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三分量地震计姿态自动校正装置及方法。
背景技术：
海洋地震勘探是海洋油气资源勘探与开发的主要手段之一。以气枪震源和组合式海底地震仪为代表的新型海洋地震采集技术具有成本低、效率高、施工点密集、作业范围大、四分量数据采集、全方位角成像等优点，因此得到广泛应用，为海底资源勘探发挥了极大作用。经过短短几年的仪器研发、海试测试与市场培育推广，组合式海底地震仪新型采集概念与方式已成为世界海洋地震勘探主流，该仪器很快占据了可观的市场份额，成为新型海洋油气地震勘探的核心技术装备。
组合式海底地震仪内部未装配有姿态自调节系统。特别是在用缆绳进行投放时，仪器所记录三分量地震数据的姿态取决于其着底时的瞬时姿态，需要后期在数据处理过程中进行姿态校正，或者为三分量检波器定向分析。
现有技术中，对组合式海底地震仪姿态校正的方法极少，且不能实现自动化数据处理，需要人工干预直达波到时拾取以开展偏振分析。
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，该方法通过结合内部罗盘记录姿态、aic到时拾取、线性函数拟合求取初始方位角、互相关函数极性判别等可量化操作，实现了旋转欧拉角的自识别，无需人工干预即可实现三分量姿态校正。
具体的，组合式海底地震仪姿态自动校正方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101：组合式海底地震仪完成海上人工源放炮作业，利用放炮时间与位置导航信息，从连续记录数据序列中截取单个组合式海底地震仪的共接收点道集，作为输入数据；
步骤102：将原始三分量地震计道集数据校正至水平姿态，即采用笛卡尔三维坐标系旋转方法实现俯仰角与翻滚角的校正，欧拉角采用仪器内部电子罗盘记录数值；
步骤103：求取校正至水平姿态的第一水平分量与三维地震勘探的纵测线正方向的方位角，采用旋转后两个水平分量的偏振分析方法获取初始方位角，进一步利用初始方位角旋转后的第一个水平分量与垂向分量之间直达p波极性一致的准则确定最终方位角，引入互相关算法进行极性判别；
步骤104：利用步骤103求取的最终方位角，对步骤102校正的水平三分量道集再次进行三维坐标系旋转计算，获取三维地震勘探纵测线方向、联络测线方向与垂向坐标系下的道集数据；
步骤105：对校正完成的道集按道输出保存，在道头信息中保存翻滚角、俯仰角与方位角。
进一步的，所述方法步骤102中，对俯仰角和翻滚角的校正方法如下：
vxyv＝rθrφvxyz
其中，vxyv为校正至水平姿态的三分量地震数据列向量，vxyz为原始三分量地震数据列向量，rθ、rφ分别为俯仰角和翻滚角的旋转矩阵，其表达式为：
其中，θ为俯仰角，φ为翻滚角。
进一步的，所述方法步骤103中，利用校正后的两个水平分量求取初始方位角，由偏振分析方法实现，具体过程如下：
步骤1：利用赤池信息量准则方法分别获得步骤102校正后的两个水平分量的直达p波到时，赤池信息量准则方法的公式为：
aic(t)＝t·log(var(x[1；t])) (t-t-1)·log(var(x[t 1：t]))
其中，t为单个分量道集的时间，var(x)为时间序列x的方差，x[1：t]为时间序列x从时间1到t的采样，t为所选取的信号的总时长，aic值最小处取为到时；
步骤2：分别截取两个水平分量的短时窗数据，范围为0.027-0.05秒，采用地震偏振分析的方法，以y分量数据为因变量，x分量数据为自变量，利用线性函数y＝kx b对x、y的数据点进行拟合，求取线性函数的斜率k；
步骤3：计算步骤2中斜率k的反正切值，此值即为初始方位角
进一步的，所述方法步骤103中，求取初始方位角后，利用纵测线方向分量与垂向分量直达p波极性一致准则，确定最终方位角γ，其具体实现步骤如下：
步骤11：利用初始方位角
其中：
步骤12：计算第一个水平分量
其中，r为互相关函数值，d＝0,1,…,n为互相关计算序列，i为水平分量
步骤13：利用互相关函数的正负来求取最终方位角γ：
其中，对于正相关的结果，最终方位角γ等于初始方位角
进一步的，所述方法步骤104中，进行最终方位角校正的方法为：
