專利名稱：聲音傳播速度建模方法、裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及在海洋地震探測(cè)中使用的海洋地震(勘
探)方法和設(shè)備的領(lǐng)域，并且更具體地說(shuō)涉及采用成本高效方式用于 更精確地估計(jì)海洋環(huán)境中聲音傳播速度的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
海洋地震探測(cè)調(diào)查和繪制水體下的地下地質(zhì)層的結(jié)構(gòu)和 特性的圖。在所謂的海床地震中，包括地震接收器的繩纜從水面船體 被布置在海床上。在拖曳海洋地震調(diào)查中， 一條或多條拖曳海洋地震 拖纜和拖曳聲源被布置在船隊(duì)中的一個(gè)或多個(gè)船體后。地震操作人員 需要接收器的準(zhǔn)確位置確定，并且定位用的典型使用方法基于水下聲 學(xué)測(cè)距。典型地，在3維、4維和超過(guò)/低于的拖曳海洋地震調(diào)查中， 海洋地震拖纜排列使用聲音距離測(cè)量以確定海洋地震拖纜中的地震接 收器的位置。水中地震檢波器接收器定位可通過(guò)全聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)(有時(shí)稱 為IRMA —固有距離調(diào)制聲學(xué)(intrinsic range modulated acoustics)實(shí) 現(xiàn)，獨(dú)立于海洋地震拖纜長(zhǎng)度。該水中地震檢波器也用作定位信號(hào)的 接收器。不同于其中水中地震檢波器位置的精度在聲學(xué)定位節(jié)點(diǎn)之間 :降級(jí)的傳統(tǒng)系統(tǒng)，Q-Marine技術(shù)在海洋地震拖纜的整個(gè)長(zhǎng)度提供一致 的精度。這種提高的接收器位置精度在地震數(shù)據(jù)表中轉(zhuǎn)換為提高的高 頻率保持。并且更高頻率轉(zhuǎn)換成改進(jìn)的垂直和側(cè)向分辨率。稱作Q-Technology 船的調(diào)查船可拖曳著具有25-50米間隙的多條1000-10， 0000米繩纜執(zhí)行地震調(diào)查，使用WestemGeco專利校準(zhǔn)的Q-MarineTM源。"Q"是先進(jìn)地震技術(shù)的WesternGeco專利組件，用于 提高的容器定位、描述和管理。
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容器坐標(biāo)估計(jì)總經(jīng)常使用海洋聲音信號(hào)傳播時(shí)間，用于 估計(jì)算法的某些部分。為了將海洋聲信號(hào)傳播時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，需要 海洋聲傳播速度。用于這種轉(zhuǎn)換的值通常是海洋變量鹽度、溫度和壓 力的測(cè)量結(jié)果。這些變量用于最廣泛接受的聲速公式的任何一個(gè)中。測(cè)量鹽度、溫度和壓力至少有兩種方法。 一種使用可回 收或可丟棄的聲速探針。在它們經(jīng)水柱下降期間，這些通常以固定間 隔測(cè)量導(dǎo)電率(鹽度)、溫度和壓力。這些或者已被存儲(chǔ)或通信返回 船只的測(cè)量值，然后被用于聲速公式。可選地，聲音速度表可以沿海洋地震拖纜布置。這些設(shè) 備采用至少兩種原理工作。它們可以測(cè)量將用于聲速公式的導(dǎo)電率 (鹽度)、溫度和壓力，或它們可以局部發(fā)射聲脈沖并將其存儲(chǔ)在固 定己知長(zhǎng)度的設(shè)備的另一端。經(jīng)己知長(zhǎng)度的傳播時(shí)間給出聲速。除了上述測(cè)量機(jī)制外，比例因子的估計(jì)能夠給出最匹配 值，將例如根據(jù)最優(yōu)準(zhǔn)則、最小平方，導(dǎo)致測(cè)量值以某種最優(yōu)方式擬 合在一起。假設(shè)聲音發(fā)射器/接收器對(duì)的成員之一的精確已知位置和該 對(duì)成員之間的波場(chǎng)傳播時(shí)間的精確測(cè)量值，如果沿波場(chǎng)軌跡(傳播路 徑)的材料的傳播速度特性已知或能夠確定，則能夠計(jì)算兩者之間的 距離。從幾種這種距離，該對(duì)有缺陷定位的成員的位置能夠由多側(cè)邊 確定(有時(shí)不正確地稱作三角測(cè)量)。如果該對(duì)的兩個(gè)成員的位置不 確定，可以使用諸如Kalman濾波的一些熟知的統(tǒng)計(jì)濾波方法。取得傳播模型估計(jì)的所有上述方法均存在缺點(diǎn)。在測(cè)量 方法的情況中，如果聲速探針經(jīng)水柱垂直傳播，它僅給出每個(gè)水平面 的點(diǎn)測(cè)量。因此，如果存在水平聲速梯度，對(duì)于排列展開(kāi)的范圍，測(cè) 量是有誤差的。人們可以簡(jiǎn)單地考慮測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，但由于考慮設(shè)備、 航行時(shí)間，測(cè)量操作的成本很高，這在操作上不可行，并且還存在健 康、安全或環(huán)境危險(xiǎn)。通過(guò)給出聲測(cè)量開(kāi)始并被再次記錄的平面或體積中的聲 速，沿海洋地震拖纜的測(cè)量似乎解決了這一問(wèn)題。不幸地，由于聲信 號(hào)經(jīng)常不是在一個(gè)平面?zhèn)鞑ィ@在實(shí)際上是不充分的。而且，垂直聲速分布圖通常這樣聲能量射線從平面折射離開(kāi)，有時(shí)在諸如空氣水 平面或海洋底部表面的強(qiáng)密度界面反射，并且有時(shí)在源和接收器之間 沿非直彎曲形狀彎曲。此外，在海洋地震拖纜排列的水平范圍，折射 會(huì)不同，這樣對(duì)聲能量傳播通路(光線跟蹤)建模需要許多水平和 垂直測(cè)量點(diǎn)。因此由于折射，任意點(diǎn)處的聲速能夠用于將傳播時(shí)間轉(zhuǎn) 換為空間的基本假定是有缺點(diǎn)的，但在整個(gè)地震航海團(tuán)體流行。與使 用聲速的多次局部測(cè)量相比，尺寸估計(jì)的方法是更好的選擇。該尺寸 估計(jì)方法試圖根據(jù)類似最小平方的最佳準(zhǔn)則結(jié)合所有測(cè)距。然而，單 一尺寸估計(jì)的模型是 一個(gè)尺寸值應(yīng)用于排列的整個(gè)范圍，這不是最 優(yōu)的，因?yàn)殡m然單一尺寸估計(jì)以一種最優(yōu)方式消除了不同傳播速度的 距離誤差，但在由于單一尺寸模型中的誤差不是正態(tài)分布的一些情況 中，仍存在殘余誤差。從上面，很明顯在本領(lǐng)域中，存在對(duì)估計(jì)海洋聲傳播 速度進(jìn)行改進(jìn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)對(duì)可能作為部分拖曳海洋地震獲取排
列的聲音傳播時(shí)間測(cè)量值，導(dǎo)出包括一個(gè)或多個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)的數(shù)學(xué)模
型，諸如2-或3-維多項(xiàng)式，方法、裝置和系統(tǒng)被描述以估計(jì)拖曳海洋 地震獲取排列中的聲音信號(hào)的聲音傳播速度。本發(fā)明的方法、裝置和 系統(tǒng)可用于收集海洋地震數(shù)據(jù)，例如3-D和4-D海洋地震數(shù)據(jù)。包 括自由度極大超定的空間頻率聲音發(fā)射器和接收器的聲音網(wǎng)絡(luò)可被用 于估計(jì)均勻高階多項(xiàng)式的幅度系數(shù)。聲音源與接收器點(diǎn)之間的測(cè)量的 傳播時(shí)間是調(diào)節(jié)觀察值，與GPS控制點(diǎn)和額外信息一起，包括但不 局限于海洋地震拖纜和非海洋地震拖纜長(zhǎng)度，海洋地震拖纜上的聲音 定位接收器之間的標(biāo)稱距離和相類似物。由于聲音傳播速度隨著源與 接收器之間的水平間隔變化，這是可包括在估計(jì)模型中以給出更精確 估計(jì)的另一分量。
本發(fā)明的第一方面是取得拖曳海洋地震排列的一條或多 條海洋地震拖纜中的接收器的絕對(duì)或真實(shí)位置的實(shí)質(zhì)準(zhǔn)確估計(jì)的方
法， 一種方法包括
a) 在海洋環(huán)境中布置拖曳地震排列，包括多個(gè)聲音定位 發(fā)射器；和多個(gè)定位點(diǎn)接收器；以及
b) 使用至少一些發(fā)射器與點(diǎn)接收器之間的信號(hào)的傳播時(shí) 間，以導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，描述海洋環(huán)境的聲音傳播速度作為 至少一個(gè)排列空間維度、發(fā)射器與接收器之間的距離和這 些的任何組合的函數(shù)?？梢允褂脦讉€(gè)距離值的分離多項(xiàng)式，或連續(xù)函數(shù)。例 如，描述聲音速度的連續(xù)線性函數(shù)可以如下
sv = mx + ny + pz + const
g巾
"sv"是聲音速度；
