一种海底节点地震仪三分量定向校正方法

摘要

本发明公开了一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，该方法包括以下步骤：一、炮点和海底节点的布设及地震波数据的采集；二、初至波的协方差矩阵的获取；三、初至波的协方差矩阵的转换及初至波的偏振向量的获取；四、校正旋转角度的获取；五、海底节点采集到的地震波数据的校正。本发明利用折射波的偏振特性来进行三分量定向校正，能够解决利用直达波进行三分量重定向存在的精度不足且受到限制问题。

权利要求

1.一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、炮点和海底节点的布设及地震波数据的采集：步骤101、在海面上设置多个炮点，并在各个炮点采用震源船激发地震波至海底；其中，炮点的数量为ntrace个，ntrace个炮点位于同一直线上，ntrace个炮点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个炮点，第2个炮点，...，第h个炮点，...，第ntrace个炮点，h和ntrace为正整数，且ntrace≥3，1≤h≤ntrace；

步骤102、在海底布设多个海底节点，每个海底节点所在的位置称为检波点；其中，海底节点和检波点的数量均为n，n个海底节点位于同一直线上，n个海底节点按照震源船的运行方向由前至后依次标记为第1个海底节点，第2个海底节点，...，第i个海底节点，...，第n个海底节点，相应的n个检波点依次标记为第1个检波点、第2个检波点，...，第i个检波点，...，第n个检波点，i和n均为正整数，1≤i≤n，n≥1；

步骤103、以第1个检波点为原点O，以过原点O且沿第1个检波点至第n个检波点所在的直线为X轴，以过原点O且垂直与X轴的直线为Y轴，以过原点O且垂直于X轴和Y轴形成的平面XOY指向炮点的直线为Z轴；

步骤104、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，n个海底节点分别采集ntrace个炮点激发地震波的地震波数据；

步骤二、初至波的协方差矩阵的获取：步骤201、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底时，并分别拾取第i个海底节点的地震记录初至时间fbti(j)，获取第i个海底节点采集到的初至波为直达波所对应的多个炮点和第i个海底节点采集的初至波为折射波时所对应的多个炮点；其中，第i个海底节点采集到的初至波为直达波所对应的多个炮点中距离第i个海底节点的水平间距最小的炮点记作第j个炮点,且j为正整数，且1≤j≤ntrace；

步骤202、n个海底节点分别采集到的ntrace个炮点激发地震波的地震波数据中，将采用震源船在第j个炮点激发地震波至海底时，第i个海底节点从时间fbti(j)到设定的采样时间ts之间采集到的地震波数据记作第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的初至波数据；其中，第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至波数据包括第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至波的X方向速度分量Si,j,x(k)、第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至波的Y方向速度分量Si,j,y(k)和第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至波的Z方向速度分量Si,j,z(k)；其中，k为正整数，且1≤k≤M，M表示校正采集的总数；

步骤203、计算机根据公式 得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的X方向速度分量平均值 第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Y方向速度分量平均值 和第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Z方向速度分量平均值

步骤204、计算机根据公式 和

得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的初至波为直达波的协方差矩阵

步骤205、将步骤201中第i个海底节点采集的初至波为折射波时所对应的多个炮点按照大小顺序进行排序并重新进行编号分别为第1个炮点，第2个炮点，...，第f个炮点，...，第nz个炮点，按照步骤202至步骤205所述的方法，得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的初至波为折射波的协方差矩阵 其中，f为正整数，且1≤f≤nz，nz表示第i个海底节点采集的初至波为折射波的炮点总数；

步骤三、初至波的协方差矩阵的转换及初至波的偏振向量的获取：(0)

步骤301、设定初始乘积矩阵H ；其中，步骤302、计算机将步骤204中获取的协方差矩阵 记作初始协方差矩阵 即 并获取初始协方差矩阵中非对角元素中绝对值最大者 其中，p表示 所在初始协方差矩阵 中的行号，q表示 所在初始协方差矩阵 中的列号，p≠q，且1≤p≤3，1≤q≤3；

根据p和q序号并得到在初始协方差矩阵 中元素 和元素步骤303、计算机根据公式

和 得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵其中，第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 为3×3矩阵，且中各个元素为 中其余元素

为零，ri,j,pp表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中p行p列处的元素值，ri,j,qq表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中q行q列处的元素值，ri,j,pq表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中p行q列处的元素值，ri,j,qp表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵中q行p列处的元素值，sign(·)表示符号函数；

步骤304、计算机根据公式 得到一次变换后的协方差矩阵(1)

计算机根据公式 得到一次变换后的乘积矩阵H ；

步骤305、按照步骤303至步骤304所述的方法，经过e次变换后，得到e次变换后的协方差矩阵

步骤306、计算机将e次变换后的协方差矩阵 中非对角元素中绝对值最大者和误差设定值ε进行比较，当 完成协方差矩阵的变换，执行步骤307；否则，当执行步骤308；其中，e为正整数，且e＞1；其中，pe表示 所在e次变换后的协方差矩阵 中的行号，qe表示 所在e次变换后的协方差矩阵 中的列号，pe≠qe，且1≤pe≤3，1≤qe≤3；

步骤307、计算机将e次变换后的协方差矩阵 中对角元素标记为特征值，并将由矩阵左上角至矩阵右下角的特征值分别记作第一特征值 第二特征值 和第三特征值并得到第一特征值 第二特征值 和第三特征值 所对应的特征向量，且分别记作第一特征向量 第二特征向量 和第三特征向量计算机从第一特征值 第二特征值 和第三特征值 中得到最大特征值并将最大特征值 对应的最大特征向量记作 且然后计算机根据公式 得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 其中， 表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的X分量， 表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Y分量， 表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Z分量； 表示最大特征向量 中的第一个分量， 表示最大特征向量 中的第二个分量， 表示最大特征向量 中的第三个分量；

