CN1947032A

CN1947032A - 海上地震测量方法和系统

Info

Publication number: CN1947032A
Application number: CNA2004800429242A
Authority: CN
Inventors: 肯·维尔克尔; 比德·泰勒
Original assignee: Westerngeco Seismic Holdings Ltd
Current assignee: Westerngeco Seismic Holdings Ltd
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: AU2004317795B2; NO20150942L; CN1947032B; AU2008212003A1; EP1735641B1; EP2280294A3; NO20150941L; EP2793059A2; US20090141587A1; NO339123B1; AU2008212003B2; AU2009202642B2; NO339120B1; EP2280294B1; WO2005096018A1; US20150016218A1; AU2004317795A1; US8824239B2; EP2793059A3; NO20064691L

Abstract

本发明的方法提供在进行地震测量时对地震测量展布的控制，该展布有船、多个展布控制元件、多个航行节点以及多个震源和接收器。该方法包括收集输入数据的步骤，输入数据包括航行节点的航行数据，伴随展布控制元件的传感器所产生的操作状态数据、测量环境数据以及测量设计数据。震源和接收器的位置是使用航行数据、操作状态以及环境数据估计出来的。使用位置估计和至少包括测量数据的一部分输入数据确定震源和接收器的最佳迹线。使用所确定的最佳迹线计算用于至少两个展布控制元件的驱动命令。本发明的方法由发明的系统实现。

Description

海上地震测量方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及海上地震数据采集测量的完成，更具体的说，涉及在测量期间对地震测量展布的控制。

背景技术

完成海上地震数据采集测量通常涉及一艘或多艘测量船，它们各拖曳至少一个地震拖缆穿过水体，该水体被认为是覆盖在一个或多个含有碳氢化合物的地层之上。为了完成3D海上地震数据获取测量，由地震测量船以大约5海里/小时的速度将一个海上地震拖缆阵列拖在船的后面，该阵列的每个拖缆通常有几千米长且包含大量水中检波器和伴随的电子设备沿拖缆的长度方向分布。该船还拖曳一个或多个适于在水中使用的地震震源，通常是空气枪。由地震震源产生的声音信号，或称“爆炸”，穿过水体传播到地下，在那里声音信号被各种地层反射。反射的信号由拖缆上携带的水中测波器接收，数字化，然后传送到地震测量船，在那里数字化的信号被记录下来并且至少是部分地被处理，其最终目的是构建被测量地区中地层的表示。

往往从同一地下区域得到两组或更多组地震数据信号。例如，可在同一区域上在不同的时间进行两次或更多次地震测量来得到这些组地震数据信号，通常各次地震测量之间的时间间隔为几个月至几年不等。在一些情况中，采集地震数据信号用于监测由于碳氢化合物的生产所造成的地下储集层中的变化。近年来也出现了在特定地下区域上方进行有时间间隔的三维地震数据信号的采集与处理，作为新的重要的地震勘探方法(在业内通常称作“4-D”地震数据)。

通常的实践是事先收集关于测量区域的某些信息，从而能选择适当的设备和方法(称作“测量设计”)以实现所希望的地球物理的和操作的目标。一些这样的信息用于提供测量所需基本参数，如测量区域的边界，被拖曳的拖缆电缆的长度以及地震震源的点火情况等。这些信息已在一定程度上用于贯穿各个独立系统的测量控制。这类控制系统的典型实例是测量船的自动导航、船的航向控制、以及拖缆定位和深度调节。例如，美国专利6,629,037号描述了使用成本地图(costmap)优化在已知测量区内加密地震剖面作业的路径，英国专利申请GB2364388号公开了根据由先前测量所记录的位置数据在一已知测量区域内确定震源和拖缆的位置。

大家还都知道在测量期间(即实时或近实时)收集关于测量执行情况的某些信息，从而可根据所希望的地球物理的和操作的目标实现适当的设置和定位。这些信息也在一定程度上用于贯穿各个独立系统的测量控制。下列专利参考文献代表了这类控制系统的最新技术：美国专利6,618,321号(根据测定的水流来模拟测量期间拖缆位置)；美国专利6,590,831号(根据所监测的测量参数来协调一次测量期间的多艘地震数据采集船)；美国专利6,418,378号(由测量采集的数据训练过的神经网络用于预测下一测量期间地震拖缆的形状)；美国专利5,790,472号(根据水中检波器噪声水平对测量期间的地震拖缆定位)；以及国际专利申请WO 00/20859号(根据拖缆定位器装置的估计速度对测量期间的地震拖缆定位)。

上文描述的控制系统依赖于特定的输入(如海中的水流)以确定可用于控制地震测量拖船的信息。然而，这些系统中没有一个依赖于或考虑宽范围的输入条件和参数，它们包括各种目的以及地震测量设备和方法的限制条件。再有，这些系统中没有一个试图利用在整个展布区部署的一组协同导向装置主动地控制该展布，所以需要这样的复杂系统。

已经设计出上述控制系统，通过提供立即实现的命令或路径等来实现所希望的结果。在对这些输出的重要的时延效应进行优化方面考虑得很少或根本没有考虑。所以需要这样一种地震测量控制系统，它在考虑立即效应的同时，还考虑输出(特别是控制命令)的延时效应。

定义

在本描述中，一些术语在它们第一次使用时被定义，而在本描述中的某些其他术语定义如下：

“迎角”是翼片或偏转器相对于流体(即水)流动方向的角度。迎角是一个导出量，是由用于固定翼片的偏转器或本体在系统参考系中的取向、翼片相对于偏转器/本体的可控或固定取向以及在系统参考系中的水流取向计算出来的。当翼片/偏转器没有抬升时，它有零迎角。

“区域旋转”是指从向北取向的轴线量起的轴线旋转，这样，例如0°区域旋转是指地震剖面作业方向(或拖曳方向)是北。这给出区域相对轴线的取向，并确定该测量的地震剖面作业方向。

“基准测量”是指时延后的测量试图参照的原始测量以及伴随的展布坐标。

“好路线”是指相对于海底的实际航线。

“横向”和“纵向”是指分别垂直于和平行于拖曳方向的方向，是在区域相对参考系中定义的。参考系的原点可以转换到测量船的位置。纵向轴取向的一个实例是平行于由先前测量指定的地震剖面作业方向(例如预先设计的测线方向或区域旋转)。

“驱动命令”是指展布控制部件操作状态的改变，这将给出展布位置的希望结果。

“力模型”是指一组有效流体动力学力对展布的影响的一种表示，这种表示是由计算机实现的。这个力模型包括对展布以及它所在介质(即海和大气)的表示。这一介质包括从海面下少于40m深处到空气/海界面之上几十米之间的垂直区域。在这一定义区域之外产生的但对这一区域有影响的力也是用于建模的候选对象。

“自然羽角”是指被拖曳体上任何两点定义的直线与一参考方向之间的夹角，该参考方向通常是船进行地震剖面作业的方向，由于水流、风或两者的作用得到上述两点的位置。一个实例是连接拖缆首尾所形成的直线与预先设计的测线方向之间的夹角。

“近实时”是指以某种方式延时后的数据流，如允许有使用对称滤波器得到的计算结果。通常，利用这类数据流做出的决定用于增强实时做出的决定。实时和近实时数据流二者在被接收之后立即被决定流程中的下一个过程所使用。

“位置历史”是指构成一个展布部件(如拖缆或震源阵列)的任何展布元素或元素组的坐标或形状在各个离散时刻的估计值，在离散时刻得到的两个坐标或形状估计值给出在该时间差上的一个平均速度。在三个不同时刻的三个坐标或形状估计值给出两个平均速度和一个平均加速度。

“PID”或“PID控制器”是指比例——积分——微分控制器。它是一种反馈控制器，其输出是一个控制变量(CV)，通常是基于某个由用户定义的设置点(SP)和某个测量得到的过程变量(PV)二者之差。

“预测残差”是指展布模型位置坐标预测值与独立测定的基于航行的位置坐标二者之差。这一术语是从卡尔曼滤波估计理论借来的。

“当前测量”是指当前进行的测量路线中已经产生的原始数据集合、计算结果或行动。这些可以以实时、近实时或根据需要加以使用。

“测量前历史”是指本次测量开始之前产生的在准备或执行本次测量时使用的任何数据。实例包括基准测量、海图、潮汐信息、深度信息、地震测量图、井孔数据、面元(binning)数据以及自然羽角的历史记录。这类信息可能是也可能不是在公共域中。这些数据可能是在初步测期间得到的。

“实时”是指除了产生数据流组成部分所需最短时间外再没有任何附加延时的情况下产生的数据流。这意味着在数据流中的信息存储与该信息的提取之间没有大的间隙。最好有一个进一步的要求，即这些数据流组成部分产生得足够快，允许使用它们做出的控制决定足够早地生效。

“爆炸点”是指各地震数据采集事件之间的时间间隔所对应的时间单位。

“爆炸点目标坐标”是指为收集地震数据全部展布对象所占有的预期二维坐标。这组坐标还能用于导出展布体目标的形状。

“展布”是指“展布部件”的总数，即船、运输工具和被拖曳的对象(包括电缆)的总数，它们一起使用，以进行海上地震数据采集测量。

“展布体形状”是描述任何被拖曳展布部件形状的数学函数。例如，可认为拖缆电缆有从一端到另一端的直线形状。另一种表达方式是，该形状可以是一系列直线或更高阶多项式，它们把沿着拖缆的任意一组位置坐标估计值连接起来，从而给出整个拖缆的近似形状。类似的方法能用于地震震源阵列。

“展布控制元素”是指一个可控制的展布部件，它能使一个展布部件沿横向或纵向改变坐标。

“展布控制元素操作状态”是指给出与展布模型(如流体动力学力模型)有关的信息的那些测量。实例包括翼片体取向、偏转器上的水流速率、相对于翼片体的翼角、舵角、螺旋桨速度、螺旋桨的螺距、拖曳电缆的张力等。

“展布控制元素性能指标”或“性能指标”是指单个元素或由全部展布控制元素的组合构成的系统的性能极限。实例包括翼片控制元素的可能翼角值的范围、拖曳电缆的张力极限、偏转器装置的停止角等。

“展布前端”是指连接各拖缆前端的、多少垂直于船的好路线的一条线(最佳拟合的或实际的)。

“展布模型”或“展布的模型”是指可由计算机读出和执行的代码，用于由计算机模拟该展布对各种输入力和条件的响应。展布模型可以是流体动力学力模型、神经网络系统、闭环控制系统(例如见国际专利申请WO 00/20895号)、由L-范数最佳拟合判据驱动和校准的运动模型、或卡尔曼滤波器。

“可转向前端偏转器”(又称SFED)是指位于最外侧的拖缆的前端的可转向偏转器，如Western Geco公司的MONOWING装置。

“转向羽角”类似于自然羽角，但该角由转向装置改变。

“转向装置”是指使至少一个展布部件转向用的装置。这类装置包括拖缆转向装置、可转向前端偏转器以及可转向浮标。

“拖缆转向装置”(又称SSD)是指沿拖缆分布的转向装置，如Western Geco公司的Q-FIN^TM装置。

“拖曳点”是被拖曳的展布对象在拖船上的原点(例如，在后甲板上导入电缆退出滑车处的点位)。

“迹线”是指预先指定的在进行一部分地震测量时展布部件要占有的二维坐标，如地震测线。实例包括预先设计的测线或测量前设定的一组非直线的坐标。

“轨迹”是指在测量期间任何展布部件占有的实现了的或实际的一组坐标。

“平移”是指原点X和Y坐标的转移，它给出航行所需新的原点。

“转换功能”是指在计算机中发生的一系列计算，它给出各种测量的或投影的量作为输入，并给出一组驱动命令作为输出，这些命令被设计成给出任何数量对象位置的设计的或希望的变化。

发明内容

一方面，本发明提供一种方法，用于在进行地震测量时控制地震测量展布，该展布有一艘船、多个展布控制元件、多个航行节点以及多个震源和接收器。该方法包括收集输入数据的步骤，这些数据包括用于各航行节点的航行数据，伴随展布控制元件的传感器给出的操作状态，地震测量所需环境数据以及地震测量设计数据。使用航行数据、操作状态及环境数据估计震源和接收器的位置。使用这些位置估计值以及一部分输入数据(至少包括地震测量设计数据)确定震源和接收器的最佳迹线。至少是使用所确定的最佳迹线，计算出至少用于两个展布控制元件的驱动命令。

本发明方法中的估计、确定和计算步骤可由转换功能来执行。更具体地说，可根据转换功能内的展布模型估计位置。在一个实施例中，展布模型使用输入数据计算第一组估计位置，这些输入数据至少包括操作状态和环境数据。所收集的航行数据包括第二组估计的位置。在转换功能内第一组和第二组估计位置被组合在一起，产生估计的震源和接收器位置以及预测的残差。预测的残差用于估计一组表征展布模型的参数。展布模型参数用于校准展布模型。预测的残差可进一步用于估计收集环境数据所用传感器的误差状态。

可根据转换功能中的加权函数确定最佳迹线。在一个实施例中，加权函数接收地震测量设计数据和震源及接收器的估计位置作为输入。来自地震测量设计数据的输入可包括展布控制元件的性能指标，如转向限制。在这一实施例中，加权函数用于对输入数据应用相对加权系数，用于由转换功能计算展布的最佳迹线。

