用于使用动态选择的源波形进行电磁勘测的方法和装置与流程

背景技术：

电磁勘测涉及将电场或磁场传达（impart）到地下地球地层中，这样的地层在海洋电磁勘测中在诸如大海、河流、湖泊或大洋之类的水体之下，并且涉及通过测量在电极、天线中感生的电压差来测量电场振幅和/或磁场振幅和/或查询部署在地球表面处或者在水体层（floor）上或之上的磁力计。响应于传达到地球的地下中的电场和/或磁场而感生电场和/或磁场，并且根据所感生的电场和/或磁场的记录作出关于地球的地下的传导性的空间分布的推断。

电磁勘测还可以涉及经由传递时变电流通过发射器天线而将时变电磁场传达到地下地层中。交变电流可以具有一个或多个所选的离散频率。这样的电磁勘测被称为频域受控的源电磁（f-csem）勘测。另一技术被称为暂态受控的源电磁（t-csem）勘测。在t-csem中，以类似于f-csem的方式传递电流通过在地球的表面处（或靠近水体层）的发射器。电流可以是直流（dc）。在所选时间处，电流被关断、接通或使其极性改变，并且典型地关于所选时间间隔内的时间在地球的表面或水表面处测量所感生的电压和/或磁场。替代的开关（switching）技术是可能的。

用于f-csem和t-csem的以上方法已经被适配以用于在海洋环境中使用。基于线缆的电磁传感器已经被设计用于检测由将电场和/或磁场传达到水体底部之下的地层中引起的电场和/或磁场信号。还已经设计了具有拖曳式电磁接收器的系统。

附图说明

图1描绘了依照本发明的实施例的可以用于电磁勘测的示例性海洋电磁勘测装置。

图2是示出依照本发明的实施例的用于使用从预先计算的波形序列的库动态选择的源波形进行电磁勘测的示例性方法的流程图。

图3是描绘依照本发明的实施例的用于使用从预先计算的波形序列的库动态选择的源波形进行电磁勘测的示例性系统的精选组件的框图。

图4是依照本发明的实施例的若干示例源波形的振幅和频率的图。

图5示出依照本发明的实施例的针对图4的示例源波形中的每个的一个周期的电流时间序列。

图6图示了依照本发明的实施例的取决于背景噪声水平的源波形的示例性选择。

要注意，随此提供的附图不一定按比例绘制。它们出于说明的目的被提供以使理解目前公开的发明容易。

具体实施方式

本公开提供了一种创新的自适应源电磁勘测技术，其使用从预先计算的波形序列的库动态选择的源波形。所做出的动态选择可以取决于通过使用一个或多个电磁传感器获得的接收器信号，和/或通过使用一个或多个辅助传感器获得的辅助信号。

示例性电磁勘测装置

图1描绘了依照本发明的实施例的可以用于电磁勘测的海洋电磁勘测装置。如所示，船舶10可以沿着诸如大海、河流、湖泊或大洋之类的水体11的表面9移动。船舶10可以包括可以被称为记录系统12的装备。记录系统12可以包括用于向一个或多个天线施加电流的设备，诸如源电极18和/或部署在由船舶10拖曳的源线缆14上或沿着所述源线缆14部署的其他设备。记录系统12还可以包括用于对船舶10进行导航的导航装备、用于确定船舶10和由船舶10在水体11中拖曳的组件的大地位置的定位装备，以及用于记录诸如由传感器线缆16上的一个或多个传感器（例如电磁或地震传感器）检测到的信号之类的数据的信号记录设备。如所示，传感器线缆16也可以由船舶10拖曳。替代地，传感器线缆16可以由另一船舶（未示出）拖曳，或者传感器可以配置在大洋底部线缆或节点上。在一些实施例中，电磁传感器可以部署在由船舶10拖曳的传感器线缆16、由另一船舶拖曳的传感器线缆、大洋底部线缆和大洋底部节点中的一个或多个上。

本示例中的源线缆14可以包括天线，所述天线包括部署在沿着源线缆14间隔开的位置处的多个（在所图示的示例中示出两个）源电极18。在所选时间处，记录系统12中的装备的某些组件可以跨源电极18传导电流。这样的电流的时变分量产生电磁场，该电磁场传播通过水体11并且传播到水底部19之下的地下地层中。水底部19之下的地下地层可以包括例如电阻异常区域30，其特性可以是电磁勘测的目标。