步骤308、按照步骤303至步骤305所述的方法，对e次变换后的协方差矩阵 进行e+1次变换，得到e+1次变换后的协方差矩阵 然后按照步骤306至步骤307，得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量；

步骤309、按照步骤203至步骤308所述的方法，得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的初至波为折射波的偏振向量并记作 其中， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Z分量；

步骤四、校正旋转角度的获取：

步骤401、设定一次旋转角度 和 一次旋转矩阵为 且其中，

表示一次旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示一次旋转后绕Y轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示一次旋转后绕Z轴方向逆时针旋转的旋转角度，且步骤402、计算机根据公式 得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转后的偏振向量 并将第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转后的偏振向量 记作 其中， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转后的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转后的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转后的偏振向量 的Z分量；

步骤403、当 则第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 为 当 则第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 为其中， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量的Y分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量的Z分量；

步骤404、计算机根据公式 和 得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的折射波偏振矢量在ZOY平面内的投影与Z轴的设定夹角 其中，xi表示第i个海底节点沿X轴方向的坐标，yi表示第i个海底节点沿Y轴方向的坐标，xsf表示第f个炮点沿X轴方向的坐标，ysf表示第f个炮点沿Y轴方向的坐标，vs表示地震波在海水中的传播速度，vd表示地震波在海底的传播速度，κ表示折射临界角；

步骤405、计算机根据公式

和

得到第f个炮点激发地震波时,第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角 第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度

步骤406、按照步骤401至步骤405所述的方法，得到nz个炮点激光地震波时,第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度的偏差值；其中，将位于第i个海底节点的左侧的炮点记作左侧炮点，将位于第i个海底节点的右侧的炮点记作右侧炮点；

计算机将多个左侧炮点激发地震波时，获取的第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度进行均值处理，得到第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的第一夹角平均值 第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的第一夹角平均值 和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的第一偏差角平均值计算机将在多个右侧炮点激发震源激光地震波时，获取的第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度进行均值处理，得到第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的第二夹角平均值 第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的第二夹角平均值 和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的第二偏差角平均值步骤407、计算机根据公式 得到第i个海底节点一次旋转后的误差角度值 其中，ξ的取值范围为大于100；

步骤408、设定二次旋转角度为 和 且并按照步骤401至步骤407所述的方法，得到第i个海底节点二次旋转后的误差角度值 其中，φs表示每次绕X轴旋转增加的角度设定值，ψs表示每次绕Y轴旋转增加的角度设定值，θs表示每次绕Z轴旋转增加的角度设定值， 表示二次旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示二次旋转后Y轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示二次旋转后绕Z轴方向逆时针旋转的旋转角度；

步骤409、按照408所述的方法，设定g次旋转角度为 和 且并按照步骤401至步骤408所述的方法，得到g次旋转后的误差角度值 其中， 表示g‑1次旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示g‑1次旋转后绕Y轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示g‑1次旋转后绕Z轴方向逆时针旋转的旋转角度；

G G G

步骤4010、G次重复步骤409，直至G次旋转角度为φi＝360°、ψi＝360°和θi＝360°，得到G次旋转后的误差角度值 计算机将第i个海底节点一次旋转后的误差角度值 第i个海底节点二次旋转后的误差角度值 ...，第i个海底节点g次旋转后的误差角度值...，第i个海底节点G次旋转后的误差角度值 按照从小大小顺序排序，得到最小的误差角度值 并将最小的误差角度值 所对应的旋转角度分别记作 和 则和 分别为第i个海底节点初始校正时绕X方向的校正角度、第i个海底节点初始校正时绕Y方向的校正角度和第i个海底节点初始校正时绕Z方向的校正角度；其中，G和g均为正整数，且2≤g≤G，G＞2；

步骤4011、计算机根据公式

得到第i

个海底节点采集到的地震波数据的初始校正矩阵步骤五、海底节点采集到的地震波数据的校正：步骤501、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，第i个海底节点在第h个炮点激发地震波时，第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波数据包括第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向的速度分量第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Y方向的速度分量 第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Z方向的速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波的压力分量Ph,i(t)；其中，t为正整数，且1≤t≤Ts，Ts表示采集的总数；

步骤502、计算机根据公式 得到第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向一次校正后的速度分量 第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Y方向一次校正后的速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Z方向一次校正后的速度分量

步骤503、计算机将Ts个第h个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的地震波沿Z方向速度分量Ph,i(t)的绝对值和Ts个第h个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的地震波沿Z方向一次校正后的速度分量 的绝对值进行互相关，得到互相关函数其中，τ为正整数，1≤τ≤Ts；

步骤504、计算机在1≤τ≤Ts取值过程中，获取相关系数R|p||z|最大值，并将相关系数R|p||z|最大值时所对应的采样时刻记作第τ0个采样时刻；

步骤505、计算机根据互相关函数 得到极性反转互相关函数 判断R|p||z|(τ0)＜R‑|p||z|(τ0)是否成立，当R|p||z|(τ0)＜R‑|p||z|(τ0)成立,则第i个海底节点更新后绕X方向的校正角度 第i个海底节点更新后绕Y方向的校正角度 和第i个海底节点更新后绕Z方向的校正角度 分别为得到

则得到

第i个海底节点采集到的地震波数据的更新后校正矩阵如果R|p||z|(τ0)＜R‑|p||z|(τ0)不成立，则第i个海底节点更新后绕X方向的校正角度第i个海底节点更新后绕Y方向的校正角度 和第i个海底节点更新后绕Z方向的校正角度分别为 则得到第i个海底节点采集到的地震波数据的更新后校正矩阵

步骤506、计算机根据公式 得到第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向二次校正后的速度分量 第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Y方向二次校正后的速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Z方向二次校正后的速度分量

