專利No. 7315274公開了一種用于通過使用問答機和應答器來確定海洋船和物體的位置的方法。‘274專利描述了使用應答器來將身份標簽包含到待反射到問答機的信號中。然而，這種方法仍然在上面定位應答器的海洋物體上
需要能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及定位地震勘探排列系統(tǒng)的前部的領域。特別是，本發(fā)明描述了如何使用高分辨率雷達技術獲得與地震勘探排列系統(tǒng)相關的浮力元件(例如浮子)的位置。無源反射材料設置到浮力元件上，使得其可通過雷達系統(tǒng)檢測和追蹤。根據(jù)本發(fā)明的一方面公開的系統(tǒng)和方法因此在浮子上面無源而在船上面有源。該系統(tǒng)在浮子上不需要能量，因此不需要到/來自浮子的電氣接線。在其他實施方式中，GPS/雷達組合設置在其中一個浮力元件而不是船上，而剩余的浮子是無源的。此外，在這里描述的系統(tǒng)中，不需要具有與拖纜設備相關的身份標簽，因為其以特定方式拖曳并且定位前元件之間的關系是已知的。還有，無源標記可用來識別拖纜設備。 例如，具有已知特征的反射器可設置在拖纜設備上，由此允許解碼以識別特定的海洋設備 (例如，浮標)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的海洋地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1的地震勘探排列系統(tǒng)的俯視圖，進一步說明了連接在前部浮子和后部浮標之間的多個拖纜；圖3是圖2的一個拖纜的側(cè)視圖，進一步說明了偏轉(zhuǎn)器裝置；圖4是圖1的地震勘探排列系統(tǒng)的俯視圖，進一步說明了在根據(jù)本發(fā)明的定位地震勘探排列系統(tǒng)中使用的雷達系統(tǒng)；圖5是圖1的地震勘探排列系統(tǒng)的俯視圖，進一步說明了在根據(jù)本發(fā)明的定位地震勘探排列系統(tǒng)中使用的雷達系統(tǒng)的另一實施方式；圖6是用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的處理技術的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的海洋地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種實施方式30。在系統(tǒng)30中，勘測船32在船32后面拖著一個或多個地震拖纜34(圖1描繪了一個示例性拖纜34)。地震拖纜34可以長幾千米，并可以包含可用來沿著拖纜34支持通信的各種支持纜線(未顯示)以及接線和/或電路(未顯示)。大體上，每個拖纜30包括主要纜線，記錄地震信號的地震傳感器36安裝在此主要纜線內(nèi)。需要認識到，在圖1中為了強調(diào)而示意性地畫出了傳感器36，實際上，傳感器36設置在拖纜纜線34內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，地震傳感器36可以只是壓力傳感器，或者可以是多分量地震傳感器。對于多分量地震傳感器的情況，每個傳感器都能夠檢測壓力波場和與靠近此多分量地震傳感器的聲學信號相關的粒子運動的至少一個分量。粒子運動的例子包括一個或多個粒子位移分量、一個或多個粒子速度分量(縱測線(X)、橫測線(y)和垂直(Z)分量 (例如見坐標軸38))以及一個或多個粒子加速度分量。根據(jù)本發(fā)明的特定實施方式，多分量地震傳感器可包括一個以上水聽器、地音探聽器、粒子位移傳感器、粒子速度傳感器、加速度儀、壓力梯度傳感器或它們的組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，特定的多分量地震傳感器可包括用于測量壓力的一個水聽器和測量地震傳感器附近的粒子速度和/或加速度的三個相應正交分量的三個正交排列的加速度儀。注意，根據(jù)本發(fā)明的特定實施方式，多分量地震傳感器可以實施為單個裝置，或者可以實施為多個裝置。一個特定的多分量地震傳感器還可以包括構成另一種粒子運動傳感器的壓力梯度傳感器。每個壓力梯度傳感器測量特定點處壓力波場相對于特定方向的變化。例如，其中一個壓力梯度傳感器可獲得表示在特定點處壓力波場相對于橫測線方向的偏導數(shù)的地震數(shù)據(jù)，而另一壓力梯度傳感器可在特定點處獲得表示相對于縱測線方向的壓力數(shù)據(jù)的地震數(shù)據(jù)。