图1中所示的源电极18的布置——称为成直线的水平电偶极子天线，不是可以与本发明一起使用的电磁天线的唯一类型。附加于或替代于图中所示的成直线的水平电偶极子天线，源线缆14还可以包括成交叉线的电偶极子天线、垂直电偶极子天线和水平或垂直磁偶极子天线（电流回路）中的任何一个或多个，或具有关于拖曳方向的其他取向的类似设备。

在所图示的示例中，船舶10还可以拖曳至少一个传感器线缆16。传感器线缆16可以包括在沿着传感器线缆16间隔开的位置处的多个电磁传感器20。电磁传感器20中的每个可以测量与由通过天线（例如源电极18）传达到水底部19之下的地下地层中的电磁场的相互作用所引起的电磁场相关的参数。在本示例中，电磁传感器可以是部署在沿着传感器线缆16间隔开的位置处的接收器电极对。由所传达的电磁场与水底部19之下的地下地层的相互作用所引起的电磁场的电场分量可以感生跨接收器电极对中的每个的电压，并且这样的电压可以由电压测量电路检测。这样的电压测量电路可以部署在传感器线缆16中和/或记录系统12中。可以使用的电磁传感器的另一示例是单轴或多轴磁力计，诸如磁通门磁力计。

在一些示例中，传感器线缆16还可以包括部署在沿着传感器线缆16间隔开的位置处的地震传感器，诸如水听器和/或地音探听器，其一般在22处示出。在一些实施例中，地震能量传感器可以部署在由船舶10拖曳的传感器线缆16、由另一船舶拖曳的传感器线缆、大洋底部线缆和大洋底部节点中的一个或多个上。对于海洋电磁勘测装置包括地震传感器的这样的示例，船舶10或另一船舶可以拖曳地震能量源24，诸如气枪、海洋振动器或者气枪或海洋振动器的阵列。地震能量源24可以在所选时间处由记录系统12中的某个装备致动，并且由地震传感器22检测到的信号可以由记录系统12中的信号记录设备所记录。在电磁勘测操作期间，地震信号可以与由电磁传感器20检测到的电磁信号基本上同时地获取，或者可以在其他时间获取。

应当理解的是，示出仅包括一个传感器线缆16的图中的示例以说明如何制作和使用根据本发明的各种方面的传感器线缆。这样的传感器线缆可以用在获取系统中，所述获取系统包括由船舶10和/或由另一船舶拖曳的、用所选配置以提供“成直线的”和“成交叉线的”电磁和/或地震信号的多个横向间隔开的传感器线缆。

示例性方法

图2是示出依照本发明的实施例的用于使用从预先计算的波形序列的库动态选择的源波形进行电磁勘测的示例性方法200的流程图。图2的方法200包括两个预备步骤（201和202）和可以在电磁勘测期间执行的各种步骤（211至220）。在一些实施例中，可以在时间和/或空间上远离用于电磁勘测的示例性方法200的其他步骤执行预备步骤（201和202）。

按照步骤201，生成预先计算的波形序列的集合（例如，库或数据库）。用于生成预先计算的波形序列的集合的示例性实现使用下面关于图4和5描述的评分过程。虽然示例性实现提供了用于生成预先计算的波形序列的集合的一个过程，但是在其他实现中可以利用用于获得预先计算的波形序列的集合的其他过程。

然后可以按照步骤202提供对预先计算的波形序列的集合的访问。例如，预先计算的波形序列的集合可以存储在非易失性数据贮存器中。

在电磁勘测期间，方法200按照步骤211从预先计算的波形序列的集合选择源波形。该选择取决于在步骤217中获得的接收器信号，并且可选地取决于在步骤219中获得的一个或多个辅助信号。在本发明的实施例中，该选择可以使用在步骤220中确定的背景噪声水平。

用于按照步骤211选择源波形的示例性过程可以计算和/或使用针对库中的不同的预先计算的波形序列关于接收器信号（和可选地（多个）辅助信号）、背景噪声水平、地球物理约束、信噪比要求等的得分。在一个实现中，所计算的得分可以是频带中的信噪比，并且还可以取决于频带中的多个峰、不同频带中的辅助传感器的水平或其组合。在下面关于图4和5来描述示例性评分过程。可以从预先计算的波形序列的集合选择具有较高得分的特定源波形。在下面关于图6来描述源波形的选择取决于背景噪声水平而改变的示例性情况。

一旦从预先计算的波形序列的集合选择了源波形，就可以按照步骤212输出源波形。方法200然后可以前进到步骤213，其中如果必要的话，可以使用发射器放大器电路来放大源波形以提供放大的源波形。