"mx + ny"描述x和y的空間相關(guān)性； "pz"描述了范圍長(zhǎng)度相關(guān)性； "m"，"n"和"p"是幅度系數(shù)；和 "const"是三個(gè)線性項(xiàng)的組合截取值?？梢栽谝粋€(gè)步驟中出現(xiàn)與數(shù)學(xué)函數(shù)的未知幅度系數(shù)一起 的聲音傳播速度(聲音速度)和發(fā)射器和/或接收器坐標(biāo)的估計(jì)。例 如， 一組線性方程式可以同時(shí)反轉(zhuǎn)，考慮坐標(biāo)和幅度系數(shù)的估計(jì)，直 到實(shí)現(xiàn)任意收斂極限?？蛇x擇地，可以使用迭代方法。本發(fā)明的這個(gè)方面內(nèi)的 方法包括那些方法，包括使用聲音傳播模型以迭代確定點(diǎn)接收器的位 置。本發(fā)明內(nèi)的其它方法包括那些方法，其中聲音定位發(fā)射器每個(gè) 產(chǎn)生不同的正交編碼擴(kuò)展頻譜信號(hào)，并且聲音傳播速度模型的導(dǎo)出包 括從多個(gè)發(fā)射器發(fā)射那些信號(hào)。該擴(kuò)展頻譜信號(hào)可以在其自相關(guān)函數(shù) 中每個(gè)具有顯著峰值。該方法還可以包括使用定位在標(biāo)稱或臨時(shí)位置 處的多個(gè)聲音點(diǎn)接收器，探測(cè)擴(kuò)展頻譜信號(hào)，點(diǎn)接收器正與計(jì)算單元通信。標(biāo)稱或臨時(shí)距離可定義在每個(gè)多個(gè)聲音定位發(fā)射器與每個(gè)定位 接收器之間。特定方法包括對(duì)于每組標(biāo)稱或臨時(shí)距離，測(cè)量在定位 接收器處用于接收第一組擴(kuò)展頻譜信號(hào)的一或多組時(shí)間，并且借助于 計(jì)算單元，作為標(biāo)稱或臨時(shí)距離、接收信號(hào)的時(shí)間和點(diǎn)接收器的至少 一個(gè)坐標(biāo)的一個(gè)函數(shù)，可以計(jì)算標(biāo)稱聲音傳播速度，并且這個(gè)過(guò)程迭 代直到取得適合的閉合。如這里使用的，"標(biāo)稱"被用于描述在排列 元件上沒(méi)有力的排列距離關(guān)系。"臨時(shí)"是在估計(jì)理論中經(jīng)常使用的 詞，意味著對(duì)第一調(diào)節(jié)循環(huán)的最佳估計(jì)。第一調(diào)節(jié)循環(huán)的輸出是下一 調(diào)節(jié)循環(huán)的輸入或臨時(shí)值。臨時(shí)值可以是任意類型的值、距離、方 向、溫度、估計(jì)的任何東西。范圍是一種測(cè)量距離，但標(biāo)稱距離是理
想距離。例如，標(biāo)稱長(zhǎng)度為由100個(gè)100米段組成的10km。沿海洋地 震拖纜的長(zhǎng)度的范圍測(cè)量可提供10， 010米，由于拖曳張力，由于海 洋地震拖纜上的伸展，長(zhǎng)出10米。
本發(fā)明的裝置包括
(a) 拖曳海洋地震拖纜地震排列，包括多個(gè)聲音定位發(fā)射器和 多個(gè)聲音定位接收器，發(fā)射器和接收器適合與計(jì)算單元通 信；
(b) 計(jì)算單元，適合導(dǎo)出聲音傳播速度模型，其中聲音傳播 速度是排列的至少一個(gè)空間維度、發(fā)射器與接收器之間的 距離和這些的任何組合的函數(shù)。本發(fā)明的裝置包括那些，其中所有聲音定位發(fā)射器是 非編碼聲音定位發(fā)射器；裝置，其中所有發(fā)射器是正交編碼信號(hào)序 列聲音定位發(fā)射器；和裝置，其中 一些發(fā)射器被編碼并且其它沒(méi) 有。該聲音定位發(fā)射器可以是"收發(fā)信機(jī)"，能夠同時(shí)發(fā)射和接收聲音 信號(hào)的單元，如本領(lǐng)域是已知的。在一個(gè)步驟中，與數(shù)學(xué)函數(shù)的未知 幅度系數(shù)一起，該計(jì)算單元可估計(jì)發(fā)射器和/或接收器坐標(biāo)。例如，一 組線性方程式可以同時(shí)反轉(zhuǎn)，給出坐標(biāo)和幅度系數(shù)的估計(jì)，直到實(shí)現(xiàn) 任意收斂極限?？蛇x地，計(jì)算單元可將一組或多組標(biāo)稱或臨時(shí)距離的 時(shí)間測(cè)量值組迭代計(jì)算成標(biāo)稱或臨時(shí)聲音傳播速度，并使用標(biāo)稱或臨時(shí)聲音傳播速度和從發(fā)射器到點(diǎn)接收器的連續(xù)聲音脈沖的后來(lái)測(cè)量接 收時(shí)間以估計(jì)范圍，時(shí)間測(cè)量值用于正交編碼聲音信號(hào)從發(fā)射器到接 收器，傳播經(jīng)過(guò)未知溫度、壓力和鹽度的水。
本發(fā)明的系統(tǒng)包括
(a) 拖船；以及
(b) 本發(fā)明的裝置。本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)包括那些，其中可以使用
由安裝在任何排列元件(船只、自主式水下潛器[auv]、組合源、供應(yīng)
船、工作船、海洋地震拖纜前或尾部浮筒)或海洋地震拖纜上的任何 對(duì)設(shè)備(發(fā)射器、接收器或收發(fā)信機(jī))測(cè)量的聲音能量傳播時(shí)間的任 何測(cè)量值。通過(guò)在單一步驟中對(duì)包括范圍、接收時(shí)間和或者在選定部 分的排列或整個(gè)排列中的坐標(biāo)迭代擬合或擬合一個(gè)或多個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)， 可以導(dǎo)出聲音傳播速度函數(shù)。在數(shù)據(jù)組中的接收時(shí)間包括發(fā)射與在每 個(gè)接收器接收自每個(gè)聲音發(fā)射器的聲音信號(hào)之間的測(cè)量時(shí)間?？蛇x
地，z坐標(biāo)(深度)也可以是本發(fā)明使用的聲音速度函數(shù)中的變量。
數(shù)學(xué)函數(shù)可以是一組線性方程，并且可以從諸如多項(xiàng)式的簡(jiǎn)單和光滑 函數(shù)選擇。在數(shù)學(xué)中，多項(xiàng)式函數(shù)或多項(xiàng)式是重要的一類簡(jiǎn)單和光滑
函數(shù)。如在這里使用，"簡(jiǎn)單"意味著它們僅使用乘法和加法(包 括除法和減法)構(gòu)造。"光滑"意味著它們無(wú)限可微的，即它們具
有所有有限次數(shù)的導(dǎo)數(shù)(derivatives)。本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)包
括那些，其中數(shù)學(xué)函數(shù)是2-或3-維函數(shù);和那些，其中在估計(jì) 中說(shuō)明了對(duì)于發(fā)射器與接收器之間的水平分離距離的聲音傳播速度的 變化。因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，多項(xiàng)式相對(duì)容易估計(jì)，并廣泛用于多項(xiàng) 式插值的數(shù)學(xué)分析或?qū)Ω鼜?fù)雜的函數(shù)數(shù)學(xué)積分。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)， 在數(shù)值分析中，多項(xiàng)式在一些情況中已由樣條替換。如這里使用的， "樣條"是分段定義的多項(xiàng)式，并當(dāng)確定簡(jiǎn)單和光滑函數(shù)時(shí)，可提供 比普通多項(xiàng)式更大的靈活性。本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)包括那些，其中數(shù)學(xué)函 數(shù)是多項(xiàng)式，并且多項(xiàng)式從1到10或更高的階數(shù)的多項(xiàng)式函數(shù)選擇。次數(shù)0的多項(xiàng)式函數(shù)被稱作常數(shù)函數(shù)(不包括具有不確定次數(shù)的 零多項(xiàng)式)；次數(shù)1被稱作線性函數(shù)；次數(shù)2被稱作二次函數(shù)；次 數(shù)3被稱作三次函數(shù)；次數(shù)4被稱作四次函數(shù)；和次數(shù)5被稱作五 次函數(shù)。如果使用多項(xiàng)式函數(shù)，多項(xiàng)式的系數(shù)可以利用多個(gè)算法
的任何一個(gè)確定；用于給定多項(xiàng)式的算法取決于多項(xiàng)式的形式和選定
的變量。為了求單項(xiàng)形式的多項(xiàng)式，人們可以使用赫諾方案(Homer scheme)。對(duì)于Chebyshev形式的多項(xiàng)式，可以使用Clenshaw算法。 如果幾個(gè)等距xn必須被計(jì)算，可以使用牛頓差分法(Newton's difference method)。多項(xiàng)式的商(Quotients)被稱作有理函數(shù)
