寬頻地震檢波器技術(shù)探討

羅福龍

(東方地球物理勘探有限責任公司裝備服務(wù)處, 河北 涿州 072751)

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寬頻地震檢波器技術(shù)探討

羅福龍

(東方地球物理勘探有限責任公司裝備服務(wù)處, 河北 涿州 072751)

寬頻地震勘探是拓展地震信息頻帶的極佳方法，而作為對地震信息接收頻帶起關(guān)鍵作用的寬頻地震檢波器則是寬頻地震勘探中必不可少的地震波傳感部件，充分研究和利用寬頻檢波器技術(shù)，對保障寬頻地震勘探特別是地震信息接收頻帶具有很強的現(xiàn)實意義。本文從幅頻響應曲線、技術(shù)指標、突出特點等多方面探討了寬頻檢波器的主要技術(shù)，并從滿足寬頻地震勘探需求出發(fā)，提出了寬頻檢波器獨特的量化技術(shù)指標。

地震；寬頻；檢波器；自然頻率；靈敏度

0 引言

地震勘探理論和實踐都證明，地震信號的頻帶越寬其所攜帶的地震地質(zhì)信息就越豐富，就越有利于準確識別各類復雜的油氣藏。因此，追求更寬的地震信號頻帶便成為油氣勘探永恒的主題[1]。為獲取更寬頻帶的地震信號，相繼發(fā)展了許多先進的勘探方法，典型的代表就是寬頻地震勘探。事實也證明，寬頻地震勘探是拓展地震信號頻帶寬度和探明復雜油氣藏的極佳方法。所以，寬頻地震勘探一問世就倍受重視并迅速成為全球油氣勘探新常態(tài)。

寬頻地震勘探是一個系統(tǒng)工程，涉及到地震信號的激發(fā)、傳感[2-3]、記錄、處理等多個環(huán)節(jié)和工序，其中地震信號的傳感和記錄是重要的野外地震數(shù)據(jù)采集工序。地震信號的傳感和記錄主要由地震檢波器[4](以下簡稱檢波器)和地震儀器[5]完成，而所傳感地震信號的頻寬又主要取決于檢波器的響應能力。所以，寬頻地震勘探首先要求檢波器必須具有寬頻接收地震信號能力。

目前，國內(nèi)陸上油氣地震勘探[6](特別是寬頻地震勘探)采用的檢波器大多數(shù)(90%以上)都屬電磁感應原理的速度型10 Hz自然頻率系列。這種檢波器能否充分滿足寬頻地震勘探的需求，適合寬頻地震勘探的檢波器又應具備什么樣的技術(shù)特性等問題當下還沒有統(tǒng)一的認識和答案，也鮮見有這方面的技術(shù)文章。為了量化分析寬頻響應地震信號檢波器應有的技術(shù)特性，本文以常用的電磁感應原理速度型檢波器為對象，以有關(guān)性能實際測試結(jié)果為支撐，從技術(shù)指標與響應頻帶關(guān)系等，廣泛地探討寬頻響應地震信號檢波器的關(guān)鍵技術(shù)，并希望以此更好地服務(wù)和保障寬頻地震勘探。

1 技術(shù)指標與響應頻帶關(guān)系

與檢波器響應頻帶寬度相關(guān)的技術(shù)指標眾多，但起關(guān)鍵作用的主要有自然頻率、靈敏度、失真度、阻尼系數(shù)[7]等。為了說明特定技術(shù)指標與響應頻帶的因果關(guān)系，下面就以幅頻響應曲線為主軸和參考，依次討論自然頻率、靈敏度、失真度、阻尼系數(shù)等對檢波器響應頻帶的影響。

1.1 幅頻響應曲線

幅頻響應曲線本身不是技術(shù)指標，但能集中反映每項技術(shù)指標對檢波器響應效果的直觀作用。因此，為直觀簡捷地通過幅頻響應曲線說明特定技術(shù)指標與響應頻帶之間的關(guān)系，有必要先就幅頻響應曲線的基本要素進行扼要說明。

幅頻響應曲線展示的是檢波器在恒定敏感物理量(速度)驅(qū)動下，輸入信號頻率和輸出信號振幅的關(guān)系，對于電磁感應原理速度型檢波器，經(jīng)過歸一化處理的幅頻響應示意曲線如圖1所示。圖中，fN為自然頻率，f為輸入信號頻率，v0為標稱靈敏度，v為輸出信號電壓(靈敏度)，h為阻尼系數(shù)。