按照步骤214，可以发射传出的电磁信号。发射可以使用由放大的源波形驱动（drive）的天线来完成。传出的电磁信号可以在水下发射，使得其与目标地下地层相互作用。

按照步骤216，响应的电磁信号可以被一个或多个电磁传感器接收。响应的电磁信号可能取决于水体和地下地层的结构和材料特性，并且可能提供关于水体和地下地层的结构和材料特性的信息。按照步骤217，可以从电磁传感器获得前置放大的接收器信号。按照步骤218，前置放大的接收器信号可以使用用以提供接收器信号的接收器放大器电路进行放大。该放大步骤218是可选的，并且如果前置放大器具有足够高的增益则可能不是必要的。

按照可选的步骤219，辅助信号可以通过规定时间段内的测量来获得。在一个实现中，规定时间段可以对应于一连串电磁勘测。在另一实现中，规定时间段可以对应于来自源生成器的发射或发射的部分，其取决于所期望的反馈速度。按照同样可选的步骤220，可以根据接收器信号和/或辅助信号确定背景噪声水平。

此后，如图中所示，方法200可以循环回到步骤211以重复以上讨论的步骤（即步骤211、212、213、214、216、217和218以及可选地，219和220）的执行。以此方式，电磁勘测可以使用从预先计算的波形序列的集合动态选择的自适应源来执行。在一个实施例中，可以贯穿目标区域的电磁勘测重复所述步骤，使得源波形通过动态选择而连续适配。在另一实施例中，可以周期性地应用步骤211，使得源波形通过动态选择而周期性地适配。

示例性系统

图3是描绘了依照本发明的实施例的用于使用从预先计算的波形序列的库动态选择的源波形进行电磁勘测的示例性系统300的精选组件的框图。如所示，系统300可以包括发射子系统（例如，发射器）310、接收子系统（例如，接收器）320、记录子系统（例如，记录器）330和一个或多个辅助子系统350。系统300的各种组件中的至少一些可以在在水体中在目标地下地层之上行进的船舶上，或者由所述船舶拖曳。在一些实施例中，系统300的各种组件中的一些可以在分离的船舶上，固定在水底部处或附近，或者在岸上。

发射子系统310可以包括预先计算的波形序列的数据库311、源选择器312、发射器放大器314和天线316（例如，图1中的源电极18）。数据库311包括预先计算的波形序列的集合。预先计算的波形序列的该集合可以例如利用本文中描述的评分技术来生成。源选择器312可以使用各种数据输入从数据库311选择一个源波形313。所选源波形313可以是例如宽带信号，其包括一个或多个频峰。

发射器放大器314可以是布置成放大所选源波形313以提供放大的源波形315的电路。天线316可以布置成由放大的源波形315驱动以便发射传出的电磁信号317。传出的电磁信号可以在水下发射，使得其与目标地下地层相互作用。

接收子系统320可以包括一个或多个电磁传感器322（例如，图1中的电磁传感器20）和接收器放大器324。响应的电磁信号321可以被一个或多个电磁传感器322检测到。响应的电磁信号321取决于水体和地下地层的结构和材料特性，并且提供关于水体和地下地层的结构和材料特性的信息。前置放大的接收器信号323可以由（多个）电磁传感器322输出，并且可以使用接收器放大器电路324来放大以提供接收器信号325。接收器信号325可以被输出到记录子系统330和发射子系统310的源选择器312。

记录器子系统330可以布置成记录来自接收器子系统320的接收器信号325。依照本发明的实施例，记录器子系统330可以进一步布置成还记录源波形313，所述源波形313在电磁勘测期间随时间过去以动态方式自适应地改变。记录器子系统330或分离的数据处理子系统可以配置成至少处理接收器信号325，以便提取关于所勘测的区域的地下结构的有用信息。

发射子系统310的源选择器312可以布置成至少接收接收器信号325。在本发明的某些实施例中，源选择器312还可以接收从一个或多个辅助子系统350获得的一个或多个辅助信号351。例如，辅助信号351可以从可以由相同船舶拖曳的地震传感器（例如，水听器或地音探听器）获得。作为另外的示例，辅助信号351可以从其他传感器获得，所述其他传感器诸如电磁拖缆中的测量其移动的加速度计和磁力计。此外，在具有多个源的实施例中，用于一个源的反馈控制信号可能取决于从与另一源相关联的源生成器获得的辅助信号。如本文中公开的，源选择器312可以利用接收器信号325和/或（多个）辅助信号351，以便做出从数据库311对源波形313的适当选择。

