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1、高分辨率地震检波器综述朱卫星（中国石油大学（华东）地球资源与信息学院，山东东营257061）摘要：地震检波器作为地震信号的接受装置，检波器的性能是高分辨率地震数据采集中的一个重要因素，对地震资料的品质影响很大。因此，随着高分辨率地震勘探的发展，地震检波器的发展也越来越受到人们的关注。本文就是针对国内外地震检波器的发展状况做一个归纳和总结。关键词：地震勘探；地震检波器；高分辨率；动态范围，光栅Review of seismic geophone of high-resolutionZhu Weixing(Faculty of Resource and Information Technology
2、，University of Ptroleum of China,Dongying 257061，China)Abstract：As the acceptation installment of seismic signal, the characteristic of seismic geophone is an important factor in acquisition of domestic high-resolution seismic data, which affects the attribute of seismic data very much. So with the
3、development of high resolution seismic exploration, the development of seismic geophone also more and more receives peoples attention. This article is aims at the development condition of the domestic and foreign seismic geophone to make an induction and the summary.Keyword: seismic exploration; sei
4、smic geophone; high resolution; dynamic range; grating 引言高分辨率地震勘探技术是一个系统工程，主要包括数据采集、数据处理和资料解释三个重要环节。这种采集的特点在于取得高质量的原始地震数据，比常规方法采集的接收动态范围更大、频带更宽、失真度更低、信噪比更高的地震信号。地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的机电转换装置，是应用于石油地震勘探及工程测量领域的专用传感器。随着高分辨率地震勘探技术的进一步发展，对检波器的精度要求也越来越高。高保真度、高瞬时动态范围和高分辨率的地震检波器越来越受到地球物理学专家们的重视。本文就是对近年来高分辨率地震
5、检波器做一个综述。1、常规检波器目前，国内外地震勘探基本上仍使用模拟检波器，模拟检波器具有以下优点：(l)模拟检波器便宜且耐用。(2)模拟检波器自供电 且有较大动态范围。(3) 正确使用模拟检波器组合可提高信噪比。因此模拟检波器是一项成熟的技术，并没过时，仍将在较长时间内、在噪音大的地形情况下进行地震采集较经济的选择方案。1.1、动圈式检波器和涡流检波器地震检波器由磁铁、外壳及悬挂在前两者之间的运动线圈(动圈) 组成，线圈两端接线柱，如图 1 所示。.检波器的构造决定了它必然存在磁电效应和电动力效应，并决定了当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，感应电动势
6、的大小随检波器外壳振动变化。图地震检波器的结构检波器的幅频响应是高通的 1，目前采用的动圈式检波器的幅频响应可分成 2 段: 在低于自然频率的频段上，以大约 12 dB/OCT 的陡度向低频方向下降 ;在高于自然频率的频段上，趋于固定值。因此对动圈式检波器而言，只有存在低于自然频率的部位，才有高频补偿作用。涡流式检波器的幅频响应在低于自然频率的频段上，以 18 dB/OCT 的陡度向低频方向下降，在高于自然频率的频段上，以 6 dB/OCTT 的陡度向高频方向上升，2 段陡度都比动圈式增加了 6 dB，因此其高频补偿作用明显优于动圈式检波器(图)图检波器的幅频响应曲线图是在泌阳地区高分辨率地震
7、勘探中，进行了动圈式(14Hz)与涡流式(SWJ 一 2 型)检波器对比试验图。现场处理表明，用 SWJ2 型检波器采集的资料较之 14Hz 检波器的能量要高出一倍，分辨率也有较大提高。涡流式检波器具有压制低频能量，提升放大高频分量的作用 2。图、动圈式（a）和涡流式（b）检波器效果对比图1.2、压电检波器目前国内外应用于地震勘探领域的压电晶体检波器有两种，分别为压电压敏型检波器和压电加速度型检波器。成功地用于海上、沼泽勘探的地震检波器大多是压电压敏型检波器，又称为水听检波器。压电压敏型检波器是以压电晶体为转换元件，输出与所受压力成正比的压力一电荷或电压转换装置。它主要由本体、弹性敏感元件和电
8、压转换元件组成(实际工作中的地震压电检波器的内部结构剖面如图所示)图、压电检波器内部结构剖面图 图、压电加速度检波器结构示意图压电加速度型检波器是以压电晶体为转换元件，输出与加速度成正比的加速度电压转换装置。通常用于工程振动测量。它是在压电转换元件上，以一定的预紧力安装一惯性质量块，惯性质量块加一预紧螺母(或弹簧片) 就可以组成一个简单的压电加速度检波器。其结构示意图如图所示。一般地震压电检波器的电压输出与频率响应的特性曲线如图所示。通常它具有以下优点(1)、高保真度 (2)、大动态范围(3) 、宽频带(4)、相位差极小（理论上为零）(5)、高灵敏度和高敏感性。图、压电检波器的电压输出与频率响