(rational ftmctkms),并且這些可用于本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)， 可作為所謂的分段有理數(shù)。如果需要，可以通過(guò)合適的軟件使用其它 函數(shù)，包括三角函數(shù)(trigonometric functions)，對(duì)數(shù)(logarithms)禾口 指數(shù)函數(shù)(exponential functions)。由于沒(méi)有通用閉公式以計(jì)算次數(shù)5和更高的多項(xiàng)式的 根，求根算法(root-finding algorithms)被用于在數(shù)值分析中以近似 根。給定多項(xiàng)式的實(shí)根的近似值能夠使用牛頓方法(Newton's method)找出，或更有效地使用采用復(fù)數(shù)算術(shù)并能夠定位所有復(fù)數(shù)根 的拉格朗日方法(Laguerre's method)。這些方法對(duì)于數(shù)學(xué)家已知。該數(shù)學(xué)函數(shù)可以是多變量函數(shù)，諸如多變量多項(xiàng)式(具 有幾個(gè)變量的多項(xiàng)式)。在多元計(jì)算中，采用幾個(gè)變量的多項(xiàng)式起到 重要的作用。這些是最簡(jiǎn)單的多變量函數(shù)，并能夠僅使用加法和乘法 確定。發(fā)射器可以適于以任何頻率生成擴(kuò)展頻譜信號(hào)。在特定 應(yīng)用中，該頻率范圍可以從約500到約4000 Hz。該信號(hào)可以或可以 不根據(jù)給定命令發(fā)射，其無(wú)需在任何給定時(shí)刻計(jì)劃；實(shí)際上，它們可 以隨機(jī)發(fā)射。該發(fā)射器可以受控以相對(duì)于給定地震事件的同步方式傳 送其擴(kuò)展頻譜信號(hào)，并且不同的正交代碼可用于單獨(dú)的擴(kuò)展頻譜信 號(hào)。該發(fā)射器可以是傳統(tǒng)的水下音頻-聲音發(fā)射器。本發(fā)明的主要要求
ii在于它們應(yīng)能夠發(fā)射充分強(qiáng)的信號(hào)以能夠從離開(kāi)發(fā)射器幾公里處接 收，并且在于發(fā)送的信號(hào)或代碼還包含接收器(水中地震檢波器) 能夠探測(cè)的頻帶內(nèi)的頻率分量。發(fā)射器放置得越遠(yuǎn)，取得的分辨率越 好。本發(fā)明的另一方法是使用發(fā)射器與接收器之間的估計(jì)距 離以取得更準(zhǔn)確的海洋地震數(shù)據(jù)或校正先前取得的數(shù)據(jù)的方法。通過(guò)査看附圖的簡(jiǎn)要描述、本發(fā)明的詳細(xì)描述和后面的 權(quán)利要求，本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法以及本發(fā)明的其它方面將變得 更加明顯。


在下述描述和附圖中說(shuō)明了其中本發(fā)明的目的和其它期 望特征能夠取得的方式，其中圖1是使用本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法的拖曳海洋地 震排列(spread)的示意圖；圖2是該排列的計(jì)算機(jī)化表示，說(shuō)明了發(fā)射器和接收 器之間的多種范圍；圖3是顯示聲信號(hào)由改變溫度、壓力和/或鹽度的水反
射的方式的示意圖；禾口圖4是采用本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)和方法可得出聲速函
數(shù)的方式的示意圖。然而，應(yīng)該指出附圖不是成比例的，且僅顯示了本發(fā) 明的典型實(shí)施例，并且因此，不應(yīng)被認(rèn)為限制其范圍，對(duì)于本發(fā)明， 可采用其它同樣效果的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中，許多細(xì)節(jié)被列出以實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的理 解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解到本發(fā)明可沒(méi)有這些細(xì)節(jié)地實(shí) 現(xiàn)，并且從描述實(shí)施例可以進(jìn)行多種變化或修改。
在這里使用的所有段落、引用、詞的搭配和多字說(shuō)明，
尤其在隨后的權(quán)利要求中，明顯不局限于名詞和動(dòng)詞。很明顯意思 不僅由名詞和動(dòng)詞或單個(gè)詞確切說(shuō)明。語(yǔ)言使用多種方法表達(dá)內(nèi)容。 發(fā)明概念的存在和其中這些表達(dá)的方式在不同語(yǔ)言文化中不同。例 如，德語(yǔ)中的許多詞匯的復(fù)合詞經(jīng)常表示為拉丁語(yǔ)中的形容詞-名詞組 合、名詞-介詞-名詞組合或派生詞。權(quán)利要求中包括短語(yǔ)、派生詞和搭 配的可能性對(duì)于高質(zhì)量專利是必要的，使得可以減小對(duì)其概念內(nèi)容的 表達(dá)，并且與這種內(nèi)容一致的詞的所有可能的概念組合(或者在一種 語(yǔ)言或?qū)Χ喾N語(yǔ)言)期望包括在使用的短語(yǔ)中。通過(guò)使用比先前方法更精確和成本高效的聲傳播模型， 本發(fā)明的方法、設(shè)備和系統(tǒng)估計(jì)了拖曳地震部件的位置。取得聲傳播 模型的傳統(tǒng)方法或者給出不精確的范圍，或者成本太高，或兩者均 是。在測(cè)量方法的情況中，就成本、航行時(shí)間、健康、安全和/或環(huán)境 危險(xiǎn)而言，簡(jiǎn)單地測(cè)量多個(gè)點(diǎn)可能操作上是不可行的。通過(guò)假設(shè)聲測(cè) 量開(kāi)始并被再次記錄的平面或體積中的聲速，沿海洋地震拖纜的測(cè)量 似乎解決了這一問(wèn)題。不幸地，由于折射，這在實(shí)踐上是不充分的。 尺寸估計(jì)的方法比使用聲速的許多局部測(cè)量是更好的選擇，然而單一 尺寸估計(jì)的模型是一個(gè)尺寸值應(yīng)用于整個(gè)排列的范圍，這不是最優(yōu) 的，因?yàn)殡m然單一尺寸估計(jì)以一種最優(yōu)方式消除了不同傳播速度的范 圍誤差，但在由于單一尺寸模式中的誤差不是正態(tài)分布的一些情況 中，存在殘余誤差。本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)解決了這些問(wèn)題。本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)利用了由調(diào)制聲音系統(tǒng)的固 有聲音測(cè)距的大超定、高冗余特性，并使用時(shí)間對(duì)來(lái)自這種系統(tǒng)的范 圍數(shù)據(jù)的倍數(shù)，以精確地使高階數(shù)學(xué)函數(shù)擬合到數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)的數(shù) 學(xué)函數(shù)擬合在地震工業(yè)中己知，迄今為止，這種高冗余數(shù)據(jù)的使用在 估計(jì)海洋聲傳播速度中還不可能或被預(yù)期。雖然下述數(shù)學(xué)背景討論的焦點(diǎn)關(guān)于多項(xiàng)式(參見(jiàn) Wikipedia， the free encyclopedia, at http :
〃en.wikipedia.org/wiki/Polvnomial)，本發(fā)明并不局限于使用數(shù)學(xué)曲線擬合的多項(xiàng)式。因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，多項(xiàng)式可相對(duì)容易地求值，并 可用在用于多項(xiàng)式內(nèi)插法的數(shù)值分析或數(shù)值積分更復(fù)雜的函數(shù)。隨著 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，在數(shù)值分析的許多領(lǐng)域中，多項(xiàng)式在一些情況中已由 仿樣函數(shù)替代。仿樣函數(shù)是分段定義的多項(xiàng)式，并當(dāng)確定簡(jiǎn)單和光滑 函數(shù)時(shí)，可提供比普通多項(xiàng)式更大的靈活性。給定一些數(shù)域中(可能但不限于實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)域)中的常 量(即數(shù)字)ao， ...， an，同時(shí)對(duì)于n〉0， an非零，則次數(shù)n的多項(xiàng) 式(函數(shù))是如下形式的函數(shù)
f(x) =a0 + a1x+.., +an-ixn" + anxn. 更簡(jiǎn)明地，多項(xiàng)式能夠被寫(xiě)入sigma符號(hào)作為.-
n
f(x) = Saix'
