在常规的多道地震探测过程中，为了适用海底以下千米深度中深层海洋油气资源勘探，保证足够的覆盖次数和穿透深度，采集参数一般采用长排列、大道间距、主频低的方式（李绪宣等, 2013; 邓桂林, 2019; Xing et al, 2022b）；浅地层剖面测量通常针对海底50 m以下深度的第四纪地层进行超高分辨率的探测，但由于主频高，吸收衰减作用会降低穿透地层深度能力，一般只适用于近海工程勘查方面的地球物理调查；单道地震探测只能单次覆盖，整体信噪比低，加上速度信息无法获得（颜中辉等, 2016; 倪玉根等, 2021; Xing et al, 2022a），因此成像精度和深度有待加强。总的来说，针对海底以下大概50～1 000 m深度范围内的地层进行高分辨勘探时，目前传统的技术手段尚无法满足地质任务所要求的精度和深度，基于小道距短排列的高精度地震探测技术则可以满足勘探目标需求（褚宏宪等, 2015; 闫桂京, 2017）。当前国内对小道距高分辨率地震探测技术方法仍处于研究阶段，加上相关的进口设备发达国家对我国实行出口限制，因此对海洋小道距短排列的地震高精度探测关键技术的研究具有重要意义（邢磊, 2012; 裴彦良等, 2013; Haines et al, 2017; 魏峥嵘等, 2020）。

小道距高分辨率地震探测在浅表天然气水合物高精度识别、近海底地层层序与精细结构确定、潜在地质灾害发现以及军事方面都有广泛应用（Horozal et al, 2009; 张光学等, 2011; 高景华等, 2017）。基于其相比常规多道地震探测技术而言极高的探测精度，我国尚未获得国外相关探测装备的使用许可。由于国外设备研发技术的封锁，加上国内研究起步较晚，致使国内相关产品性能尚存在较大提升空间，主要差距表现在：单水听器性能、小道距内多水听器组合方式、高分辨率电缆的姿态控制、系统的整体响应等方面。在实际的二维多道地震采集过程中，受现场硬件设备以及海况的限制，采集到的原始资料往往存在背景噪声严重、有效地层反射弱、不同偏移距的振幅响应存在差异、同相轴不符合双曲线变化规律等问题，导致地震数据信噪比极低、成像品质较差。本文细致分析弱反射原因、噪声类型及其产生机制，采用“叠前多域噪声压制技术” “基于F-K的鬼波压制技术” “基于相干函数控制的电缆等浮校正技术”等关键技术方法逐步质控弥补采集质量的先天性不足，重点解决小道距地震资料中低信噪比、弱反射成像问题，以此获得低信噪比地区较高质量的成像数据。

1.   低信噪比小道距地震原始资料特征

本次短排列小道距高分辨率地震资料实际数据来源于电火花震源采集，震源容量为5 000 J，沉放深度3 m，炮间距12.5 m，总道数128道，道间距3.125 m，电缆沉放深度10 m，震源距离船体62.5 m，拖缆距离船体100 m，最小偏移距37.5 m，采样间隔0.25 ms。由于在采集过程中未采用水鸟装置对电缆进行深度平衡控制，震源和电缆有一定的沉放深度；加上采集设备性能的不完善，引发了水听器的响应问题。这些导致采集到的资料噪声较发育，弱反射和虚反射现象严重，原始资料信噪比较低，主要表现在以下方面。

