[发明专利]基于AHRS和检波器间相对旋转的检波器姿态识别方法

说明书

本发明涉及一种基于AHRS和检波器间相对旋转的检波器姿态识别方法，在一节三分量检波器中安装姿态参考系统作为参考检波器，通过姿态参考系统中的多种姿态传感器测量并解算其在地理坐标系下的姿态。以四元数法表示姿态数据，再利用基于四元数的最小二乘法，根据不同检波器采集的地震信号的相关性，求取检波器间的相对旋转。综合参考检波器的姿态信息和检波器间的相对旋转，依次求取所有检波器在地理坐标系中的姿态。相对于传统的三分量检波器校正方法，本方法可以在震源点位置未知或缺失其他先验信息的情况下应用，同时也能够有效克服传统硬件测量的高成本和地球物理方法运算量大的问题。

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种三分量检波器姿态识别方法，具体涉及一种基于AHRS和检波器间相对旋转的检波器姿态识别方法。

背景技术

在地球物理勘探过程中，当检波器放置于井中或海洋时，其三个分量的方向在井中是随机的且不可控的。基于此原因，井中数据处理的第一步就是要确定检波器的方向。通常获取井中仪器和海洋拖缆的姿态方法有两大类：一种是通过添加硬件装置，借助姿态传感器等硬件设备测量仪器姿态；另一种是采用地球物理的方法，通过分析不同检波器采集数据的相关性，获得检波器间的相对姿态。

上述第一种测量仪器姿态的方法，多用在随钻测井中，最常用的是通过磁力计和加速度计组合测量钻头在井中的移动方位。但在一些地磁异常的情况下，磁力计的准确性会受到影响。还有一种通过添加硬件装置测量井中仪器和海底拖缆姿态的方法，是采用陀螺仪和加速度计组合的方式来获取仪器的姿态，该方法测量精度高，且不易受到地磁异常的影响。但是，随着时间的推移陀螺仪会产生累积误差，使用高精度的陀螺如光纤陀螺，或激光陀螺会有效的减少误差的产生，但是成本较高。在使用井中仪器和采用海底电缆地震(OBC)采集记录地震信号时，通常会放置十几到几十节井中检波器，如果采用放置硬件装置的方法监测检波器姿态，需要在每节检波器中都放置一套姿态测量系统，而采用高精度陀螺仪的方案，会大大提高整套仪器的生产成本或者改造成本。

相对于添加硬件装置的方法，更多的学者从地球物理方法的角度，进行了研究。DiSiena et al.(1984)在VSP数据处理中用能量最大值的方案确定了一个垂直井中三分量检波器方位角的方向。Becquey&Dubesset(1990)使用极化分析的方法在斜井中得到了三分量探头的方向。Zeng and McMechan(2006)使用了互相关联的方法求得了相邻检波器间的角度。Grigoli et al.(2015)采用复杂线性最小二乘的方法求取相邻检波器间的角度。通过地球物理方法求得检波器间的相对姿态，往往要求在地面布设参考检波器或已知震源点的位置。随着微地震监测领域的扩展，微地震监测在海洋勘探、矿山开采和安全监测、隧道挖掘和边坡失稳监测等方面发挥日益重要的作用。传统的地球物理方法对检波器相对姿态的求取，在某些领域并不能发挥很好的作用。并且通过地球物理的方法其计算量较大，采用复杂线性最小二乘法无法避免对旋转矩阵进行微分，在计算上有很大的难度。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种基于AHRS和检波器间相对旋转的井中检波器姿态识别方法，可以有效避免直接对旋转矩阵进行微分。

本发明对原有的带检波器的海底拖缆进行改进，在一节检波器上加装姿态传感器作为参考检波器，并利用基于四元数的最小二乘法求解参考检波器与一般检波器之间的相对旋转。具体为：选择一节检波器作为参考检波器并安装姿态参考系统(AHRS)，通过解算姿态传感器采集的数据可获得参考检波器在地理坐标系中的姿态信息。对于其他检波器，可根据不同检波器对同一地震事件采集的波形信息的相关性，利用本发明提出的基于四元数的最小二乘法求取检波器间的相对旋转。最终，利用参考检波器的姿态信息和相邻检波器间的相对旋转，求取所有检波器在地理坐标系中的姿态。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：