本发明涉及属于海洋地震勘探技术领域，具体涉及一种组合式海底地震仪天然源地震数据方位角自动识别装置及方法。
背景技术：
海洋地震学方法是海洋能源与资源开发现场监测的核心技术手段。组合式海底地震仪作为新型海洋地震采集设备，具有成本低、效率高、可密集布放等优点，特别是仪器集数采和地震计为一体的小型化集成设计，因此可广泛应用于海洋能源与资源开发地震监测。
在海洋能源开发中，特别是新兴的海底页岩气开发中，需要高压注水对页岩气储层压裂后实现开采，压裂过程需利用地震学方法开展注水前缘运移、岩石压裂应力方向变化等监测，组合式海底地震仪是开展此监测的最佳海洋地震探测装备。同时，在海洋石油开采过程中，需要用地震学方法监测油气运移等参数以评价开采进展，在海洋开采石油平台的井口周围遍布各种线缆、石油运输管道等，相比于海底地震拖缆，组合式海底地震仪是最为合适的地震记录设备。
尽管组合式海底地震仪内部装配了电子罗盘，可实现方位角记录，但受应用场景附近各种铁器的影响，利用磁北原理测得的方位角误差较大(最大至50°)，无法满足后期数据处理与应用中的方位角校正精度，需一种新方法、新技术以识别出精确的方位角。
现有技术中，对组合式海底地震仪姿态校正的方法空白，且无自动识别算法。基于天然源地震数据进行海底地震仪方位角确认方法包括p波和rayleigh波极性分析法、波形模拟对比法。噪声互相关法进行海底地震仪方位角识别的方法。但无组合式海底地震仪天然源地震数据的方位角自动识别方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种自动化的组合式海底地震仪姿态校正方法，该方法通过多分量互相关计算、格林函数表达、初始方位角优化分析、面波群速度时窗截取、信噪比数据选取等可量化操作，实现了基于噪声互相关法天然源地震数据方位角自主识别，无需人工干预和人工源放炮即可实现组合式海底地震仪的方位角识别。
具体的，组合式海底地震仪方位角自动识别方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101：对所有投放的组合式海底地震仪完成海上天然源数据记录，选取所有组合式海底地震仪的地震计三分量天然源噪声序列为输入数据，其中需求取方位角的仪器记为仪器a；
步骤102：计算仪器a三分量分别与其他任一仪器b之间的原始位移三分量格林函数；循环计算仪器a与其他除仪器b之外所有剩余仪器之间的原始位移三分量格林函数；
步骤103：在0°至360°范围内分别求取步骤102所得仪器a与仪器b的旋转三分量格林函数的相关系数与归一化相关系数，仪器a与仪器b的旋转三分量格林函数分别记为crz、ctz、czz，相关系数的最大值与归一化相关系数正值对应的角度值即为仪器a相对于仪器b的初始方位角，循环计算完成仪器a与其他除仪器b之外所有仪器的三分量格林函数相关系数srz与归一化相关系数rrz，利用相关系数最大值与归一化相关系数正值对应的角度值求取仪器a与其他除仪器b之外所有仪器的初始方位角；
步骤104：基于海底scholte面波群，经仪器间距计算后选取格林函数截取时窗，基于选取的格林函数截取时窗计算格林函数crz的信噪比snr；
步骤105：对步骤103计算的全部初始方位角按照一定规则的阈值范围进行筛选，选取经筛选后所有初始方位角的平均值为仪器a的最终方位角。
进一步的，所述方法步骤102中，计算组合式海底地震仪仪器a与任一仪器b三分量格林函数的方法如下：
其中，cxz、cyz和czz分别是仪器a的x分量、y分量与z分量的格林函数，
进一步的，所述方法步骤103中，计算旋转三分量格林函数公式为：
其中，crz和ctz分别为旋转后的径向和切向分量格林函数，θ为x分量与径向分量的夹角，cxz和cyz为步骤102中得到的x与y分量的格林函数，基于径向和切向格林函数计算某一方位角
其中，
利用上式计算相关系数与归一化相关系数时，方位角
进一步的，所述方法步骤104中，获得仪器a与仪器b格林函数截取时窗[tmintmax]的公式为：