海洋地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10包括地震源40，其可以由例如連接到勘測船32的諸如氣槍的一個或多個地震源元件形成。替代地，在本發(fā)明的其他實施方式，地震源40可獨立于勘測船32操作，僅僅作為例子，地震源40可以聯(lián)接到其他船或者浮標。由于地震拖纜34被拖在勘測船32后面，常被稱為“炮”的聲學信號42 (圖1中描繪的示例性聲學信號42)由地震源40產(chǎn)生并經(jīng)過水柱44被向下引導到水底表面50下面的地層46和48中。聲學信號42從諸如圖1中描繪的示例性構造52的各種地下地質(zhì)構造反射。通過源40獲得的入射聲學信號42產(chǎn)生相應的反射聲學信號或壓力波M，該反射聲學信號或壓力波通過地震傳感器36感測。注意，通過地震傳感器36接收和感測的壓力波包括不經(jīng)反射而傳播到傳感器36的“上行”壓力波以及通過壓力波M從氣-水界面56 反射產(chǎn)生的“下行”壓力波。地震傳感器36生成被稱為“記錄道”的信號(例如數(shù)字信號)，其表示壓力波場和粒子運動(如果傳感器是粒子運動傳感器的話)的采集測量值。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，這些記錄道被記錄并至少部分通過部署在勘測船32上的信號處理單元58進行處理。 例如，特定的多分量地震傳感器可通過其水聽器提供相當于壓力波場測量的記錄道，且此傳感器可提供通過其加速度儀測量的相當于粒子運動的一個或多個分量的一個或多個記錄道。地震采集的目標是出于鑒定地下地質(zhì)構造(例如示例性的地質(zhì)構造52)的目的建立勘測區(qū)域的圖像。隨后的圖像分析可揭示地下地質(zhì)構造中的烴礦床的可能位置。根據(jù)本發(fā)明的特定實施方式，部分圖像分析可以在地震勘測船32上進行，例如通過信號處理單元 58進行。參考圖2，地震勘探排列系統(tǒng)30包括操作地連接到一個或多個前部浮子60和后部浮標62的一個或多個拖纜34，這些浮子和浮標向勘探排列系統(tǒng)施加浮力。前部浮子60通過導入纜線63操作地連接到勘測船32。在一些實施方式中，前部浮子60操作地連接到偏轉(zhuǎn)器裝置64 (圖幻，偏轉(zhuǎn)器裝置通過拖曳線66操作地連接到船32。偏轉(zhuǎn)器裝置64通常用來保持勘探排列系統(tǒng)30的拖纜34之間分離。需要認識到，偏轉(zhuǎn)器裝置64可以實施在多種實施方式上。例如，偏轉(zhuǎn)器裝置64可以是翼狀體，其可產(chǎn)生向側(cè)面的橫向力，并因此相對于勘測船32的運動方向在橫向方向上推動拖曳線66。在其他實施方式中，偏轉(zhuǎn)器裝置64可以是固定角度偏轉(zhuǎn)器裝置，例如被稱為“門”的類型。參考圖4和圖5，根據(jù)本發(fā)明的原理，諸如連續(xù)波雷達技術的高分辨率寬帶雷達系統(tǒng)70可用來追蹤地震勘探排列系統(tǒng)30的前部浮子60和/或后部浮標的位置，從而不需要在這些浮子和浮標上設置GPS (或其他GNSS技術)。雷達技術最近從簡單的脈沖系統(tǒng)演變?yōu)檫B續(xù)波(CW)雷達。連續(xù)波雷達的一種實施形式是調(diào)頻連續(xù)波雷達(FM-CW)。在FM-CW 系統(tǒng)中，發(fā)射的信號不是連續(xù)的固定頻率，而是在固定時間段上上下掃描。通過將接收到的信號的頻率與正在發(fā)送的進行比較，頻率差可被精確地測量，并因此用來確定距離(也稱為范圍)。關于FM-CW技術的另外的細節(jié)可從通過引用結(jié)合在此的以下參考文獻中找到“Precise Distance Measurement with Cooperative FMCW Radar Units，，，Stelzer， A. ， Jahn, Μ. ， Scheiblhofer， S. ， Kepler University of Linz, Radio and Wireless Symposium, 2008IEEE (January 2008) ；“Theory of FMCW Radar Waveforms,，，2003，www, its, bldrdoc. gov。其他的雷達技術被認為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，脈沖壓縮雷達技術可用來實現(xiàn)與FM-CW技術類似的分辨率。脈沖壓縮是一種信號處理技術，通常涉及對發(fā)射的脈沖進行調(diào)制并且然后使接收的信號與發(fā)射的脈沖進行相關處理。