圖1 電磁感應原理速度型檢波器幅頻響應示意曲線

從圖1可以看出，高于自然頻率時輸出信號振幅總體保持穩(wěn)定，低于自然頻率時輸出信號振幅隨頻率減小而快速衰減。不同阻尼系數(shù)下的曲線還說明，阻尼系統(tǒng)的大小直接影響自然頻率點附近振幅的起伏程度和衰減陡度。當阻尼系數(shù)在0.7左右時，在自然頻率點前振幅總體以12 dB/Oct衰減，且振幅在自然頻率點附近基本沒有起伏(這一點也可從有關(guān)技術(shù)資料得到證實)。為方便討論起見，以fN/2為界，將響應曲線分為兩個區(qū)域，通常將高于fN/2的區(qū)域稱為檢波器的通頻帶(在此區(qū)間檢波器能充分有效地響應輸入地震信號)，低于fN/2的區(qū)域稱為檢波器的阻頻帶。在通頻帶內(nèi)檢波器總體工作在線性區(qū)，各項技術(shù)指標也相對穩(wěn)定；在阻頻帶內(nèi)響應曲線變化劇烈，輸出信號極小且與輸入信號關(guān)系是非線性的，各項技術(shù)指標也極不穩(wěn)定。因此，為線性保真地響應地震信號，檢波器應該工作在通頻帶內(nèi)。

1.2 自然頻率

自然頻率也稱固有頻率或共振頻率，它主要由檢波器彈性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料和質(zhì)量決定。從圖1可以演算出，自然頻率的大小與檢波器的響應頻帶寬度密切相關(guān)，且自然頻率越小低頻信號響應能力越強，也即當高頻信號接收能力不變時可有效響應地震信號的頻帶就越寬。由此可見，要想獲得寬頻(尤其是低頻)的地震信號，就應該選擇較低自然頻率的檢波器。

1.3 靈敏度

靈敏度是檢波器對外部激勵(振動)輸入響應的敏感程度，通常用輸出與單位輸入的比值表示。電磁感應原理速度型檢波器使用單位速度下輸出電壓值表示，其大小主要取決于檢波器內(nèi)磁場強度和線圈總長度。從靈敏度的物理意義可知，同等條件下靈敏度越高輸出信號的振幅就越強，有利于接收弱小信號。所以，在其他技術(shù)指標等同的條件下，較高靈敏度的檢波器有更佳的弱小信號響應能力(相當于拓展了接收信號的響應頻帶)。

1.4 失真度

失真度反映的是檢波器輸入與輸出信號的一致性程度，一般用信號的相位和幅度差異來衡量，或者用各次諧波分量總和與基波分量之比計算。在幅頻響應曲線上一般不能直觀地反映失真度與響應頻帶的關(guān)系，但對于特定的檢波器而言，失真度越大其幅頻響應曲線就越不平滑，特別是在阻頻帶內(nèi)會引入更多的檢波器噪聲。所以，同等技術(shù)條件下失真度小的檢波器更有利于保護弱小輸入信號，即相當于有更寬的地震信號響應頻帶。

1.5 阻尼系數(shù)

阻尼系數(shù)是指檢波器并聯(lián)衰減電阻(或負載)后慣性體自主運動衰減快慢的相對比值。如圖1 所示，阻尼系數(shù)與阻頻帶內(nèi)輸出電壓上升速度密切相關(guān)，阻尼系數(shù)越小上升的速度就越快；另一方面，阻尼系數(shù)與自然頻率點附近振幅的起伏(振蕩)程度密切相關(guān)，阻尼系數(shù)越小振蕩周期越長。當其他技術(shù)指標一致時，阻尼系數(shù)越小越有利于低頻地震信號的接收。所以，同等條件下較小阻尼系數(shù)的檢波器更有利于拓展低頻端的頻帶。阻尼系數(shù)、靈敏度、自然頻率等相互制約，較小的阻尼系數(shù)勢必犧牲一定的層位厚度分辨能力。實際工作中，為使檢波器有較好的響應效果，通常選擇0.7左右的阻尼系數(shù)。

1.6 假頻

假頻是檢波器在橫向(垂直于檢波器線圈的軸向)上的共振頻率，即在此頻率點檢波器的橫向靈敏度(將橫向振動轉(zhuǎn)換為縱向輸出的能力)最大。縱波勘探不希望橫向靈敏度的干擾，好在相比縱向靈敏度橫向靈敏度一般都很小。表1列出了一組10 Hz自然頻率檢波器的假頻和縱向、橫向靈敏度實際測試數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)說明橫向靈敏度比縱向靈敏度小10倍以上，即在強振幅信號輸入下縱橫靈敏度之比大于10。實際上，弱小信號輸入時縱橫靈敏度之比一般大于30。所以，對于制造工藝和技術(shù)都較高的檢波器，一般可忽略假頻干擾對響應頻帶的影響。但對于早期技術(shù)的傳統(tǒng)型檢波器，假頻帶來的干擾有時也會影響較高頻弱小信號的接收。所以，為保真地響應較高頻弱小地震信號，就應該盡可能地提高假頻并降低橫向靈敏度。