1.1   线性和双曲噪声

海洋地震勘探采集的原始资料中带有多种类型干扰波（王兴宇等, 2014; 颜中辉等, 2018），大致分为随机噪声和相干噪声两种。而相干噪声干扰当中的外源干扰影响程度大，在炮集表现为线性或双曲线，能够识别出来的干扰一般都具有高振幅特性。同时，由于其传播路径相对简单，地震波在水层中又极少衰减，由此造成压制难度大。小道距采集由于其排列长度较短，一般电缆放长距离也短，受船体噪声和尾流影响，原始资料中噪声较严重，常见2种类型的噪声：①炮集上可见线性噪声，速度为1500～2 000 m/s，在单炮上表现为覆盖在整个数据上，能量从近偏移距到远偏移距呈逐渐变弱的趋势，严重掩盖了有效同相轴，造成炮集上信噪比极低，叠加剖面也能清晰反映出整个剖面存在严重线性噪声（如图1a箭头处所示）；②实际资料中还大量发育一种类似海底反射的双曲线形态噪声，基本覆盖在整个炮集上，速度一般在1 500 m/s以下，频率范围与有效信号主频相比偏低，产生的原因可能是震源本身或者外源干扰（如图1b箭头处所示）。

图  1  数据中的噪声类型

Figure  1.  Types of noise in seismic data

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1.2   鬼波效应

鬼波是海上地震资料采集中常见的噪声类型。由于海平面也是一个强反射界面，当震源和检波器有一定的沉放深度时，地震反射有效信号中均存在震源鬼波和检波器鬼波，在频谱上表现为陷波效应，不同的沉放深度引起的陷波频率不一样，导致整个频带变窄，地震资料的分辨率和成像精度也因此降低，给地质解释工作带来困扰。鬼波在地震记录上表现为有效波的续至相位，使得地震记录子波复杂化，波组特征变差（蒋陶等, 2017; Fang et al, 2017; 李志鹏等, 2018; Zhang et al, 2018）。短排列、小道距高分辨率地震资料子波周期短、主频较高，对应鬼波表现形式比传统多道地震资料更加明显，因此鬼波压制也是小道距地震处理的关键步骤。由于资料的主频较高，鬼波效应主要表现为与有效同相轴分离并伴随其后，从海底反射界面分析，存在较强能量的3组虚反射情况，依次为震源鬼波、检波点鬼波和震源加检波点鬼波。单一的震源鬼波和检波点鬼波表现跟海底反射相位相反，震源加检波点鬼波由于经过海平面二次反射，同相轴相位恢复到和海底反射一样。

由基于波动方程正演模拟得到的电缆不等浮模式下的模型炮集数据分布（图2）可以看出，由于各个位置沉放深度的差异，动校正后虚反射同相轴和有效反射轴表现为扭曲不平的特征。图3和图4分别为实际资料中存在虚反射的叠加剖面和对应频谱，可以看出，主反射下面存在多轴的现象，影响剖面的波组特征，对应的频谱由于电缆不等浮，引起的陷波效应比较分散。检波点的沉放深度较深，陷波点主要集中在主频附近，约为75 Hz（如图5箭头所示）导致主频范围能量衰减，不利于剖面的精细成像。震源的沉放深度很浅，陷波频率约为300 Hz，属于主频范围以外，基本不影响资料的整体成像质量。

图  2  电缆不等浮状态下动校正前后的模型数据

Figure  2.  Model data before and after NMO under the condition of cable unequal floating

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图  3  存在虚反射的叠加剖面

Figure  3.  The ghost reflection on stacked section

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图  4  虚反射引起的频谱陷波效应

Figure  4.  The spectrum notch effect caused by ghost reflection

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图  5  电缆不等浮和等浮模型数据对比（CMP道集）

Figure  5.  Comparison of model data in cable unequal floating and cable floating (CMP gather)

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1.3   电缆姿态控制对地震成像的影响

在常规多道采集中，电缆不同偏移距位置沉放深度是一致的。小道距采集属于短排列采集方式且拖缆没有使用水鸟装置进行深度平衡控制、船速过慢、电缆本身有重力，这些因素导致了电缆的沉放深度无法受到控制。远偏移距和近偏移距沉放深度的差异，以及海上采集过程中的海流运动、海浪作用和拖曳拉力变化等因素的影响，都可能导致震源和电缆沉放深度偏离设计深度。这些偏差在炮集上会表现出同相轴动校正不平、弯曲抖动的情况，CMP道集无法同相叠加，导致叠加剖面上地层反射能量较弱，降低了地震数据的分辨率和叠加成像精度（许自强等, 2015; 骆迪等, 2019）。