2.按照权利要求1所述的一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于：步骤

202中，20ms≤ts‑fbti(j)≤40ms，设定的采样时间间隔为1ms～4ms。

3.按照权利要求1所述的一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于：步骤‑5 ‑6

306中误差设定值ε的取值范围为10 ～10 ，步骤408中φs的取值范围为0.5°～1°，ψs的取值范围为0.5°～1°，θs的取值范围为0.5°～1°。

4.按照权利要求1所述的一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于：步骤

303中当 则 当 则

当 则

说明书

一种海底节点地震仪三分量定向校正方法

技术领域

[0001] 本发明属于海底节点采集到的地震波数据校正技术领域，尤其是涉及一种海底节点地震仪三分量定向校正方法。

背景技术

[0002] 目前海洋地震勘探方法是海底节点勘探(OBN)，直接将海底节点即检波器放在海底，不仅使观测系统布置更加灵活，能更好的满足全方位、高密度、大偏移距的勘探需求，而
且能够接收横波、纵波，实现四分量采集，使地震记录包含更丰富的信息，为转换波成像、裂
隙确定、储层反演等提供基础。

[0003] 然而海底节点勘探中，海底节点通过直接投放或水下机器人投放等方式放置到海底后，海底节点有很大概率发生歪斜，导致各分量能量相互泄露。如果这时不经过校正就进
行数据处理，势必导致严重的错误。针对海底节点三个分量进行重定向目前最常用的方法
有两种，第一种是两步法，即首先利用小偏移距数据进行Z分量的校正，当Z分量上的直达波
能量达到极大时认为Z分量垂直，然后再利用中偏移距的数据校正两个水平分量。但是利用
该方法进行Z分量的校正时，选用零偏移距的地震记录得到的效果最好，但是实际采集数据
时很难满足，这就在一定程度上限制了Z分量校正的精度；第二种方法是利用炮检关系求出
直达波理论的偏振角，对三分量记录做偏振分析求出直达波实际的偏振角，然后利用两组
不同的角度之间的差异来进行检波器的重定向。以上两种方法利用的都是直达波的偏振特
性，理论研究表明直达波的偏振方向和炮点连线方向存在一定的差异，入射角越大差异越
大，这就对计算结果的精度产生了影响。除此之外，在浅海地区由于海水较浅，初至波为直
达波的炮点很少，随着偏移距的增大直达波逐渐隐没在折射波中，很难识别，所以能够利用
的记录有限，这也对检波器的重定向带来了困难。因此，需要一种海底节点地震仪三分量定
向校正方法，利用折射波的偏振特性来进行三分量定向校正。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其步骤简单，设计合理，利用折射波的偏振特性来进行三分量
定向校正，能够解决利用直达波进行三分量重定向存在的精度不足且受到限制问题，实用
性强。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0006] 步骤一、炮点和海底节点的布设及地震波数据的采集：

[0007] 步骤101、在海面上设置多个炮点，并在各个炮点采用震源船激发地震波至海底；其中，炮点的数量为ntrace个，ntrace个炮点位于同一直线上，ntrace个炮点按照震源船的运行
方向由前至后依次标记为第1个炮点，第2个炮点，...，第h个炮点，...，第ntrace个炮点，h和
ntrace为正整数，且ntrace≥3，1≤h≤ntrace；

[0008] 步骤102、在海底布设多个海底节点，每个海底节点所在的位置称为检波点；其中，海底节点和检波点的数量均为n，n个海底节点位于同一直线上，n个海底节点按照震源船的
运行方向由前至后依次标记为第1个海底节点，第2个海底节点，...，第i个海底节点，...，
第n个海底节点，相应的n个检波点依次标记为第1个检波点、第2个检波点，...，第i个检波
点，...，第n个检波点，i和n均为正整数，1≤i≤n，n≥1；

[0009] 步骤103、以第1个检波点为原点O，以过原点O且沿第1个检波点至第n个检波点所在的直线为X轴，以过原点O且垂直与X轴的直线为Y轴，以过原点O且垂直于X轴和Y轴形成的
平面XOY指向炮点的直线为Z轴；

[0010] 步骤104、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，n个海底节点分别采集ntrace个炮点激发地震波的地震波数据；

[0011] 步骤二、初至波的协方差矩阵的获取：

[0012] 步骤201、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底时，并分别拾取第i个海底节点的地震记录初至时间fbti(j)，获取第i个海底节点采集到的初至波为直达波所对
应的多个炮点和第i个海底节点采集的初至波为折射波时所对应的多个炮点；其中，第i个
海底节点采集到的初至波为直达波所对应的多个炮点中距离第i个海底节点的水平间距最
小的炮点记作第j个炮点,且j为正整数，且1≤j≤ntrace；

[0013] 步骤202、n个海底节点分别采集到的ntrace个炮点激发地震波的地震波数据中，将采用震源船在第j个炮点激发地震波至海底时，第i个海底节点从时间fbti(j)到设定的采
样时间ts之间采集到的地震波数据记作第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的
初至波数据；其中，第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至
波数据包括第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至波的X
方向速度分量Si,j,x(k)、第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的
初至波的Y方向速度分量Si,j,y(k)和第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时
刻采集到的初至波的Z方向速度分量Si,j,z(k)；其中，k为正整数，且1≤k≤M，M表示校正采集
的总数；

[0014] 步骤203、计算机根据公式 得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的X方向速度分量平均值 第j个炮点激发地震波时第i个海底节点
采集到的Y方向速度分量平均值 和第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Z
方向速度分量平均值

[0015] 步骤204、计算机根据公式和 得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的
初至波为直达波的协方差矩阵

[0016] 步骤205、将步骤201中第i个海底节点采集的初至波为折射波时所对应的多个炮点按照大小顺序进行排序并重新进行编号分别为第1个炮点，第2个炮点，...，第f个炮
点，...，第nz个炮点，按照步骤202至步骤205所述的方法，得到第f个炮点激发地震波时第i
个海底节点采集到的初至波为折射波的协方差矩阵 其中，
f为正整数，且1≤f≤nz，nz表示第i个海底节点采集的初至波为折射波的炮点总数；