根據(jù)本發(fā)明可以使用的脈沖壓縮雷達的一個例子是Kelvin Hughes提供的X-Band型SharpEyeTM脈沖壓縮雷達。通過利用脈沖壓縮技術，現(xiàn)有船用雷達可用來發(fā)射信號，因此不需要提供附加雷達來定位海洋地震設備(例如，前部浮子60和后部浮標62)。關于脈沖壓縮技術的另外細節(jié)可從通過引用結(jié)合在此的下列參考中找到http //www, radartutorial. eu/08. transmitters/tx 17. en. htmlo在一種實施方式中，本發(fā)明想到使用安裝在船32(例如在船的船尾上)并指向拖曳在船后面的前部浮子60的高分辨率寬帶雷達技術，諸如FM-CW或者脈沖壓縮。在使用脈沖壓縮雷達的情況中，可以利用現(xiàn)有的船用雷達。不是在前部浮子60上使用GPS單元，而是可將無源雷達反射材料可設置在前部浮子上，由此使得浮子對于雷達系統(tǒng)70可見并可通過雷達系統(tǒng)70追蹤。各種類型的無源雷達反射材料被認為落入本發(fā)明的范圍。例如，可以想到諸如金屬條的金屬材料或者類似的布置。雷達系統(tǒng)70包括安裝在船32上的一個或多個雷達72。在一些實施方式中，雷達 72安裝在船的船尾上。在其他實施方式中，雷達72安裝在船的船橋上。在FM-CW實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的雷達72不同于傳統(tǒng)的船用安裝雷達之處在于具有更好的角度精確性和更好的范圍精確性以定位浮子。然而，如上所述，脈沖壓縮技術可以與傳統(tǒng)船用安裝雷達一起使用。在只使用單個雷達72的實施方式中(圖4)，返回雷達接收器的定位數(shù)據(jù)是束，該束的形成使得可以取得浮子的若干行程時間和角度測量。在其他實施方式中，兩個或更多個雷達72可以用來確定地震勘探排列系統(tǒng)30中使用的不同前端浮子60的位置。例如，圖 5說明了從兩個雷達72發(fā)射的兩個束指向一個前部浮子60的方向的一個原理。利用當前的技術，可以根據(jù)雷達孔徑選擇多個束和束寬。可使用具有足夠孔徑的兩個或更多個同步雷達或者超高分辨率雷達。在一種實施方式中，雷達72的位置使用具有高精度的實時動態(tài) (RTK)GPS來勘測。實踐中，船上的雷達72通常朝著海、更具體地朝著前部浮子60發(fā)射脈沖連續(xù)波。 發(fā)射的信號碰到無源反射材料并返回到雷達72的接收天線。不需要標記特定的設備，因為拖纜設備以特定的方式拖曳且定位它們之前元件之間的關系是已知的。然而，在一些例子中，采用無源標記。例如，具有已知特征(例如，能夠與其他反射器區(qū)別的像材料屬性的特征)的反射器可定位在拖纜設備上，由此允許解碼以識別特定的海洋設備。然后，返回的信號被處理以獲得雷達圖像。在一些實施方式中，信號的處理可在與雷達72相關的處理器上進行，而在其他實施方式中，處理可在與雷達72分離設置的處理器上進行。例如，接收的信號可被轉(zhuǎn)換成視頻信號并在單獨的單元中獨立地處理。處理可以被優(yōu)化以避免海效應(波)、雨和其他干擾影響浮子60運動?？梢虼舜_定范圍和定向，并且范圍和定向的改變可用來追蹤浮子60。實踐中，范圍和定向與通常從諸如GPS的船用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSQ獲得的地理坐標參考有關。參考圖6，根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100可包括被構建成執(zhí)行至少一個程序104(存儲在存儲器106中)的處理器102，目的是處理數(shù)據(jù)以實現(xiàn)這里公開的一個或多個技術(例如，處理從浮力元件反射的信號數(shù)據(jù))。處理器102可以聯(lián)接到通信接口 108，用以在船32處接收數(shù)據(jù)。除了存儲用于程序104的指令，存儲器106可存儲這里公開的技術中涉及的初步、中間和最終數(shù)據(jù)集(與技術110相關的數(shù)據(jù))。在它的其他特征中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100可包括顯示器接口 112和顯示器114，用以顯示如這里描述所生成的各種數(shù)據(jù)。一旦浮子60相對于雷達72的位置已知，例如傳感器36的地震傳感器的位置可以使用聲學定位來確定。聲學定位的一個例子由通過引用結(jié)合在此的授予Hatteland的美國專利No. 5668775教導。