在本发明方法的一个具体实施例中，展布模型是展布部件的流体动力学力模型。该力模型可以基于水流数据以及其他数据。在其他实施例中，展布模型是展布部件的纯统计模型，是神经网络，或利用L范数拟合判据之一。所有这些实施例都有能力基于全部输入对从行为历史学习到的展布控制进行参数化，并且能产生驱动命令，这些命令将实现一组最优化的空间目标，它们或者以坐标的形式(例如爆炸点目标)或者以形状的形式(如转向羽角)，用于未来的展布。

在一个具体实施例中，估计展布响应时间并在计算驱动命令时予以考虑。在这一实施例中，驱动命令还受到限制以保持展布的稳定性并在发送到展布控制元件之前确认其有效性。驱动命令——特别是那些用于控制船的命令——可以手工或自动实现。由于大多数驱动命令的响应时间慢，所以在一些场合实现者是操作人员。另一些驱动命令，如SSD翼角改变，则优选自动控制，如在国际专利申请WO 00/20895中描述的那样。

可根据地球物理的和操作的要求确认驱动命令的有效性。地球物理要求包括实现对一个地下区域的希望的覆盖，重复前一次测量的地震信号射线路径，以及控制地震传感器噪声。操作要求包括为展布穿过危险区域确定一条或多条安全通道，确定进行一条或多条地震测量线的最佳时间，以及减少非生产性时间。相应地可以计算出另一些驱动命令以实现两个或更多个可定义的位置之间的安全通道。

一旦得到确认，驱动命令便被发送到展布控制元件以达到所希望的测量目标。驱动命令可包括控制至少是船螺旋桨、船推进器、展布部件转向装置以及船电缆绞车之一的驱动命令。

优选地，每个驱动命令用于控制至少是展布的一个或多个部件的位置、速度和前进方向三者之一。展布部件通常包括一艘或多艘海洋船以及由至少一艘船拖曳的多个部件。被拖曳的部件通常包括电缆、传感器(如水中检波器)以及转向装置(如可转向前端偏转器(SFED)和拖缆转向装置(SSD))。展布部件可进一步包括不与这一艘或多艘测量船系在一起的一艘或多艘运输船，如自动水下运输船(AUN)或自动水面运输船(ASV)。

展布控制元件包括舵、螺旋桨、推进器、一个或多个用于使被拖电缆和仪器转向的装置以及一个或多个可转向漂浮装置等装置中的至少两个。伴随展布控制元件的用于产生在输入数据中收集的操作状态的传感器包括张力、水流速率、倾斜、取向、加速度、速度和位置等传感器中的一种或多种传感器。

输入数据中收集的环境数据包括水流、盐度、温度、压强、声速、浪高、浪频率、风速以及风向等数据中的一种或多种数据类型。

输入数据中收集的地震测量设计数据包括区域、深度、区域旋转或地震剖面作业取向、测线坐标、震源和接收器位置，所需覆盖范围、局部限制、优化因子以及历史数据等数据中的一种或多种数据类型。地震测量设计数据进一步包括展布控制元件的性能指标，如船、可转向电缆装置、可转向震源装置以及偏转器等的拖曳和机动特性，被拖曳的电缆、震源以及漂浮装置的拖曳特性，以及绞车的操作特性。地震测量设计数据还可以由展布迹线性能指标以及测量目标来表征。

收集的输入数据组还可以表征为包括预先测量、操作员输入、当前测量、近实时或实时测量以及模拟测量等一种或多种数据类型。

预先测量数据可包括环境传感器数据和历史测量数据。

操作员输入数据可包括展布参数设置和环境数据。

实时测量数据可包括电缆张力、水流速率、倾斜、取向、加速度、速度、位置、展布控制元件设置、环境数据、地震信号和噪声数据以及操作员输入等一种或多种数据类型。所收集的位置数据可包括来自GPS接收器、回声探测仪、深度传感器、声波测距系统、磁罗盘、陀螺罗盘、无线电定位系统、加速度计以及惯性系统等一组传感器中的一种或多种传感器的数据。展布控制元件设置数据可包括推进器设置、螺旋桨螺距、螺旋桨转速、舵角、拖曳电缆张力、绞车位置、偏转器取向、偏转器迎角、偏转器水速、拖缆转向装置取向、以及拖缆转向装置翼片迎角等一组数据中的一种或多种输入数据。

模拟测量数据可包括模拟的测量前数据、模拟的操作员输入、模拟的当前测量、模拟的近实时数据、模拟的实时测量以及模拟的环境数据等一种或多种数据类型。

在地震测量期间收集的原始地震传感器数据也可被表征为输入数据。于是，在一个实施例中，本发明的方法进一步包括使用原始地震传感器数据产生估计位置质量指示的步骤。这些质量指示可包括面元数据集、绝对噪声数据、信号噪声比以及地震信号频率成分。质量指示可用于确认实时测量数据、展布控制操作状态以及驱动命令的有效性。

另一方面，本发明提供一个系统，用于在进行地震测量时控制地震测量展布，该展布有一艘船、多个展布控制元件、多个航行节点以及多个震源和接收器。该系统包括一个数据库用于接收输入数据，包括用于各航行节点的航行数据，伴随展布控制元件的传感器给出的操作状态，地震测量所需环境数据以及地震测量设计数据。该系统进一步包括：具有计算机可执行指令的计算机可读介质，这些指令使用航行数据、操作状态以及环境数据来估计震源和接收器的位置；具有计算机可执行指令的计算机可读介质，这些指令使用所估计的位置和一部分输入数据(至少包括测量设计数据)来确定震源和接收器的最佳迹线；以及具有计算机可执行指令的计算机可读介质，这些指令至少使用所确定的最佳迹线计算用于至少两个展布控制元件的驱动命令。

在本发明系统的一个实施例中，估计位置用的指令，确定最佳迹线用的指令以及计算驱动命令用的指令都包含在一个共同的计算机可读介质中。

在一个具体实施例中，本发明的系统进一步包括：一个具有计算机可执行指令的计算机可读介质，这些指令用于确认计算出的驱动命令的有效性；以及一个网络，用于把确认有效的驱动命令发送给展布控制元件，从而可得到所希望的测量目标。

换句话说，本发明的系统预期实现并包括上文概述的本发明方法的特性。

附图说明

为了能详细理解上文引述的本发明的特点和优点，通过参考附图中所示本发明实施例，可以得到对上文概述的发明的更具体描述。然而，应该指出，附图只是显示了本发明的典型实施例，所以不应理解为对本发明发范围的限制，因为本发明可以准许有其他同样有效的实施例。

图1A是用于进行海上地震测量的地震测量展布的平面图。

图1B是图1A中所示展布的立面图。

图2是根据本发明的一个方面用于控制该展布的方法的流程图。

图3是展现出恒定羽角的被拖曳拖缆的示意性表示。

图4是展现出恒定分离方式的多个拖缆的示意性表示。

图5是最佳拖缆形状模型的示意性表示，该模型是利用沿拖缆各段定义的局部羽角确定的，以实现与先前拖缆测量形状的最佳拟合。

图6是根据四爆炸点向前看预测得到的最佳拟合直线的示意表示，其中的残差预测值是基于每次起爆后的位置计算出来的。

图7是相继的向前看最佳拟合直线(如图6所示)组合的示意性表示。

图8A-8B示意性说明如何能利用震源羽角表示由水流引起的震源横向漂移，以及水流和船速矢量分辨率。

图9示意性表示拖缆前端的校正或改变，它造成拖缆前端与好路线成一定角度的偏移，以克服由水流造成的偏航角θ。

图10示意性显示拟合到一个希望的转向迹线的拖缆前端中心。

图11和12示意性显示如何能估计具有共同斜率的基准测量拖缆的“最佳拟合”线并将其转换成对每次爆炸所有拖缆共同的羽角。

图13示意性说明将图11-12所示原理应用于估计单个拖缆的最佳斜率。

具体实施方式

图1A-1B图示说明进行3D地震测量使用的典型海上地震数据采集测量展布(也简称“展布”)10。展布10以多个部件来表征，其中一些部件是可控制的，称作展布控制部件。展布部件通常包括一艘或多艘海船11，如在美国专利6,216,627中描述的海船，以及至少由一艘船拖曳的多个部件。被拖曳的部件包括电缆，如引入电缆20，横隔线26，拖缆18，震源拖缆和压强线(二者表示为15)以及震源16和在拖缆上的水中检波器21，还有转向装置，如偏转器22，拖缆转向器38以及震源转向装置17。

展布部件可进一步包括不与一艘或多艘测量船系在一起的一艘或多艘运输船(未示出)，如在美国专利6,028,817中描述的无人驾驶有动力船，美国专利6,474,254中描述的自动水下运输船，或在国际专利申请PCT/GB01/01930(WO 01/84184)中描述的海底拖拉机。

展布控制元件通常包括舵R、螺旋桨P、拖进器(未示出)、一个或多个用于使被拖电缆和仪器转向的装置17、22、38以及一个或多个可转向漂浮装置46、52等装置中的至少两个。

更具体地说，在由本发明受让人所有和操作的Q^TM测量船的情况中，测量船11具有GPS接收器12与一个集成的基于计算机的地震导航器(TRINAV^TM)耦合，还具有震源控制器(TRISOR^TM)和记录(TRIACQ^TM)系统14(总称TRILOGY^TM)，该船拖曳多个地震震源16，通常为TRISOR^TM控制的在我们的美国专利4,757,482中描述的那种多重空气枪震源，以及由四条基本相同的拖缆18构成的阵列19。然而，将会理解，实际上可以拖曳多达20条拖缆，例如使用授予本发明受让人的国际专利申请PCT/IB98/01435(WO 99/15913)中描述的技术。拖缆18借助它们各自的导入电缆20被拖曳(即高强度钢或光纤强化电缆，它们在船11和拖缆18之间传送电源、控制和数据信号)。最外侧拖缆18的伸展由两个可转向前端偏转器(SFED)控制，称作MONOWING^TM偏转器，在标号22处指出，连接到两条或更多条最外侧拖缆各自的前端24。在授予本发明受让人的美国专利5,357,892中详细描述的SFED 22与在每个最外侧拖缆的前端24及其相邻拖缆的前端24之间连接的各个隔离线26共同起作用，以协助保持各拖缆18之间有基本相同的间隔。

每条拖缆18包括多个(最多达4000个)水中检波器21沿拖缆的长度以一定间隔分布。每个水中检测器21单独连线，使其输出能被单独数字化和滤波，从而允许进行复杂的处理，称作“数字组合形成”，如在授予本发明受让人的国际专利申请PCT/GB99/01544/(WO99/60421)中描述的那样。

每条拖缆18由大量基本相同的拖缆段构成，这些拖缆段端到端连接在一起。每个拖缆段有一个外部塑料皮，它包含若干个长的应力组件，例如由Kevlar制造的应力组件，以及水中检波器21，这些水中检波器由饱含煤油的泡沫塑料隔离材料分离，如授予本发明受让人的美国专利6,477,111中描述的那样。另一种作法是，每个拖缆段可利用一个“固体”结构，如Sercel和Thales水下系统公司的商品化产品。

每条拖缆18还有多个线内拖缆转向装置(SSD)38，也称作“转向器”，优选美国专利申请US2002 0126575号中描述的那种Q-FIN^TM转向器，它们以200m间隔沿线分布以控制拖缆的深度和使其横向转向。此外，每条拖缆18有线内声发射器或“信号发生器”40沿线均匀分布，信号发生器在转向器38之间放置。信号发生器40是下文将进一步描述的定位与导航系统的一部分。

拖缆18的尾端42，即远离测量船11的那一端，经由各自的伸长部分44(类似于伸长部分36)连接于各自的尾浮标46、尾浮标配有各自的信号发生器48(类似于信号发生器40)。以及各自的GPS接收器50。

阵列16进一步在其前端24的区域配备有附加的浮标或浮体52。更具体地说，这又一些浮体52分别连接于拖缆18，往往是在最外侧的拖缆上，分别连在位于最外侧拖缆前端24的两段伸长部分之间的防水光电“T形”连接器54处，从而被拖缆拖曳。浮子52可基本上与尾浮标46相同，配备有各自的信号发生器56和GPS接收器58，并又各自的伸长部分60连接到它们各自的连接器54。虽然为了清楚起见在图1A中把浮子52显示为偏离它们的拖缆，但实际上它们基本上与拖缆18在同一线上。

震源16也配备有GPS接收器(由数字62表示)以及声波接收器，如水中检波器21。震源16可通过转向装置17转向，如在授予本发明受让人的美国专利申请GB0307018.2号中描述的转向装置。

在使用中，从船11布设震源16和地震拖缆阵列19并基本如图1A和1B中所示配置以大约5海里/小时的速度拖曳它们。地震震源16周期性点火，例如每10秒左右一次，所造成的反射地震数据信号由拖缆18中的水中检波器21检测到，然后被数字化并经由导入线20传送到船11中的系统14。

虽然在图1A中震源16和拖缆18显示为在船11之后沿完美的直线延伸，但实际上由于风和波浪作用以及水流等影响，它们往往受到横向位移(如下文进一步描述的那样)。这样，为了构成被测量的地下区域中地层的准确的位置表示，对于由震源产生的每次爆炸，准确确定震源16和水中检波器21各自的位置(即纬度和经度)是至关重要的。对于震源16，通常是使用GPS接收器62来完成。水中检波器21各自的位置是相对于一个或多个GPS接收器50、58和62，通过三角测量确定的，该三角测量使用声波测距和基于信号发生器40、48和56的定位系统进行的，其中信号发生器40、48和56与选定的一个水中检波器21结合运行，如授予本发明受让人的美国专利4,992,990和5,668,775中描述的那样。这样，一次完整的地震测量不仅造成大量地震数据，还造成大量的位置数据以给出对于震源产生的每次爆炸其震源16和检波器21各自的位置。由这些位置数据(又称航行数据)能确定整个测量过程中每条拖缆18所遵循的路径或迹线的形状。