vrtv＝rγvxyv
其中，vrtv为方位角校正后列向量，rγ为方位角旋转矩阵，vxyv为步骤102中获得的水平姿态列向量，其中：
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姿态自动校正装置，所述装置包括：地震道集读取模块，用于读取道头信息与道集数据；水平姿态校正模块，用于基于仪器内部电子罗盘记录的翻滚角与俯仰角校正原始道集至水平姿态方向；方位角求取模块，用于求取校正至水平方向后第一水平分量与纵测线方向的方位角；方位角校正模块，用于对水平姿态的三分量地震道集进行方位角旋转校正；保存输出模块，用于对校正后的道集按道进行输出保存，添加改写道头信息。
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姿态自动校正装置及方法，与现有技术相比，针对组合式海底地震仪自身无姿态自调节系统的难题，利用后期自动化数据处理技术实现快速姿态校正，获得海洋三维地震勘探坐标系的道集数据。特别是在方位角求取过程中，引入aic算法获得直达p波到时以构建水平分量偏振轨迹，引入互相关算法量化水平与垂向分量的极性特征，实现无需人工干预的自动化校正技术。对于海量组合式海底地震仪的海洋地震勘探数据，通过此自动化姿态校正预处理技术可大大提高数据处理效率。
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3a、图3b是初始方位角与最终方位角关系图。
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三分量地震计姿态自动校正方法。姿态校正是指将仪器原始姿态地震道集校正至海洋三维地震观测坐标系统的地震道集。以原始姿态记录的主动源地震道集为输入数据，利用仪器内部装配电子罗盘记录的俯仰角与翻滚角将三分量数据校准至水平姿态。然后将x分量旋转至纵测线(inline)方向，需先求取旋转方位角。方位角求取包括：基于aic(赤池信息量准则)法分别求取两个水平分量的直达水波到时，选取短时窗数据绘制水平分量质点振动轨迹，利用线性函数拟合此振动轨迹，通过该线性函数斜率反正切值计算出初始方位角，基于初始方位角旋转后第一个水平分量与垂向分量的互相关结果求取最终旋转方位角。基于三维笛卡尔坐标系旋转算法完成上述三分量地震炮集数据的姿态校正。此方法结合了内部电子罗盘记录与三分量地震炮集数据分析来获取三个旋转欧拉角，引入多个可量化算法避免人工干预，实现自动化处理。同时本发明公开了一种组合式海底地震仪三分量地震计姿态自动校正的装置。通过本发明可实现组合式海底地震仪三分量地震计道集数据的姿态自动校正，大大提高了组合式海底地震仪在海洋能源与资源主动源地震勘探中的数据预处理速率。
如图1所示，本发明提出的一种组合式海底地震仪三分量地震计姿态自动校正方法，包括如下步骤：
步骤101：对于投放的组合式海底地震仪完成海上人工源放炮作业，利用放炮时间与位置导航信息，从连续记录数据序列中截取单个组合式海底地震仪的共接收点道集，作为输入数据；
步骤102：将原始三分量地震计道集数据校正至水平姿态，即进行俯仰角与翻滚角的校正，欧拉角来自仪器内部电子罗盘记录数值，采用笛卡尔三维坐标系旋转方法实现。
步骤103：求取校正至水平姿态的第一水平分量与三维地震勘探的纵测线(inline)正方向的方位角，采用旋转后两个水平分量的偏振分析方法获取初始方位角，进一步利用初始方位角旋转后的第一个水平分量与垂向分量之间直达p波极性一致的准则确定最终方位角，在此引入互相关算法进行极性判别。
步骤104：利用步骤103求取的最终方位角，对步骤102校正的水平三分量道集再次进行三维坐标系旋转计算，获取三维地震勘探纵测线方向(inline)、联络测线方向(crossline)与垂向(vertical)坐标系下的道集数据。
步骤105：对校正完成的道集按道输出保存，在道头信息中保存翻滚角、俯仰角与方位角。
上述步骤102中，对俯仰角和翻滚角的校正方法如下：
vxyv＝rθrφvxyz
其中，vxyv为校正至水平姿态的三分量地震数据列向量，vxyz为原始三分量地震数据列向量，rθ、rφ分别为俯仰角和翻滚角的旋转矩阵，其表达式为：