GPS (或類似的GNSS技術)可接著用來將地震傳感器36映射到其真實地理位置。以此方式，可將傳感器36的位置與源40的擊發(fā)相關。因此，根據(jù)本發(fā)明， 雷達72的使用確定了無源的(即，在或者到浮子60不需要能量源)浮子60的范圍，因此確定了浮子60的位置。通過知道浮子60、船32和與拖纜34相關的聲學設備的相對位置， 可以確定傳感器36的位置。除了定位拖纜34的前部外，本發(fā)明的原理還可適用于定位源40。在這種實施方式中，無源反射材料可作為涂層或者沿著某些點施加到源浮子。盡管已經(jīng)就有限數(shù)量的實施方式描述了本發(fā)明，但受益于本發(fā)明的本領域技術人員將認識到對其的多種修改和變型。例如，在一些實施方式中，GPS(或類似的GNSS技術) 可放置在后部浮標62上以提供進一步的參考點。同樣，將認識到可利用設置在拖纜上或拖纜中的聲學設備以及設置在地震勘探排列系統(tǒng)的其他部件上的聲學設備實現(xiàn)聲學定位。更進一步，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可用來追蹤與地震勘探排列系統(tǒng)30相關的任何浮力元件的位置，不僅包括前部浮子60和后部浮標62，還包括掃雷器、源浮子、單翼浮子、門浮子和中間拖纜定位浮子。因此，與地震勘探排列系統(tǒng)30相關的任何這些浮力元件上可設置無源雷達反射材料以便于根據(jù)本發(fā)明定位這些浮力元件。在一些實施方式中，雷達72可與船32分開地定位，并定位在形成地震勘探排列系統(tǒng)30的部分的其他地震設備上。例如，本發(fā)明的方法中使用的GPS(或類似的GNSS技術) 可與雷達72 —起定位在源40上。替代地，GPS和雷達的組合可定位在其中一個前部浮子 60上。更一般地說，GPS和雷達的組合可設置在與地震勘探排列系統(tǒng)30相關的任何浮力元件上并用來定位地震勘探排列系統(tǒng)的其他浮力元件。所附的權利要求意欲覆蓋所有這些修改和變型，其落入本發(fā)明的真正精神和范圍。
權利要求
1.一種地震勘探排列系統(tǒng)，包括 船，所述船上安裝有雷達；拖纜，所述拖纜操作地連接到所述船；浮力元件，所述浮力元件操作地連接到所述拖纜并且上面設置有無源雷達反射材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，所述雷達能夠發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波。
3.根據(jù)權利要求1所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，所述雷達能夠發(fā)射調(diào)頻或調(diào)相的正弦波序列。
4.根據(jù)權利要求2所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，所述雷達是多個雷達。
5.根據(jù)權利要求3所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，所述雷達是多個雷達。
6.根據(jù)權利要求4所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，所述多個雷達中的至少兩個是同步的。
7.根據(jù)權利要求1所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，所述浮力元件是前部浮子、后部浮標、源浮子、掃雷器、單翼浮子、門浮子或者中間拖纜定位浮子。
8.根據(jù)權利要求1所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，所述無源雷達反射材料是金屬性的。
9.根據(jù)權利要求1所述的地震勘探排列系統(tǒng)，其中，不向所述浮力元件提供能量供應。
10.一種用于定位地震勘探排列系統(tǒng)的浮力元件的系統(tǒng)，包括雷達，其用于發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波，所述雷達安裝在與所述地震勘探排列系統(tǒng)相關的船上；和無源雷達反射材料，其設置在所述浮力元件上； 其中，所述雷達檢測所述無源雷達反射材料以便于定位所述浮力元件。
11.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述雷達是多個雷達。
12.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述浮力元件是為所述拖纜賦予浮力的前部浮子。
