被动源海底地震仪数据预处理技术构建与应用

杨庭威，徐亚，南方舟，曹丹平，刘丽华，郝天珧

1 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院油气资源研究重点实验室，北京 100029 2 中国科学院地球科学研究院，北京 100029 3 中国石油大学(华东)，地球科学与技术学院，青岛 266580 4 中国科学院大学，北京 100049

0 引言

随着海底地震仪(OBS)装备技术的发展，海底地震调查在油气资源勘探及海洋深部结构探测中发挥着重要作用.我国OBS探测起步较晚，直至20世纪90年代才开始通过国际合作在南海开展OBS探测工作(丘学林等, 2003; 赵明辉等, 2018)，与此同时我国也开始部署OBS装备研制工作.在国家高技术研究发展(863)计划及仪器研制专项的支持下，中国科学院地质与地球物理研究所于2003年成功研发了三通道高频OBS并投入实验应用，带动了我国OBS装备研制工作快速发展，截至目前，国产OBS已成为我国海底地震探测的主流设备(郝天珧和游庆瑜, 2011).

原始数据的预处理及质量评估一直是地球物理研究的重要基础.受限于OBS投放及其与海底耦合等各种因素，OBS数据的预处理及质量评估对后续科学研究有着重要的影响.近20年来国产OBS广泛应用于我国海域、大洋及两极地区的探测，取得了良好的应用效果和科学产出(郝天珧和游庆瑜, 2011; 胡昊等, 2016; Zhu et al., 2021; 臧虎临等, 2022)，在数据质量评估及预处理方面积累了大量经验(丘学林等, 2003; 阮爱国等, 2010; 郭建等, 2022)，对国产OBS仪器的推广应用及我国海洋地质相关研究工作起到了积极作用.

由于OBS特有的硬件特性及其在海底观测的特殊环境，其数据记录特点与陆地台站有较大差距，制约着OBS数据的应用范围和研究程度(Audet, 2016).一是受仪器与海底的耦合条件等因素影响，数据的质量评估和去噪问题；二是涉及仪器硬件及投放影响，数据的时钟漂移、姿态及水平方位角偏差问题.前者通过数据处理技术可加以改善(赵明辉等, 2004; 郭衍龙等, 2016; 张浩宇等, 2021)，后者则需要通过对硬件及数据的综合分析予以校正.对主动源OBS而言，地震波周期短且气枪信号强，其数据质量评估与预处理已形成较为成熟的技术体系(丘学林等, 2011；刘丽华等, 2012；庞新明等, 2019)，例如可以利用小偏移距直达水波信号对OBS的位置进行精确校正.而被动源OBS观测周期一般以数月到年计，由于观测时间长，且记录的有效信号以天然地震和背景噪声为主，有效信号复杂丰富，既有短周期的海底微震信号，也有全球性远震信号.因此，数据预处理对准确提取有效信号及后续科学应用显得尤为重要.

地震台站接收到的震相到时一直是地球内部结构成像的重要依据.由于水声通讯的高频电磁波无法穿透海水层，导致OBS无法在海底实时与全球定位系统(GPS)之间完成时钟同步.国产OBS内部时钟多数采用基于石英晶体振荡器进行计时，而晶振频率会随着温度、压力等变化而发生改变，这就会不可避免地出现时钟漂移，在被动源OBS长期观测中需要进行准确的时间校正.为此，众多地球物理学家进行了大量的研究.一种广泛使用的时间校正方法是在OBS投放前和回收后分别将内部时钟与GPS同步，并基于线性时钟漂移的假设，将总漂移量均匀地分配给不同采样点的时间记录(Geissler et al., 2010; Gouédard et al., 2014).也有地震学家从噪声互相关函数(NCCF)提取相干信号，并通过仔细分析NCCF的因果信号和非因果信号的走时演变，进行OBS时间校正(Le et al., 2018; Liu et al., 2018; Zhu et al., 2019; 郑宏等, 2020; Tian et al., 2021).

通常情况下，陆地台站能较为准确地记录地震波正北，正东以及垂直三分量地震数据.而OBS在下沉过程中容易受到海流影响发生旋转，导致记录到的地震数据水平分量的方位角具有随机性.主动源OBS探测通常可以使用气枪激发信号来确定传感器方向(Anderson et al., 1987; Duennebier et al., 1987; 刘丽华等, 2012)；而被动源OBS探测则一般利用地震波的偏振性或者粒子运动规律进行方位分析.例如，基于瑞利波的逆行椭圆粒子运动计算OBS的水平传感器方位(Stachnik et al., 2012).通过分析P波的质点粒子运动定量获得临时地震阵列传感器方位偏差(Wang et al., 2016).