现在参考图2，本发明的方法包括收集输入数据的步骤110，输入数据包括各航行节点的航行数据，来自伴随展布控制元件的传感器的操作状态数据116，该次测量的环境数据118以及测量设计数据120。所收集的这组输入数据可从测量前信息、操作员输入、当前测量(近实时或实时)中获取以及从模拟的测量信息中获取。

航行数据

如上文所述，可通过对多个点(航行节点)确定位置、速度和加速度三个矢量，从展布10得到航行数据112。沿拖缆的地震水中检波器子集被指定为声波定位接收器。这些接收器接收一个独特的声波信号，该信号来自沿纵向拖缆通常每400m一个线内发射器。发射器和接收器组合给出沿任何拖缆通常间距小于100m的声波参考点。如美国专利5,668,775中描述的那样。拖缆端点由GPS参考点控制，这些参考点把声波航行节点与以地球为中心的地球固定坐标系联系在一起。GPS参考点与声波节点之间的连接是通过对已知距离、声波测量的距离及由罗盘测量的方向的组合来实现的。这些测量的全体用于在船上以对每个爆炸点计算出的最小二乘调节量给出每个航行节点的坐标估计值。

这些航行节点的密度和位置估计值的精度足以给出总体的和局部的展布部件的一个适当的图画。这些航行数据是展布10的位置响应的度量。三个基于航行的矢量还能用于校准本机惯性导航装置。这些本机装置能向展布控制系统给出精确的位置、速度和加速度估计值，允许该系统校正其自身，校准频度高于得到声波网络位置更新值的频度。航行更新值对于校准惯性装置本身也是有用的，这些惯性装置通常受到累积误差(通常称作漂移)的影响。下文中将更详细地讨论校准。

操作状态

伴随展布控制元件的传感器用于产生输入数据中收集的操作状态数据116，这些传感器包括张力、水流速率、垂直倾斜、本体取向、加速度、速度和位置等传感器中的一种或多种。在本发明的一个实施例(下文描述)中，这些传感器或测量装置向流体动力学展布模型提供输入，该模型用于描述展布10的动力学特性。

一组操作状态数据从属于船11。这些状态包括船的航向、速度、舵角、螺旋桨螺距以及船的运动(即急转、俯仰和侧倾)。这些状态的改变将造成在船11尾部拖曳点位置的横向和纵向坐标的改变。

另一组操作状态与转向装置17、22和38有关，描述在上升体(如偏转器翼片)上的水流速度。传感器给出装置22的取向(如相对于好路线的取向)及在上升体上的水流速度。传感器还给出翼角及与水流有关的翼角变化。

这些操作状态能被转换成由转向装置施加的力。这些力分布在拖缆18长度方向上或与震源阵列上的点相连，它们与水引起的作用于被拖曳体表面区域的力方向相反，(组合枪漂浮物例如也称作sausages)这些力的总合给出：

1、从拖曳点(原点)起始的拖缆形状；

2、震源中心；以及

3、单个震源阵列相对于它们的船拖曳点的位置。

拖曳电缆上的张力是另一个重要的操作状态，在一个实施例中它是流体动力学模型的输入。这主要是相对于固定在张力计上的本体的水流速度以及阻力的函数。此外，张力用于确定拖曳线是否达到了它们的极限，该极限限制将要由转向装置施加的力的大小。

绞车计数器报告布设的拖曳电缆的长度，它与SFED力组合，确定展布前端的取向。

这些以及其他操作状态数据可组合到力模型中，给出确定被拖曳展布部件形状的力矢量。下文中将参考展布模型(如力模型)进一步予以描述。

环境数据

在输入数据中收集的环境数据118包括水流、盐度、温度、压强、声速、浪高、浪频率、风速以及风向等数据中的一种或多种数据类型。

使用若干来源公布的地震测量前潮汐水流表能预测该区域的潮汐水流。这些来源包括英国海军部、国家海洋与大气管理局(NOAA)、水文与海洋服务机构(SHOM)。对于被认为有强潮汐水流的区域，测量路线将定时到与低水流时间段一致的时间。高水流的时间段将尽可能地用于其他测量活动，如返程和驶入。

再有，可以回顾该区域的地震测量历史，以识别在该测量区历史上经历的羽角度数。可在数据库中进行羽角统计，以供其后使用。羽角是对测量区中水流的一种间接测量。这一测量能用于指出该区域中水流的大小、方向以及时空变化率。空间频率与拖缆长度有关。通过把拖缆尾部的“好速度”与羽角的变化率关联起来，羽角能给出空间频率的一个指示。羽角的变化率将使测量的计划者对他们正在确定的展布控制系统所需要的响应时间有一个认识。

在地震数据采集过程中的时间单元通常是爆炸点。于是，长的时间周期可被定义为未来某一数量的爆炸点，它对应于能保持当前环境条件的时间长度。

作为一例，在潮汐剖面作业中，潮汐水流的循环时间是清楚知道的。已计划了至少持续15年的地震测线，以得到沿相邻测线有相同的水流或水流时间梯度，从而降低加密程度。一些地震勘探软件提供商提供地震测量线路计划软件以便预先考虑在地震数据采集期间水流的时间和空间变化。

此外，可回顾任何可得到的历史水流数据，以识别最强水流的方向。如果地球物理目标允许的话，测线方向最好是计划成平行于主要水流方向。这将给出最小羽角和最直的拖缆。这类数据在成熟的石油生产区域可以得到，因为那里需要水流知识用于钻井装置和浮式采油、储油和卸油(FRSO)系统的运作。

可以得到若干水流数据测量源用于地震测量期间的水流测量。安装在船身上的声波多普勒水流剖面测量仪(ADCP)测量在震源阵列和展布前端前方几百米的水流。安装在测量区中半永久或固定结构(例如安装在海底的钻井装置和FPSO)上的水流计能经由遥测链路实时向船11报告当地水流。工作或检查船或任何其他可移动平台，包括可远程操作的船只(ROV)，如果在船上有水流测量装置，则能够沿测量迹线在展布10前方遥测该展布将要遇到的水流区。卫星图象提供关于宏观环流的热水体旋涡的知识。

关于水流的全部数据源被存储在地理信息系统(GIS)数据库中，并带有时间标记。这类系统普遍用于管理空间分布的数据。一个实例是由Horizon Marine使用的一类数据管理系统。对于短时间段，这些数据可认为是有效的(例如一小时或更短)。基于整个数据采集过程观测到的历史变化，能导出较长时间段的变化趋势，用于预先考虑相邻测线上的状况。再有，能基于现场测量结果对预测的由潮汐驱动的水流分量(如上文所述)进行校准。如果知道潮汐信号的频率成分，则能校正由数据表预测的振幅和相移，以适应于该地震测量的准确地点。

在现场，能与水流计数据完全一样地处理在上述用于水流测量的相同平台上的测量仪或传感器得到的风力计数据。当然，这一数据是用于对预期作用于海面上对象的力建立模型。此外，空气摩擦能移动表面水层，造成风驱动的表面水流。风驱动的表面水流的影响能达到几米深，这是当前用于拖曳拖缆的深度区域。

海洋水体的动力学海洋模型，如Horizon Marine提供的那些模型，能用于预测各种海洋现象。这些模型大体上等效于气象预测模型，并且它们的预测准确度作为时间的函数彼此相似。这些模型需要水流测量值等输入，还需要风的数据用于模型的校准和边界条件。这些模型的两个主要驱动器是水密度差和地球运动(即科里奥利力)。密度差是由温度、压强(深度)和盐度数据导出的，这些数据是用可丢弃的或可回收的探针在水平向穿过测量区域并在垂直向穿过水柱收集的。这些数据给出密度界面图，它与地球转动、风以及其他力一起使不同密度的水体彼此相对运动。垂直密度梯度最大的地方是在上层，这是由于太阳的加热作用，还有靠近陆地的地方，在那里源自陆地的水进入海中，而且在那里垂直陆地块使不同密度的水体改变其所在深度(如海岸边的上涌)。

动力学海洋模型是众所周知的，但往往是宏观尺度的(即其区域比一个地震测量区域大许多倍)。近年来计算能力的提高已导致开发出适于以地震测量区域的尺度有意义地预测区域中水体运动的模型。Pickard和Pond在动力海洋学引论中描述了典型的数值模型。使用模型预测获取地震测量数据的一个展布将会遇到的水流的方法可以在现场应用，以预先考虑水流。现场对水流和风的测量也将用于校准海洋模型预测值。更高频度的和水平方向扩展的密度测量造成对水体边界的更高分辨率和改善的模拟与校准。

上述水流确定方法的任何子集，不管是具有任何程度的校准后的模拟，或者是未经校准的模拟，以及直接的测量，这些对地震数据采集都是有价值的，因为它能通过增加生产时间从而减少数据采集时间。数据越老则使用价值越低。当前得到的信息(近实时和/或实时)将用于估计沿数据采集线路将会遇到的力。

上述对水密度数据的收集在现在和将来都将用于估计整个展布内作为航行节点的震源和接收器点之间声波波前的传播。

由卫星图象以及现场由升降计和高频度GPS垂直速度估计能得到浪高测量值。水体位置的改变对地震记录有影响，这一事实造成对SSD提出保持深度的要求。为控制深度而发生的翼角改变对于转向装置的横向转向能力有影响。当前，Q-FIN^TM SSD控制器将水平和垂直定位组合在一起。浪高知识有助于确定在操作拖缆时可得到的横向转向能力。浪高给出水质点穿过水体三维运动的度量。这在效果上是一个小尺度水流。浪高幅度将决定在拖缆深度的水流是否是一个显著的力。

输入数据收集

优选地，在输入数据中收集的地震测量前数据包括环境传感器数据。作为实时测量数据收集的那部分输入数据110可包括电缆张力、水流速率、倾斜、取向、加速度、速度、位置、展布控制元件设置、环境数据、地震信号和噪声数据以及操作员输入等数据中的一种或多种数据类型。所收集的位置数据可包括来自GPS接收器、回声探测仪、深度传感器、声波测距系统、磁罗盘、陀螺罗盘、无线电定位系统、加速度计以及惯性系统等一组传感器中的一种或多种传感器的数据。展布控制元件设置数据可包括推进器设置、螺旋桨螺距、螺旋桨转速、舵角、拖缆电缆张力、绞车位置、偏转器取向、偏转器角、偏转器水速、拖缆转向装置取向以及拖缆转向装置翼角等一组数据中的一种或多种输入数据。

在地震测量期间收集的原始地震传感器数据也可被表征为输入数据。于是，在一个实施例中，本发明的方法进一步包括使用原始地震传感器数据产生在拖缆表面估计局部水流的质量指示的步骤。原始地震传感器数据对于证实力模型和预期水流是有用的。测量的环境噪声与预测的或预期的环境噪声进行比较，而预测的或预期的环境噪声曾用于给出拖缆表面的预期水流。预期的和记录的噪声之间的大的差异指出记录系统有误或者水流与预期的不同。环境噪声沿拖缆长度方向的变化给出水流的空间梯度。质量指示可以包括面元数据集、绝对噪声数据、信号噪声比以及地震信号频率成分。质量指示可用于确认实时测量数据的有效性。

地震测量设计

收集到输入数据中的地震测量设计数据包括区域、深度、地震剖面作业取向、测线坐标、震源和接收器位置、所需覆盖范围、限制、优化因子以及历史数据等数据中的一种或多种数据类型。本领域技术人员将会理解，地震测量数据进一步包括展布性能指标114，如下文描述的那样。地震测量数据还可以由展布目标和限制来表征，还可以基本上由测量前信息来确定。

地震测量设计是一种适应性设计，因为地球物理目标是限制条件，所有地震测量者都必须在这些限制条件内工作。一般性地震测量将包括一个地震测量目标的所有方面。某些地球物理目标将影响地震数据采集。这些目标包括：

1、拖缆的数量和长度；

2、拖缆间距；

3、震源阵列尺度；

4、爆炸点间距；以及

5、测线方向

一旦已确定地震测量设计的地球物理目标，识别给地震数据采集造成困难的因素并试图缓解这些因素就变得重要了。例如，如果该测量的一个目标是有时间间隔的测量(4D)，则使数据采集困难的一个因素是先前的或基准的测量轨迹并非直线。通过读先前测量产生的“P190”数据可得到关于该轨迹的知识。然后，将这些轨迹与考虑选定的采集硬件可能得到的轨迹进行比较。然而，如果主要目的是传统的覆盖，则预先设计的测线将决定该测量的迹线。然而，对于任何地球物理目标，当地的障碍和海洋测深结果将是对所计划的迹线的限制。

上文对使用测量设计数、展布控制元件指标、环境数据以及操作状态的描述特别适用于(但不限于)在本次地震测量期间进行的测量。这些数据被输入到一个通用的转换功能121中，它给出一组希望的输出，如图2中所示，在下文中将进一步描述。

将选择测量设计所选定的展布控制元件，以满足预期的地震数据采集要求。此外，船的迹线将受到地震测量目标的限制。再有，在测量期间将监测测量区域中的阻碍以及海洋测量数据，以了解与展布的接近程度。