[0017] 步骤三、初至波的协方差矩阵的转换及初至波的偏振向量的获取：

[0018] 步骤301、设定初始乘积矩阵H(0)；其中，

[0019] 步骤302、计算机将步骤204中获取的协方差矩阵记作初始协方差矩阵 即 并获取初始协方差矩阵
中非对角元素中绝对值最大者 其中，p表示 所在初始协方差矩阵 中的
行号，q表示 所在初始协方差矩阵 中的列号，p≠q，且1≤p≤3，1≤q≤3；

[0020] 根据p和q序号并得到在初始协方差矩阵 中元素 和元素

[0021] 步骤303、计算机根据公式和
得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵
其中，第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 为3×3矩阵，且 中
各个元素为 中其余元素为零，
ri,j,pp表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中p行p列处的元素
值，ri,j,qq表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中q行q列处的
元素值，ri,j,pq表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中p行q列
处的元素值，ri,j,qp表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中q行
p列处的元素值，sign(·)表示符号函数；

[0022] 步骤304、计算机根据公式 得到一次变换后的协方差矩(1)
阵 计算机根据公式 得到一次变换后的乘积矩阵H ；

[0023] 步骤305、按照步骤303至步骤304所述的方法，经过e次变换后，得到e次变换后的协方差矩阵

[0024] 步骤306、计算机将e次变换后的协方差矩阵 中非对角元素中绝对值最大者和误差设定值ε进行比较，当 完成协方差矩阵的变换，执行步骤307；否
则，当 执行步骤308；其中，e为正整数，且e＞1；其中，pe表示 所在e次变换
后的协方差矩阵 中的行号，qe表示 所在e次变换后的协方差矩阵 中的列号，pe
≠qe，且1≤pe≤3，1≤qe≤3；

[0025] 步骤307、计算机将e次变换后的协方差矩阵 中对角元素标记为特征值，并将由矩阵左上角至矩阵右下角的特征值分别记作第一特征值 第二特征值 和第三特征
值 并得到第一特征值 第二特征值 和第三特征值 所对应的特征向量，且
分别记作第一特征向量 第二特征向量 和第三特征向量

[0026] 计算机从第一特征值 第二特征值 和第三特征值 中得到最大特征值并将最大特征值 对应的最大特征向量记作 且
然后计算机根据公式
得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 其中， 表
示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的X分量， 表示第j个炮点激发
地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Y分量， 表示第j个炮点激发地震波时第i个海
底节点的偏振向量 的Z分量； 表示最大特征向量 中的第一个分量， 表示
最大特征向量 中的第二个分量， 表示最大特征向量 中的第三个分量；

[0027] 步骤308、按照步骤303至步骤305所述的方法，对e次变换后的协方差矩阵 进行e+1次变换，得到e+1次变换后的协方差矩阵 然后按照步骤306至步骤307，得到第j个
炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量；

[0028] 步骤309、按照步骤203至步骤308所述的方法，得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的初至波为折射波的偏振向量并记作 其中， 表
示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激
发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i
个海底节点的偏振向量 的Z分量；

[0029] 步骤四、校正旋转角度的获取：

[0030] 步骤401、设定一次旋转角度 和 一次旋转矩阵为 且其中， 表示一次
旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示一次旋转后绕Y轴方向逆时针旋转的旋
转角度， 表示一次旋转后绕Z轴方向逆时针旋转的旋转角度，且

[0031] 步骤402、计算机根据公式 得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转后的偏振向量 并将第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转
后的偏振向量 记作 其中， 表示第f个炮点激发地震波时第i
个海底节点一次旋转后的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海
底节点一次旋转后的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节
点一次旋转后的偏振向量 的Z分量；

[0032] 步骤403、当 则第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 为 当 则第f个炮点激
发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 为
其中， 表示第f个炮点激发地震波时
第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激发地震波
时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震
波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 的Z分量；

[0033] 步骤404、计算机根据公式 和得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的折射波偏振矢量在ZOY平面内的投影与Z轴
的设定夹角 其中，xi表示第i个海底节点沿X轴方向的坐标，yi表示第i个海底节点沿Y轴
方向的坐标，xsf表示第f个炮点沿X轴方向的坐标，ysf表示第f个炮点沿Y轴方向的坐标，vs表
示地震波在海水中的传播速度，vd表示地震波在海底的传播速度，κ表示折射临界角；

[0034] 步骤405、计算机根据公式

[0035]得到第f个炮点激发地震波时,第i个海底节
点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角 第i个
海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角
和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的
偏差角度

[0036] 步骤406、按照步骤401至步骤405所述的方法，得到nz个炮点激光地震波时,第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第
i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角
和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的
偏差角度的偏差值；其中，将位于第i个海底节点的左侧的炮点记作左侧炮点，将位于第i个
海底节点的右侧的炮点记作右侧炮点；

[0037] 计算机将多个左侧炮点激发地震波时，获取的第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第i个海底节点一次旋转调整
后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节点一次旋转
调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度进行均值处理，得
到第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的
第一夹角平均值 第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平
面内的投影与X轴的第一夹角平均值 和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z
轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的第一偏差角平均值

[0038] 计算机将在多个右侧炮点激发震源激光地震波时，获取的第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第i个海底节点一
次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节
点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度进行
均值处理，得到第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的
投影与X轴的第二夹角平均值 第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴
围成的XOY平面内的投影与X轴的第二夹角平均值 和第i个海底节点一次旋转调整后的
偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的第二偏差角平均值

[0039] 步骤407、计算机根据公式 得到第i个海底节点一次旋转后的误差角度值 其中，ξ的取值范围为大于100；

[0040] 步骤408、设定二次旋转角度为 和 且并按照步骤401至步骤407所述的方法，得到第i个海底节点二次旋转后的误差角度值 其
中，φs表示每次绕X轴旋转增加的角度设定值，ψs表示每次绕Y轴旋转增加的角度设定值，θs
表示每次绕Z轴旋转增加的角度设定值， 表示二次旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角
度， 表示二次旋转后Y轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示二次旋转后绕Z轴方向逆时
针旋转的旋转角度；