其中，θ为俯仰角，φ为翻滚角。
上述步骤103中，利用校正后的两个水平分量求取初始方位角，由偏振分析方法实现，具体过程如下：
步骤1：利用aic(akaikeinformationcriteria，赤池信息量准则)方法分别获得步骤102校正后的两个水平分量的直达p波到时，aic算法的公式为：
aic(t)＝t·log(var(x[1：t])) (t-t-1)·log(var(x[t 1：t]))
其中，t为单个分量道集的时间，var(x)为时间序列x的方差，x[1：t]为时间序列x从时间1到t的采样，t为所选取的信号的总时长，aic值最小处取为到时；
步骤2：分别截取两个水平分量的短时窗数据(0.027-0.05秒)，采用地震偏振分析的方法，以y分量数据为因变量，x分量数据为自变量，利用线性函数(y＝kx b)对x、y的数据点进行拟合，求取线性函数的斜率(k)；
步骤3：计算步骤2中斜率(k)的反正切值，此值即为初始方位角(
上述步骤103中，求取初始方位角后，利用纵测线方向分量与垂向分量直达p波极性一致准则，确定最终方位角(γ)，其具体实现步骤如下：
步骤1：利用初始方位角
其中：
步骤2：计算第一个水平分量
其中，r为互相关函数值，d＝0,1,…,n为互相关计算序列，i为水平分量
步骤3：利用互相关函数的正负来求取最终方位角(γ)：
其中，对于正相关的结果，最终方位角(γ)等于初始方位角
上述步骤104中，进行最终方位角校正的方法为：
vrtv＝rγvxyv
其中，vrtv为方位角校正后列向量，rγ为方位角旋转矩阵，vxyv为步骤102中获得的水平姿态列向量，其中：
本发明还提供了一种用于实现自动校正方法的组合式海底地震仪三分量地震计姿态自动校正装置。
图2是本发明的一种组合式海底地震仪三分量地震计姿态自动校正装置的结构框图，包括地震道集读取模块201，水平姿态校正模块202，方位角求取模块203，方位角校正模块204和保存输出模块205,对该结构说明如下。
地震道集读取模块201，用于读取道头信息与道集数据；
水平姿态校正模块202，用于基于仪器内部电子罗盘记录的翻滚角与俯仰角校正原始道集至水平姿态方向；
方位角求取模块203，用于求取校正至水平方向后x分量与纵测线方向的方位角；
方位角校正模块204，用于对水平姿态的三分量地震道集进行方位角旋转校正；
保存输出模块205，对校正后的道集按道进行输出保存，添加改下道头信息。
其中，水平姿态校正模块202，利用仪器内部记录的俯仰角和翻滚角进行水平姿态校正设计如下：
vxyv＝rθrφvxyz
其中，vxyv为校正至水平姿态的三分量地震数据列向量，vxyz为原始三分量地震数据列向量，rθ、rφ分别为俯仰角和翻滚角的旋转矩阵，其表达式为：
其中，θ为俯仰角，
方位角求取模块203中，初始方位角由校正后的两个水平分量的偏振分析方法求取，设计步骤如下：
步骤1：利用aic(akaikeinformationcriteria，赤池信息量准则)方法分别获得步骤102校正后的两个水平分量的直达p波到时，aic算法的公式为：
aic(t)＝t·log(var(x[1：t])) (t-t-1)·log(var(x[t 1：t]))
其中，t为单个分量道集的时间，var(x)为时间序列x的方差，x[1：t]为时间序列x从时间1到t的采样，t为所选取的信号的总时长，aic值最小处取为到时；
步骤2：分别截取两个水平分量的短时窗数据(0.027-0.05秒)，采用地震偏振分析的方法，以y分量数据为因变量，x分量数据为自变量，利用线性函数(y＝kx b)对x、y的数据点进行拟合，求取线性函数的斜率(k)；
步骤3：计算斜率(k)反正切值，此值即为初始方位角
方位角求取模块203中，求取初始方位角后，利用纵向分量与垂向分量直达p波极性一致准则，确定最终方位角(γ)，其具体实现步骤如下：
步骤1：利用初始方位角
其中：
步骤2：计算第一个水平分量
其中，r为互相关函数值，d＝0,1,…,n为互相关计算序列，i为水平分量
步骤3：利用互相关函数的正负来求取最终方位角(γ)：
其中，对于正相关的结果，最终方位角(γ)等于初始方位角
