山地作为油气勘探的主战场,长期并将持续受到行业高度重视。这类地区地形复杂,表层结构多变,如陡峭山壁、流动性大沙漠、巨厚黄土塬、浮土胡杨林、农田水网、冬季冰面等,对传统勘探和开发造成极大困难。复杂的表层结构,不仅影响大炮激发和接收效率,降低野外采集资料信噪比,而且严重影响地震资料静校正处理的有效性,对叠加成像、构造解释和储层预测都产生严重干扰。本文从复杂山地多波多分量油气勘探发展趋势和精细表层结构调查需求入手,系统研究了三分量微VSP表层结构调查基本原理、技术特征、施工流程、数据处理方法,以及在山地勘探存在的技术瓶颈。针对井下检波器定向难、横波采集信噪比低、纵、横波场混叠、近地表地震波衰减快、勘探深度浅、资料品质差等系列问题,详细研究了惯性传感器数据融合姿态检测与定向、三分量数据方位校正、基于质点运动轨迹重构和主振能量分析的波场分离、自动增益噪声压制以及数据预处理与质量监控可视化等系列方法,并研发了全数字三分量微VSP表层结构调查系统,解决了传统微VSP在山地精细表层调查应用的多项技术难题。通过研究,主要取得了如下研究成果:(1)研制了“分布式”结构的数字三分量检波器(探管)、数据采集站(主机)、以及控制终端和配套外设,从高保真微弱地震信号拾取与调理、AGC噪声压制、宽频数据采集、分布式采集同步、检波器姿态实时检测以及动态地址自适应分配等方面进行关键技术研究和实现。开发的仪器性能指标达到国外同类仪器水平,获得国家发明专利6项,并具有同类仪器没有的检波器实时姿态检测、在线监控、数据方位校正等特色功能,除能完成纵波勘探外,还具有优秀的横波采集性能,非常适合复杂山地表层结构调查,是配合多波多分量地震勘探的最优解决方案。(2)从三分量数据方位校正、波场分离、检波器定向、数据预处理与可视化等方面,解决了多项限制地震数据采集品质和处理精度的关键问题。具体包括:1)提出了一种水平分量方位校正方法,利用惯性传感器解算实时三维姿态信息,将原始数据水平分量分别校正到震源敲击方向和垂向方向,实现对横波及转换波采集性能增强,使三分量横波记录同相轴清晰、初至起跳干脆、能量分布均匀,纵、横波特征差异明显,为后续精细波场分离提供高品质数据支撑。2)实现了一种基于质点运动轨迹重构和主振能量分析的波场分离方法,通过对原始数据中的非主振能量和泄露能量进行滤除,可极大提高原始信号中目标偏振波的信噪比,进而可以利用Radon等方法进行高精度波场分离。3)提出了一种硬件惯性传感器多参数融合检波器姿态检测方法,利用陀螺仪、加速度计和电子罗盘输出的三维加速度、角速度、磁场信息,通过数据融合算法,实时解算描述检波器姿态的翻滚角、俯仰角和偏航角,并在控制终端三维显示,在线监控检波器状态,指导震源优化激发,以此为基础,实现检波器硬件定向和数据方位校正。检波器硬件定向和数据方位校正,是本系统特色之一。4)实现了数据采集预处理和质量监控可视化,通过软件升级,集成实时方位校正、抽道集、滤波、增益均衡等数据预处理功能,使整个系统具有人机交互友好、执行效率高、扩展性强等特点。本文主要具有如下创新点:(1)提出利用硬件惯性传感器和多参数融合的检波器姿态检测方法,通过电子罗盘、加速度传感器、陀螺仪等数据相互融合,实时解算检波器方位角,据此实现精确定向和方位校正,使采集的横波数据同相轴清晰,初至起跳干脆。(2)提出一种自动增益控制(AGC)噪声压制技术,利用增益随时间逐渐增大的放大器,通过有选择性放大,有意将反射波能量增强,可极大提高近地表微VSP数据的信噪比和表层调查深度。(3)提出一种利用积分器、高频ADC、DAC和抽取滤波器构成的宽频数据采集方法,通过构造环路滤波器(调制器),对高频ADC输出数据中的量化噪声二次整形,配合抽取滤波,对带外噪声进行有效压制,可实现精度和带宽性能的整体提升。(4)实现了一种基于质点运动轨迹重构和主振能量分析的波场分离方法,该方法能综合利用地震波场的偏振特性和运动学特征,实现多分量数据的有效叠加,并能解决随炮检距变化信噪比变低而导致的分辨率问题,特别是对偏振特性较差的山地地震资料,具有更好的波场分离效果。