[0041] 步骤409、按照408所述的方法，设定g次旋转角度为 和 且并按照步骤401至步骤408所述的方法，得
到g次旋转后的误差角度值 其中， 表示g‑1次旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角
度， 表示g‑1次旋转后绕Y轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示g‑1次旋转后绕Z轴
方向逆时针旋转的旋转角度；

[0042] 步骤4010、G次重复步骤409，直至G次旋转角度为 和得到G次旋转后的误差角度值 计算机将第i个海底节点一次旋转后的误差角
度值 第i个海底节点二次旋转后的误差角度值 ...，第i个海底节点g次旋转后的误
差角度值 ...，第i个海底节点G次旋转后的误差角度值 按照从小大小顺序排序，得到
最小的误差角度值 并将最小的误差角度值 所对应的旋转角度分别记作 和
则 和 分别为第i个海底节点初始校正时绕X方向的校正角度、第i个海底节点
初始校正时绕Y方向的校正角度和第i个海底节点初始校正时绕Z方向的校正角度；其中，G
和g均为正整数，且2≤g≤G，G＞2；

[0043] 步骤4011、计算机根据公式

[0044]

[0045] 得到第i个海底节点采集到的地震波数据的初始校正矩阵

[0046] 步骤五、海底节点采集到的地震波数据的校正：

[0047] 步骤501、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，第i个海底节点在第h个炮点激发地震波时，第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波数据包
括第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向的速
度分量 第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿
Y方向的速度分量 第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到
的地震波沿Z方向的速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样
时刻采集到的地震波的压力分量Ph,i(t)；其中，t为正整数，且1≤t≤Ts，Ts表示采集的总数；

[0048] 步骤502、计算机根据公式 得到第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向一次校正后的速度分量 第h个
炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Y方向一次校正后的
速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波
沿Z方向一次校正后的速度分量

[0049] 步骤503、计算机将Ts个第h个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的地震波沿Z方向速度分量Ph,i(t)的绝对值和Ts个第h个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的
地震波沿Z方向一次校正后的速度分量 的绝对值进行互相关，得到互相关函数
其中，τ为正整数，1≤τ≤Ts；

[0050] 步骤504、计算机在1≤τ≤Ts取值过程中，获取相关系数R|p||z|最大值，并将相关系数R|p||z|最大值时所对应的采样时刻记作第τ0个采样时刻；

[0051] 步骤505、计算机根据互相关函数 得到极性反转互相关函数 判断R|p||z||(τ0)＜R‑|p||z|(τ0)是否成立，当R|p||z|(τ0)
＜R‑|p||z|(τ0)成立,则第i个海底节点更新后绕X方向的校正角度 第i个海底节点更新后
绕Y方向的校正角度 和第i个海底节点更新后绕Z方向的校正角度 分别为
得到
，则得到
第i个海底节点采集到的地震波数据的更新后校正矩阵

[0052] 如果R|p||z|(τ0)＜R‑|p||z|(τ0)不成立，则第i个海底节点更新后绕X方向的校正角度0
φi′、第i个海底节点更新后绕Y方向的校正角度 和第i个海底节点更新后绕Z方向的校
正角度 分别为 则得到第i个海底节点采集到的地震波
数据的更新后校正矩阵

[0053] 步骤506、计算机根据公式 得到第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向二次校正后的速度分量 第h个
炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Y方向二次校正后的
速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震
波沿Z方向二次校正后的速度分量

[0054] 上述的一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于：步骤202中，20ms≤ts‑fbti(j)≤40ms，设定的采样时间间隔为1ms～4ms。

[0055] 上述的一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于：步骤306中误差设‑5 ‑6
定值ε的取值范围为10 ～10 ，步骤408中φs的取值范围为0.5°～1°，ψs的取值范围为0.5°
～1°，θs的取值范围为0.5°～1°。

[0056] 上述的一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，其特征在于：步骤303中当则 当 则
当 则

[0057] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0058] 1、本发明步骤简单、设计合理且提高了海底节点地震仪三分量姿态重定向的精度。

[0059] 2、本发明操作简便且使用效果好，首先是炮点和海底节点的布设及地震波数据的采集，其次是初至波的协方差矩阵的获取，然后对初至波的协方差矩阵进行多次转换，获取
初至波的偏振向量，其次是利用初至波为折射波的偏振向量，校正旋转角度，最后是海底节
点采集到的地震波数据的校正，从而完成了海底节点地震仪三分量姿态的重定向，提高了
海底节点地震仪获取的X、Y、Z三分量的准确性，便于后续处理。

[0060] 3、所采用的初至波的协方差矩阵的转换及初至波的偏振向量的获取中分别获取初至波为直达波的协方差矩阵和初至波为折射波的协方差矩阵以及初至波为直达波的偏
振向量和初至波为折射波的偏振向量的获取，从而便于校正旋转角度中旋转后的误差角度
值的获取，以使旋转后的误差角度值最小而得到初始校正时绕X方向的校正角度、初始校正
时绕Y方向的校正角度和初始校正时绕Z方向的校正角度，进而可以将海底节点检波器重新
归位到期望的埋置方向。

[0061] 4、本发明所采用是折射波的偏振特性来进行三分量定向校正，是因为直达波的偏振方向随炮检关系变化而变化，也就是说炮点和检波点偏移距下计算得到直达波的偏振角
都不相同，而折射波的偏振方向仅和海底速度有关，对于同一个海底节点，海底产生的折射
波具有同样的偏振角。在地震波数据的采集过程中，因为实际的检波点和炮点位置通常不
会和设计的检波点和炮点位置完全重合，利用折射波校正时，就可以避免因为检波点和炮
点位置偏差带来的精度误差；另外，在浅海区域由于海水较浅，可以准确识别的直达波仅有
炮点和检波点偏移距较小的几个炮点，随着炮点和检波点偏移距增大，海底产生的折射波
成为初至波，这就导致折射波可利用的数据量远远超过直达波；其次，由于初至波为折射波
的炮点偏移距要大于直达波，受到的声波干扰较小，提取的质点震动信息更纯净，提高了重
定向的精度。