这些研究表明，OBS数据预处理，包括时钟漂移、姿态和水平方位角偏差的校正一直是普遍存在且广受关注的问题.本文基于国内广泛使用的国产OBS仪器，通过硬件特性及数据特征分析，讨论被动源OBS原始数据预处理的技术流程，包括定姿、定时和定位等关键环节，为开展被动源OBS数据的应用研究提供技术支撑.

1 海底地震数据预处理技术体系

国产OBS经过近20年的发展，其整体架构及技术体系已相对成熟，因此其数据预处理相关的硬件因素也已基本固化，为开展观测数据的预处理标准化奠定了良好的基础.目前国产OBS在数据记录格式、内部仪器姿态定义等设计基本固定，针对采集数据解编、姿态校正等已形成标准化处理流程.结合使用单位的反馈经验，建立了如图1所示的被动源OBS数据预处理技术体系.

图1 OBS数据预处理技术体系示意图

该预处理技术体系所涉及的主要环节包括：

(1)数据解编：原始的OBS记录通常不便于共享与处理，需要将其统一转换成按每个分量单独存储的数据文件.结合国际标准化地震数据格式，在国产OBS数据解编中统一转换到Seismic Analysis Code(SAC)格式进行数据存储，方便根据探测目的选择某个或某几个分量进行后续处理.

(2)姿态校正：基于OBS硬件特点及姿态记录文件进行仪器姿态校正，并将地震计坐标系统变换到与陆地台站一致，便于海陆联合数据的统一处理与研究.

(3)OBS时钟漂移校正：基于OBS实际晶振频率进行时间校正，并利用背景噪声互相关技术验证时间校正的可靠性.

(4)OBS水平方位角校正：基于最小化P波切向分量能量准则进行OBS水平方位角校正，并利用P波主成分分析方法验证水平方位角的准确性.

本文结合苏拉威西海被动源OBS观测数据进行预处理技术说明.使用的数据由中国科学院地质与地球物理研究所和英国剑桥大学联合采集，包含8个站位，采集时间为11个月(Rawlinson et al., 2020)，同时选取该地区两个陆地台(BKB与TOLI2)作对比，台站位置分布如图2所示.

图2 OBS与陆地台站位置

1.1 OBS姿态校正

在硬件系统中其传感器姿态体系的定义决定了OBS姿态校正的基本方法，图3a与图3d分别为国产单球与双球OBS内部坐标系统结构示意图.图3b与图3e中OBS地震计输出的BHXseis/BHYseis/BHZseis三分量数据分别对应数据文件中的1/2/3通道数据，地震计所记录的是地动速度的方向.如图4所示，由于海底地形崎岖不平，导致水平分量无法保持在水平面上，OBS的两个水平分量与水平面存在夹角(α为俯仰角，β为滚转角).OBS观测时的α、β等姿态信息是在仪器坐标系(BHXobs/BHYobs/BHZobs)下(图3c与图3f)由罗盘和加速度计姿态得到，并统一记录于仪器日志文件中，如表1所示.因此需要先将地震计坐标系先转换为仪器坐标系再进行仪器姿态校正.

图3 OBS坐标系统

图4 OBS姿态示意图

表1 OBS俯仰角与滚转角信息

OBS地震计坐标系转换为仪器坐标系的公式为：

(1)

当记录输出的坐标系与仪器坐标系一致，即可依据表1中的滚转角旋转BHXobs与BHZobs分量，将BHX分量校正到水平面上，完成OBS滚转角度的校正，该转换利用式(2)计算：

(2)

依据表1中的俯仰角旋转BHYobs与BHZ*分量，将BHY分量校正到水平面上，完成OBS俯仰角度的校正，所用公式为：

(3)

通过上述方法完成OBS仪器姿态校正，最终将OBS坐标重新变换回常规地震计输出的坐标系.