性能指标

被收集到测量设计数据120中的性能指标114通常是流体动力学的，可包括船的概况和特征、船运作极限、被拖曳电缆的阻力及其他物理特性、可转向震源装置特性、偏转器特性、漂浮装置的阻力及其他物理特性以及绞车操作特性。这类单个装置性能指标通常可从制造商和/或从历史数据中得到。除了其他应用外，这些输入与地球物理测量目标限制一起模拟地震测量，这对测量设计是有用的，能给出暂定的组合拖曳系统性能指标。这样，例如可以在进行地震测量之前确定各种展布需求和指标，如拖缆转向装置沿拖缆分布的空间频度、要布设的可转向前端偏转器的数量，要布设的震源转向偏转器的数量以及预期循环时间(与水流梯度有关)所需计算能力。再有，这类模拟能用于设计展布部件以改善控制性能。在模拟中能改变的参数实例是电缆直径、电缆密度、更适于流体动力学要求的电缆本体形状以及转向装置。

位置估计

在收集了输入数据之后，能使用航行数据112、操作状态116以及环境数据118来估计震源和接收器的位置。更具体地说，是根据转换功能121中的展布模型123来估计位置。展布模型使用输入数据计算第一组估计位置，这里的输入数据至少包括操作状态116和环境数据118。如图9中描述的那样，环境数据用于给出自然羽角。SSD 38要求的一定量的转向羽角被加到该自然羽角上。对位置估计有贡献的操作状态的一个实例是为实现所希望的羽角所需要的转向输入/校正。转向羽角是由沿拖缆18的SSD在横向测线方向施力得到的。控制施力大小的方程是基于翼片抬升方程：

L = C_{1} * A * ρ * \frac{V^{2}}{2}

(式1)

其中：

C₁＝抬升系数；

A＝翼片表面面积；

V＝水相对于翼片迎角的速度；以及

ρ＝水密度。

迎角是可调节的，因而是另一个操作状态。改变迎角造成一个加速度或由集成或耦合于拖缆的SSD施加的力的变化。

收集的航行数据112包括第二组估计位置。沿拖缆的地震水中检波器21的一个子集被指定为声波定位接收器。这些接收器接收来自线内发射器的独特声波信号，通常沿拖缆每400m放置一个这样的发射器。如美国专利5,668,775中所述，发射器和接收器的组合给出声波参考点(即航行节点)，通常沿任何拖缆小于100m间隔有一个这样的参考点。拖缆端点由GPS参考点控制，这些GPS参考点将声波航行节点与以地球为中心的地球固定坐标系统联系在一起。GPS参考点与声波节点之间的连接是通过对已知距离、声波测量的距离及由罗盘测量的方向的组合来实现的。这些测量的全体用于在船上以对每个爆炸点计算出的最小二乘调节量给出每个航行节点的坐标(第二组位置估计值)。

在转换功能内第一组和第二组估计位置组合起来(见节点122)，产生(组合的)震源和接收器估计位置及预测残差(见框122a)。预测残差代表第一和第二组估计位置之差，用于估计一组表征展布模型123的参数。展布模型参数用于校准展布模型。预测残差可进一步用于估计收集环境数据所使用的传感器的误差状态。

最佳迹线的确定

最佳迹线是在转换功能121内根据加权函数125在框124中确定的。加权函数接受地震测量设计数据120以及震源和接收器的最近估计的位置作为输入(见框122a)。来自地震测量设计数据的输入可包括展布控制元件的性能指标，如转向限制。其他地震测量设计数据包括地球物理的和操作的要求。地球物理要求可包括例如达到所希望的地下区域覆盖或重复先前测量的地震信号射线路径，以及控制地震传感器噪声。操作要求可包括例如为展布穿过危险区域确定一条或多条安全通道，确定完成一条或多条测量线路的最佳时间，以及减少非生产时间。加权函数125用于将相对加权系数应用于输入，供转换功能为该展布计算其最佳迹线。“最佳迹线”的确定包括确定最佳展布体形状以及沿一条迹线相应的形状变化。

为了实现一次地震测量的目标，必须占有某组坐标(即“迹线”)。所希望的或“最佳的”测量迹线的第一估计值是在上述测量设计阶段给出的。在现场，根据当前的力和航行更新频度，将以某一频度重新计算这一迹线。即使以高的频度进行最佳迹线的重新计算，在发出驱动命令以最佳地实现这个最佳迹线时将要考虑系统的响应时间。在小水流的区域中，测量设计迹线或测量前确定的迹线是可以实现的，对于展布控制系统没有或只有很小影响。在其他区域，则可能要求进行对最佳成本迹线的高频度重新计算。只有当航行更新结果揭示由展布模型驱动的预测成功的时候，才能实现重新计算。只在航行更新结果显示预测的轨迹已偏离迹线超过可能的误差边界(也称作不变走廊)，才需要重新计算。

实际上，由自然与转向系统极限的组合给予的物理限制多半将防止在一定程度上追随想要的测量前设计的迹线。确定路径时考虑目的物坐标和在给定的展布控制潜在能力下达到该坐标的能力。

在计算最佳迹线的一个实施例124中，利用了美国专利6,629,037号描述的最佳成本地图方法，该专利授予本发明的受让人。相继的候选单元(迹线段)被一个函数加权，该函数包含了多个因子的组合，这些因子通常被表征为转向限制。这些因子包括：

1、全部展布部件的测量前迹线；

2、对展布部件重要性的区分，类似于Nyland中的偏移加权；

3、可得到的转向潜在能力；

4、系统的响应时间；

5、系统的稳定性；以及

6、系统的物理极限。

在将最佳迹线传送给展布模型以转换成要实现最佳迹线的驱动命令之前，要检验该迹线与展布元件及外部障碍发生碰撞的可能性。最佳迹线的安全判据包括确认(见框127)任何展布元件的轨迹没有碰撞的危险。“否”结果将造成通过GUI向用户反馈信息：或者是转向限制参数没有设置正确或者最佳化算法有缺陷。于是用户可选择对转向系统进行人工控制或修改转向限制条件。修改转向限制条件的一个实例是：如果超过了拖缆间隔极限，则用户可以选择允许拖缆移动到彼此更加靠近。另一个实例是，如果一个展布元件(例如尾浮标)将要移动到过于靠近一个障碍物，如浮式采油、储油和卸油系统(FPSO)，则用户可以选择使FPSO改变位置并将其送入测量设计数据流，从而可以安全地实现最佳迹线。

对该安全检查给出的“是”结果将导致把所确定的最佳迹线提交给展布模型123，用于计算展布控制元件的新的操作状态(即驱动命令)。

驱动命令优化计算造成一组驱动命令——主要是定向命令——这将带来展布部件位置的改变，作为转换功能121的一部分。驱动命令优化将受到预定的环境条件以及可用于启动定向装置的约束。驱动命令优化的定义将由最佳迹线确定。

驱动命令的计算

驱动命令(这里也称作新操作状态，是通过确定最佳迹线产生的结果)是在展布模型123中使用确定的已证实(在127)的最佳迹线(由框124)对至少两个展布控制元件计算出来的。展布响应时间是由展布模型估计出来的，并在计算驱动命令时被考虑。还要调节驱动命令以保持展布的稳定性，并在发送给展布控制文件之前确认其有效性(在128)。

利用本发明的方法计算出的每个驱动命令可用于控制该展布的一个或多个部件的位置、速度以及前进方向三者中的至少一个。典型地，驱动命令将包括控制船的螺旋桨、船的推进器、展布部件的转向装置以及船电缆绞车这些当中的至少一个。特别是船电缆绞车可以受到动态控制。

驱动命令优化计算造成一组驱动命令——主要是定向命令——这将带来展布部件位置的改变，作为转换功能121的一部分。驱动命令优化将受到预定的环境条件以及可用于启动转向的转向装置的约束。驱动命令优化的定义将由驱动命令的目标确定。

优化判据包括确认(见框127)任何一组机械性诱发的驱动命令或为实现所确定的最佳迹线所需要的力的变化是在该地震测量的安全要求范围内。通常，这些安全要求是设备安全限制和人员安全限制之一。安全检验的“是”结果将导致把所确定的最佳迹线提交给展步模型123，用于计算展步控制元件的新的操作状态(即驱动命令)。这样，例如一旦检测到某些展布控制部件已失效(如船的螺旋桨或舵、偏转器、震源或拖缆转向装置)，则系统将呈现一种“最大安全性”方式，这将为了保护设备和人员而限制驱动命令。

潜力的确定

展布控制的潜力由展布模型123测量，在本优选实施例中，展布模型是一个流体动力学模型，它确定从总的潜在力中减掉本次爆炸周期已经消耗的力之后可以使用的力的大小。尽管转向潜力是从可用力中导出的，但能以羽角的单位来表示(如度或任何其他角度测量单位)。取决于测量设计(包括数据采集的目标)，将进行分析以确定是否需要改变驱动命令，如果需要，还要确定何种命令是适当的。按照定义，力有一个加速度部分。系统性能，包括可用的转向潜力，是由理论的力驱动模型和应该给出必须的加速度的展布控制元件驱动命令共同预测的。

延时、系统响应和位置的历史关系和误差状态

如前文所述，由展布模型123预测的位置历史(第一组估计位置)与从航行结果导出的位置历史估计(第二组估计位置)进行比较，形成预测的残差。然后，预测残差与在力模型输入中定义的误差状态、力模型参数以及展布控制元件性能指标关联。在一个无误差的模型中，预测响应将按时发生，换句话说，系统延时将在预测的响应中考虑。在该模型从航行结果中得知系统响应之前，通过校准，模型预测将有某种程度的误差，其误差大小依赖于模型和输入的质量。

在可以得到比较的历史之前，基于航行结果的历史(第二组估计位置)的权重将无限地高于基于力模型的位置历史。在实际上，这意味着组合的航行和预测模型位置估计等于航行估计，几乎全部预测残差都被归因于展布模型。在该模型被校准之后，位置历史的力模型期望值应该与基于航行的测量历史一致，在测量的或航行结果的位置估计值的误差期望值范围内。

驱动命令的计算

驱动命令(这里也称作新操作状态，是通过确定最佳迹线产生的结果)是在展布模型123中使用确定的已证实(在127)的最佳迹线(由框124)对至少两个展布控制元件计算出来的。展布响应时间是由展布模型估计出来的，并在计算驱动命令时被考虑。驱动命令还受到调节以保持展布的稳定性，并在发送给展布控制元件之前被确认其有效性(在128)。

驱动命令通常是根据地球物理的和操作的要确定的。地球物理要求可包括例如达到所希望的地下区域覆盖或重复先前测量的地震信号射线路径，以及控制地震传感器噪声。操作要求可包括例如为展布穿过危险区域确定一条或多条安全通道，确定完成一条或多条测量线路的最佳时间，以及减少非生产时间。因此，还可以计算出另一些驱动命令，用于使两个或更多个可定义位置之间的安全通道生效。

本发明除实时测量外的其他应用

本发明的再一个作用是向操作员提供“智能完工”或场景计划。操作员转换功能121表示对两点或更多点之间一条路径的基本想法，该模块则对整个展布评估出落入展布转向能力范围内的不同安全通道，并把它们展示给操作员供选择。这能用于当需要在特定时间到达特定地点的时候。另一个应用是当由于操作上的原因需要一条安全的近路到达一个永久性或半永久性结构或特征物的时候。

智能完工使用同样的外推方方法进入未来，但加到结论上的限制不同于在测量环境中的限制。在这种情况中强调的是安全和航行时间，而不是保证展布中的每个单个元件都严格遵循预先定义的路径。可能有禁区规定单个元件不应进入的区域。外推时间通常较长，而在系统内能被接受的不确定性较大。在这种情况下操作员选择接受哪个场景。

本发明的另一个应用是用于开发模拟系统。在具有正在开发的转向装置的转换功能121中运行实际的输入数据。预期的性能改进被用于计量开发的转向装置的改进结果。

基于转向系统的目标，可计算出船的迹线、拖缆前端的迹线、震源的迹线以及拖缆的羽角，以给出由展布控制元件驱动的展布的最佳定位。下文中将使用一个力模型作为展布模型123的示例，更详细地描述这一计算过程。

应用概述

下表展示根据广义测量周期的优化判据的典型实例。

事件	前提条件	目标	输出	限制
事件	前提条件	目标	输出	限制	预测量	无	评估以最少的船通过次数并以所需面元覆盖进行的测量	测量剖面作业计划	避免损坏自己的或他人的设备
预测量	无	确定在给定区域进行成功测量的可行性	最坏情况误差椭圆；重要危险因素；所需展布控制元件或所需系统；最大可能前进方向变化	保持系统稳定性	预测量	无	评估以最少的船通过次数并以所需面元覆盖进行的测量	测量剖面作业计划	避免损坏自己的或他人的设备
预测量	无	确定在给定区域进行成功测量的可行性	最坏情况误差椭圆；重要危险因素；所需展布控制元件或所需系统；最大可能前进方向变化	保持系统稳定性	测量	测量的当前状态	以最少的船通过次数并以所需面元覆盖完成测量	测量剖面作业计划	避免损坏自己的或他人的设备
测量	所有传动装置在水中；准备好剖面作业	从当前位置移动到下一次穿行的起点	船和设备的转向计划	避免损坏自己的或他人的设备	测量	测量的当前状态	以最少的船通过次数并以所需面元覆盖完成测量	测量剖面作业计划	避免损坏自己的或他人的设备
测量	所有传动装置在水中；准备好剖面作业	从当前位置移动到下一次穿行的起点	船和设备的转向计划	避免损坏自己的或他人的设备	测量	所有传动装置在水中；准备好剖面	从当前位置移动到所希望的位置	船和设备的转向计划	避免损坏自己的或他人的设备