13.一種用于定位地震勘探排列系統(tǒng)的至少一部分的方法，包括使用船來拖曳一個或多個拖纜，所述船具有GNSS裝置，所述拖纜操作地連接到至少一個浮力元件，其中所述至少一個浮力元件上設置有無源雷達反射材料；從所述船上的雷達發(fā)射信號，所述信號通過所述無源雷達反射材料從所述至少一個浮力元件反射；在所述船處接收反射的信號；以及使所述信號與所述GNSS裝置提供的地理坐標參考相關聯(lián)以確定所述至少一個浮力元件的參考位置。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述至少一個浮力元件包括多個浮力元件，并且所述方法還包括在所述多個浮力元件的至少一些上設置無源雷達反射材料。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，從所述船上的雷達發(fā)射信號包括發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，從所述船上的雷達發(fā)射信號包括發(fā)射調(diào)頻或調(diào)相的正弦波序列。
17.根據(jù)權利要求13所述的方法，還包括使用所述至少一個浮力元件的參考位置確定設置在所述拖纜中的至少一個地震傳感器的參考位置。
18.一種用于定位地震勘探排列系統(tǒng)的至少一部分的方法，包括 在操作地連接到拖纜的浮力元件上設置無源雷達反射材料； 在與所述浮力元件相關聯(lián)的船上安裝一個或多個雷達；以及使用所述雷達來確定所述浮力元件的位置。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，安裝一個或多個雷達包括安裝發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波的一個或多個雷達。
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，安裝一個或多個雷達包括安裝發(fā)射調(diào)頻或調(diào)相正弦波序列的一個或多個雷達。
21.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，設置無源雷達反射材料包括將金屬材料施加到所述浮力元件。
22.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，使用所述雷達包括在所述浮力元件的方向上從所述雷達發(fā)射束以因此檢測所述無源雷達反射材料。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中，使用所述雷達進一步包括檢測來自所述浮力元件的反射信號。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中，使用所述雷達進一步包括處理所述信號以獲得所述浮力元件的范圍和定向。
25.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述拖纜包含一個或多個傳感器，所述方法還包括使用所述浮力元件的位置來確定所述一個或多個傳感器的位置。
26.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述無源雷達反射材料具有至少一個已知特征，所述方法還包括通過所述已知特征識別所述浮力元件。
27.一種用于定位地震勘探排列系統(tǒng)的至少一部分的方法，包括在與所述地震勘探排列系統(tǒng)相關聯(lián)的浮力元件上安裝雷達和GNSS裝置； 在與所述地震勘探排列系統(tǒng)相關聯(lián)的至少一個其他浮力元件上設置無源雷達反射材料；以及使用所述雷達和GNSS裝置來確定所述至少一個其他浮力元件的位置。
全文摘要
描述了用于在海洋勘測中確定浮力元件的位置的系統(tǒng)和方法，其中，無源反射材料設置在浮力元件上以使得船上的雷達能夠檢測浮力元件的位置。雷達可發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波或者調(diào)頻或調(diào)相正弦波序列。
文檔編號G01V1/38GK102483464SQ201080036163
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月3日 優(yōu)先權日2009年7月7日
發(fā)明者S·A·弗里維克, V·A·胡索姆 申請人:格庫技術有限公司