方位角校正模块204中，进行最终方位角校正的方法为：
vrtv＝rγvxyv
其中，vrtv为方位角校正后列向量，rγ为方位角旋转矩阵，vxyv为步骤102中获得的水平姿态列向量，其中：
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姿态自动校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤101：组合式海底地震仪完成海上人工源放炮作业，利用放炮时间与位置导航信息，从连续记录数据序列中截取单个组合式海底地震仪的共接收点道集，作为输入数据；
步骤102：将原始三分量地震计道集数据校正至水平姿态，即采用笛卡尔三维坐标系旋转方法实现俯仰角与翻滚角的校正，欧拉角采用仪器内部电子罗盘记录数值；
步骤103：求取校正至水平姿态的第一水平分量与三维地震勘探的纵测线正方向的方位角，采用旋转后两个水平分量的偏振分析方法获取初始方位角，进一步利用初始方位角旋转后的第一个水平分量与垂向分量之间直达p波极性一致的准则确定最终方位角，引入互相关算法进行极性判别；
步骤104：利用步骤103求取的最终方位角，对步骤102校正的水平三分量道集再次进行三维坐标系旋转计算，获取三维地震勘探纵测线方向、联络测线方向与垂向坐标系下的道集数据；
步骤105：对校正完成的道集按道输出保存，在道头信息中保存翻滚角、俯仰角与方位角。
2.如权利要求1所述的组合式海底地震仪姿态自动校正方法，其特征在于，所述方法步骤102中，对俯仰角和翻滚角的校正方法如下：
vxyv＝rθrφvxyz
其中，vxyv为校正至水平姿态的三分量地震数据列向量，vxyz为原始三分量地震数据列向量，rθ、rφ分别为俯仰角和翻滚角的旋转矩阵，其表达式为：
其中，θ为俯仰角，φ为翻滚角。
3.如权利要求1所述的组合式海底地震仪姿态自动校正方法，其特征在于，所述方法步骤103中，利用校正后的两个水平分量求取初始方位角，由偏振分析方法实现，具体过程如下：
步骤1：利用赤池信息量准则方法分别获得步骤102校正后的两个水平分量的直达p波到时，赤池信息量准则方法的公式为：
aic(t)＝t·log(var(x[1：t])) (t-t-1)·log(var(x[t 1：t]))
其中，t为单个分量道集的时间，var(x)为时间序列x的方差，x[1：t]为时间序列x从时间1到t的采样，t为所选取的信号的总时长，aic值最小处取为到时；
步骤2：分别截取两个水平分量的短时窗数据，范围为0.027-0.05秒，采用地震偏振分析的方法，以y分量数据为因变量，x分量数据为自变量，利用线性函数y＝kx b对x、y的数据点进行拟合，求取线性函数的斜率k；
步骤3：计算步骤2中斜率k的反正切值，此值即为初始方位角
4.如权利要求3所述的组合式海底地震仪姿态自动校正方法，其特征在于，所述方法步骤103中，求取初始方位角后，利用纵测线方向分量与垂向分量直达p波极性一致准则，确定最终方位角γ，其具体实现步骤如下：
步骤11：利用初始方位角
其中：
步骤12：计算第一个水平分量
其中，r为互相关函数值，d＝0,1,…,n为互相关计算序列，i为水平分量
步骤13：利用互相关函数的正负来求取最终方位角γ：
其中，对于正相关的结果，最终方位角γ等于初始方位角
5.如权利要求4所述的组合式海底地震仪姿态自动校正方法，其特征在于，所述方法步骤104中，进行最终方位角校正的方法为：
vrtv＝rγvxyv
其中，vrtv为方位角校正后列向量，rγ为方位角旋转矩阵，vxyv为步骤102中获得的水平姿态列向量，其中：
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姿态自动校正方法的组合式海底地震仪姿态自动校正装置，其特征在于，所述装置包括：地震道集读取模块，用于读取道头信息与道集数据；水平姿态校正模块，用于基于仪器内部电子罗盘记录的翻滚角与俯仰角校正原始道集至水平姿态方向；方位角求取模块，用于求取校正至水平方向后第一水平分量与纵测线方向的方位角；方位角校正模块，用于对水平姿态的三分量地震道集进行方位角旋转校正；保存输出模块，用于对校正后的道集按道进行输出保存，添加改写道头信息。
技术总结