由电缆不等浮和等浮的模型数据对比（CMP道集）（图5）可以看出，观测系统设计为远偏移距沉放深度大于近偏移距的沉放深度，且部分水听器位置有深度异常的情况。从图5a（电缆不等浮数据）可以看出，远偏移距由于深度较大，对应旅行时较短，同相轴出现上翘的情况，局部电缆深度的突变引起了同相轴的抖动。图6为实际的小道距地震数据动校正后的CMP道集，可以看出，中远偏移距未校平，局部的同相轴位置存在异常抖动的现象。图7为电缆校正前的叠加剖面，可以看出剖面信噪比低，圆圈处可见地层有效反射能量弱，呈断断续续分布，局部有抖动现象，整体来说剖面成像品质较差。

图  6  动校正后的CMP道集（动校不平现象）

Figure  6.  CMP gather after NMO correction (NMO correction uneven phenomenon)

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图  7  电缆等浮校正前的叠加剖面（信噪比低）

Figure  7.  Stacked section before cable float correction (low SNR)

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2.   低信噪比小道距地震资料处理关键技术

2.1   叠前多域噪声压制技术

针对实际数据中线性噪声速度范围的固定性，主要采用f-x域相干噪声压制方法（王兆湖等, 2013），其原理是将每道数据基于傅里叶变换从t-x（时间-偏移距）域变换到f-x（频率-偏移距）域，炮域内频率-偏移距表达式为：

式中：w为角频率；x为炮检距；$d(w,x)$为原始地震信号；$ s\left(w,x\right) $为有效信号；$ c\left(w,x\right) $为相干噪声；$ r(w,x) $为随机噪声。

然后在扇形滤波器的基础上，采用最小二乘法，在指定视速度范围内，利用相邻地震道对不同频率的噪声进行估算。最小平方误差估算表达式：

式中：$ Q\left(w\right) $为最小平方函数；$ f(w,{x}_{n})a(w,{x}_{n}) $为相干噪声，其中$ f(w,{x}_{n}) $是时间延迟或超前算子，$ a(w,{x}_{n}) $是加权函数。最后在f-x域内从原始数据中减去估算的相干噪声，获得的结果经逆傅里叶变换后返回到t-x域，以此达到压制线性噪声的目的。

根据前面的分析，实际数据中的双曲形噪声主要是基于其速度、频率与有效波的差异进行衰减。其处理思路是：通过分频处理，提取噪声的主要频带，进行动校正，使有效波基本为拉平状态，噪声处于双曲线形态；然后在频率波数域内选取适合的切除角度进行滤波处理；最后对滤波后的道集进行均值滤波，以达到压制双曲形噪声的效果。

图8是线性干扰压制前后的单炮对比，从压制前后的炮集上可以看出，线性噪声得到了明显的压制，有效信号得以突出。图9为炮集上双曲形噪声经过处理前后的对比，可以看出，压制后双曲形噪声基本被压制，同相轴连续性变好，信噪比更高。图10为压制前后叠加剖面以及去除的噪声部分，对比分析可知，压制前后剖面信噪比有了提升，有效地层得以呈现，去除的噪声成分基本不含有效信号。

图  8  线性噪声压制前后炮集记录

Figure  8.  Shot gather before and after linear noise suppression

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图  9  双曲形噪声压制前后炮集对比

Figure  9.  Shot gather before and after hyperbolic noise suppression

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图  10  噪声压制前后的叠加剖面对比

Figure  10.  Comparison of stack sections before and after noise suppression

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2.2   电缆等浮校正技术

实际数据中地震采集设计电缆沉放深度为10 m，因此，在电缆等浮的情况下，各个检波器的沉放深度基本保持在10 m左右，在地震道集上表现为有效波同相轴为光滑的双曲线形态。近偏移距内虚反射同相轴则基本和一次波同相轴平行。短排列小道距采集过程中，由于没有水鸟的控制，电缆受重力和海况影响，地震记录中海底和地层反射存在非常明显的同相轴错动现象，远近偏移动校正后存在很多时差，直接影响剖面的成像质量。因此需要对电缆沉放深度引起的时差进行校正。