通常同一地震产生的地震波经过长距离传播后在局部不同接收器记录到的初至信号极性相同.由于单球与双球OBS内部结构差异(图3)，不同结构的OBS所记录的同一远震初至存在极性反转现象(图5a)，在姿态校正时需根据仪器坐标系信息再进一步完成坐标系的统一，完成校正后所有OBS记录的同一远震初至极性保持一致(图5b).此外，利用邻近陆地台站的BHZ地震记录进行对比，可以明显看出经过校正后所有OBS初至极性与陆地台站均保持一致，表明进行OBS姿态校正以及坐标转换后的地震数据与陆地台站较好的一致性.

图5 OBS姿态校正及坐标转换

1.2 OBS时间校正

我们从被动源OBS硬件和数据特征两个方向出发，联合讨论记录数据的时间校正问题.

1.2.1 基于OBS石英晶振频率的时间校正

在硬件方面，通过计算晶振计时的偏差对OBS时间进行校正，其引起误差的来源可以分为三个部分.(1)仪器内部晶振系统进行时间计数时，因其漂移产生的钟差，该钟差根据投放和回收时分别与GPS授时对比计算得到，记为ClockErr；(2)由于仪器内部晶振主频偏离标准主频引起的累计误差，也会引起时间误差.通过实测晶振频率PClk与恒温晶振频率PClk0的差，进行整个观测周期的时间校正；(3)在采样过程中因相位滤波产生18个采样点的时间延迟(所有仪器均为18个采样点，采样间隔记为Δt).综合上述所有时间偏差，计算总的钟差值TimeErr，公式为：

TimeErr=ClockErr+(PClk-PClk0)*(npts*Δt)

/(PClk0)-18Δt，

(4)

其中npts为数据的总采样点数.

为验证时间校正的准确性，本文截取了2020年3月12日，OBS投放第七个月记录的6.5级，49.5°震中距的远震事件，对比OBS时钟漂移校正前后远震波形(图6)，图6a为未进行任何处理的OBS原始地震数据，蓝色短线表示依据全球速度模型AK135(Kennett et al., 1995)计算的远震P波理论到时；图6b所示为经过后的OBS地震数据，相较于原始数据，校正后P波的实际走时与理论走时之间的绝对误差均在2 s以内，这个走时差距可归因于地球内部介质速度异常.

图6 OBS时间校正

1.2.2 背景噪声互相关技术验证时间校正

在噪声源均匀分布的情况下，双台之间的背景噪声互相关函数的因果和非因果信号会保持完全对称(Stehly et al., 2007).然而，由于两个OBS存在相对时钟误差，其正负支走时会随时间发生变化(Le et al., 2018).无时钟漂移时OBS双台之间互相关函数的因果和非因果信号走时应始终保持稳定，根据这一规律，可进行时间校正及验证其他时间校正方法的可靠性.

设OBS台站对每天的噪声互相关函数为s(t)，其主要由因果信号和相对的非因果信号组成，分别为s+(t),s-(t)，其表达式为(Liu et al., 2018)：

(5)

以OBS站位M01G与M02F两台数据为例.对连续数据进行2～5 s带通滤波，并采用滑动时窗归一化减小地震信号干扰(Bensen et al., 2007).计算以天为单位的台站间互相关函数，并将互相关函数按时间排列.图7a显示，原始数据互相关函数的因果信号与非因果信号走时随观测时间的推移呈现明显变化.由于投放OBS之前均进行GPS授时，所以通常默认开始记录的时间是准确的，也就认为第一天计算的互相关函数准确记录了台站间不存在延迟时间的信号.如图7b与图7c所示，经过时间校正后观测周期内的互相关函数正负支走时均与第一天保持一致，这表明时间校正结果具有较高可靠性.

图7 台站对M01G-M02F背景噪声互相关函数

1.3 OBS水平方位角校正

在OBS下沉过程中，受海流等因素影响，沉底后其水平传感器会发生旋转，导致其实际记录的数据有水平方位角偏差.对记录数据进行水平方位角校正是获取可靠科学数据的必要步骤.由于仪器内部并不能准确定位仪器落底后的水平方向，在实际使用中可通过对数据特征的分析来进行水平方位角校正.

1.3.1 最小化P波切向分量能量的水平方位角校正

在理想情况下，直达P波的能量在切向趋近于零(Wang et al., 2016; Wu et al., 2020).因此，当OBS其中一个水平分量旋转至切向分量时其P波能量最小，此时两个水平分量分别对应地震波的径向与切向分量.再根据台站与震源的位置信息获取反方位角即可将径向与切向分量的数据旋转至正北与正东方向(Wu et al., 2021).