[0062] 综上所述，本发明步骤简单，设计合理，利用折射波的偏振特性来进行三分量定向校正，能够解决利用直达波进行三分量重定向存在的精度不足且受到限制问题，实用性强。

[0063] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0064] 图1为本发明的方法流程框图。

[0065] 图2为本发明一次旋转角度 和 的结构示意图。

[0066] 图3为本发明某一海底节点采集到的地震波X、Y、Z三分量图。

[0067] 图4为利用本发明对图3采集到的地震波X、Y、Z三分量进行定向校正后的地震波X、Y、Z三分量图。

具体实施方式

[0068] 如图1所示的一种海底节点地震仪三分量定向校正方法，包括以下步骤：

[0069] 步骤一、炮点和海底节点的布设及地震波数据的采集：

[0070] 步骤101、在海面上设置多个炮点，并在各个炮点采用震源船激发地震波至海底；其中，炮点的数量为ntrace个，ntrace个炮点位于同一直线上，ntrace个炮点按照震源船的运行
方向由前至后依次标记为第1个炮点，第2个炮点，...，第h个炮点，...，第ntrace个炮点，h和
ntrace为正整数，且ntrace≥3，1≤h≤ntrace；

[0071] 步骤102、在海底布设多个海底节点，每个海底节点所在的位置称为检波点；其中，海底节点和检波点的数量均为n，n个海底节点位于同一直线上，n个海底节点按照震源船的
运行方向由前至后依次标记为第1个海底节点，第2个海底节点，...，第i个海底节点，...，
第n个海底节点，相应的n个检波点依次标记为第1个检波点、第2个检波点，...，第i个检波
点，...，第n个检波点，i和n均为正整数，1≤i≤n，n≥1；

[0072] 步骤103、以第1个检波点为原点O，以过原点O且沿第1个检波点至第n个检波点所在的直线为X轴，以过原点O且垂直与X轴的直线为Y轴，以过原点O且垂直于X轴和Y轴形成的
平面XOY指向炮点的直线为Z轴；

[0073] 步骤104、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，n个海底节点分别采集ntrace个炮点激发地震波的地震波数据；

[0074] 步骤二、初至波的协方差矩阵的获取：

[0075] 步骤201、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底时，并分别拾取第i个海底节点的地震记录初至时间fbti(j)，获取第i个海底节点采集到的初至波为直达波所对
应的多个炮点和第i个海底节点采集的初至波为折射波时所对应的多个炮点；其中，第i个
海底节点采集到的初至波为直达波所对应的多个炮点中距离第i个海底节点的水平间距最
小的炮点记作第j个炮点,且j为正整数，且1≤j≤ntrace；

[0076] 步骤202、n个海底节点分别采集到的ntrace个炮点激发地震波的地震波数据中，将采用震源船在第j个炮点激发地震波至海底时，第i个海底节点从时间fbti(j)到设定的采
样时间ts之间采集到的地震波数据记作第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的
初至波数据；其中，第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至
波数据包括第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的初至波的X
方向速度分量Si,j,x(k)、第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时刻采集到的
初至波的Y方向速度分量Si,j,y(k)和第j个炮点激发地震波时第i个海底节点在第k个采样时
刻采集到的初至波的Z方向速度分量Si,j,z(k)；其中，k为正整数，且1≤k≤M，M表示校正采集
的总数；

[0077] 步骤203、计算机根据公式 得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的X方向速度分量平均值 第j个炮点激发地震波时第i个海底节点
采集到的Y方向速度分量平均值 和第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的Z
方向速度分量平均值

[0078] 步骤204、计算机根据公式和 得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的
初至波为直达波的协方差矩阵

[0079] 步骤205、将步骤201中第i个海底节点采集的初至波为折射波时所对应的多个炮点按照大小顺序进行排序并重新进行编号分别为第1个炮点，第2个炮点，...，第f个炮
点，...，第nz个炮点，按照步骤202至步骤205所述的方法，得到第f个炮点激发地震波时第i
个海底节点采集到的初至波为折射波的协方差矩阵 其中，
f为正整数，且1≤f≤nz，nz表示第i个海底节点采集的初至波为折射波的炮点总数；

[0080] 步骤三、初至波的协方差矩阵的转换及初至波的偏振向量的获取：(0)

[0081] 步骤301、设定初始乘积矩阵H ；其中，

[0082] 步骤302、计算机将步骤204中获取的协方差矩阵记作初始协方差矩阵 即 并获取初始协方差矩阵
中非对角元素中绝对值最大者 其中，p表示 所在初始协方差矩阵 中的
行号，q表示 所在初始协方差矩阵 中的列号，p≠q，且1≤p≤3，1≤q≤3；

[0083] 根据p和q序号并得到在初始协方差矩阵 中元素 和元素

[0084] 步骤303、计算机根据公式和
得到第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵
其中，第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 为3×3矩阵，且 中各
个元素为 中其余元素为零，
ri,j,pp表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中p行p列处的元素
值，ri,j,qq表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中q行q列处的
元素值，ri,j,pq表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中p行q列处
的元素值，ri,j,qp表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的一次旋转矩阵 中q行p列
处的元素值，sign(·)表示符号函数；

[0085] 步骤304、计算机根据公式 得到一次变换后的协方差矩(1)
阵 计算机根据公式 得到一次变换后的乘积矩阵H ；

[0086] 步骤305、按照步骤303至步骤304所述的方法，经过e次变换后，得到e次变换后的协方差矩阵

[0087] 步骤306、计算机将e次变换后的协方差矩阵 中非对角元素中绝对值最大者和误差设定值ε进行比较，当 完成协方差矩阵的变换，执行步骤307；否
则，当 执行步骤308；其中，e为正整数，且e＞1；其中，pe表示 所在e次变换
后的协方差矩阵 中的行号，qe表示 所在e次变换后的协方差矩阵 中的列号，pe
≠qe，且1≤pe≤3，1≤qe≤3；