其中，dist为仪器a与仪器b之间的间距，vmax和vmin分别为对应海底scholte波的群速度，在沉积层覆盖区选取vmin＝0.2km/s、vmax＝0.8km/s，在基岩出露区选取vmin＝1.8km/s、vmax＝2.5km/s；
计算crz函数信噪比(snr)的公式为：
其中，max(crz[tmin：tmax])是截取时窗[tmintmax]内crz的最大值，rms(crz)是截取窗口以外所有序列的均方根值。
进一步的，所述方法步骤104中基于海底scholte面波群速度范围为0.2-0.8km/s，步骤105中阈值范围为rrz>0.5且snr>5。
另一方面，本发明还提供了一种用于实现上述方法的组合式海底地震仪方位角自动识别装置，所述装置包括：噪声数据读取模块，用于读取头段信息与噪声序列数据；格林函数计算模块，用于计算仪器之间的三分量格林函数；初始方位角求取模块，用于通过对格林函数的互相关系数和归一化互相关系数计算求取所有仪器对的初始方位角；信噪比分析模块，用于计算格林函数的信噪比；最终方位角确认模块，用于对所有初始方位角按信噪比和归一化互相关系数基于阈值准则进行筛选确认。
本发明的有益效果在于：本发明设计一种组合式海底地震仪方位角自动识别装置及方法，与现有技术相比，对于组合式海底地震仪自身方位角误差较大的难题，利用后期自动化数据处理技术实现快速方位角识别，获得可用于常规地震学方法分析处理的天然源噪声数据。特别是在方位角求取过程中，引入格林函数以构建互相关系数，通过scholte波群速度选取时窗以自动量化计算互相关系数信噪比，以此关键两步实现无需人工干预的自动化识别技术。对于海量组合式海底地震仪天然噪声数据，通过此自动化方位角识别技术可大大提高数据预处理效率。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明装置的结构框图。
图3是旋转方位角关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
本实施例提供了一种组合式海底地震仪天然源地震数据方位角自识别方法。方位角指组合式海底地震仪地震计的第二个水平分量与地理东之间的夹角。以任意两台组合式海底地震仪的原始三分量地震计记录的天然源背景噪声序列为输入数据。首先基于噪声互相关算法求取这一对仪器之间的三分量格林函数。然后利用多个仪器对在0°至360°范围内旋转水平分量的格林函数相关系数最大值获得多个初始方位角。最后利用数据窗和统计分析结果对多个初始方位角筛选以确认最终方位角。同时本实施例公开了一种组合式海底地震仪天然源地震数据方位角自动识别的装置。通过本装置可在无人工震源的情况下，仅通过海底背景噪声数据便可获取组合式海底地震仪水平分量的方位角，结合多个可量化计算技术实现了方位角自动识别，为组合式海底地震仪在海底页岩气压裂监测、海洋石油开发井口地震监测等领域的应用提供了可能。同时，本发明将大大提高组合式海底地震仪在海洋能源与资源开发监测中的天然源地震观测数据预处理速率。
如图1所示，本发明提出的一种组合式海底地震仪天然源地震数据自动识别方法，包括如下步骤：
步骤101：对所有投放的组合式海底地震仪完成海上天然源数据记录，回收后利用声学原理等方法完成组合式海底地震仪的着底位置，完成原始数据的时间校正、格式转换等基本操作，选取需求取方位角的仪器(记为仪器a)与其他剩余仪器的地震计三分量天然源噪声序列为输入数据；
步骤102：计算仪器a三分量分别与其他任一仪器之间的原始位移三分量格林函数。循环计算仪器a与其他所有剩余仪器之间的原始位移三分量格林函数。
步骤103：在0°至360°范围内分别求取步骤102所得仪器a与仪器b的旋转三分量格林函数(分别记为crz,ctz与czz)的相关系数与归一化相关系数。相关系数的最大值与归一化相关系数正值对应的角度值即为仪器a相对于仪器b的初始方位角。循环计算完成仪器a与其他所有仪器的三分量格林函数相关系数(srz)与归一化相关系数(rrz)，利用相关系数最大值可求取多个初始方位角。
步骤104：基于海底scholte面波群速度(0.2-0.8km/s)经仪器间距计算后选取格林函数截取时窗，基于此时窗计算crz格林函数的信噪比(snr)。