图8a展示了从震源到OBS的坐标系以及P波传播方向(粒子运动方向)的示意图.设置0.1°为旋转步长，将北-东坐标系旋转到径向-径向坐标系，使用信噪比(SNR)加权多事件方法对最佳θa进行网格搜索，不同网格处的P波切向分量能量记为ET(θa)：

图8 OBS M01G最小化P波切向分量能量的水平方位角校正

(6)

图8b所示为网格搜索的过程，其中箭头所示为同一个OBS记录的多个地震事件的最小化切向分量能量，记为EminT(θa)，该处对应最佳校正角度φ=θc-θa.

震中距过小P波易受到其他震相的覆盖，而震中距偏大P波能量衰减严重，同时震级过小P波能量也相应较弱，这些因素都会导致P波在地震记录中难以识别，因此我们从OBS M01G记录的连续波形中截取震级大于5，且震中距离范围为5°～90°的事件波形，进行水平方位角偏差校正.通过对比校正前后的变化明显看出校正后的径向分量P波能量有明显提升(图8c)，校正后切向分量P波能量则明显降低(图8d).

1.3.2 P波主成分分析方法验证水平方位角

主成分分析也是确定地震波与台站反方位角的有效方法之一(Schulte-Pelkum et al., 2001; Lockman and Allen, 2005).当P波在均匀各向同性的层状介质中传播时，其极化是线性的.因此，可以利用P波的主成分分析确定反方位角(Niu and Li, 2011).

对于单个地震道，通过截取直达P波到时前后几秒的时间窗口，计算协方差矩阵的特征向量和特征值来确定P波的极化方向.理想情况下，P波的反方位角与协方差矩阵的最大特征向量的特征值有关.由于地震仪三分量是相互正交的，可以通过求解两个水平分量的本征问题来简单地估算反方位角(Fontaine et al., 2009).两个水平分量在直达P波到时的前后时窗(t0，t1)内的协方差矩阵M可以记为：

(7)

矩阵内mij表示i和j分量的互相关：

(8)

其中，s(t)为地震数据的水平分量.通过求解|M-λI|a=0的本征问题，来获得反方位角的值，I为2×2单位矩阵，λ为特征值，a为对应的特征向量.特征值表达式为：

(9)

在没有噪声的情况下，协方差矩阵M仅有一个非零特征值，并且P波粒子运动是线性的.在存在噪声的情况下，M有两个非零特征值，以二者之比定义为粒子运动线性的指标，同时也是噪声水平的指标.反方位角与特征值最大的特征向量有关：

(10)

对于单个OBS，我们选取信噪比较高的一系列远震数据，多事件P波主成分分析方法计算的OBS水平方位角偏差的平均值φPCA：

φPCA=θc-θa.

(11)

为了避免单一地震数据带来的偶然性和误差，利用多个地震事件的主成分分析方法与最小切向分量方法分别计算水平方位角的平均偏差，可以确保计算结果的准确性.图9a与图9b分别为OBS M01G台多事件P波主成分分析方法与最小化P波切向分量能量方法的水平方位角校正结果.可以看出两种方法计算的平均水平方位角偏差均在60°左右，两者校正结果相差在5°以内，表明校正结果具有较高的可信度.通常情况，若两者校正结果相差在5°范围内，可以取两者结果的平均值作为最终的校正角度；而当两者结果差在5°以上时，可以通过人工选取信噪比更高的地震数据，重新进行水平方位角校正.

图9 OBS M01G水平方位角校正结果

2 预处理技术体系应用效果分析

被动源OBS观测数据的预处理是开展接收函数方法、走时层析成像，全波形反演等结构成像工作的基础.关于OBS时间校正和水平方位角校正均采用了两套方案进行相互验证.针对OBS的时钟漂移问题，本文基于实际的晶振主频进行时间校正，校正后的OBS地震数据与邻近陆地台站记录的远震事件到时呈现较高的一致性，验证了OBS时间校正的可靠性.在此基础上，我们通过背景噪声互相关的方法计算台站对的互相关函数，可以看出经过时间校正后互相关函数的因果和非因果信号对称性随时间始终保持稳定，进一步验证了OBS时间校正的有效性(图7b).在OBS的水平方位角校正方面，我们基于P波切向分量能量最小化准则，计算OBS水平方位角的偏差.经过水平方位角校正后能有效提高径向分量P波能量，并利用P波主成分分析的方法进一步验证了水平方位角校正的可靠性(图8c).