示例性评分过程

下文描述了示例性评分过程，其可以用在按照步骤201生成预先计算的波形序列的集合和按照步骤211从该集合选择源波形中。

为了改进来自电磁勘测的结果，使用包含具有适当的振幅和信噪比的所有重要频率的源波形是合期望的。因而，电流振幅的频率相关性近似遵循电场背景和噪声的频率相关性是合期望的。

设计源波形是非平凡的问题。在源输出电子器件中的电流的开关与每个频率的振幅之间不存在简单关系。因而，常规地，设计源序列基本上是试错法搜索问题。源波形被生成并且对着所设立的振幅准则进行测试。

然而，要通过试错法测试的可能组合的数目随着可能的开关的数目而快速地变得过大。因而，在先前的工作中，要针对其进行优化的频率的数目已经被限制，通常被限制到三至四个频率。在这样的情况下，来自所获得的和期望的源波形振幅的最小均方和将是适当的。

依照本发明的实施例，要优化的频率的数目可以比三或四个频率多得多。例如，在一个实现中，可能优化高达二十个频率。在这许多频率的情况下，虽然单个频率可能从期望的振幅相当大地偏离，但是其他频率可以在最小均方计算中进行补偿。

此外，常规技术不一定区分小于或大于期望振幅的振幅。做出这样的区分是合期望的，因为期望的频率分布可能不存在或者不可能找到，并且更高振幅一般是更好的。本文中公开的技术有利地提供了对具有足够密集的频率网格的合适频带的使用。具有足够密集的频率网格的这样的频带在em数据的求逆中是有利的，倘若信噪比足够高的话。

本文中公开了对相对最小的频率振幅敏感的灵活评分技术。该评分技术可以用于具有可控灵敏度的任何数目的频率。该评分技术可以在此用于用具有要针对其进行优化的许多（例如，十至二十个）频率的各种振幅分布填充预先计算的波形序列的数据库。

为了解释的目的，评分技术的以下讨论假定理想的源波形，其中源波形可以仅处于“电流接通”状态+i0和-i0，其没有开关中的停滞时间和零电流上升时间。替代地，对于理想的源波形而言，具有“电流关断”状态是可能的，但是这将降低发出功率。

基本源波形时间序列可以被视为相等时间长度δt的整数数目的电流状态。因此i（tk）=i0f（tk），其中f（tk）=-1、0或1，其中k=1至m，其中m是偶数，并且tk+1=tk+δt。这样的时间序列的可用频率限于fn=nf0，其中f0是基本源波形时间长度t=mδt的倒数，并且n是整数。通过傅里叶级数展开来获得针对每个频率的振幅an。此外，可以要求电流dc分量为零。

为了比较不同的源波形，必须存在如何计算源波形的得分结果的定义。现在描述评分过程的示例性实现。令

（1）

其中p>0，δ=10^-20或更小，并且相对振幅rn=an/bn并且bn是优选的an水平。如果可能的话，可以选择优选的振幅bn，因此rn≤1，但是这不是关键的。nf-score是用在得分计算中的频率的数目。意图qscore参数对an>bn是不敏感的。δ参数（增量参数）确保有限的结果，但是可以被设置成零，如果计算可以处置无限的值的话。

可以通过搜索最高qscore对源波形进行排序。将针对要在其上进行优化的频率具有rn值的矢量定义为

（2）

将偏差分数定义为εscore，其中γ=（1-εscore）并且0<εscore<1。现在要求比例矢量

（3）

并且

（4）

得到独立于nf-score和εscore的相等得分。该条件保证最低rn控制得分到一个高程度。在一个实现中，我们允许nf-score在范围3≤nf-score≤20中变化。

可以针对nf-score和εscore的每个组合获得的用于p的值，为

（5）

所要求的指数p随着εscore降低和nf-score增加而增加。按照等式（1），该变量p虑及比单个固定的p将产生的源波形评分更标准化的源波形评分。

以上描述的评分过程是当所涉及的频率的数目为大约十或更多时对基于最小均方的评分的改进。其还在所涉及的频率的数目为几个（如三个）时起作用。依照本发明的实施例，以上描述的评分过程可以有利地用作针对多种噪声特性和多个频率的预先计算的波形序列的数据库的创建中的选择工具。