	作业
	作业				测量	所有传动装置在水中；准备好剖面作业	根据原始剖面作业计划控制船和其他展布控制部件	发送给展布控制部件的驱动命令。	遵守预先定义的安全边界
布设/收回	全部/部分传动装置在船上	布设一条拖缆	船和设备的转向计划	使风险最小化	测量	所有传动装置在水中；准备好剖面作业	根据原始剖面作业计划控制船和其他展布控制部件	发送给展布控制部件的驱动命令。	遵守预先定义的安全边界
布设/收回	全部/部分传动装置在船上	布设一条拖缆	船和设备的转向计划	使风险最小化	布设/收回	全部/部分传动装置在水中	收回一条拖缆	船和设备的转向计划	使风险最小化
布设/收回	全部传动装置在水中	拖缆维护	给工作船的转向指令；拖缆指令帮助进行维护的拖缆命令	使风险最小化	布设/收回	全部/部分传动装置在水中	收回一条拖缆	船和设备的转向计划	使风险最小化
布设/收回	全部传动装置在水中	拖缆维护	给工作船的转向指令；拖缆指令帮助进行维护的拖缆命令	使风险最小化	改变指标、条件和环境	测量的当前状态；变化	以最少的船通过次数并以所需面元覆盖完成测量	测量剖面作业计划	避免损坏自己的或他人的设备
失效	船的推进系统失效	修复推进系统	所有控制系统设置到最安全位置	使设备和人员的安全性最大化	改变指标、条件和环境	测量的当前状态；变化	以最少的船通过次数并以所需面元覆盖完成测量	测量剖面作业计划	避免损坏自己的或他人的设备
失效	船的推进系统失效	修复推进系统	所有控制系统设置到最安全位置	使设备和人员的安全性最大化	失效	偏转器失效	修理/更换失效的偏转器	所有控制系统设置到最安全位置	使设备和人员的安全性最大化
失效	船转向失效	修复转向装置	所有控制系统设置到最安全位置	使设备和人员的安全性最大化	失效	偏转器失效	修理/更换失效的偏转器	所有控制系统设置到最安全位置	使设备和人员的安全性最大化
失效	船转向失效	修复转向装置	所有控制系统设置到最安全位置	使设备和人员的安全性最大化	失效	震源转向装	修理/更换或对失	所有控制系	使设备和人

	置失效	效装置实施失效保护	统设置到最安全位置	员的安全性最大化
	置失效	效装置实施失效保护	统设置到最安全位置	员的安全性最大化	失效	拖缆转向装置失效	修理/更换或对失效装置实施失效保护	所有控制系统设置到最安全位置	使设备和人员的安全性最大化

表1：优化判据

于是，可以计算出另一些驱动命令使各个展布轨迹生效。

转换功能

如前文所述，转换功能121执行本发明方法的位置估计、最佳迹线确定以及驱动命令计算步骤122、124、126。展布模型123根据前文也提到过的输入预先产生第一组预测的位置估计值和/或展布体形状，直至下一次航行更新。这组预测值与航行系统位置估计值(第二组)组合，得到组合的震源和接收器位置和/或形状估计。预测的残差(第一组和第二组之差)用于估计展布模型的某些关键参数以及与水流或风等环境测量关联的任何误差状态。组合的位置估计被发送给最佳迹线估计算法124和加权函数125。

所得到的展布模型参数被反馈给展布模型算法123。再有，环境测量误差状态估计值被作为校准值反馈给环境测量装置(见框118)。

优选地，最佳迹线是根据转换功能内的加权函数125在124处确定的。在一个具体实施例中，加权函数接收测量设计数据120(包括性能指标)以及组合的位置估计值作为输入。加权函数对组合位置估计及测量设计数据120(特别是包括转向限制)的每个值赋予相对重要性或权重，以导出该展布的最佳迹线或形状。在这个意义上的“最佳”是在给定当前展布位置估计的情况下尽可能接近地满足转向限制和地震测量目标。

除了前述力模型之外，展布模型可由展布部件的纯统计模型来驱动，该模型可以是一个如在国际专利申请WO 00/20895中描述的闭环控制系统(基于一个力学模型的PID控制器)，一个神经网络系统，或者它可以利用L-范数拟合判据之一去估计展布的行为。实质上，适于最佳协调一套展布控制元件的任何估计理论方法都可应用于实现全部或部分展布的所希望的迹线。对于神经网络的情况，展布模型遵循美国专利6,418,378(使用展布坐标的“快照”训练模型)的教导。

如果转换功能确定(框124)需要或希望一个显著不同的展布形状或迹线，则由一个内部安全检验(见框127)来检验或确认这一展布改变。

如果安全检验确定这个新的迹线或形状是安全的(“是”)，则将构成新估计的最佳迹线的展布控制元件坐标集或形状描述馈送给展布模型123以得到适当的驱动命令校正。作为优化的下一步骤的举例，确定应命令哪一个或哪一些可控制的装置。初始搜索是使用下述原则进行的：被命令的装置是能影响全部超过极限或不希望的条件的链条中处于最低位置的那一个装置。这样，如果拖缆阵列19和震源阵列16在同一方向离开位置，则改变船11的位置，即改变“父”拖曳装置的位置最可能是最佳策略。如果拖缆和震源阵列沿相反方向离开位置，则对每个子系统改变各自的控制可能是最佳的。使用先前建立的关系计算一种最佳改变，例如，舵的方向改变1度可能平均在5秒种内使船横向运动0.1米。

然后，为确认其有效性，这一改变被向前进行时间外推，以检验在至少是对应于下一个更新周期的时间段上这一改变对整个展布的影响。如果这种影响是不希望的，则建立这些控制变化的另一种组合并重复其外推过程。不管对展布控制元件可用的转向有哪些限制，总是有一组可定义的优化的转向命令。可能没有任何改变能在向前的外推时间段上实现最佳的或希望的那些结果的初始定义。在这种情况下，要对“最佳”的定义进行修改，从而搜索在最长时间段上能实现所希望结果的改变。

如果内部安全检验127确定计算出的最佳迹线是不安全的，这一“否”响应通过图形用户界面(GUI)在线回馈给操作员。于是操作员被告知超出安全检查极限的迹线分量并被提示修改测量设计以消除违规。这可能需要对沿着基准测量的某些目标点重新加权。操作员可选择拿到对系统的控制权并对错误转向的时段进行人工转向以保证不发生事故。

一般地，当需要校正时，总是有两类可以进行的校正：一类是通过在问题区域或在问题区域前方(上游)改变控制从而去掉源误差；另一类是通过在问题区域之后(下游)改变控制来去掉误差或问题的传播。

当由展布模型123选择驱动命令来实现安全验证之后的最佳迹线时，在128对驱动命令本身进行有效性验证。这对于驱动命令选择算法是一个失效保险机制。如果驱动命令通过验证(“是”)，它们将被发送给展布控制元件去实施(见130)。

如果驱动命令未通过验证步骤(“否”)，则操作员再次被告知算法失败并可选择采取人工控制或修改构成转向限制的参数之一。

转换功能循环可以在可得到航行数据和计算能力允许的情况下尽可能频繁地进行。另一种作法是这一循环可不那么频繁地进行，而是由展布模型恒定地重新发出驱动命令，这些命令将使展布坚持最新近确定的最佳形状或迹线。

随着时间的推移，通过校准发展出一个最佳展布模型，这实质上是一个学习过程，是将测量的位置历史与预期的模型输出进行比较。这一模型将根据展布内的设备以及占主导地位的海洋和天气条件而改变。展布模型123得到展布部件的一组坐标以确定该模型中的起始点。然后根据水流和潮汐的主导海洋条件和展布控制元件的影响以及这里提到的其他因素，构建动态模型视图并校准或训练该展布模型。通过建立系统参数和预测残差之间的关系来实现系统校准。预测的展布部件坐标改变的原因将总是由于展布控制元件操作状态改变、海流和近表面风等因素中的至少一个因素。用水流计和风力计进行直接测量能知道自然力，并可由航行方案测量的展布元件变化或由海洋和/或天气预测模型(如通过Horizon Mrine可得到的模型)中的模型预测推断出来。

长时计划

在由高度确定性的和可预测的现象(如潮汐流)产生最显著影响的区域，这些输入可用于在实际测量时间之前长达几个月的时间产生一组最佳转向命令。然后可使用校准的展布模型参数对展布模型123进行前向外推。

对计划的最佳迹线进行实时调节

在执行地震测量期间，根据潮汐或其他水流，能基于沿测量路线实现的实际位置对最佳迹线进行调整。当所实现的实际轨迹在计划的迹线限定范围之内时，则不发生改变。不变走廊限度是从伴随组合震源与接收器位置估计值的误差估计值以及认为给出最佳结果的转向限制二者导出的。能对转换功能的每次循环进行这一检验。

如果轨迹落到不变走廊外部，则需要进行校正，于是过程转移到下一阶段。这下一阶段是重新占有这个不变走廊或某个其他走廊，或许是更窄的走廊，但其中心位于该不变走廊之内。保持在不变走廊内的方法的一个实例是通过对展布控制元件进行PID控制。如果实现了不变场景，则对该场景向极限变化的方式进行分析，以发现是否希望一个校正。理想的结果是保持在两个可接受的容错极限之间的中间状态的场景。

转换功能概述

简单地说，转换功能121的主要作用是取得所有可用的输入数据110并将它们转换成用于展布控制元件的驱动命令，以实现选定的测量目标。尽管可能有多个可能的解决方案去近乎即使地适应要求，但转换功能将在该方案用于未来时对其进行计算，以保证现在做出的转向命令不会在未来的时间造成不希望的效应。例如，这个时间可能是整个展布穿过一个给定位置的持续时间。在每个循环期间，输入被送入转换功能121，它重新评估当前的操作状态和对新的一组最佳操作状态的任何需求，包括但不限于转向命令，并在必要时计算其调节量。

校准

如前所述，优选地，使用基于航行数据112得到的展布模型参数估计值，根据预测的残差和/或测量得到的行为对展布模型123进行校准。这样，校准利用了可得到的测量的输出，如使用其他方法(如声波网络或GPS)得到或估计的位置，在任何单个的或一系列未经校准的转换功能循环之前和之后训练展布模型。

优选地，该校准步骤包括：通过估计与位置估计值一致的展布模型参数，使预测残差之间的差值达到极小。以这种方式便可能反馈位置质量信息。从而可以改善对位置预测过程有贡献的展布控制部件的准确度。可能被校准的展布控制模型参数包括：被拖曳体的阻力系数、抬升系数、水流计误差、风力计误差和操作状态偏差。校准这些参数将使迹线(预先指定的)和轨迹(实际的)坐标之差变小。

通过在数学上将流体动力学的或其他模型类型的参数与驱动该模型的观测值关联起来，能实现这种最小化。在海中的水流力和在海面上的风力是外界的或自然的力状态，而由展布控制元件产生的机械对抗力则用于对展布进行最佳定位。

通过测量得到的性能对展布行为进行校准的一个实例是所实现的转向后的羽角。当给定所要求的来自SSD 38的侧力范围时，则能测定转向后羽角的范围作为输出。这一输出对于当地水流状态和被拖曳的展布而言是唯一的。能预测各种使拖缆转向的羽角，并能如同它们在最近的过去那样实现它们。这样，SSD响应得到校准。类似地，能测量实现各种转向后羽角所需时间，并能将其用于预测为实现最佳拖缆目标形状所需要的羽角变化。

能从任何展布控制元件得到的所要求的侧力范围都是有限的，特别是在正常数据采集(几乎直线拖曳)的情况下更是如此。由于这个原因，只需要描述整个系统时空响应的整个函数的一个小的子集，用于预测在正常操作下所要求的这个小的增量变化。

另一种做法是，数学模型拟合可以利用展布部件的纯统计模型。数学模型拟合步骤的其他实例可包括L-范数拟合判据、PID控制器、卡尔曼滤波器或神经网络之一或这些的任意组合。

系统

另一方面，本发明提供一个系统，用于控制地震测量展布10。优选地，该系统位于船11上，但本领域技术人员将会理解，一个或多个部件可以位于其他地方，如另一艘船或在陆地上，作为从岸基办公室对一次地震测量的远程监视，根据可得到的数据传输速率，它可包括部分或全部转换功能计算。该系统包括用于接收输入数据110的数据库以及一组计算机可读介质。其中含有集体实现这里描述的转换功能121的计算机可执行的指令。这样，第一计算机可读介质有计算机可执行指令用于利用航行数据112、操作状态116以及环境数据118估计震源16和接收器21的位置。第二计算机可读介质有计算机可执行指令用于利用部分输入数据120(至少包括测量设计数据120)来确定震源16和接收器21的最佳迹线。第三计算机可读介质有计算机可执行指令用于利用一条确定的最佳迹线计算用于至少两个展布控制元件的驱动命令。这些计算机可读介质可以以本领域公知的方式组合或合并，例如把各个计算机可执行指令放到单一CD盘上。优选地，如前文所述，驱动命令考虑展布10的响应时间延迟。

确认

本发明的展布控制系统的一个重要组成部分是独立地确认(步骤127，128)在步骤124计算的最佳迹线和在步骤126计算的驱动命令。由于多个理由，确认是重要的，这些理由包括：