通过背景噪声水平分析来评价数据质量和该地区噪声分布特征，对地震噪声进行良好的量化和理解，为OBS数据去噪提供指导.为了对比预处理后数据的质量，本文选取了苏拉威西地区附近陆地BKB台站与OBS M01G记录的数据进行对比分析，以展示OBS数据预处理效果.将经过预处理后的OBS和邻近陆地台站数据的背景噪声功率谱密度按儒略日(Julian Day)顺序依次排列，图10展示了OBS M01G的140天连续记录以及陆地台站BKB的230天连续记录的三分量背景噪声功率谱密度随时间变化的规律.

通过对比OBS M01G和陆地台BKB记录数据的功率谱图可以明显看出，两个台站的背景噪声在高频附近较为稳定且几乎不随时间发生变化，而OBS的两个水平分量中低频段随时间的推移波动剧烈.通过对比图10a、c、e，展示了两个水平分量在低频段的噪声水平明显高于垂直分量，而该频段的噪声也通常被解释为海底低频海浪或者海底洋流等自然因素干扰(刘亚楠等, 2021)，导致OBS数据中的背景噪声在低频段处较高，这与前人获得的海底记录数据的噪声特征类似(Longuet-Higgins, 1950; McNamara and Buland, 2004).

图10 OBS M01G和陆地台站BKB的三分量背景噪声功率谱密度随时间变化图

图11为震级6.7，震中距48.5°的三分量地震事件波形与时频图.通过对比OBS原始数据与预处理后的数据，可以看出被动源OBS原始数据经过预处理取得了良好的处理效果.预处理后OBS记录的三分量地震数据中的P波和S波都能清楚识别，从小波变换后的时频分布图中也可以清晰看出不同震相在频谱中的响应特征，为后续走时层析成像以及全波形反演工作奠定了重要基础.

图11 OBS三分量波形数据及其小波变换结果

3 结论

获取可靠的观测数据是海底探测与地球物理研究的关键基础，以此为目标的软硬件体系发展将不断驱动技术体系的更新.针对被动源OBS观测数据的预处理问题，本文结合我国广泛使用的国产OBS硬件架构及其记录的地震波特点，综合构建了基于被动源OBS观测数据的预处理技术体系，形成了一套相对完整及科学的数据预处理流程，为被动源OBS原始数据自动化预处理提供了技术支撑.

针对被动源OBS观测数据中的仪器姿态校正、时间校正和水平方位角校正三个关键问题，分别探讨了相应的解决方案：(1)从国产OBS硬件结构出发，通过仪器固有坐标系与地震计坐标系转换进而完成仪器姿态校正；(2)通过计算晶振主频偏差实现时间校正量的提取，并以背景噪声互相关技术验证时间校正的准确性，通过双技术方法实现了原始数据准确的时间校正；(3)基于地震波传播特征，采用最小化P波切向分量能量方法和P波主成分分析技术进行了相互验证的水平方位角校正.上述预处理技术体系在苏拉威西海域OBS数据预处理中获得了良好的应用效果，其噪声评估及时频分析结果均表明经过上述预处理后获得了有效的地震记录，为进一步研究提供了可靠的数据支撑.

国产OBS经过了近30年的发展，仪器技术相对成熟，在海洋地球物理探测中发挥了重要作用(郝天珧和游庆瑜, 2011).随着技术的发展和进步，新一代OBS也在研发之中，技术进步也将带来数据处理方式方法的变革，如原子钟的应用可从硬件层面基本解决时钟校正的问题，精密传感器的应用也为未来解决水平方位角精准定位提供了技术契机.同时，地震波传播特性分析也为OBS数据的校正等提供更为广阔的技术空间(Trabattoni et al., 2020; Zheng et al., 2020).

致谢感谢责任编委与两位审稿人提出建设性意见和建议，提高了论文的质量与学术水平，感谢中国科学院南海海洋研究所、自然资源部第二海洋研究所等国内海底地震探测团队在OBS数据处理解释研究中的支持和帮助，感谢游庆瑜研究员、孙伟家研究员、王元副研究员、王新副研究员、吕川川博士、李栋博士的建议与建设性的讨论.