在图4中，示出四个示例源波形（波形a、b、c和d）的相对振幅和标准化的频率。在前二十个频率上优化每个示例源波形。

对于每个示例源波形，线将相对振幅指示为在搜索中使用的标准化的频率的函数。相关联的参考标记指示用于每个示例源波形的二十个离散的标准化的频率及其对应的相对振幅。

如在图4中看到的，每个源波形可以包括离散频峰的集合，而不是连续的频带。在示例性实现中，存在折衷，使得频带中的峰的较密集集合可以通过那些峰的较低振幅来补偿。换言之，第一源波形可以在给定频带中具有比第二源波形更大数目的峰（更大密度）。在该情况下，为了补偿较大密度的峰，第一源波形中的峰的振幅可以小于第二源波形中的峰的振幅。

另外，离散频峰的振幅的分布可能不同。一些源波形可能具有有着类似振幅的峰。其他源波形可能具有有着随频率f增加而降低的振幅的峰。例如，振幅可以与1/f成比例。库中的不同源波形的这些特性可以全部在选择过程中进行评分以匹配地球物理约束、对信噪比的要求等。

已经使用了偏差分数εscore=0.05，从而导致针对nf-score=20的p≈57.4的指数。每个源波形中的时间段和开关的数目可以分别在从150至180和从8至12的范围中。一般而言，开关的数目随频谱有多平坦而增加，因为开关向较高频率移动能量。在图5中示出了针对示例源波形a、b、c和d中的每个的一个周期的时间序列。在图5中，为了可见性而对振幅进行缩放。

取决于背景噪声的选择

依照本发明的实施例，源波形的选择可以取决于背景噪声水平来调节源的频率组成。可以在来自一连串海洋地震勘测之前、之后或期间的周期的接收器信号中测量背景噪声水平。替代地，可以根据（多个）辅助信号估计背景噪声水平。

依照本发明的实施例，源波形可以通过规则集合进行评分或选择，所述规则例如要求信噪比在频率或频带的关键集合处的某个范围中。较大的背景噪声将要求能量集中到较少的频率，并且因而可以选择具有该频率组成的源波形。然而，如果背景噪声水平较低，则可以选择具有较多频峰的源波形以提供增加密度的频率覆盖。

图6图示了依照本发明的实施例的取决于背景噪声水平的源波形的示例性选择。在图6中描绘了两个示例背景噪声水平和三个关键频率（f0、f1和f2）。第一个是相对较低的噪声水平（低噪声）602，并且第二个是相对较高的噪声水平（高噪声）604。

依照本发明的实施例，如果背景噪声水平被确定220为较低噪声水平602，则源选择器312可以选择211第一源波形（例如，低噪声源）606，其具有在相关频带中有着较小峰振幅的频峰。这导致例如在图6中以说明性方式示出的频率f0（最低关键频率）处的第一信噪比（例如，低噪声信噪比）610。在其他关键频率处得到类似的信噪比。

另一方面，如果背景噪声水平被确定220为较高噪声水平604，则源选择器312可以选择211第二源波形（例如，高噪声源）608，其具有相关频带中的较大峰振幅的频峰。这导致例如在图6中以说明性方式示出的频率处的第二信噪比（例如，高噪声信噪比）612。在其他关键频率处得到类似的信噪比。

要注意，高噪声源608和低噪声源606可能具有相同或近似相同的总能量。在该情况下，如所图示的，具有较高峰振幅的高噪声源608具有较少（例如，仅三个）且较稀疏分布的峰，而具有较低峰振幅的低噪声源606具有较大数目（例如，六个）的较密集分布的峰。

要注意，依照本发明的实施例，可以通过以上描述的技术使信噪比保持近似相同（即在相同范围内）。这虑及较低噪声情形中的较密集频率覆盖，而较稀疏频率覆盖用在较高噪声情形中。

结论

在以上描述中，给出众多具体细节以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本发明所说明的实施例的以上描述不意图是详尽的或将本发明限制到所公开的精确形式。相关领域技术人员将认识到，本发明可以在没有具体细节中的一个或多个的情况下或者利用其他方法、组件等来实践。在其他实例中，未示出或详细描述公知的结构或操作以避免使本发明的各方面模糊。虽然在本文中出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和本发明的示例，但是在本发明的范围内，各种等价修改是可能的，如相关领域技术人员将认识到的那样。

根据以上详述的描述，可以对本发明做出这些修改。在以下权利要求书中使用的术语不应当解释成将本发明限制到说明书和权利要求书中公开的具体实施例。而是，本发明的范围要由以下权利要求书确定，要依照已建立的权利要求解释原则来解释以下权利要求书。