此外，檢波器還有阻抗、容差、允許傾角等技術(shù)指標，這些指標與響應頻帶關(guān)系較小。

表1 檢波器的縱橫向靈敏度實測結(jié)果

注：測試方法是，以同樣的驅(qū)動速度(占最大允許25%)分別作為檢波器的縱向和橫向輸入，測量對應的輸出信號幅度，進而折算出相應的靈敏度。

2 阻頻帶內(nèi)技術(shù)特性

通過對檢波器技術(shù)指標與響應頻帶關(guān)系的討論可以得出兩個要點，一是自然頻率、靈敏度、失真度、阻尼系數(shù)等是影響檢波器響應頻寬的關(guān)鍵；二是靈敏度、失真度等指標在阻頻帶內(nèi)極不穩(wěn)定，并且呈現(xiàn)頻率越低指標值就越差的態(tài)勢。檢波器的某些技術(shù)指標只在通頻帶內(nèi)穩(wěn)定且滿足標稱值要求，而在阻頻帶內(nèi)卻極不穩(wěn)定且明顯偏離標稱值。為了量化說明阻頻帶內(nèi)檢波器失真度等技術(shù)指標的變化規(guī)律，以及這種變化對輸入響應效果的影響，下面就以實際測試數(shù)據(jù)為支撐，系統(tǒng)地討論檢波器的低頻端截止響應頻點。

表2列述了3種(G1、G2和G3)在全球廣泛應用的高精度檢波器的靈敏度和失真度在阻頻帶內(nèi)和自然頻率附近的實際測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，而對應的靈敏度和失真度標稱值如表3所示。通過分析表2中的測試數(shù)據(jù)便可發(fā)現(xiàn)，阻頻帶內(nèi)的靈敏度和失真度極不穩(wěn)定，遠不能滿足表3 所示的標稱值要求，并具有頻率越低結(jié)果越差的變化規(guī)律。

在阻頻帶內(nèi)失真度和靈敏度等隨頻率減小而快速變差，導致檢波器在極低頻率信號激勵下輸出信號弱小且伴隨有豐富的噪聲，反映到地震信號響應效果上就是分辨極低頻率弱小信號的能力變差。事實上，當輸入信號頻率低到使檢波器的有效響應輸出和伴隨噪聲相當時，便進入無效工作頻段的拐點，此拐點即為截止響應頻率點，下文稱此為“死亡”頻點。對于低于“死亡”頻點的輸入信號，檢波器的輸出沒有利用價值，只有高于“死亡”頻點的輸入信號才可能被檢波器有效響應。阻頻帶內(nèi)技術(shù)指標隨頻率減小而變差的速度越慢，檢波器的“死亡”頻點就越低。因此，充分提高阻頻帶內(nèi)失真度、靈敏度等的穩(wěn)定性，也有利于拓展檢波器的響應頻帶。

表2的測試數(shù)據(jù)還說明，對于油氣地震勘探常用的10 Hz左右自然頻率檢波器，可有效響應極低頻信號的能力和自然頻率fN相關(guān)度最高。有關(guān)研究成果和應用效果也表明，對于混頻(非單一頻率)輸入信號，油氣勘探檢波器的“死亡”頻點一般在fN/4附近。對于技術(shù)指標精度高、穩(wěn)定性好的檢波器，其“死亡”頻點可能略低于fN/4，但就當前的工藝和材料技術(shù)而言“死亡”頻點一般都大于fN/8。雖然自然頻率是檢波器“死亡”頻點的決定因素，但其他諸如靈敏度、失真率、阻尼系數(shù)等也在一定程度影響“死亡”頻點位置。

表2 3種檢波器的失真度和靈敏度在阻頻帶內(nèi)的測試數(shù)據(jù)

注：測試時保持輸入信號的驅(qū)動速度不變，輸出為開路狀態(tài)。由于G2和G3是10 Hz自然頻率檢波器，在1 Hz測試信號條件下失真度和靈敏度極不穩(wěn)定，所以表中沒有列出相應測試數(shù)據(jù)。