实际数据中电缆的实时深度无法准确获得，常规的电缆深度校正方法不可取，本文提出一种采用基于相干函数控制的虚反射走时方法，综合利用虚反射走时方法和道集互相关方法的优势，通过相干函数控制，可实现非常规电缆等浮的时差校正。其主要思路是：首先采用交互式的拾取方法，以一定数量炮的间隔拾取海底反射时间和对应检波点的虚反射时间，以线性插值的方式得到每炮对应的时间，炮间隔的选择主要考虑海底的崎岖程度，海底反射较崎岖时，选择较少的间隔，海底反射较平时，可以考虑较大的间隔，保证插值得到的时间误差在15%以内较为合适，进而通过式（3）～式（5）计算出实际电缆的沉放深度，获得初始时差校正量（骆迪等, 2019）；然后通过模型参考道的选择以及绝对互相关方法求取参考时差校正量（张汛汛等, 2015; 周鹏等, 2016）；最后利用二者的互相关系数和加权对时差校正量进行异常时差的修改，应用平滑后的校正量实现剩余时差校正，消除动校正不平的现象，以此提升地震资料的成像品质。

利用虚反射旅行时可以推导出虚反射与有效反射时差$ \mathrm{d}T $公式：

式中：${D}_{{\rm{WB}}}$为海底深度；${D}_{{\rm{s}}}$为震源沉放深度；${D}_{{\rm{R}}}$为检波点沉放深度；$ {{X}_{\mathrm{o}\mathrm{f}\mathrm{f}}}^{2} $为偏移距；V为海流速度。

由式（3）可以推导对应检波器位置沉放深度的表达式：

在已知海底深度、偏移距长度及海底强反射和虚反射时差的条件下，每个检波点位置的实时水深值可以通过式（4）获得，对应各个检波点的剩余时差$ \mathrm{d}{T}_{\mathrm{r}\mathrm{e}} $（初始剩余时差）为：

对CMP道集内所有道和模型参考道做互相关运算，得到参考时差校正量，计算式如下：

式中：$ \mathrm{\tau } $为剩余时差校正量，$ \mathrm{\tau }=0,\pm 1,\pm 2,\pm 3,\cdots ,\pm M $，M为算法中剩余时差校正量的最大阈值；j为计算时窗内振幅采样序号；$ {r}_{xy}\left(\tau \right) $为互相关函数；$ y\left(j\right) $为参考模型道，实际资料中通常选择信噪比较好的部分道进行叠加生成；$ x\left(j+\tau \right) $为参与计算的CMP道集；$ {T}_{1}\mathrm{和}{T}_{2} $分别为计算时窗的起始和终止时间，$ {T}_{2}-{T}_{1} $为时窗长度。

对初始的时差和参考的时差剖面，在一定的时窗范围内按一定的步长对时窗内的数据进行互相关系数的计算。如果互相关系数超过90%，可认为初始的时差量无需校正；低于90%，通过二者加权平均的方法进行剩余时差量的计算。互相关系数p计算式如下：

式中：${\rm{Cov}}\left(x,y\right)=\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits _{i=1}^{n}\left({x}_{i}-\bar{x}\right)({y}_{i}-\bar{y})}{n}$；$ {\sigma }_{x} $和${\sigma }_{y}$分别为x和y的标准差。