i=0該常量ao， ...， an被稱作多項(xiàng)式的系數(shù)。ao被稱作 常系數(shù)和an被稱作首項(xiàng)系數(shù)。當(dāng)首項(xiàng)系數(shù)是1時(shí)，多項(xiàng)式被稱作首 項(xiàng)系數(shù)為一的函數(shù)或賦范的。多項(xiàng)式的每個(gè)被加數(shù)aiXi被稱作項(xiàng)。具 有l(wèi)、 2或3項(xiàng)的多項(xiàng)式被分別稱作單項(xiàng)式，二項(xiàng)式或三項(xiàng)式。次數(shù)為 0的多項(xiàng)式函數(shù)被稱作常數(shù)函數(shù)(不包括具有不確定次數(shù)的零多項(xiàng) 式)；次數(shù)1被稱作一次函數(shù)；次數(shù)2被稱作二次函數(shù)；次數(shù)3被稱 作三次函數(shù)；次數(shù)4被稱作四次函數(shù)；和次數(shù)5被稱作五次函數(shù)。微積分的一個(gè)重要方面是通過(guò)使復(fù)雜函數(shù)逼近多項(xiàng)式來(lái) 分析它們(復(fù)雜函數(shù))的方案。這些努力的頂點(diǎn)是泰勒定理(Taylor's theorem)，其粗略地表述為每個(gè)可微函數(shù)局部看似一個(gè)多項(xiàng)式；和 Stone-Weierstrass定理(theorem)，其表述為定義在實(shí)軸的緊湊區(qū) 間(comoact interval)上的每個(gè)連續(xù)函數(shù)可以由多項(xiàng)式在整個(gè)區(qū)間上盡 可能地逼近。多項(xiàng)式也經(jīng)常用于對(duì)函數(shù)進(jìn)行插值。多項(xiàng)式的商被稱作 有理函數(shù)(rational ftinctions)。分段有理數(shù)僅指能夠直接在計(jì)算機(jī)上 求值的函數(shù)，因?yàn)榈湫偷貎H加法、乘法、除法和比較在硬件中實(shí)現(xiàn)。 那么，計(jì)算機(jī)需要求值的所有其它函數(shù)，諸如三角函數(shù)(trigonometric
14fimctions)，對(duì)數(shù)(logarithms)和指數(shù)函數(shù)(exponential functions)， 必須通過(guò)合適的分段有理函數(shù)在軟件中近似。對(duì)于給定x的多項(xiàng)式的 快速和數(shù)字穩(wěn)定的求值是數(shù)值分析中極重要的主題。幾個(gè)不同的算法 已開(kāi)發(fā)用于此問(wèn)題。用于給定多項(xiàng)式的算法取決于多項(xiàng)式的形式和選 定的x。為了求單項(xiàng)形式的多項(xiàng)式的值，可以使用Homer模式
(scheme)。對(duì)于Chebyshev形式的多項(xiàng)式，可以使用Clenshaw算法。 如果必須計(jì)算幾個(gè)等距xn，人們可以使用牛頓差分法(Newton's difference method)。由于沒(méi)有通用閉公式計(jì)算次數(shù)為5和更高的多項(xiàng)式的 根，求根算法在數(shù)值分析中被用于近似根。給定多項(xiàng)式的實(shí)根的近似 值能夠使用牛頓方法(Newton's method)找出，或更有效地使用拉格 朗日方法(Laguerre's method)，其使用復(fù)數(shù)算術(shù)并能夠找出所有復(fù)數(shù) 根。在多重積分中，采用幾個(gè)變量的多項(xiàng)式起到重要的作 用。這些是最簡(jiǎn)單的多變量函數(shù)，并能夠僅使用加法和乘法定義。采 用變量x， y，和z的多項(xiàng)式的實(shí)例是
f (x， y， z) =4x2y2-10.45z2 + 67x3z.
這種多變量的多項(xiàng)式的總次數(shù)通過(guò)加每一項(xiàng)的變量的指數(shù)并取最大值 而確定。上述多項(xiàng)式f (x， y， z)具有總次數(shù)4。現(xiàn)在參照?qǐng)D，圖1是不成比例的示意透視圖，顯示了 本發(fā)明的特定方法、設(shè)備和系統(tǒng)的某些主體特性。圖中顯示了通常按 照期望通路6的海洋或其它水體4中的船2。在所述實(shí)施例中，船 2拖曳著包括浮舟5 (顯示了 4個(gè))的海洋地震源3，每個(gè)從那里向 下懸掛著一個(gè)或多個(gè)氣槍7或其它聲音信號(hào)設(shè)備。源3、浮舟5和 氣槍7的細(xì)節(jié)對(duì)于本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)并不重要，并且由于它 們?cè)诒绢I(lǐng)域已知，所以不進(jìn)行進(jìn)一步的描述。船2也拖曳著四個(gè)海洋 地震拖纜8a， 8b， 8c，和8d，每個(gè)淹沒(méi)在水面下方特定深度。每個(gè)海 洋地震拖纜可包括多個(gè)地震傳感器，以及附于其上或在其中成行定位 的操縱(轉(zhuǎn)向)裝置。操縱裝置可以是主動(dòng)或被動(dòng)的。例如，圖1中顯示了分別在最外面的海洋地震拖纜8a和8d上的水下海洋地震拖 纜轉(zhuǎn)向器(deflector) 10a和10b。轉(zhuǎn)向器10a和i0b可分別具有漂 在水面的飄浮單元12a和12b。在一些設(shè)計(jì)中，這些浮舟可能不是必需 的。類似地，每個(gè)源浮舟可具有源轉(zhuǎn)向器9。使用所謂的分離繩或繩 纜13a和13b，最外面的海洋地震拖纜8a和8d可拉動(dòng)其相鄰的海 洋地震拖纜8b和8c，分別離開(kāi)中線。每個(gè)海洋地震拖纜可具有在 14a, 14b， 14c，和14d處顯示的端子浮標(biāo)。海洋地震拖纜控制設(shè) 備16cl和16c2可以是可控探測(cè)器(bird)，諸如商標(biāo)設(shè)計(jì)Q-FINtm 下已知的那些，雖然其它設(shè)計(jì)也可工作。多個(gè)壓敏地震點(diǎn)接收器(通常稱作水中地震檢波器)18 被設(shè)置在內(nèi)部或沿海洋地震拖纜。在圖1中，僅顯示了尺寸被放大的 一個(gè)。該源海洋地震拖纜拖船和海洋地震拖纜可以是來(lái)自WestemGeco LLC, Houston, Texas的商標(biāo)設(shè)計(jì)Q-MarineTM下已知的系統(tǒng)部 分。在這些系統(tǒng)中，如其整體通過(guò)參考并入這里的美國(guó)專利第5, 668， 775號(hào)教授的，海洋地震拖纜可以配置有用于精確位置確定的聲 發(fā)射器和點(diǎn)接收器，使用固有的測(cè)距調(diào)制聲學(xué)。如在775專利中教授 的，海洋地震拖纜發(fā)射器和點(diǎn)接收器可形成一個(gè)完全海洋地震拖纜長(zhǎng) 度聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)，其中放置在海洋地震拖纜內(nèi)的多個(gè)聲學(xué)發(fā)射器的每個(gè)
發(fā)射音頻的唯一擴(kuò)展頻譜碼，所有頻率均在發(fā)射和記錄期間的相同接 收器探測(cè)的地震頻率內(nèi)，并且海洋地震拖纜內(nèi)的點(diǎn)接收器能夠區(qū)分每 個(gè)發(fā)射器的唯一碼。因此，地震接收器的精確定位是可能的。傳統(tǒng)的 海洋地震拖纜使用水中地震檢波器排列，諸如每組12或18個(gè)，其 以類似方式總計(jì)一起并且然后記錄。稱作Q-MarineTM的系統(tǒng)使用單 一傳感器或點(diǎn)接收器這些被間隔地放置在海洋地震拖纜中，例如每 3到4米一個(gè)，并被記錄。所有點(diǎn)接收器將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)或其它 數(shù)據(jù)處理單元，其中對(duì)于線性巨浪噪聲(line swell noise)和/或海洋 地震拖纜噪聲的極強(qiáng)的干涉噪聲衰減，利用接收器的極精細(xì)取樣，應(yīng) 用數(shù)字濾波。水中地震檢波器在其中操作的壓應(yīng)力的典型區(qū)域也稱作 地震頻帶或地震寬度，從3Hz到采樣頻率的一半，或從0到500Hz。截收的信號(hào)經(jīng)海洋地震拖纜內(nèi)的傳輸線的海洋地震拖纜系統(tǒng)傳輸 到船體2上或一些其它位置的接收器站。該點(diǎn)接收器記錄地震信號(hào)， 但它們也能夠記錄位于接收器的頻率范圍內(nèi)的任何信號(hào)。在海洋地震
拖曳中，發(fā)射器19以約200米的間隔布置。發(fā)射器19可以是傳統(tǒng) 的水下音頻發(fā)射器。發(fā)射器的主要要求在于它們應(yīng)能夠發(fā)射充分強(qiáng)
的信號(hào)以能夠從離開(kāi)發(fā)射器幾百米處接收，并且在于發(fā)送的信號(hào)或
代碼也包含水中地震檢波器能夠探測(cè)的頻帶內(nèi)的頻率分量。發(fā)射器放 置在一起越接近，取得的分辨率越好。在圖1中，發(fā)射器顯示被構(gòu)建
在海洋地震拖纜中，即它們位于海洋地震拖纜8的內(nèi)部上。該發(fā)射器
還能夠自海洋地震拖纜懸掛。內(nèi)置發(fā)射器可受到好得多的保護(hù)。還可