表3 3種檢波器的自然頻率、失真度和靈敏度標稱值

3 寬頻檢波器標志性指標

以獲取更寬頻地震信息為根本目標的寬頻地震勘探是相對常規(guī)地震勘探提出的，在技術(shù)內(nèi)涵上還沒有統(tǒng)一規(guī)范的定義。就當前技術(shù)而言，一般認為陸上油氣地震數(shù)據(jù)采集只要能有效記錄頻帶為2～160 Hz的地震信號，就滿足了寬頻地震勘探的接收條件。按照這一基本要求，能有效響應頻帶為1.5～200 Hz地震信號的檢波器就符合寬頻檢波器的基本技術(shù)特征。

下面將依次討論寬頻檢波器幾項標志性指標。

3.1 自然頻率

自然頻率是決定檢波器“死亡”頻點的第一要素，實際應用效果證明對10 Hz左右自然頻率的檢波器，能有效接收的混頻輸入地震信號的截止頻率一般在2.5 Hz左右，即“死亡”頻點在fN/4附近。因此，為了能有效響應1.5 Hz甚至更低頻率的地震信號，檢波器的自然頻率應不大于6 Hz，這是寬頻檢波器對自然頻率的基本要求。

3.2 靈敏度

靈敏度直接反映的是單位時間內(nèi)殼體位移量(速度)與檢波器輸出電壓量的關(guān)系?？紤]到地面弱小的位移量小至微米級，而地震儀器可有效分辨的最小信號通常是微伏級，那么為了能有效響應并記錄微弱的地震波[8]，就應該使檢波器在微米級位移激勵下至少能保真地輸出微伏級的電信號。根據(jù)這一目標，并結(jié)合阻頻帶內(nèi)靈敏度隨頻率總體以12 dB/Oct衰減的規(guī)律，5 Hz自然頻率檢波器在1.25 Hz處要實現(xiàn)每秒位移1 μm時有5 μV的電壓輸出，靈敏度至少為80 V/(ms-1)。所以，5 Hz自然頻率寬頻檢波器的靈敏度一般應大于80 V/(m·s-1)(如果自然頻率更低對應的靈敏度也可再小些，反之就要更大)。

3.3 失真度

失真度越小越有利于拓展檢波器的響應頻帶，但就當前的工藝材料技術(shù)而言，0.01%的失真度已經(jīng)做到頂級?？紤]到低自然頻率的檢波器制造工藝更為復雜，所以寬頻檢波器的失真度以不大于0.05%為宜。

3.4 阻尼系數(shù)

阻尼系數(shù)顯性的作用是影響阻頻帶內(nèi)靈敏度的變化速度，且相對小時更有利于低頻弱小信號的接收。過小的阻尼系數(shù)會影響檢波器的層位厚度分辨能力，所以寬頻檢波器的阻尼系數(shù)保持和常規(guī)檢波器相當即可。

由此可見，寬頻檢波器的根本特征是低自然頻率和高靈敏度，失真度和阻尼系數(shù)等僅可以略微改善頻帶響應特性。其他諸如阻抗、容差等技術(shù)指標與檢波器的響應頻帶相關(guān)程度較低?？傮w的原則是，任何一項技術(shù)指標精度的提高都有利于響應效果的改善，所以充分提高指標的精度是改進寬頻檢波器響應性能的途徑。

4 寬頻檢波器相關(guān)技術(shù)

寬頻檢波器僅是寬頻地震信號接收環(huán)節(jié)的一個重要部件，而地震儀器等也是寬頻信號接收必不可少的關(guān)鍵所在。為從裝備環(huán)節(jié)掌握寬頻地震信號接收的整體技術(shù)，這里就與寬頻檢波器技術(shù)直接相關(guān)的寬頻地震儀器技術(shù)和寬頻檢波器測試技術(shù)等也進行適當?shù)挠懻摗?/p>

與寬頻檢波器技術(shù)相似，寬頻地震儀器技術(shù)也主要反映在對低頻弱小信號的分辨能力上。當代地震儀器一般都采用ΔΣ技術(shù)的24位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器[9]，其動態(tài)范圍超過120 dB，能分辨微伏級甚至更低的弱小信號。地震儀器的高頻信號響應能力一般可達2 kHz以上(實際受采樣間隔限制能接收的高頻地震信號在1 kHz左右)，遠高于200 Hz的基本要求。但響應低頻信號的能力因地震儀器類型不同會有明顯差異，如早期的Scorpion、Aries等低截止頻率為3 Hz，而近幾年問世的G3i低截止頻率為1 Hz，428XL和508XT的低截止頻率更是低于0.5 Hz?？紤]到寬頻地震勘探至少要能保護1.5 Hz 的低頻地震信號，所以只要地震儀器的低截止頻率不高于1.5 Hz就能滿足寬頻接收地震信號要求。從這一意義上講，目前具有國際先進技術(shù)的G3i、428XL、508XT等都是寬頻響應地震儀器。