电缆等浮校正前后CMP道集见图11。电缆等浮校正之前的CMP道集，动校正后同相轴依然处于不平的状态，同时存在轴弯曲的现象（图11a）。对应的叠加剖面（图12a）整体反射能量弱、信噪比低，各同相轴由于不能同相叠加，地层的连续性较差，局部存在抖动的现象。等浮校正后，CMP道集上同相轴得到拉平，从浅层到深层应用效果较好，道集同相叠加的精度有了加强（图11b）。从叠加剖面更能看出效果（图12b），整体反射能量有了加强，尤其是弱反射区域，信噪比和成像精度得到提高。为了进一步验证此方法的合理性，对等浮校正前后的剖面进行信噪比（SNR）分析（图13），可以看出，经过基于相干函数控制的虚反射走时方法处理后，有效信号能量提升较明显，频谱的基本形态没变化。

图  11  电缆等浮校正前后CMP道集

Figure  11.  CMP gathers before and after cable float correction

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图  12  电缆等浮校正前后叠加剖面

Figure  12.  Comparison of stack sections before and after cable float correction

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图  13  电缆等浮校正前后信噪比（叠加剖面）

Figure  13.  Comparison of SNRs before and after cable float correction (stack section)

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2.3   基于F-K域的鬼波压制

从高分辨资料鬼波特征分析来看，鬼波不仅影响地震数据频带宽度，同时会降低整个剖面的波组特征清晰度，降低处理后反演的精度以及解释的准确性。鬼波压制技术的应用能够消除陷波点的影响，从而使得陷波能量得到补偿，恢复原始信号的频谱，消除续至相位，提升数据的成像精度（王冲等, 2016）。由于小道距高分辨采集中，没有电缆实时的深度数据，本文中采用基于虚反射走时和海底时间对检波点水深进行求取。当已知检波器深度和海水速度时，在F-K域用以下算子分别对炮点和检波点鬼波进行压制（李志鹏等, 2018）。

式中：F和K分别为数据的频率和波数；R为自由界面的反射系数；V为海流速度，可由实际测量的海流速度定值；Z为震源（或检波器）的沉放深度。

这个过程是通过将地震数据分选到炮域和检波点域，扫描海底反射系数沉放深度、角频率、水速，以此计算炮点和检波点的压制因子，应用后压制虚反射。图14和图15是鬼波压制前后的叠加剖面及频谱对比，对比剖面前后可以得知，应用F-K域鬼波压制技术处理后，鬼波引起的续至相位得到了很好的压制，剖面上地层的反射特征更加清晰（图14中黑色箭头所示位置），但由于电缆处于不等浮的状态，局部也存在鬼波压制不完全的情况（图14中红色箭头所示位置）。从频谱上来看，陷波效应得到了明显补偿，频带宽带有了改善。

图  14  鬼波压制前后叠加剖面对比

Figure  14.  Comparison of stack sections before and after ghost suppression

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图  15  鬼波压制前后频谱对比

Figure  15.  Comparison of spectrums before and after ghost suppression

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3.   结　论

本文分析了小道距地震资料低信噪比和弱反射的原因，针对这类海洋资料的特点，提出了针对性的解决方法，获得了信噪比较高的成像数据，为海洋低信噪比小道距地震资料处理提供了解决思路。得到主要结论如下。

1） 短排列小道距资料中噪声严重是引起低信噪比的主要原因之一，通过噪声成因、频率、速度多尺度分析，在不同域进行噪声和有效信号的分离，由于有效反射能量较弱，压制噪声的同时需注意有效信号的保护。

2） 短排列小道距地震资料中主要影响其成像效果的原因是电缆不等浮效应，本文基于人工交互拾取和互相关方法对动校后同相轴不平进行剩余时差校正，解决了电缆深度未知情况下的电缆等浮校正问题，保证了时差校正的准确性，该方法可以应用于批量化生产。

3） 针对短排列小道距地震资料中鬼波效应严重影响了剖面地层波组特征和层次感的情况，通过电缆深度的计算，基于F-K域鬼波压制算子在炮点和检波点进行鬼波压制，补偿陷波能量，提升地震剖面的成像品质。由于电缆深度的变换，局部地方可能压制效果不明显。

4） 实际资料处理前后对比显示，上述方法的综合应用有效解决了小道距地震资料低信噪比问题，提升了资料的成像品质。