以在浮標(biāo)、船體或作為海底運(yùn)載體的ROV (遙控操作運(yùn)載體)上設(shè)置 發(fā)射器。圖2是圖1的海洋地震排列的計(jì)算機(jī)化表示。發(fā)射器 19可發(fā)射作為點(diǎn)接收器(水中地震檢波器)能夠探測(cè)的頻帶內(nèi)唯一聲 信號(hào)的擴(kuò)展頻譜信號(hào)。該信號(hào)被已位于海洋地震拖纜8中或上或槍排 列繩纜中的地震點(diǎn)接收器18截收。發(fā)射器19可按照命令發(fā)射信 號(hào)。接收器18 (為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，圖2中僅指出的幾個(gè))將截收信號(hào)并 將它們發(fā)射到船體2，用于處理和存儲(chǔ)。沒(méi)有控制自發(fā)射器的信號(hào)應(yīng) 被記錄的時(shí)間的規(guī)則，并且這能夠在激發(fā)或也在每個(gè)激發(fā)點(diǎn)之間的正 常記錄時(shí)間期間進(jìn)行。在激發(fā)后的4到12秒的周期期間，可記錄和 存儲(chǔ)地震信號(hào)。由于地震信號(hào)與擴(kuò)展頻譜代碼之間不相關(guān)，即不可能 將地震信號(hào)與自發(fā)射器發(fā)射的擴(kuò)展頻譜信號(hào)混淆，來(lái)自發(fā)射器19的 信號(hào)可在希望時(shí)記錄。如果已使用了發(fā)射特定頻率的信號(hào)的發(fā)射器， 它會(huì)導(dǎo)致它們與同一頻率的地震信號(hào)混淆。由于信噪比， 一個(gè)程序可 每次激發(fā)記錄一次信號(hào)，并且然后記錄測(cè)量值直到記錄時(shí)間的結(jié)束， 這時(shí)地震信號(hào)最弱，或在激發(fā)點(diǎn)之間。根據(jù)本發(fā)明，從發(fā)射器19發(fā)射的信號(hào)可以是所謂的正 交擴(kuò)展頻譜信號(hào)。擴(kuò)展頻譜技術(shù)在文獻(xiàn)中進(jìn)行了描述，并且本領(lǐng)域的 專業(yè)人員熟知。通常的調(diào)制技術(shù)基于發(fā)射信號(hào)使用通信信道中特定部分頻帶的事實(shí)，例如，利用調(diào)頻(FM)或調(diào)幅(AM)。與此不同， 在擴(kuò)展頻譜調(diào)制中，通信信道中的整個(gè)帶寬將被使用并分割出發(fā)射信 號(hào)頻率，單獨(dú)的部分在幾個(gè)不同頻率上被轉(zhuǎn)移。只有接收器將知道引 入信息將具有的頻率和相位組合。該接收器知道發(fā)射器的獨(dú)特碼 (individual code)。通過(guò)使引入信號(hào)(y (n))與發(fā)射器的獨(dú)特碼 (x (n))互相關(guān)，接收器將能夠從其它信號(hào)的范圍提取出明確的擴(kuò) 展頻譜信號(hào)。 一種n = t 互相關(guān)函數(shù)將采用形式
<formula>formula see original document page 18</formula>當(dāng)序列與其本身互相關(guān)，該過(guò)程被稱作自相關(guān)。對(duì)于t-0，級(jí)數(shù)x(n)的自相關(guān)函數(shù)將總具有特定的 頂值。對(duì)于用于地震設(shè)備的定位的擴(kuò)展頻譜序列，期望具有表示除t =0之外的"白噪聲"的自相關(guān)函數(shù)。為了避免例如由同一接收器使 用相同通信線記錄的信號(hào)的誤探測(cè)，代碼之間的互相關(guān)函數(shù)必須具有 盡可能低的頂值，其是正交的定義。該傳輸脈沖可包括在其各自的自相關(guān)函數(shù)中具有明確頂 點(diǎn)的一組正交脈沖?？商岢錾蛇@種函數(shù)的幾種傳統(tǒng)方法?？赡艿兀?最通常的方法使用稱作黃金碼的隨機(jī)序列代碼。這種方法提供了在互 相關(guān)函數(shù)中給出低值的代碼的選擇。這些通過(guò)使用具有特殊反饋圖案 的變量長(zhǎng)度的移位寄存生成。存在多個(gè)用于生成偽隨機(jī)序列的方法，例如跳頻、移頻 編碼或相位編碼。不管選擇哪種偽隨機(jī)序列，如果使用編碼信號(hào)，很 重要的是其自相關(guān)函數(shù)具有獨(dú)特的頂值，并且對(duì)于互相關(guān)盡可能地 低。即使對(duì)于向下到海洋噪聲的信號(hào)幅度的信號(hào)幅度，也可以提取出 相關(guān)的頂值。根據(jù)系統(tǒng)已知的參數(shù)和系統(tǒng)配置的方式，地震設(shè)備或點(diǎn) 接收器的位置的均勻計(jì)算能夠以無(wú)數(shù)不同和傳統(tǒng)的方式執(zhí)行。然而，當(dāng)使用編碼信號(hào)時(shí)的所有方法的共有特性在于接收的信號(hào)必須與正
估計(jì)的絕對(duì)或相對(duì)距離的特定發(fā)射器的傳送信號(hào)特征(signature)互相 關(guān)。如在這里描述，執(zhí)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。此外，本發(fā)明的其它方 法一點(diǎn)也不取決于編碼信號(hào)的使用。使用編碼信號(hào)的最簡(jiǎn)單的情況包括發(fā)射器和接收器，其 中該系統(tǒng)采用如下方式設(shè)計(jì)可以得到有關(guān)發(fā)射器與接收器采樣點(diǎn) 相關(guān)地發(fā)射時(shí)的準(zhǔn)確信息。在上述互相關(guān)后，最大值將在指示發(fā)射器 與接收器之間的絕對(duì)時(shí)間差的互相關(guān)函數(shù)中找出。然后，可以發(fā)展這 種用于具有幾個(gè)接收器的海洋地震拖纜上的技術(shù)，以取得距離和相對(duì) 位置的明確的幾何網(wǎng)絡(luò)。 在操作中，本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)可處理時(shí)間數(shù)據(jù) 以將時(shí)間轉(zhuǎn)換成估計(jì)范圍。聲波場(chǎng)(或者經(jīng)編碼或者經(jīng)解碼)從各自 發(fā)射器19的每個(gè)發(fā)出，并在每次發(fā)出后，由點(diǎn)接收器18接收。直 接通路波場(chǎng)分量的可能射線通路在圖2中由諸如17的虛線顯示。諸 如圖3中所示的那些的折射射線通路在圖2中不明顯，然而，由于 水的溫度、壓力、鹽度的變化，以及由于空氣-水界面，它們是存在 的。與本發(fā)明沒(méi)有密切關(guān)系的與反射到達(dá)關(guān)聯(lián)的射線通路未顯示。圖4顯示了如何得到擬合時(shí)間對(duì)估計(jì)范圍曲線或?qū)τ?四條海洋地震拖纜排列的曲線的數(shù)學(xué)函數(shù)。顯示了聲音發(fā)射器19a， 19b， 19c， 19d和19e，然而為了清晰，大部分未顯示。許多聲音 點(diǎn)接收器18顯示在圖4中。重要地，范圍20， 21， 22，和23 顯示為在海洋地震拖纜8a和8c中的發(fā)射器19a和點(diǎn)接收器18的 不同接收器之間的虛線。類似地，范圍20，， 21，， 22，，和23'在 海洋地震拖纜8a和8c中的發(fā)射器1%和點(diǎn)接收器18的不同其它 接收器之間顯示了虛線；并且范圍20"， 21"，和22"顯示為在發(fā) 射器19c和點(diǎn)接收器18的不同其它接收器之間的虛線。由海洋地震 拖纜8b和8d中的發(fā)射器1%和接收器18的不同的接收器之間的 虛線指示的范圍也指示為20， 21，和22，因?yàn)樗鼈兇笾略谙嗤琘 坐標(biāo)位置，雖然在排列中在不同的X坐標(biāo)位置。如果期望，它們能
19夠單獨(dú)地指示為范圍20a， 21a， 22a，以指示不同的X-和Y-坐標(biāo) 位置。如已知，聲音傳播速度在不同X坐標(biāo)、不同Y坐標(biāo)和 不同X-Y坐標(biāo)以及不同的Z坐標(biāo)處不同。然而，直到本發(fā)明才認(rèn)識(shí) 到聲音傳播速度隨著發(fā)射器與接收器之間的范圍改變。對(duì)于排列的 整個(gè)長(zhǎng)度，或可選地對(duì)于排列的區(qū)域，圖4中指示的范圍可以分組 成100m范圍，諸如在20， 20，， 20"和相類似物處指示的范 圍；200m范圍，諸如在21， 21'， 21"，和相類似物處指示的范 圍；300m范圍，諸如在22， 22', 22"，和相類似物處指示的范 圍；400m范圍，諸如在23， 23'， 21"和相類似物處指示的，等 等。描述聲音速度傳播的數(shù)學(xué)函數(shù)可擬合整個(gè)排列或排列的區(qū)域的時(shí) 間對(duì)范圍的曲線。例如，如果選擇用于擬合程序的數(shù)學(xué)函數(shù)的類型是 多項(xiàng)式，多項(xiàng)式可以表示為如下之一，其中R表示變化范圍，并且 X和Y表示排列中交叉和長(zhǎng)度坐標(biāo)
V (X， R) = a0 + a!XR + ..... + ajf1 + anXnRn;
V (X， Y， R) = a0 + a!XYR + + anCY11，1 + anXnYnRn;
V (X， Y， Z， R) =a0 + a1XR+..…+ anfY^Z^R11-1 + anXnYnZnRn.