根據(jù)此前的討論結(jié)果可知，寬頻檢波器的突出特點是自然頻率低(不大于6 Hz)、靈敏度高(不小于80 V/(m·s-1))。而當前通用的檢波器測試儀主要是針對自然頻率不低于8 Hz檢波器開發(fā)的，對于6 Hz或更低自然頻率的檢波器尚無通用且可靠的測試手段。為了全程保證和有效監(jiān)控寬頻檢波器的質(zhì)量，就應該配套研發(fā)寬頻檢波器測試技術(shù)和相應的測試儀，進而形成完整的寬頻檢波器技術(shù)體系。

5 認識與建議

作為討論寬頻檢波器技術(shù)的體會和外延，現(xiàn)就在實際技術(shù)工作中積累的幾點粗淺認識和建議概述如下。

(1)檢波器的標稱技術(shù)指標受通頻帶約束。靈敏度、失真度、容差等指標僅在通頻帶內(nèi)比較穩(wěn)定且總體滿足標稱值要求，但在阻頻帶內(nèi)這些指標很不穩(wěn)定且一般都偏離標稱值。為減少非線性失真和內(nèi)部噪聲帶來的地震信號損失，應根據(jù)地震波的有效頻帶范圍選擇合適自然頻率的檢波器，以使檢波器工作在通頻帶區(qū)域。

(2)失真度僅反映檢波器在特定頻點的保真效果?，F(xiàn)階段失真度是在通頻帶內(nèi)輸入單頻激勵信號再測量檢波器的輸出基波分量及各次諧波分量，然后用各次諧波分量與基波分量比來表示。此方法得到的失真度僅反映測試信號頻點的保真效果，并不能客觀代表檢波器在整個通頻帶內(nèi)的保真能力。為真實全面測試檢波器保真效果，應該用全頻掃描或多頻點統(tǒng)計方式來測試檢波器的失真度，至少應在通頻帶內(nèi)選擇有代表性的高、中、低3個以上頻點來測量檢波器的平均失真度。

(3)研發(fā)配套寬頻檢波器通用檢測技術(shù)。通用檢波器測試技術(shù)不能滿足低自然頻率、高靈敏度寬頻檢波器測試需要，應研發(fā)適合寬頻檢波器的檢測技術(shù)和儀器，以便有效保障寬頻檢波器的性能質(zhì)量。

(4)第二代MEMS數(shù)字檢波器是接收寬頻地震信息的極佳選項。近幾年國際知名物探裝備制造廠商研發(fā)并推向市場的第二代MEMS數(shù)字檢波器，具有響應頻帶寬(0.1～800 Hz)、噪聲小(約為第一代為的1/3)、靈敏度高、失真度小、功耗低等突出優(yōu)點，利于保真地接收寬頻地震信息。

(5)寬頻檢波器技術(shù)是寬頻地震勘探的基礎(chǔ)。電磁感應寬頻檢波器的關(guān)鍵技術(shù)在彈簧片的材料、結(jié)構(gòu)、工藝和裝配等方面，研究檢波器的新型材料和工藝是突破現(xiàn)行技術(shù)瓶頸的唯一出路。

應該強調(diào)的是，這里僅僅討論了電磁感應原理速度型寬頻帶檢波器技術(shù)，并不能反映寬頻地震信息接收技術(shù)的全局，更不能代表寬頻地震勘探技術(shù)主體。實際上寬頻地震勘探技術(shù)還涉及多個方面，如寬頻地震信號激發(fā)技術(shù)和寬頻地震資料處理技術(shù)等。限于個人的技術(shù)水平和理論功底，此處就寬頻檢波器技術(shù)所做的探討既不全面也不深刻，所提出的某些觀點也欠深思熟慮和實踐檢驗，不妥之處敬請廣大技術(shù)同仁指正。

在準備撰寫此文的資料收集過程中，得到了俊峰公司王延勝總工程師和西安物探裝備分公司薛立武副處長等的大力支持和幫助，特此申明并衷心感謝！

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2016-09-29

羅福龍(1961-)，男，江漢石油學院地震勘探儀器專業(yè)畢業(yè)，教授級高級工程師，主要從事地震采集裝備技術(shù)工作，河北省涿州市范陽中路307號國際樓裝備服務(wù)處，Tel：0312-3820843，E-mail：luofulong@cnpc.com.cn。

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1009-282X(2016)06-0029-05