1、保证船11和在附近的其他船只的安全；

2、保证对展布控制元件的操作是在制造商的容错范围内；以及

3、保证防止单个故障传播成昂贵的设备丢失或损坏；

确认过程发生在操作的不同水平和方式。确认过程的各个水平包括：

1、展布10内所有展布元件最佳迹线的内部一致性；

a.预测的位置改变是在展布相对靠近的极限范围内吗？

b.预测的速度改变是在展布相对速度的极限范围内吗？

c.预测的位置改变是在障碍物靠近程度的极限范围内吗？

d.预测的速度改变是在相对障碍物速度的极限范围内吗？

e.预测的结果张力是在允许的张力极限范围内吗？

2、驱动命令参数要在适于特定操作方式的极限范围内；

a.预测的结果张力是在允许的张力极限范围内吗？

b.所有偏转器迎角是在停止极限范围内吗？

c.所有翼片迎角是在停止极限范围内吗？

d.所有船控制装置是在限制前进方向改变的极限范围内吗？

3、对于发送给具有高度耦合关系的装置的驱动命令要检验其是否彼此对抗(例如当相邻的拖缆已经太靠近时还使它们彼此相向前进)。

要考虑的操作方式包括：

1、直线生产——特征是驱动命令参数变化率低；

2、非直线生产——特征是中等变化率；

3、在非生产期间转向——特征是更高变化率；

4、布设——特征是高度变化率而且不遵守某些限制；以及

5、紧急情况——特征是对驱动命令参数的最小控制。

确认过程进一步包括检验系统极限，例如：

1、未超过展布控制元件的控制极限——例如，舵的停止端点；

2、未超过环境传感器极限——例如拖曳张力、浅水区域中潜入拖缆；

3、对展布控制元件设置变化的响应速度——例如，如果逆风，则转向改变可能对船没什么影响，但若是顺风，则会有大的影响；以及

4、展布部件的位置没有在一个可接受区域之外(或没有在不可接受的区域之内)。

在正常操作中，确认过程将允许被检验的控制设置在肯定的确认之后传送到各自的展布控制元件控制器。如果请求被拒绝，则向操作员发送一个警告消息，该请求被阻止。然后操作员会采取必要的补偿行动以控制和校正当前的情况。

最小耦合模型举例

现在将参考图3-13描述本发明的一个具体实施例，它在转换功能内利用一个流体动力学模型。将尽可能地独立控制展布控制元件，或者能由操作员进行人工协调。在船参考系内，尽可能地独立处置展布控制元件。在本发明的另一实施例中，全部展布控制元件由高度集成的具有复杂耦合模型的控制系统进行控制。

船转向

船转向在展布控制中的作用是确定被拖曳的展布体的拖曳点，从而使它们能在每次地震爆炸时处于最佳位置。测量船的反应特性(即它的性能指标)必须是计划船转向算法的一部分。当计算到达未来点的距离以计划船的路径时，必须考虑船11沿这条未来路径将会遇到的力的知识。

为控制震源和接收器位置所需要的转向量能受到基准测量的影响。如果所进行的基准测量使覆盖最佳化，则具有横向分量的水流力可能已经使展布沿剖面作业线摆动。特别是在传统的测量配置中，船的转向是减少加密的最有用方法。然而，如果所进行的基准测量是要使未来测量中成功地重复同样地震能量射线路径的可能性达到最大，则船可能转向为沿着预先计划线路的直线。

取决于地震测量的目的，一个或多个展布部件应占据沿测线的目标空间。允许这样做的船路径能用美国专利6,629,037中描述的最佳成本地图方法计算出来。下文中将进一步发展这一方法。

使展布控制元件彼此解耦

如前所述，在船参考系内能由被拖曳的展布控制元件施加横向力。这样，船必须被看作是与被拖曳的展布耦合，但展布控制元件可被看作是它们如同在船参考系中是独立的。根据系统的目标，可针对一个或多个被拖曳展布部件对船加权。在展布控制模型内对展布控制元件解耦在当前相信是为确定这些元件如何与船的轨迹相互作用和对船的轨迹造成影响的最好解决方案。

如果展布控制元件能适当地控制展布10，使在没有来自船11的横向贡献的情况下满足定位目标，则展布控制元件在很大程度上已经实际地或概念上与船解耦。

震源阵列

震源阵列16在线内的运动由船11确定。震源阵列沿横向能够移动的距离由拖曳配置来约束(如绳索或导入电缆20)。如果震源阵列能在这个横向限制走廊内被转向，而且目标在这一走廊之内，则能实现最佳震源位置。在这一走廊内进行定位的若干机制是可能的。这些机制包括：

1.额外的平行枪串，它们能根据与所希望的横向测线位置的接近程度动态地给出震源阵列；

2.绞车系统，它们控制相对于外拖缆拖曳绳的拖曳结构；以及

3.在震源阵列上的带有可控迎角的偏转器。

利用这些机制，能使震源位置横向转向，以给出最好的可能位置，根据使用的机制不同，其位置与任何其他展布控制元件没有或只有很小关系。这里假定船11没有从预先设计的路线横向偏离超过震源转向装置17所能校准的量，而且地震源阵列16的横向力能由使用的转向装置17所考虑。

可转向拖缆前端偏转器(SFED)

为时间推移应用而开发的SFED 22能横向驱动拖缆18的前端。取决于电缆20中引导段的长度，横向运动将改变单个拖缆的纵向分量，造成与集体前端的一个偏离，通常称作拖缆前端偏离。这里存在纵向和横向之间的耦合，但只是轻微的耦合。

有若干理由说明为何要使拖缆18的前端转向。一是防止外侧拖缆前端转动(防止前端偏离)。前端偏离的最显著原因之一是船的转向。再有，SFED转向能用于沿横向移动拖缆前端。最后，SFED控制拖缆间隔。所有这些转向目标都贡献于拖缆前端的定位，它是下文描述的拖缆转向算法的参考点。

拖缆转向装置(SSD)

SSD全局控制器根据其目标有若干方式发布所要求的单个或集体拖缆形状。恒定羽角和恒定间隔是两个实例。

羽角方式

在羽角方式，SSD全局控制器使用拖缆前端作为参考点(srp)，在效果上是一个原点，由该点起始相对于某一参考方向(例如预先计划的测线方向)计算理想拖缆形状。这一形状的一种情况是具有恒定羽角的拖缆18，即整个拖缆基本上有相同的羽角，如图3中所示。这样，通过向一条虚拟拖缆转向，得到所希望的零度羽角，这里的虚拟拖缆是通过从拖缆的前端参考点沿平行于某一参考方向(如预先计算的测线方向)的方向延伸一条直线基线而得到的。

这里是SFED和SSD全局控制器之间的耦合或合作。如前所述，转向以使拖缆前端得到正确的参考点是SFED转向的另一目标。

恒定间隔方式

如图4中所示，通过将距离相邻拖缆上SSD的距离与所希望的间隔进行比较来实现这一方式。SSD的作用是使所有拖缆保持由用户输入的间距。在偏离轨迹期间，距离的横向分量被分解出来供比较。

转向极限

预先考虑力，特别是由于水流造成的横向力，将决定哪些命令(如转向)给出最好结果。然而，使展布控制元件转向可能不会克服展布遇到的所有横向力。当达到展布的转向极限时，转换功能121优化展布10的形状以满足测量目标。最佳拖缆形状可能是具有所希望的羽角(例如见图3)的直线，它可能有沿拖缆各段定义的局部羽角以达到对先前测量拖缆形状的最佳拟合(例如见图5)，或者拖缆可能均匀地分开(例如见图4)以允许在地震数据处理步骤中更好地解释波形曲线。

在转换功能内的水流模型

针对震源阵列羽角的同样简单水流模型(示于图9)也适用于拖缆18。只有在拖缆长度上水流在一定程度上是恒定的，那么这同样的模型以及伴随的预测未来自然羽角的能力就是有效的。校准后的展布模型实现转向羽角的能力可加到自然羽角上以得到所希望的拖缆形状。

在转换功能内的力模型

可以从下列参考文献的教导中导出所希望的流体动力学力模型：P.P.Krail和H.Brys的“在交叉水流中海洋拖缆的形状”，勘探地球物理工作者协会杂志，第54卷，第3期；Ann P Dowing的“被拖曳的可弯曲圆柱体的动力学”，第1部分：中性漂浮元件，第2部分：负漂浮元件，流体力学杂志，187，第507-532，533-571页(1988)；C.M.Ablow和S.Schechter的“水下电缆动力学的数值模拟”，海洋工程，10：443-457(1983)。在转换功能内预测拖缆的行为所用算法是基于这些教导，并在与耦合于拖缆的展布控制元件模型结合时显著改善了对拖缆行为的预测。由上述参考文献的力模型理论得到的能实现拖缆电缆形状的商品化软件(包括SSD)实例是Orcina公司的OrcaFlex^TM电缆建模软件。

迹线优化公式

这些公式是基于对单个展布体沿剖面作业路线所希望的和实际的位置和/或形状进行的优化，并假定如前文所述的解耦。突出的约束之一是各种转向装置的反应时间。能以任何频度度量反应时间，取决于航行结果速率(navigation solution rate)。反应时间通常是爆炸时间的量级，即通常为几十秒。这样，转向控制将事先计划若干次爆炸并且多半是依赖于船和展布。

再有，在校准计算中，将基于从航行数据输入112中得知的反应时间近期历史来估计展布控制元件的反应时间。然后，各展布控制元件反应时间的估计值将用于优化迹线估计124以利于计算实际的驱动命令(在126)。

船的轨迹

能计划船的路径以使被拖曳的展布控制元件的拖曳点保持在约束走廊内，该走廊允许进行展布中可得到的转向，以实现目标形状和迹线。这样，如果给定能由被拖曳展布控制元件实现的所希望的具体形状，便能估计拖曳点的最佳迹线，它将给出相对于被拖曳展布最佳迹线的适当的横向分量。被拖曳展布的最佳迹线是从操作的当前阶段目标导出的。它可能是一次时间推移测量，而目标可能是某一偏移组重新占据在基准测量中曾占有的相同迹线。它可能是近距离穿过生产平台，其目标是使最靠近的被拖曳对象(如拖缆端部)保持与平台50m的距离。利用所实现的这一迹线，被拖曳的展布在这样的意义上被解耦了：即它能在船参考系中适当地运动。

允许实现这一拖曳点迹线的算法是如美国专利6,629,037描述的最佳成本地图方法。这里特定的展布元件，例如拖缆偏移组或震源阵列中心，在船的最佳迹线查询中被赋予较高权重。耦合模型可以是例如船拖曳点和高权重展布元件之间的直线，并且如展布控制系统实现该形状的能力那样准确。船拖曳点迹线估计的目标是给出拖曳点和该关键展布元件之间的横向漂移。只要可用的计算能力允许，对该迹线的重新计算应尽可能频繁。可能不需要高度频繁地重新计算迹线，因为船的拖曳点在区域相对参考系中，在一次典型测量期间，被拖曳展布元件相对于船拖曳点的位置横向变化是缓慢的。

能在计划阶段利用展布体转向羽角的测量前估计值以及测量目标的展布目标集合来计算这一迹线估计。这个计划的迹线能够用于下述算法，以预先考虑一次具体测量可能需要的转向量。

一旦计算出迹线，以本船拖曳点位置为起点，可计算出实现这一迹线的计划。这里船的响应时间是限制因素。计算出的最佳成本迹线必须是以稳定方式实现的，它使过度转向的程度最小。

能以下述算法计算出占据最佳迹线的平滑船行迹线。区域相对坐标系用于这一发展。在这一参考系中，y是纵向轴，x是横向轴。

这样：

ΔVes_x＝X_spi-X_spi+n (式2)

ΔVes_y＝Y_spi-Y_spi+n (式3)

其中：

spi是i号爆炸点。

spi+n是i号爆炸点加上未来的n次爆炸。

ΔVes_x是当前船横向坐标与上次测量起经过n次爆炸后的横向坐标之差。

ΔVes_y是爆炸点距离。

如图6中所示，转向模型是一条直线：

(ΔVes_x)_转向的＝m(ΔVes_y)_转向的+β (式4)

其中：

m是估计的斜率或要转向造成的横向改变与纵向运动之比。

β是当前的横向坐标。

转向计划是基于上述最佳成本迹线估计值的最佳拟合线。以矩阵表达式写成的观测方程是：

Ax＝b+v (式5)

其中：

A = (\begin{matrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ 1 \end{matrix})

(式6)

x＝m，斜率估计值

b＝(ΔVes_x/ΔVes_y)_测量值

v是拟合参差

这一方程的最小二乘解可写作

X＝(A^tA)^-1A^tb (式7)

上面所示简单的A矩阵将在加权解中有更大重要性。所示举例向前预测4个爆炸点，如在矩阵A中指出的4个观测方程表示的那样。

为了限制一个或多个由差的转向造成的且不能指出趋势的爆炸点所引起的转向量，我们可引入动态加权。加权的最小二乘解写作：

X＝(A^tPA)^-1A^tPb (式8)

其中，在迭代(ii＝1)：

P = (\begin{matrix} Pii & 0 & 0 & 0 \\ 0 & Pii & 0 & 0 \\ 0 & 0 & Pii & 0 \\ 0 & 0 & 0 & Pii \end{matrix})

(式9)

由迭代(ii＝1)可计算出残差：

V_(ii＝1)＝Ax-b (式10)

每个单个残差与所有残差的标准偏差进行比较。最大残差，它也大于会造成过度改变前进方向的极限：

例如|v|_ii＞2σ_ii，能被减小权重，其权重作为残差的函数，然后再次以

P_(ii+1)＝f(|v|) 如果|v|_ii＞2σ_ii (式11)

和

P_(ii+1)＝P_ii 如果|v|_ii＜2σ_ii (式12)

进行拟合。

继续重新加权，直至对于被拖曳展布控制对象的目标而言其前进方向的变化可以接受为止。

另一种作法是，值n可以增大，直至长期趋势给出可接受的前进方向改变为止。取决于可能的船响应，使用一个最小数值。如果造成的前进方向改变大于极限，则可基于对n+1的最佳拟合重新计算线路，直至前进方向改变低于极限。