步骤105：对步骤103计算的多个初始方位角按照一定规则的阈值范围进行筛选(如：rrz>0.5且snr>5)，选取经筛选后所有初始方位角的平均值为仪器a的最终方位角。
对于所有仪器仪器，可通过循环执行上述步骤101至步骤105完成方位角自识别。
上述步骤102中，计算组合式海底地震仪仪器a与任一仪器b三分量格林函数的方法如下：
其中，cxz、cyz和czz分别是仪器a的x分量、y分量与z分量的格林函数，
上述步骤103中，计算旋转三分量格林函数公式为：
其中，crz和ctz分别为旋转后的径向和切向分量格林函数，θ为x分量与径向分量的夹角(如图3所示)，cxz和cyz为步骤102中得到的x与y分量的格林函数。基于径向和切向格林函数计算某一方位角
其中，
利用上式计算相关系数与归一化相关系数时，方位角
另外，循环计算完与仪器a相关的所有仪器对的互相关系数，利用每个仪器对之间互相关系数最大值可同时获得多个初始方位角。
上述步骤104中，获得仪器a与仪器b格林函数截取时窗[tmintmax]的公式为：
其中，dist为仪器a与仪器b之间的间距，vmax和vmin分别为对应海底scholte波的群速度，在沉积层覆盖区一般选取vmin＝0.2km/s、vmax＝0.8km/s，在基岩出露区选取vmin＝1.8km/s、vmax＝2.5km/s。
计算crz函数信噪比(snr)的公式为：
其中，max(crz[tmin：tmax])是截取时窗[tmintmax]内crz的最大值，rms(crz)是截取窗口以外所有序列的均方根值。
本发明还提供了一种用于实现上述方法的组合式海底地震仪天然源地震数据方位角自动识别装置。
图2是本发明的一种组合式海底地震仪天然源地震数据方位角自动识别装置的一种结构框图，包括噪声数据读取模块201，格林函数计算模块202，初始方位角求取模块203，信噪比分析模块204和最终方位角确认模块205，对该结构说明如下。
噪声数据读取模块201，用于读取头段信息与噪声序列数据；
格林函数计算模块202，用于计算仪器之间的三分量格林函数；
初始方位角求取模块203，用于通过对格林函数的互相关系数和归一化互相关系数计算求取所有仪器对的初始方位角；
信噪比分析模块204，用于计算格林函数的信噪比；
最终方位角确认模块205，用于对所有初始方位角按信噪比和归一化互相关系数基于阈值准则进行筛选确认。
上述模块202中，计算组合式海底地震仪仪器a与任一仪器b三分量格林函数的方法如下：
其中，cxz、cyz和czz分别是仪器a的x分量、y分量与z分量的格林函数，
上述模块203中，计算旋转三分量格林函数公式为：
其中，crz和ctz分别为旋转后的径向和切向分量格林函数，θ为x分量与径向分量的夹角(如图3所示)，cxz和cyz为模块202中得到的x与y分量的格林函数。基于径向和切向格林函数计算某一方位角
其中，
利用上式计算相关系数与归一化相关系数时，方位角
另外，循环计算完与仪器a相关的所有仪器对的互相关系数，利用每个仪器对之间互相关系数最大值可同时获得多个初始方位角。
上述模块204中，获得仪器a与仪器b格林函数截取时窗[tmintmax]的公式为：
其中，dist为仪器a与仪器b之间的间距，vmax和vmin分别为对应海底scholte波的群速度，在沉积层覆盖区一般选取vmin＝0.2km/s、vmax＝0.8km/s，在基岩出露区选取vmin＝1.8km/s、vmax＝2.5km/s。
计算crz函数信噪比(snr)的公式为：
其中，max(crz[tmin：tmax])是截取时窗[tmintmax]内crz的最大值，rms(crz)是截取窗口以外所有序列的均方根值。