[0088] 步骤307、计算机将e次变换后的协方差矩阵 中对角元素标记为特征值，并将由矩阵左上角至矩阵右下角的特征值分别记作第一特征值 第二特征值 和第三特征
值 并得到第一特征值 第二特征值 和第三特征值 所对应的特征向量，且
分别记作第一特征向量 第二特征向量 和第三特征向量

[0089] 计算机从第一特征值 第二特征值 和第三特征值 中得到最大特征值并将最大特征值 对应的最大特征向量记作 且
然后计算机根据公式 得到第j个炮点激发地震波时第i
个海底节点的偏振向量 其中， 表示第j个炮点激发地震波时第i个
海底节点的偏振向量 的X分量， 表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振
向量 的Y分量， 表示第j个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Z分量；
表示最大特征向量 中的第一个分量， 表示最大特征向量 中的第二个分
量， 表示最大特征向量 中的第三个分量；

[0090] 步骤308、按照步骤303至步骤305所述的方法，对e次变换后的协方差矩阵 进行e+1次变换，得到e+1次变换后的协方差矩阵 然后按照步骤306至步骤307，得到第j个
炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量；

[0091] 步骤309、按照步骤203至步骤308所述的方法，得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的初至波为折射波的偏振向量并记作 其中， 表
示第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激
发地震波时第i个海底节点的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i
个海底节点的偏振向量 的Z分量；

[0092] 步骤四、校正旋转角度的获取：

[0093] 步骤401、设定一次旋转角度 和 一次旋转矩阵为 且其中， 表示一次旋转
后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示一次旋转后绕Y轴方向逆时针旋转的旋转角
度， 表示一次旋转后绕Z轴方向逆时针旋转的旋转角度，且

[0094] 步骤402、计算机根据公式 得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转后的偏振向量 并将第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转
后的偏振向量 记作 其中， 表示第f个炮点激发地震波时第i
个海底节点一次旋转后的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海
底节点一次旋转后的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震波时第i个海底节
点一次旋转后的偏振向量 的Z分量；

[0095] 步骤403、当 则第f个炮点激发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 为 当 则第f个炮点激
发地震波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 为
其中， 表示第f个炮点激发地震波时
第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 的X分量， 表示第f个炮点激发地震波
时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 的Y分量， 表示第f个炮点激发地震
波时第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量 的Z分量；

[0096] 步骤404、计算机根据公式 和得到第f个炮点激发地震波时第i个海底节点的折射波偏振矢量在ZOY平面内的投影与Z轴
的设定夹角 其中，xi表示第i个海底节点沿X轴方向的坐标，yi表示第i个海底节点沿Y轴
方向的坐标，xsf表示第f个炮点沿X轴方向的坐标，ysf表示第f个炮点沿Y轴方向的坐标，vs表
示地震波在海水中的传播速度，vd表示地震波在海底的传播速度，κ表示折射临界角；

[0097] 步骤405、计算机根据公式

[0098]

[0099] 得到第f个炮点激发地震波时,第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角
第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴
的夹角 和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投
影与Z轴的偏差角度

[0100] 步骤406、按照步骤401至步骤405所述的方法，得到nz个炮点激光地震波时,第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第
i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角
和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的
偏差角度的偏差值；其中，将位于第i个海底节点的左侧的炮点记作左侧炮点，将位于第i个
海底节点的右侧的炮点记作右侧炮点；

[0101] 计算机将多个左侧炮点激发地震波时，获取的第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第i个海底节点一次旋转调整
后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节点一次旋转
调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度进行均值处理，得
到第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的
第一夹角平均值 第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平
面内的投影与X轴的第一夹角平均值 和第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴
和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的第一偏差角平均值

[0102] 计算机将在多个右侧炮点激发震源激光地震波时，获取的第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的投影与X轴的夹角、第i个海底节点一
次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴围成的XOY平面内的投影与X轴的夹角和第i个海底节
点一次旋转调整后的偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的偏差角度进行
均值处理，得到第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Z轴围成的XOZ平面内的
投影与X轴的第二夹角平均值 第i个海底节点一次旋转调整后的偏振向量在X轴和Y轴
围成的XOY平面内的投影与X轴的第二夹角平均值 和第i个海底节点一次旋转调整后的
偏振向量在Z轴和Y轴围成的ZOY平面内的投影与Z轴的第二偏差角平均值

[0103] 步骤407、计算机根据公式 得到第i个海底节点一次旋转后的误差角度值 其中，ξ的取值范围为大于100；

[0104] 步骤408、设定二次旋转角度为 和 且并按照步骤401至步骤407所述的方法，得到第i个海底节点二次旋转后的误差角度值 其
中，φs表示每次绕X轴旋转增加的角度设定值，ψs表示每次绕Y轴旋转增加的角度设定值，θs
表示每次绕Z轴旋转增加的角度设定值， 表示二次旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角
度， 表示二次旋转后Y轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示二次旋转后绕Z轴方向逆时
针旋转的旋转角度；

[0105] 步骤409、按照408所述的方法，设定g次旋转角度为 和 且并按照步骤401至步骤408所述的方法，得
到g次旋转后的误差角度值 其中， 表示g‑1次旋转后绕X轴方向逆时针旋转的旋转角
度， 表示g‑1次旋转后绕Y轴方向逆时针旋转的旋转角度， 表示g‑1次旋转后绕Z轴方
向逆时针旋转的旋转角度；