該系數(shù)可以在一步或迭代地確定，并且可使用任何已知算法。幾個(gè)實(shí)例現(xiàn)在表示用于聲音速度傳播速度的數(shù)學(xué)模型。
基于聲音范圍(范圍)測(cè)量值的聲音傳播速度估計(jì)。
在這種模型中，
;(XJ 是數(shù)學(xué)模型，或可變矢量(X)的函
數(shù)，描述了測(cè)量距離， 一個(gè)由尺寸因子乘的一個(gè)二維距離公式 其中
(AE2 + AN";/2是無(wú)尺寸誤差的二維計(jì)算距離的數(shù)學(xué)模型
V="fl/e由二維距離的數(shù)學(xué)模型乘，并且當(dāng)信號(hào)傳播時(shí)間已
知時(shí)是l
1)=A^沿緯線的曲率半徑，用于將弧度轉(zhuǎn)換為米
p=nto沿經(jīng)線的曲率半徑，用于將弧度轉(zhuǎn)換為米 人=在點(diǎn)i處的緯度 cpi=在點(diǎn)i處的經(jīng)度
E-東距，N^北距
AE= (!,-、) DC0SCpm 禾卩 AN= (Cpi—Cp2) . p.閉合差矢量，b所謂的閉合差矢量b也是取自Taylor級(jí)數(shù)的計(jì)算觀察 量，用于線性化描述D的非線性函數(shù)，距離模型。為形成b，距離 模型被如下線性化
觀察或測(cè)量距離的(X)的函數(shù)的Taylor級(jí)數(shù)線性化
《(X;> 〖OTo) + g (X。) dx+…其中更高級(jí)的項(xiàng)
不明顯并被省略；
其中
D=發(fā)射器與接收器之間的測(cè)量傳播時(shí)間，由假定聲速轉(zhuǎn)換 為米；
f (XQ)=具有假定值(Xo)的如上所示的D的函數(shù) 用于計(jì)算的兩維距離的模型"。=+AN。。"； v = ^a/e(尺寸)給出正確距離的乘數(shù)； 、=在點(diǎn)i處的緯度 cp產(chǎn)在點(diǎn)i處的經(jīng)度r fu是關(guān)于(x)中的未知變量的函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，
使用上述假定值計(jì)算；和
血是用于解線性方程組導(dǎo)致的對(duì)假定值的校正的矢量。 重新設(shè)置
D-; (X0J> 一— r CXJ血 這種形式給出了類似的Ax-b，其中
r①=a 血=義
fU =b其被校正直到dx的量滿足任意收斂極限。
其中A - 6的齊次聲速模型這種模型最簡(jiǎn)單，并且推薦用于多種場(chǎng)合。假設(shè)在由 排列占用的區(qū)域，聲速很小或無(wú)變化。當(dāng)尺寸恒定時(shí)，sca/e-c，給參 數(shù)加了一個(gè)未知數(shù)。利用這個(gè)模型，當(dāng)填充"A"或"設(shè)計(jì)"矩陣時(shí)，對(duì)于 尺寸是否被估計(jì)的位置坐標(biāo)未知數(shù)，聲音范圍測(cè)量的行將具有相同的 入口。開(kāi)始，假定尺寸值將為1。
未知數(shù)XTranSP。Se = [ AE, AN, AE2 AN2 C ]。則計(jì)算X矢量中的每個(gè)
未知數(shù)的偏導(dǎo)。迭代方法與該第一步驟相同，除了關(guān)于描述尺寸的函
數(shù)的部分為零，這表明這些尺寸幅度系數(shù)不作為未知數(shù)處理，并且
dx矢量不包括對(duì)尺寸函數(shù)的校正。聲音速度中的線性變化為實(shí)現(xiàn)在排列區(qū)域上的聲音速度的線性變化，如下公
式描述了尺寸
scale = aEm + bNm + c
其將兩個(gè)未知數(shù)加到參數(shù)，給出總共3個(gè)尺寸未知數(shù)。E和 N是任意兩個(gè)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)a， b和c的估計(jì)值，它們應(yīng)被應(yīng)用于范圍 的端部之間的中點(diǎn)。
Em=(E+E2) /2Nm= (N'+N2) /2
并且東距(E)和北距(N)是有關(guān)范圍測(cè)量的任一端部的坐標(biāo)。 填充設(shè)計(jì)矩陣的偏導(dǎo)數(shù)則基于導(dǎo)數(shù)-
3D/3X = u (^u/5x)十"o (5u/欣)
其中未知數(shù)是XTranspose - [△、 △、 Acp2 a b c]。 二次多項(xiàng)式 在這種模型中，尺寸可被定義為
scale =犯2 + fN2 + aE + bN + c 其給出了 5個(gè)另外的未知數(shù)，如X中所示， XTranspose = [ AE) AN, AE2 AN2 a b c d f ]
再次利用微分模型dD/3x = u (Ou/ax) +" (au/3x)。然后，
計(jì)算關(guān)于9個(gè)未知數(shù)的9個(gè)偏導(dǎo)數(shù)。計(jì)算單元中的所有聲音距離方程可采用這種方式書(shū)寫(xiě)。 對(duì)于聲音傳播速度的任何函數(shù)，尺寸項(xiàng)僅有點(diǎn)不同，并且偏導(dǎo)數(shù)不 同。因此，在Ax=b中，坐標(biāo)和另外的幅度系數(shù)未知數(shù)均可解，而不 是單獨(dú)地。在迭代接近中，傳播模型參數(shù)可以保持常數(shù)，同時(shí)距離 測(cè)量值給出對(duì)坐標(biāo)的修正。這接著是保持坐標(biāo)固定并使用計(jì)算距離以 調(diào)節(jié)傳播模型的幅度系數(shù)的迭代循環(huán)。這兩個(gè)步驟可以重復(fù)直到滿足 收斂性判斷標(biāo)準(zhǔn)。 在在海床繩纜的范圍中諸如由Norton Jr.， (US Pat-No. 5， 497， 356)進(jìn)行的原有工業(yè)嘗試中，使用類似聲納脈沖的直 接到達(dá)的多側(cè)面(multi-lateration)用于再定位接收器下降位置。那種 方法的一個(gè)缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，需要處理雙曲線軌跡。另一問(wèn)題是單向 視距范圍或約250米的限制。因?yàn)榇髤^(qū)域調(diào)査延伸達(dá)許多公里，那種 方法具有嚴(yán)重的限制。
23
已確定現(xiàn)在可以采用從WestemGeco LLC可得到的 Q-TechnologyTM中可用的點(diǎn)接收器的當(dāng)今的海洋地震拖纜獲得的高冗
余范圍，和固有的范圍調(diào)制聲音技術(shù)，以擬合有關(guān)聲音信號(hào)的發(fā)射器-接收器設(shè)備之間的標(biāo)稱范圍的甚至更高階的多項(xiàng)式回歸曲線，不管是 直接或反射聲音信號(hào)。采用這種方式，每個(gè)發(fā)射器與其近鄰的點(diǎn)接收 器(在相同的海洋地震拖纜或相鄰的海洋地震拖纜)之間的傳播時(shí)間 可對(duì)照標(biāo)稱距離繪制，以創(chuàng)建每個(gè)發(fā)射器和其近鄰點(diǎn)接收器的粗回歸 曲線，因?yàn)榇嬖诒劝l(fā)射器多得多的點(diǎn)接收器。在圖2中所示的排列 中，存在1690個(gè)范圍。該"標(biāo)稱范圍"表示海洋地震拖纜安裝的寬頻譜發(fā)射器 與每個(gè)點(diǎn)接收器的標(biāo)稱位置之間的距離。利用標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)查方法，該標(biāo) 稱范圍可以通過(guò)反轉(zhuǎn)發(fā)射器坐標(biāo)與標(biāo)稱接收器坐標(biāo)計(jì)算。利用可以是 編程計(jì)算機(jī)的地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，例如高階多項(xiàng)式回歸曲線的數(shù)學(xué)函 數(shù)被擬合為作為x， y， R并且可選地z數(shù)據(jù)的函數(shù)的速度。任何已 知的統(tǒng)計(jì)處理程序可用于該目的。如果使用多項(xiàng)式，在最小平方的基 礎(chǔ)上，多項(xiàng)式的階被選擇作為使有關(guān)回歸曲線的冗余最小的階。作為 明顯遠(yuǎn)離主數(shù)據(jù)序列的隨機(jī)數(shù)據(jù)的離群值在曲線擬合過(guò)程中被拒絕。 由于過(guò)多的激發(fā)產(chǎn)生的噪聲，發(fā)射器附近的點(diǎn)接收器接收的時(shí)間會(huì)被 諸如激發(fā)噪聲的多余的瞬變現(xiàn)象扭曲。在其中信噪比極低的極端范圍 處，時(shí)間可能太嘈雜而沒(méi)有用，和/或到達(dá)可能已沿更深而不能用于測(cè) 量目的的折射通路傳播。這可以在圖3中看出。因此，多項(xiàng)式可接受 的范圍在數(shù)據(jù)可選地在預(yù)先選擇的范圍限制之間截取，同時(shí)范圍最大 值被設(shè)計(jì)以將波場(chǎng)到達(dá)限制為沿選擇通路傳播的那些。從回歸曲線，計(jì)算的范圍集可從時(shí)間集和計(jì)算的聲音傳 播速度計(jì)算，產(chǎn)生用于每個(gè)發(fā)射器及其接收器的范圍集標(biāo)稱范圍集 和一樣多的收斂范圍所需的計(jì)算范圍集。該速度趨勢(shì)可相對(duì)平滑，因 為可以利用極大量的接收器/發(fā)射器范圍觀察。上述計(jì)算可對(duì)于發(fā)射器/接收器區(qū)域反復(fù)解決。不同于 先前己知的方法、裝置和系統(tǒng)，本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)減小或消