本实施例提供的组合式海底地震仪天然源地震数据方位角自动识别方法与装置，利用互相关计算三分量格林函数，结合笛卡尔坐标旋转、互相关系数计算、归一化相关系数计算、scholte面波群速度时窗选取、格林函数信噪比计算等系列可量化计算自动识别最终方位角，识别的方位角可用于后期数据处理中的方位角校正。此方法技术是海洋石油井口开发监测、海底页岩气开发压裂监测的组合式海底地震仪观测数据处理的必经环节，通过量化技术实现方位角的自动识别，在海洋石油、页岩气等能源与资源开发监测中有重要应用价值。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种组合式海底地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤101：对所有投放的组合式海底地震仪完成海上天然源数据记录，选取所有组合式海底地震仪的地震计三分量天然源噪声序列为输入数据，其中需求取方位角的仪器记为仪器a；
步骤102：计算仪器a三分量分别与其他任一仪器b之间的原始位移三分量格林函数；循环计算仪器a与其他除仪器b之外所有剩余仪器之间的原始位移三分量格林函数；
步骤103：在0°至360°范围内分别求取步骤102所得仪器a与仪器b的旋转三分量格林函数的相关系数与归一化相关系数，仪器a与仪器b的旋转三分量格林函数分别记为crz、ctz、czz，相关系数的最大值与归一化相关系数正值对应的角度值即为仪器a相对于仪器b的初始方位角，循环计算完成仪器a与其他除仪器b之外所有仪器的三分量格林函数相关系数srz与归一化相关系数rrz，利用相关系数最大值与归一化相关系数正值对应的角度值求取仪器a与其他除仪器b之外所有仪器的初始方位角；
步骤104：基于海底scholte面波群，经仪器间距计算后选取格林函数截取时窗，基于选取的格林函数截取时窗计算格林函数crz的信噪比snr；
步骤105：对步骤103计算的全部初始方位角按照一定规则的阈值范围进行筛选，选取经筛选后所有初始方位角的平均值为仪器a的最终方位角。
2.如权利要求1所述的组合式海底地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述方法步骤102中，计算组合式海底地震仪仪器a与任一仪器b三分量格林函数的方法如下：
其中，cxz、cyz和czz分别是仪器a的x分量、y分量与z分量的格林函数，
3.如权利要求2所述的组合式海底地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述方法步骤103中，计算旋转三分量格林函数公式为：
其中，crz和ctz分别为旋转后的径向和切向分量格林函数，θ为x分量与径向分量的夹角，cxz和cyz为步骤102中得到的x与y分量的格林函数，基于径向和切向格林函数计算某一方位角
其中，
利用上式计算相关系数与归一化相关系数时，方位角
4.如权利要求3所述的组合式海底地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述方法步骤104中，获得仪器a与仪器b格林函数截取时窗[tmintmax]的公式为：
其中，dist为仪器a与仪器b之间的间距，vmax和vmin分别为对应海底scholte波的群速度，在沉积层覆盖区选取vmin＝0.2km/s、vmax＝0.8km/s，在基岩出露区选取vmin＝1.8km/s、vmax＝2.5km/s；
计算crz函数信噪比(snr)的公式为：
其中，max(crz[tmin：tmax])是截取时窗[tmintmax]内crz的最大值，rms(crz)是截取窗口以外所有序列的均方根值。
5.如权利要求4所述的组合式海底地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述方法步骤104中基于海底scholte面波群速度范围为0.2-0.8km/s，步骤105中阈值范围为rrz＞0.5且snr＞5。
6.一种用于实现权利要求1至5任一项所述的组合式海底地震仪方位角自动识别方法的组合式海底地震仪方位角自动识别装置，其特征在于，所述装置包括：噪声数据读取模块，用于读取头段信息与噪声序列数据；格林函数计算模块，用于计算仪器之间的三分量格林函数；初始方位角求取模块，用于通过对格林函数的互相关系数和归一化互相关系数计算求取所有仪器对的初始方位角；信噪比分析模块，用于计算格林函数的信噪比；最终方位角确认模块，用于对所有初始方位角按信噪比和归一化互相关系数基于阈值准则进行筛选确认。
技术总结