[0106] 步骤4010、G次重复步骤409，直至G次旋转角度为 和得到G次旋转后的误差角度值 计算机将第i个海底节点一次旋转后的误差角度值 第
i个海底节点二次旋转后的误差角度值 ...，第i个海底节点g次旋转后的误差角度值
...，第i个海底节点G次旋转后的误差角度值 按照从小大小顺序排序，得到最小的误
差角度值 并将最小的误差角度值 所对应的旋转角度分别记作 和 则
和 分别为第i个海底节点初始校正时绕X方向的校正角度、第i个海底节点初始校
正时绕Y方向的校正角度和第i个海底节点初始校正时绕Z方向的校正角度；其中，G和g均为
正整数，且2≤g≤G，G＞2；

[0107] 步骤4011、计算机根据公式

[0108]

[0109] 得到第i个海底节点采集到的地震波数据的初始校正矩阵

[0110] 步骤五、海底节点采集到的地震波数据的校正：

[0111] 步骤501、采用震源船依次在ntrace个炮点激发地震波至海底的过程中，第i个海底节点在第h个炮点激发地震波时，第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波数据包
括第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向的速
度分量 第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿
Y方向的速度分量 第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到
的地震波沿Z方向的速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样
时刻采集到的地震波的压力分量Ph,i(t)；其中，t为正整数，且1≤t≤Ts，Ts表示采集的总数；

[0112] 步骤502、计算机根据公式 得到第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向一次校正后的速度分量 第h个
炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Y方向一次校正后的
速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震
波沿Z方向一次校正后的速度分量

[0113] 步骤503、计算机将Ts个第h个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的地震波沿Z方向速度分量Ph,i(t)的绝对值和Ts个第h个炮点激发地震波时第i个海底节点采集到的
地震波沿Z方向一次校正后的速度分量 的绝对值进行互相关，得到互相关函数
其中，τ为正整数，1≤τ≤Ts；

[0114] 步骤504、计算机在1≤τ≤Ts取值过程中，获取相关系数R|p||z|最大值，并将相关系数R|p||z|最大值时所对应的采样时刻记作第τ0个采样时刻；

[0115] 步骤505、计算机根据互相关函数 得到极性反转互相关函数 判断R|p||z|(τ0)＜R‑|p||z|(τ0)是否成立，当R|p||z|(τ0)
＜R‑|p||z|(τ0)成立,则第i个海底节点更新后绕X方向的校正角度 第i个海底节点更新后
绕Y方向的校正角度 和第i个海底节点更新后绕Z方向的校正角度 分别为
得到
，则得到
第i个海底节点采集到的地震波数据的更新后校正矩阵

[0116] 如果R|p||z|(τ0)＜R‑|p||z|(τ0)不成立，则第i个海底节点更新后绕X方向的校正角度第i个海底节点更新后绕Y方向的校正角度 和第i个海底节点更新后绕Z方向的校正
角度 分别为 则得到第i个海底节点采集到的地震波数
据的更新后校正矩阵

[0117] 步骤506、计算机根据公式 得到第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿X方向二次校正后的速度分量 第h个
炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震波沿Y方向二次校正后的
速度分量 和第h个炮点激发地震波时第i个海底节点在第t个采样时刻采集到的地震
波沿Z方向二次校正后的速度分量

[0118] 本实施例中，步骤202中，20ms≤ts‑fbti(j)≤40ms，设定的采样时间间隔为1ms～4ms。

[0119] 本实施例中，步骤306中误差设定值ε的取值范围为10‑5～10‑6，步骤408中φs的取值范围为0.5°～1°，ψs的取值范围为0.5°～1°，θs的取值范围为0.5°～1°。

[0120] 本实施例中，步骤303中当 则当 当 则

[0121] 本实施例中，本发明所采用是折射波的偏振特性来进行三分量定向校正，是因为直达波的偏振方向随炮检关系变化而变化，也就是说炮点和检波点偏移距下计算得到直达
波的偏振角都不相同，而折射波的偏振方向仅和海底速度有关，对于同一个海底节点，海底
产生的折射波具有同样的偏振角。在地震波数据的采集过程中，因为实际的检波点和炮点
位置通常不会和设计的检波点和炮点位置完全重合，利用折射波校正时，就可以避免因为
检波点和炮点位置偏差带来的精度误差；另外，在浅海区域由于海水较浅，可以准确识别的
直达波仅有炮点和检波点偏移距较小的几个炮点，随着炮点和检波点偏移距增大，海底产
生的折射波成为初至波，这就导致折射波可利用的数据量远远超过直达波；其次，由于初至
波为折射波的炮点偏移距要大于直达波，受到的声波干扰较小，提取的质点震动信息更纯
净，提高了重定向的精度。

[0122] 本实施例中，Ts为正整数，且Ts≥10。

[0123] 本实施例中，ts‑fbti(j)＝30ms，设定的采样时间间隔为1ms，误差设定值ε的取值‑6
为10 ，φs的取值为1°，ψs的取值为1°，θs的取值为1°。

[0124] 本实施例中，实际布设过程中，第1个炮点距离第1个检波点之间的水平间距(即偏移距)以及第ntrace个炮点距离第n个检波点之间的水平间距(即偏移距)大于1000m。

[0125] 如图3所示，当ntrace＝100时，采用震源船依次在100个炮点激发地震波至海底的过程中，某一海底节点采集到的地震波X、Y、Z三分量图。如图4所示，利用本发明对图3所示的
某一海底节点采集到的地震波X、Y、Z三分量进行定向校正，得到定向校正后的地震波X、Y、Z
三分量图。从图3可以看到Z分量上既存在纵波也存在横波，X分量应该看到的极性相反现象
也不能看到，Y分量理应能量较弱，但是在图上记录能量很强，说明由于海底节点歪斜，即存
在水平分量能量泄露到垂直分量的现象，水平分量之间也相互泄露。利用本发明校正以后
得到图4，图4上发现Z分量上横波基本消失，Y分量能量得到了削弱，X分量上可以观察到明
显的极性相反现象。

[0126] 综上所述，本发明步骤简单，设计合理，利用折射波的偏振特性来进行三分量定向校正，能够解决利用直达波进行三分量重定向存在的精度不足且受到限制问题，实用性强。

[0127] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技
术方案的保护范围内。