24除了計(jì)算趨勢(shì)的不規(guī)則，由于在傳統(tǒng)系統(tǒng)中與每個(gè)單獨(dú)發(fā)射器關(guān)聯(lián)的相對(duì)較少的接收器，部分由于先前試圖中的樣本的稀疏；以及不規(guī)則的反射本地環(huán)境對(duì)點(diǎn)接收器的影響。通過(guò)根據(jù)計(jì)算范圍的多邊形(multi-lateration)，接收器坐標(biāo)被修訂，據(jù)此新的多邊形回歸被擬合為作為x， y， R和可選地z的函數(shù)的新計(jì)算的聲音傳播速度，并且過(guò)程重復(fù)直到先前確定的坐標(biāo)與后來(lái)確定的坐標(biāo)的差收斂到諸如0.1米的預(yù)先選擇的限制。利用任何已知方式，為每個(gè)修訂的接收器位置得出半徑誤差dRMS。已知Kalman濾波可以根據(jù)期望使用。 本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)也可添加附加傳感器，用于增加系統(tǒng)的可靠性。這種設(shè)備例如但不局限于集成在或放置在海洋地震拖纜8上的測(cè)斜儀、壓力計(jì)、羅盤(pán)和慣性傳感器，和由位于浮標(biāo)或其它船體上的發(fā)射器進(jìn)一步提供的聲音測(cè)量。兩種可能的拖曳海洋應(yīng)用是所謂的上/下(Over/Under)調(diào)查和使用定位海洋地震拖纜的調(diào)査。在這些拖曳海洋應(yīng)用中，聲音測(cè)距可以不同深度(Z維度)出現(xiàn)在海洋地震拖纜之間，并除用聲學(xué)以外確定深度是有用的。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，使用以規(guī)則間隔集成入或附于海洋地震拖纜的深度測(cè)量單元會(huì)有用，其中不使用從已知點(diǎn)的聲音測(cè)距，而代替地通過(guò)測(cè)量壓力確定深度。了解三維坐標(biāo)的這種分量將限制可用于測(cè)量的點(diǎn)，以擬合成水平X-Y平面并且從而利用比僅利用聲音更少的努力，允許更好地估計(jì)發(fā)射器和接收器位置。有用的發(fā)射器19是能夠發(fā)射接收器(水中地震檢波器)能夠探測(cè)的頻帶內(nèi)的聲音信號(hào)的那些。該信號(hào)可被已位于海洋地震拖纜中或在槍陣列繩纜中的地震點(diǎn)接收器截收。通過(guò)使用海洋地震拖纜中的現(xiàn)有接收器，將取得沿繩纜的很好的空間分辨率。點(diǎn)接收器18拾取水下聲音信號(hào)，并可以是能夠同時(shí)記錄低頻地震信號(hào)和用于定位目的的高頻信號(hào)的組合類型的，或它們能夠?qū)ｉT(mén)僅用作定位信號(hào)。接收器18可以在已知位置構(gòu)造在海洋地震拖纜8中，或它們可以已知間隔被附于繩纜，以便接收器之間的確切距離已知。接收器18可以是用于水聲測(cè)距的系統(tǒng)部分，如利用授予WesternGeco LLC (Houston, Texas)的美國(guó)專利第5， 668， 775號(hào)描述的調(diào)制聲音的固有測(cè)距，也包括產(chǎn)生聲音信號(hào)的發(fā)射器。發(fā)射器和接收器可被同步，以便能夠測(cè)量發(fā)射器和接收器之間的傳輸延遲。本發(fā)明使用的海洋地震拖纜具有熟知的結(jié)構(gòu)，并且可包括大量的端到端連接的類似100米或不同長(zhǎng)度的段，每段包括實(shí)質(zhì)圓柱外部外殼，包含一對(duì)縱向延伸強(qiáng)度部件以承載拖曳力。聲音發(fā)射器和接收器可以大致沿海洋地震拖纜段的長(zhǎng)度均勻分布。另一海洋地震拖纜結(jié)構(gòu)包括伸長(zhǎng)實(shí)質(zhì)實(shí)心的芯部；至少一個(gè)縱向延伸的強(qiáng)度部件和嵌入芯部中的多個(gè)聲音發(fā)射器和接收器；包圍芯部并圍繞環(huán)形空間確定那里的聚合體外殼；和適合實(shí)質(zhì)浸泡液體并實(shí)質(zhì)填充環(huán)形空間的聚合體泡沫材料。通過(guò)"引入"線， 一種加強(qiáng)電一光纜，地震海洋地震拖纜可通常以水面以下約3到20米的范圍的深度拖曳，通過(guò)所述電光纜電力(功率)和控制信號(hào)被供應(yīng)到海洋地震拖纜，并且地震數(shù)據(jù)信號(hào)被從海洋地震拖纜傳送回船體，海洋地震拖纜的垂直和/或水平位置由方向部件或沿海洋地震拖纜的長(zhǎng)度分布的可控"探測(cè)器"控制。典型地，海洋地震拖纜的前端由至少一個(gè)震動(dòng)隔離段(或"伸展段")被機(jī)械聯(lián)接到引入線，同時(shí)后端被聯(lián)接到加入GPS位置測(cè)量系統(tǒng)的尾浮標(biāo)，典型地通過(guò)另一 "伸展段"。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，海洋地震拖纜或海洋地震拖纜的排列可以交替地拖曳在各種深度，以取得那些深度的一些知識(shí)?？蛇x地，可以使用失效的海洋地震拖纜(在其操縱失靈并由于一些原因不能用于地震數(shù)據(jù)的獲取的意義上失效)。除了數(shù)學(xué)曲線擬合技術(shù)外，在特定實(shí)施例中，計(jì)算單元可對(duì)所有測(cè)量的傳輸延遲應(yīng)用垂直校正，以便它們對(duì)應(yīng)于沿海洋地震拖纜的縱向方向確切進(jìn)行的測(cè)量。為了最精確，這種校正考慮了聲波射線的形狀，例如使用諸如美國(guó)專利第6， 388， 948號(hào)中描述的系統(tǒng)，其使用諸如計(jì)算機(jī)或微處理器的設(shè)備，用于確定水下點(diǎn)之間的有效聲速。使用下述信息(i)從位于初始深度的聲能源到預(yù)定最后目標(biāo)深度的聲音速度剖面的估計(jì)；(ii)預(yù)定組的入射余角；(iii)初始深度與最終目標(biāo)深度之間的預(yù)定數(shù)目的目標(biāo)深度；和(iv)預(yù)定統(tǒng)一組傾斜角。對(duì)應(yīng)的傾斜角和有效聲音速度值計(jì)算用于每個(gè)入射余角和目標(biāo)深度。該計(jì)算傾斜角被掃描以定位對(duì)應(yīng)于一對(duì)對(duì)應(yīng)于一對(duì)連續(xù)入射余角的計(jì)算傾斜角和特殊目標(biāo)深度，其中統(tǒng)一組的特殊傾斜角在該對(duì)計(jì)算傾斜角之間。對(duì)應(yīng)于該對(duì)計(jì)算傾斜角的每個(gè)傾斜角的計(jì)算的有效聲音速度值被內(nèi)插以生成插值的有效聲速。確定聲速分布圖的傳統(tǒng)方法很耗時(shí)，實(shí)際上無(wú)法極經(jīng)常地重復(fù)。由于測(cè)量能夠自動(dòng)進(jìn)行，本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法無(wú)需操作的任何停止或生產(chǎn)過(guò)程的更改。用于確定聲速的算法能夠被編程入能夠自動(dòng)計(jì)算的計(jì)算機(jī)。該過(guò)程實(shí)質(zhì)能夠在布置拖曳地震排列時(shí)總是在運(yùn)行。雖然上面僅描述了本發(fā)明的一些典型實(shí)施例，本領(lǐng)域的
專業(yè)人員將容易認(rèn)識(shí)到在不背離新穎的教導(dǎo)和本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的情況
下，典型實(shí)施例可以進(jìn)行許多修改。因此，所有這種修改期望包括在下述權(quán)利要求中確定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求中，沒(méi)有條款期
望采用段落6中的35U.S.CJ 112允許的意義加功能格式，除非"用于......裝置"與相關(guān)功能明確陳述在一起。"用于.....的裝置"期望覆