根据在爆炸时刻实际占有的位置，对每个爆炸循环重复计算船的迹线。在测量前的应用中，每次爆炸的位置被取为沿直线航行直至达到下一个爆炸位置之后本应已经达到的位置。在每次爆炸时，所遵循的新路线给出新的前进方向。

在计划阶段，在测量前研究最佳转向策略将允许更好地理解通过试错法能在多大程度上向前扩展路线拟合结果。此外，它将向领航员给出关于他们可能遇到的近似转向的认识。然后它能被在线重新计算，从而在现场给出所需要的转向，但带有在测量设计阶段中识别出的限制和困难时段。

由若干考虑确定最大前进方向改变，这些考虑包括：

1、船11横向移动展布元件拖曳点的能力；

2、在一次爆炸中被拖曳的展布沿横向移动的能力(一个展布控制元件将限制其余元件)；

3、当进行较长的向前预测时，基于有多少爆炸将会超出性能指标(即，将偏离最佳迹线)来进行加权；

4、测量区域的价值，在那里总测量区域中的一些区域可能不像其他区域那么重要，因为相信其他地区存在地下目标；以及

5、展布元件加权，最佳成本迹线的重新计算。

正常船剖面作业速度给出适当的与装置有关的水流，以操作无源转向装置，如SFED。由被拖曳的展布控制元件中的改变所造成的力必须不对船的前进方向造成显著影响。作为一例，考虑迅速改变从左舱到右舱显著不同的张力，它能造成船的偏航。这样应在拖曳点监视张力以保证它不会过大而且与船平衡。

图6显示根据4爆炸点的前向预测得到的最佳拟合直线，其中根据每个爆炸点之后的位置重新计算残差预测值。定义路线的未来爆炸个数决定转向的急剧程度，一个爆炸点是转向最急剧的。

图7显示相继的如图6所示的最佳拟合直线的组合。与先前的测量路线相比，所造成的分段向前看的路径是更平滑而且更合理的船行轨迹。本领域技术人员将会理解，上面描述的直线路径只是根据本发明可供利用的一种模型。

震源

可以作为前进方向改变的函数来测量震源阵列的行为。震源阵列大都遵循船的迹线，但能由于水流和在较小程度上由于风的影响而发生横向漂移。震源转向装置17只能以有限量补偿横向漂移。一旦超过转向极限，船的转向是把震源放到所希望位置的唯一手段。

震源的转向校准

利用相对于船11校准过的震源阵列行为模型，能沿测量路线相对于船来预测震源阵列的位置。预测的沿该路线的水流和风是能够加入预测模型的因子。

纵向和横向变化的测量值是由震源阵列浮子上的GPS接受器提供的。在震源阵列上的GPS接受器的定位给出枪串阵列坐标相对于前进方向变化的变化率。对于每个新的船前进方向，使震源阵列16稳定在船11后面所用的时间和采取的轨迹是系统反应的度量。

水流对震源阵列的影响与水流校准

除了船前进方向改变的影响之外，还能测量由于任何其他相关力(如风)对震源行为的影响。由水流引起的震源横向漂移能用震源羽角表示并由图8A和8B中的简单比较来描述。船的运动和在与区域有关的参考系中水流矢量二者造成的结果给出震源羽角。这样，如果给定R值(船上拖曳点到枪串上任意点的距离)和羽角，便能预测震源阵列坐标。因为羽角和水流的关系是已知的，在没有显著的横向风的情况下，测量出的羽角给出水流方向并能用于校准任何水流信息来源。

图8B示意性表示水流和船速度矢量分辨率。具有横向分量的空气流动(风)对枪阵列表面浮子的作用将使震源阵列横向漂移，如果施加的力足够大的话。为了估计横向位移，必须使用浮子表面区域的空气动力学模型。

SFED

SFED能对拖缆头部参考点的位置估计值做出反映，如同今天这些估计值驱动全局控制器中的SSD羽角方式那样。SFED根据估计的拖曳点位置所预期的与预先计划的或基准的地震测量坐标的接近程度将是计算SFED驱动(转向)命令的基础。SFED的目标是将拖缆头部驱动到最佳位置，以允许SSD最佳定位拖缆长度。此外，SFED应使拖缆前端稳定，这对于处在羽角方式的SSD是至关重要的，因为羽角是从前端参考点计算的。

如船的转向那样，驱动命令是基于SFED的反应时间。在地震测量期间将连续测量SFED反应时间并回馈到转换功能以测定向前看时段。如前文对船转向所描述的同样模型——拟合于前方若干爆炸点的直线——是SFED如何能计算出驱动命令的一个实例。

一个标称的取向，例如垂直于预先设计的取向，可能是在基准测量期间所希望的展布取向。在重复测量期间回放含有基准测量每次爆炸的基准测量取向记录，以给出SFED目标取向。除了取向，还能由SFED实现横向定位。

拖揽前端的基准测量位置将用于确定什么样的拖缆前端取向将给出最佳重复位置。重复的或时间推移的地震测量的展布可能有与基准测量相同数量或更多的拖缆。时间推移的展布还有同样的或更靠近的拖缆间距。在所有情况中，其目标会是使拖缆前端的横向和纵向位置坐标匹配。

图9显示通过执行发送给SFED的驱动命令对拖缆前端的校正或改变。校正造成拖缆前端与好路线成一定角度的偏移，从而克服由水流引起的偏斜角θ。

除了取向，为了转向的目的，还能计算与船关联的坐标系中的一个平均横向坐标。这意味着拖缆前端能用于作为一个目标。因此，图10显示拖缆前端中心被拟合到所希望的转向迹线。

能以上文中对震源阵列描述的类似方式估计展布前端相对于船的前进方向的行为。可以直接地通过对拖曳点上的GPS天线定位或间接地通过拖缆前端坐标变化中的变化作为船前进方向变化的函数，能测定拖曳点的转动。如在震源阵列的情况中那样，大于SFED转向能力的水流将驱动前端脱离平衡。而SSD能预先考虑船前进方向的改变并估计由于前进方向的改变造成的对拖缆前端的影响，以此来协助SFED。

可转向的尾浮标

由于在最后的SSD之后的拖缆不受控制，所以尾浮标对于使尾端到位是有用的。在羽角方式中的定位是由SSD作出的直线羽线的继续，该羽线平行于拖缆的整个长度。为得到长的偏移，可转向的尾浮标对于使拖缆尾端达到目标位置是有用的。

最佳羽角估计

使震源阵列迹线解耦并假定拖缆为直线，使先前的接收器沿拖缆占有的一组坐标拟合成一条直线是使震源控制与拖缆控制解耦的一个解决方案。船和SFED合作以使拖缆前端(称作拖缆参考点(srp))到位。在测量前计划和实时这两种情况中，拖缆参考点(srp)的坐标预测值将由全局控制器用作拖缆的起始点。从这一预测的拖缆起始点出发，能对每次爆炸计算出沿基准测量拖缆达到目标的直线最小二乘拟合。这一拟合将给出最佳匹配的拖缆羽角。

能对各拖缆计算出全局的或单个的羽角。全局控制器将指示SSD采用这一羽角用于转向。所要求的羽角从一次爆炸到下一次爆炸的变化必须不快于一个指定的极限。这可以如在船轨迹直线拟合中那样，通过隔离对快速改变羽角的任何命令负责的那个(那些)目标，来实现这一限制。这一计算能在测量前进行，并在计算中限定羽角变化速度，换言之，离开本体的爆炸被减小权重。

全部拖缆的最佳羽角

能根据基准测量坐标计算最佳羽角。实现由转换功能要求的最佳羽角变化的驱动量仍然是由实际的和所希望的接收器坐标之差构成的残差。

对于每次爆炸，如果给定拖缆参考点(srp)的预测坐标，则有一条直线以srp(x，y)为起点，并以相对于参考方向(如剖面作业方向)的某个羽角向尾部投影一个等于拖缆长度的距离Rstr，该直线在某种意义上(如最小二乘)最佳拟合于在时间推移测量中将要占有的一组接收器坐标。

垂向轴垂直于参考方向，拖缆参考点(srp)处在这条线上。为了方便，水平轴穿过船的参考点，这船的参考点位于船的中部而且与船的前进方向无关，除非在船准确地平行于参考方向(例如剖面作业方向)的时候。原点在这两个轴线的交点。能使所有拖缆参考点规一化到该系统原点，以形成给出共同斜率的观测方程。如图11和12中所示，能估计出所有基准测量拖缆18的“最佳拟合”线BF的共同斜率并转换成每次爆炸的所有拖缆的共同羽角Φ。拖缆参考点(srp)将给出这些直线的y截距。

从斜率到羽角的转换是从直角坐标到极坐标的转换。如果在最佳拟合线上的任何直角坐标对(x，y)(Rec(x，y))有x/y＝m，则

Arctan(m)＝羽角 (式13)

对于任何拖缆j上的任何接收器i(Reci(x，y))，如果给定相对于某一公共原点的前进距离，一个由那条拖缆的拖缆参考点横向分量规一化的横向值，则能形成观测方程以产生斜率。

m_i＝(x_i-b_j)/y_j (式14)

这些观测能被公式化，给出如式5中显示的观测方程(即Ax＝b+v)，其中观测方程的个数等于在全部拖缆上的接收器个数，即n＝(j*i)。

A = (\begin{matrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \cdot \cdot \cdot \\ n \end{matrix}), X = m

(式15-16)

(\begin{matrix} (x_{1} - b_{1}) / y_{1} \\ (x_{2} - b_{1}) / y_{2} \\ (x_{3} - b_{1}) / y_{3} \\ \cdot \cdot \cdot \\ (x_{i} - b_{1}) / y_{1} \\ (x_{1} - b_{1}) / y_{1} \\ (x_{2} - b_{2}) / y_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \\ (x_{i} - b_{2}) / y_{i} \\ \cdot \cdot \cdot \\ (x_{1} - b_{j}) / y_{1} \\ (x_{2} - b_{j}) / y_{1} \\ \cdot \cdot \cdot \\ (x_{i -} b_{j}) / y_{i} \end{matrix})

v = (\begin{matrix} x_{1} - {\hat{x}}_{1} \\ x_{2} - {\hat{x}}_{2} \\ x_{3} - {\hat{x}}_{3} \\ \cdot \cdot \cdot \\ x_{n} - {\hat{x}}_{n} \end{matrix})

(式17-18)

方程6的简单解也是式8，加权最小二乘解是式9。

同样，如在式9中那样，能通过对很大的观测值减小权重来约束斜率，因而约束羽角。再有，通过给予一个偏移组的权重高于那些不太重要的偏移组的权重，斜率估计值能被约束到有利于那个有较高权重的偏移组。

应用这一估计值对于在近实时情况下沿存在水流的预先设计的直线测线上减少加密是有利的，但或许最有用的是对于在先前测量上的爆炸重新占有接收器位置，在那里进行的先前测量中曾难于遵循预先设计的直线测线来得到所需要的覆盖。这里，拖缆参考点(srp)遵循有利于给出最佳重复位置的迹线(即，有时间间隔的测量)，尽管这样的做法在当前尚不普遍，但这一估计过程使重复接收器位置变得更加容易。

单个拖缆的最佳羽角

图13显示，上述对所有拖缆估计最佳斜率和羽角的方法可应用于估计单个拖缆18的最佳斜率(见拖缆S₁和S₂的最佳拟合线BF₁和BF₂)。以“最佳拟合”线优化各单个拖缆斜率的好处在于给出对基准测量接收器坐标的更好的拟合。这一好处带来一定程度的复杂性，即在碰撞的危险发生之前从拖缆到拖缆的羽角不能太大。因为在传统的展布中，即使在没有转向装置协助的情况下那些拖缆也不应变得有危险地不平行，预测不会频繁发生这种危险是合理的。

应对这种危险的最简单方式是使用估计的单个拖缆羽角变化来给出那些变化将会造成的相对靠近程度和速度。如果超过预先定义的极限，则需要某些加权判据来协调这些单个羽角。由于在遇到实时危险之前能知道基准测量坐标，所以能在遇到危险之前就处置可能达到避免危险极限的情况。此外，实时的软件检验用于估计由于单个拖缆彼此矛盾的羽角造成拖缆碰撞的危险。

水流和风

在本讨论中，使用术语“自然羽角”表征水流和风使表面对象横向运动的作用。在没有横向转向的情况下，由于表面水流和风(还有浪涛)，会发生船前进方向、震源阵列羽角和尾浮标羽角的改变。当在位置估计值中观测到这些长周期运动时，便识别出一个趋势。如果这个趋势在空间上相对于展布的延伸范围而言是短的，则识别出一个局部趋势并能在其后由展布控制元件预先予以考虑。如果该趋势在时间上是持久的，则能由系统在空间上记忆并预期当展布穿过这一横向力区域时将再次发生。

校准

对一个量的多种测量可组合起来给出那个量的比任何单独测量都好的估计值。这一原理将应用于这里描述的展布控制系统。展布覆盖一个大的水平空间并能沿其垂直伸展方向装备测量设备，这是在大部分时间和空间上测量与展布控制有关的量的一个机会。此外，能根据来自其他独立来源的附加测量估计测量装置的误差状态。

水流计误差源

将实时校准对水流速度和方向有贡献的那些测量。在船体上安装的水流计往往给出水流的不准确测量值，这取决于水流计相对于螺旋桨扰动或其他干扰的位置。再有，它们报告的是它们所在深度的水流，而这一水流值可能不适用于表面或拖缆深度。