9、应的特性曲线2、数字检波器地震检波器近年来取得较大进展的是以 MEMS 技术为核心的数字检波器，美国 I/O 公司和法国 Sercel 公司都相继推出了数字检波器，目前已进人野外实用阶段，国内有关检波器厂家和科研单位也开展了数字检波器的研究，取得了一定的效果。MEMS 数字检波器具有高精度、正交三分量、最小轴间串音和足够大的带宽等优点，非常适合作为矢量采集的检波器。矢量采集不仅可以获得多分量数据，而且可以利用全波场记录和矢量滤波压制 P 波数据的噪音和各种干扰。MEMS 机械震动系统由质量体、弹簧、端盖、框架构成，质量体的两面镀有金属导电物，在端盖与质量体相对的面上也就是顶盖和底盖上也镀有金属
10、，这样就形成了一个差动电容器，加上相应的电路就可以成为电容式加速度传感器。MEMS 是由四片独立晶片组合而成为完整的微机械震动系统，如图所示。图、 MEMS 微电子机械系统的横截面图为 MEMS 传感器工作原理示意图，其下端盖与质量体之间的电容为 C1，施加的电压为 U1，其上端盖与质量体之间的电容为 C2，施加的电压为 U2。未加电压时传感器处于休眠状态，重力 g 向下拉质量体，此时 C1 C2;加电后启动循环，调整 U1 与 U2 的大小，以产生一个力来克服重力，直到 C1= C2,F1+F2 =g，传感器达到平衡，准备记录信号。当接收到沿工作轴向的地震信号时，C1 与 C2 的值被持续不
11、停地采样测量，它们的比值随着质量体试图移动而不停变化，同时负反馈循环回路改变 U1 与 U2 的大小以产生补偿，从而使质量体位于中心不变;根据为保持质量体位于中心不变所需的校正而得到传感器的输出。而垂直于传感器工作轴向的地震信号则被支承弹簧阻止，不产生信号输出。图、MEMS 传感器工作原理示意图MEMS 数字检波器采用加速度传感器，工作在谐振频率之下，而常规动圈式检波器采用速度传感器，工作在谐振频率之上，这个差别使得 MEMS 数字检波器与常规检波器有着完全不同的结构和性能：a、数字检波器内部具有微化的 24 位 ADC 电路，直接输出 24 位数字信号，即采用全数字传输信号；b、动态范围可达
12、到 120dB，比传统检波器的动态范围至少高出 50dB60dB；c、谐波畸变指标小于 0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；d、数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在 1Hz - 800 Hz 范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；e、超低噪音特性；f、极高的向量保真度； g、不受外界电磁信号干扰的影响，如人电、工业高压线或地下电缆等干扰；h、系统加电后能自动进行倾斜度和重力测试；i、MEMS 加速度传感器特别适用于记录低频反射信号，如来自主要岩石地层边界的反射；j、 MEMS 数字检波器的振幅校准能力及不随时间温度变化的稳定性优于常规检波器。K、MEMS 加速度传感器的瞬
13、时动态范围可高达 90dB，优于常规检波器(不高于 60 dB)，因此， MEMS 数字检波器适宜记录强噪音背景下的弱信号(近炮检距道) ，而常规检波器适宜记录有弱噪音背景的深层弱反射信号(远炮检距道) 。图是模拟检波器和数字检波器记录能量随反射时间变化的曲线图，可见模拟检波器能量的动态范围小于数字检波器。图 10图 12 分别为某工区的数字检波器和模拟检波器的单道记录、频谱分析和纵波剖面。由图可见，数字检波器采集的数据高频成分能量强，频带宽，单个数字检波器比组合的模拟检波器在浅层有较高的分辨率，深层低频信号频率有所提高，但信噪比相对较低。图、模拟检波器(a)和数字检波器 (b)的能量曲线图
14、10 单道记录对比 图 11 单道记录频谱分析(时窗 13001500 ms)图 12 数字检波器(a)和模拟检波器 (b)的纵波剖面3、光栅检波器3.1、布拉格光栅 (FBG)检波器布拉格光栅(FBG)检波器是一种新型的光纤检波器，是根据光纤折射率随照射光强的变化而变化的光敏特性制成的，能将地震波转换为光的变化来传输。 FBG 传感器探头尺寸小，与光纤耦合损耗小，抗干扰能力强，性能稳定。因此，一根光纤中可串接数以千计的检波器，传输过程中不必考虑衰减的影响，没有电磁干扰影响，地震信号不失真，而目野外施工方便.费用低。因此 FBG 传感器3 8有以下技术优势： 1)探头尺寸小，如图 13所示；2
15、) 易于与光纤耦合，耦合损耗小； 3)波长调制型，抗干扰能力强； 4)集传感与传输于一体，具有很强的复用能力，易于构成传感器网络；5)测量对象广泛，易于实现多参数测量；6)可以直接检测温度和应力应变，实现其他许多物理量和化学量的间接测量；7) 重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠。FAG 传感器的这些优点使其在地震勘探领域具有良好的应用前景。图 13 FBG 传感器3.2、FBG 地震检波器原理基于 FBG 原理制作的地震检波器的原理框图如图 14 所示。每个检波器的核心是两个完图 14 FBG 检波器原理框图全一样的 FBG(不同的检波器 FBG 的栅距不同)，一个安置在对波动敏感的材料
16、上作为检测光栅，一个包裹在对波动不敏感的材料中作为参考光栅。在没有地震波时，检测光栅与参考光栅输出的 FBG 反射波中心位置完全相同，经过比较和光电检测，其输出是 0 或微小的电路、光路噪音。在地震波到来时，由于参考光栅包裹材料对地震波不敏感，其反射波中心位置不动，而检侧光栅的尺度随着地震波发生微小的改变，引起 FBG 反射波中心相位随之发生变化，检测光栅的波长反射中心与参考光栅的波长反射中心经过鉴相器比较，由光电检测系统检测出地震的波动电信号。由于 FBG 检测的是光的相位移动，不必考虑幅度衰减的影响，所以在一定长度内不必增加光的放大器件，光的传输过程也不会受到电磁信号干扰的影响，地震信号从检波器到仪器不会产生失真。这样在地震勘探时，地震仪以外仅仅是 FBG 检波器之间用光缆简单地串联，而现有的采集系统必须在每个检波器上数字化或每几个检波器使用采集站对模拟信号进行数字化处理以消除干扰。众