蓋當(dāng)執(zhí)行陳述的功能時(shí)這里描述的結(jié)構(gòu)，并且不僅結(jié)構(gòu)等價(jià)物而且等價(jià)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1. 一種方法，包括步驟a)在海洋環(huán)境中布置拖曳地震排列，所述地震排列包括多個(gè)聲音定位發(fā)射器；和多個(gè)定位點(diǎn)接收器；以及b)使用至少一些發(fā)射器與點(diǎn)接收器之間的信號(hào)的傳播時(shí)間，以導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型描述作為至少一個(gè)排列空間維度、發(fā)射器與接收器之間的距離和這些的任何組合的函數(shù)的海洋環(huán)境的聲音傳播速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中數(shù)學(xué)模型的未知數(shù)的估計(jì) 在一個(gè)步驟中發(fā)生。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中 一組線性方程同時(shí)反轉(zhuǎn)， 直到達(dá)到任意收斂極限。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述一組線性方程包括該 類型的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)線性函數(shù)sv = mx + ny + pz + const其中"sv"是聲速；"mx + ny"描述x和y的空間相關(guān)性； "pz"描述了范圍長(zhǎng)度相關(guān)性；"m"， "n"和"p"是系數(shù)；和 、 "const"是三個(gè)線性項(xiàng)的組合截距值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中數(shù)學(xué)模型包括從多項(xiàng)式和 樣條選擇的數(shù)學(xué)函數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中隨發(fā)射器與接收器之間的 水平分離距離的聲音傳播速度的變化在估計(jì)中被說(shuō)明。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射器中的一個(gè)或多個(gè)發(fā) 射編碼傳輸信息；并且數(shù)學(xué)模型的求導(dǎo)包括將數(shù)學(xué)函數(shù)擬合到作為選定 維度中的距離數(shù)據(jù)的函數(shù)的一組時(shí)間，以估計(jì)作為選定維度的接收器的位置的函數(shù)的聲音傳播速度，數(shù)據(jù)組包括發(fā)射與在從一個(gè)或多個(gè)編碼發(fā) 射器的編碼聲音信號(hào)的每個(gè)接收器處接收之間的測(cè)量的時(shí)間差。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射器中的一個(gè)或多個(gè)發(fā) 射編碼傳輸信息；和步驟b)包括從多個(gè)聲音定位發(fā)射器生成和發(fā)射不 同的正交編碼擴(kuò)展頻譜信號(hào)，擴(kuò)展頻譜信號(hào)在其自相關(guān)函數(shù)中具有顯著 的峰值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括步驟使用定位在標(biāo)稱位置 處的多個(gè)聲音點(diǎn)接收器來(lái)探測(cè)擴(kuò)展頻譜信號(hào)，其中所述接收器與計(jì)算單 元通信。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括步驟定義在多個(gè)聲音定 位發(fā)射器中每一個(gè)與每個(gè)定位接收器之間的至少一組標(biāo)稱或臨時(shí)距離。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括步驟對(duì)于每組標(biāo)稱或臨 時(shí)距離，測(cè)量在接收器處的第一組擴(kuò)展頻譜信號(hào)的接收的一組或多組時(shí) 間，并且借助于計(jì)算單元，計(jì)算作為標(biāo)稱或臨時(shí)距離、接收信號(hào)的時(shí)間 和點(diǎn)接收器的至少一個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)的標(biāo)稱聲音傳播速度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括步驟測(cè)量在點(diǎn)接收器處 用于第二組擴(kuò)展頻譜信號(hào)的接收的一組或多組時(shí)間；并將計(jì)算的標(biāo)稱聲 音傳播速度乘以用于接收第二組擴(kuò)展頻譜信號(hào)的時(shí)間，以計(jì)算估計(jì)的范 圍。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括步驟測(cè)量在點(diǎn)接收器處用于第三組擴(kuò)展頻譜信號(hào)的接收的一組或多組時(shí)間；并重新計(jì)算作為估計(jì)范圍、用于第三組信號(hào)的接收的時(shí)間和點(diǎn)接收器的至少一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的 函數(shù)的聲音傳播速度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括步驟迭代計(jì)算差，直到新的重新定位的接收器位置與先前確定的接收器位置之間的差收斂到預(yù) 定極限內(nèi)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中接收器經(jīng)適于生成頻率從約500到約4000 Hz的擴(kuò)展頻譜信號(hào)。
16. —種設(shè)備，包括(a) 拖曳的海洋地震拖纜海洋地震排列，所述地震排列包括多個(gè)聲音定位發(fā)射器和多個(gè)聲音定位接收器，發(fā)射器和 接收器適合與計(jì)算單元通信；(b) 計(jì)算單元，其適合使用至少一些發(fā)射器與點(diǎn)接收器之間 的信號(hào)的傳播時(shí)間，以導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型描述作為 至少一個(gè)排列空間維度、發(fā)射器與接收器之間的距離和這些 的任何組合的函數(shù)的海洋環(huán)境的聲音傳播速度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述數(shù)學(xué)模型包括一個(gè) 或多個(gè)該類型的連續(xù)線性函數(shù)sv = mx + ny + pz + constg巾"sv"是聲速；"mx + ny"描述x和y的空間相關(guān)性； "pz"描述了距離長(zhǎng)度相關(guān)性； "m"，"n"和"p"是系數(shù)；和 "const"是三個(gè)線性項(xiàng)的組合截距值。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中數(shù)學(xué)模型包括具有1次或更高次數(shù)的一個(gè)或多個(gè)多項(xiàng)式。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中數(shù)學(xué)函數(shù)是2-或3-維函數(shù)。
20. —種系統(tǒng)，包括(a) 拖船；(b) 由拖船拖曳的拖曳海洋地震拖纜海洋地震排列，所述 排列包括多個(gè)聲音定位發(fā)射器和多個(gè)聲音定位接收器，發(fā)射器和接收器適合與計(jì)算單元通信；(c) 計(jì)算單元，其適合使用至少一些發(fā)射器與點(diǎn)接收器之間的信號(hào)的傳播時(shí)間，以導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型 描述作為至少一個(gè)排列空間維度、發(fā)射器與接收器之 間的距離和這些的任何組合的函數(shù)的海洋環(huán)境的聲音 傳播速度。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于精確估計(jì)聲音傳播速度的方法、裝置和系統(tǒng)。一種方法包括在海洋環(huán)境中布置拖曳地震排列，包括多個(gè)聲音定位發(fā)射器；和多個(gè)定位點(diǎn)接收器；和使用至少一些發(fā)射器與點(diǎn)接收器之間的信號(hào)的傳播時(shí)間，以導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，描述作為至少一個(gè)排列空間維度、發(fā)射器與接收器之間的距離和這些的任何組合的函數(shù)的海洋環(huán)境的聲音傳播速度。
文檔編號(hào)G01S11/00GK101482614SQ200810002410
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2008年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月7日
發(fā)明者埃斯基爾德·斯托德格, 肯尼思·E·韋爾克, 馬丁·N·豪利德 申請(qǐng)人:格庫(kù)技術(shù)有限公司