以最小二乘拟合模型校准水流计

如前文所述，可由海中设备的响应来估计作用在被拖曳震源阵列上的水流的方向。位于这一海中设备深度的水流计装置产出的数据可与力模型计算值进行比较，该力模型计算值是通过根据坐标估计值计算出的羽角找到的，于是，观测的水流计读数与计算的水流之差T能被拟合于转换功能内的一个误差模型。

用于这一关系的最佳模型将依赖于仪器的误差特性和存在的其他误差来源。尽管有几乎无限多个数学函数可能是最佳的，但我们使用一个简单的线性模型作为举例。

该线性模型有一个类似于偏移的常数分量和一个标度分量，该标度分量能描述相对于某一变量(如水流幅度或海中设备响应时间)的变化。计算的和测量的水流之差被拟合于该线性模型。

对影响船、震源阵列、SFED和尾浮标等表面装置的水流的测量可以组合起来给出表面水流的最佳估计。除了水流计之外，船的前进方向和震源阵列在力学模型内进行风和海浪校正后也能给出关于表面水流的信息。未被船的运动或装置转向解释的横向运动趋势也能用作表面横向水流的度量。

在拖缆深度，沿拖缆的水流测量装置给出那里水流的一个指示。在直线无辅助的拖曳中，当展布穿过一个水流区时，每个装在拖缆上的水流计在沿其轨迹的任何给定点应给出与它前面的水流计相同的水流测量结果，除非在相继的路径之间发生随时间的变化。再者，拟合一个函数描述变化趋势(随时间变化的，假定水流的空间范围大于相继的安装在拖缆上的装置的水平和垂直偏离)将显示出由任何一个水流计引起的与所有其他水流计相比的偏移。在水流的空间范围小于展布尺寸时，能估计出局部水流趋势。

横向速度校准

能实时估计转向装置的横向响应。如果给定一个羽角改变命令，则达到该目标羽角所使用的时间揭示单个展布控制元件响应在实时环境中发生的驱动命令所用的响应时间。这一信息将回馈给最佳驱动命令的计算。

例如，船速度的横向分量随前进方向变化的测量值能够拟合于描述这一关系的函数。对预期的沿时间推移测量路线转向时的小变化所作出的数学描述大都不那么复杂，这是由于该函数涉及的范围小。顺序估计公式能应用于以得到位置更新值的频度去得到转向装置响应时间的更新值。

张力校准

可以针对与其有关的纵向水速测量来校准张力测量。当由流体动力学阻力预期的张力与那些测量值不一致时，或者是张力测量值或者是流体动力学模型中的一个参数是造成预测残差的原因。基于被拖曳体的有效表面面积，水速和被拖曳体阻力系数等参数给出张力的预期值。校正这些参数以改进与准确的张力计的一致性将给出更好调优的流体动力学模型。

转向体校准

航行结果有助于改善流体动力学模型。关于SSD本体取向及水流速度的知识给出可用于转向的力。能根据航行结果计算出这一取向。利用这一信息，SSD翼片迎角能给出更准确的力矢量，从而改善对展布的控制，如在国际专利申请WO 00/20895中描述的那样。

确认

当估计出一组最佳爆炸点目标坐标和/或拖缆形状变化时，进行安全检查以确定是否可能在展布元件之间发生碰撞。如果检验确定计算出的优化值处于目标危险极限以上，则在线报告给用户。然后，用户得到一组其他转向约束选择，这将给出优化计算的不同结果。

当认为可接受最佳爆炸点目标和/或拖缆形状变化之后，它们被用于展布模型以产生最佳展布控制元件驱动命令。然后在展布模型内模拟这些命令以给出操作状态。也针对一些极限来检验这些操作状态，超出这些极限将可能发生故障。如果确定，为了实现所希望的最佳爆炸点目标和/或拖缆形状变化就必须超过这些极限中的某个或某些极限，则将限制极限展布控制元件，并计算出另一组驱动命令。能用于试验的可选值的个数取决于在操作更新周期内能得到的计算速度。与此平行的是，能计算出另一组最佳爆炸点目标坐标和/或拖缆形状变化，它们为给出可接收的一组驱动命令将要求较少的犯错误展布控制元件。如果得不到一组安全的驱动命令，则在线操作员通过智能GUI，在基于展布元件操作状态信息和展布元件运动历史以及清楚呈现的预测的指导下进行人工控制。

展布控制元件相对接近程度检验

对于所有单独控制的物体，在可得到该物体位置估计值的所有点，大于所规定极限的位置估计差值将造成计算不同的驱动命令。接近程度的极限是基于位置估计的质量。

展布控制元件相对速度检验

对于单独控制的展布体上所有点，所有与点有关的速度估计都必须小于一个极限。该极限基于到下一次检验的时间和速度估计值的质量。如果在到下一次检验的时间内将会发生碰撞或接近碰撞，则需要避免碰撞的驱动命令。该极限是速度估计误差的函数。

展布控制元件障碍物接近程度检验

展布中任何点的位置估计值相对于所有障碍物的距离必须小于某一极限。该极限是位置质量估计值的函数。

展布控制元件障碍物相对速度检验

在下一个速度估计周期之前的时间段里速度估计值不能造成大于该极限的接近程度。这一极限是速度估计值质量的函数。

机械完整性检验

机械完整性检验包括：电缆张力不超过限度；转向装置翼角不达到停止点等。

从前文的描述将会理解，在本发明的优选实施例或替代实施例中可以进行各种修改和改变而不偏离本发明的真正精神。

本描述只是为了说明本发明，不应在限定意义上解释本描述。本发明的范围只应由附后的权利要求的语言确定。在权利要求中的术语“包含”的意思是“至少包括”，所以在权利要求中引述的元素列举是一个开放的组。“一个”或其他单数术语是要包括它们的复数形式，除非被特别排除。

Claims

1、一种在进行地震测量时控制地震测量展布的方法，该展布具有船、多个展布控制元件、多个航行节点以及多个震源和接收器，该方法包含下列步骤：

收集输入数据，输入数据包括

航行节点的航行数据，

来自与展布控制元件相关联的传感器的操作状态，

用于测量的环境数据，以及

测量设计数据；

使用航行数据、操作状态和环境数据估计震源和接收器的位置；

使用估计的位置和至少包括测量设计数据的输入数据的一部分确定震源和接收器的最佳迹线；以及

至少使用所确定的最佳迹线来计算用于展布控制元件中至少两个的驱动命令。

2、权利要求1的方法，其中估计、确定和计算步骤由一个转换功能执行。

3、权利要求2的方法，其中根据转换功能内的展布模型来估计位置。

4、权利要求3的方法，其中该展布模型使用至少包括操作状态和环境数据的输入来计算第一组估计位置。

5、权利要求4的方法，其中航行数据包括第二组估计位置，并且以转换功能将第一组和第二组估计位置组合，以产生估计的震源和接收器位置以及预测残差。

6、权利要求5的方法，其中预测残差用于估计表征展布模型的一组参数。

7、权利要求6的方法，其中这些展布模型参数用于校准该展布模型。

8、权利要求5的方法，其中预测残差用于估计为收集环境数据使用的传感器的误差状态。

9、权利要求2的方法，其中最佳迹线是根据转换功能内的加权函数确定的。

10、权利要求9的方法，其中加权函数接收测量设计数据和估计的位置作为输入。

11、权利要求10的方法，其中来自测量设计数据的输入包括展布控制元件的性能指标。

12、权利要求8的方法，其中加权函数对输入应用相对权重系数，用于由转换功能计算最佳展布迹线。

13、权利要求9的方法，进一步包含确认最佳迹线有效性的步骤。

14、权利要求13的方法，其中最佳迹线被输入到展布模型用于计算驱动命令。

15、权利要求1的方法，进一步包含确认计算出的驱动命令有效性的步骤。

16、权利要求15的方法，进一步包含向展布控制元件发送已确认的驱动命令的步骤，由此可达到所希望的测量目标。

17、权利要求1的方法，其中每个驱动命令用于控制展布的一个或多个部件的位置、速度和前进方向中的至少一个。

18、权利要求1的方法，其中驱动命令包括控制船螺旋桨、船推进器、展布部件转向装置以及船电缆绞车当中至少一个的命令。

19、权利要求17的方法，其中展布部件包括

一艘或多艘海洋船，以及

由至少一艘船拖曳的多个部件，被拖曳的部件包括电缆、震源、传感器和转向装置。

20、权利要求19的方法，其中传感器包括水中检波器。

21、权利要求19的方法，其中展布部件进一步包括没有拴在一艘或多艘船上的运输船。

22、权利要求1的方法，其中与展布控制元件相关联的传感器包括张力、水流速率、倾斜、取向、加速度、速度和位置中的一种或多种传感器类型。

23、权利要求1的方法，其中所收集的环境数据包括水流、盐度、温度、压强、声速、浪高、浪频率、风速以及风向中的一种或多种数据类型。

24、权利要求1的方法，其中测量设计数据包括展布迹线、性能指标及测量目标。

25、权利要求24的方法，其中性能指标包括船、可转向电缆装置、可转向震源装置以及偏转器的阻力和机动特性，被拖曳电缆、震源和漂浮装置的阻力特性，以及绞车的操作特性。

26、权利要求1的方法，其中测量设计数据包括区域、深度、区域旋转或剖面作业取向、测线坐标、震源和接收器位置、所需覆盖范围、局部限制、优化因子和历史数据中的一种或多种数据类型。

27、权利要求1的方法，其中所收集的输入数据包括测量前数据、操作员输入、当前测量、近实时、实时测量以及模拟测量中的一种或多种数据。

28、权利要求27的方法，其中操作员输入数据包括展布参数设置和环境数据。

29、权利要求26的方法，其中实时测量数据包括电缆张力、水流速率、倾斜、取向、加速度、速度、位置、展布控制元件设置、环境数据、地震信号和噪声数据以及操作员输入中的一种或多种数据类型。

30、权利要求29的方法，其中位置数据包括GPS接收器、回声测深仪、深度传感器、声波测距系统、磁罗盘、陀螺罗盘、无线电定位系统、加速度计和惯性系统中的一种或多种传感器产生的数据。

31、权利要求29的方法，其中展布控制元件设置数据包括推进器设置、螺旋桨螺距、螺旋桨转速、舵角、拖曳电缆张力、绞车位置、偏转器取向、偏转器迎角、偏转器相对于水的速度、拖缆转向装置取向以及拖缆转向装置翼片迎角中的一种或多种输入。

32、权利要求26的方法，其中测量前数据包括环境传感器数据。

33、权利要求26的方法，其中模拟测量数据包括模拟的测量前数据、模拟的操作员输入、模拟的当前测量、模拟的近实时、模拟的实时测量以及模拟的环境数据中的一种或多种数据类型。

34、权利要求26的方法，其中收集的输入数据进一步包括原始地震传感器数据。

35、权利要求34的方法，进一步包含使用原始地震传感器数据产生估计位置的质量指示的步骤。

36、权利要求35的方法，其中质量指示包括面元数据集、绝对噪声数据、信号噪声比以及地震信号频率成分。

37、权利要求35的方法，其中质量指示用于确认实时测量数据、展布控制操作状态以及驱动命令的有效性。

38、权利要求3的方法，其中展布模型是展布部件的流体动力学力模型。

39、权利要求38的方法，其中力模型包含海中水流数据。

40、权利要求3的方法，其中展布模型是展布部件的纯统计模型。

41、权利要求3的方法，其中展布模型利用L范数拟合判据之一。

42、权利要求3的方法，其中展布模型是神经网络。

43、权利要求15的方法，其中根据地球物理的和操作的要求确认驱动命令的有效性。

44、权利要求43的方法，其中地球物理要求包括实现所希望的对地下区域的覆盖。

45、权利要求44的方法，其中地球物理要求包括重复以前测量的地震信号射线路径并控制地震传感器噪声。

46、权利要求44的方法，其中操作要求包括为穿过危险区域的展布定义一条或多条安全通道，确定完成一条或多条测量线路的最佳时间，以及减少非生产时间。

47、权利要求1的方法，其中为实现两个或多个可定义位置之间的安全通道计算替代用驱动命令。

48、权利要求1的方法，其中展布控制元件包括舵、螺旋桨、推进器、一个或多个用于使被拖曳电缆和仪器转向的装置、以及一个或多个可转向漂浮装置中的至少两个。

49、一种在进行地震测量时控制地震测量展布的系统，该展布具有船、多个展布控制元件、多个航行节点、以及多个震源和接收器，该系统包含：

接收输入数据的数据库，输入数据包括

航行节点的航行数据，

来自与展布控制元件相关联的传感器的操作状态，

用于测量的环境数据，以及

测量设计数据；

具有计算机可执行指令的计算机可读介质，这些计算机可读指令用于使用航行数据、操作状态和环境数据来估计震源和接收器的位置；

具有计算机可执行指令的计算机可读介质，这些计算机可读指令用于使用估计的位置和至少包括测量设计数据的一部分输入数据来确定震源和接收器的最佳迹线；以及

具有计算机可执行指令的计算机可读介质，这些计算机可读指令至少使用所确定的最佳迹线来计算用于展布控制元件中至少两个的驱动命令。

50、权利要求47的系统，其中位置估计指令、最佳迹线确定指令和驱动命令计算指令被组合在一个共用计算机可读介质中。

51、权利要求47的系统，进一步包含具有用于确认计算出的驱动命令的有效性的计算机可读指令的计算机可读介质。

52、权利要求49的系统，进一步包含网络，用于向展布控制元件传送已确认的驱动命令，由此可达到所希望的测量目标。