地震仪器性能指标讨论

罗福龙

（东方地球物理勘探公司 装备服务处，河北 保定 072751）

0 引言

地震仪器［1］（以下简称仪器）是地震勘探必不可少且极为重要的精密电子测量设备，从地震波的激发、接收、数字化到记录都在仪器控制下完成。所以，仪器的技术水平、性能品质、应用效果，尤其是与地震勘探密切关联的综合技术特性，直接关系到地震资料采集的品质和经济效益，甚至影响资源勘查工程的成败。

由于仪器的综合技术特性对地震信号的保真等具有决定性作用，所以地震勘探就特别关注和重视仪器性能指标。为了及时有效掌控仪器的技术特性，进而为地震资料采集提供质量和效益保障，便特别设置性能指标参数来衡量和检验仪器能力，并以此作为评价和判定仪器技术水平的量化依据，这也应该就是仪器性能指标的由来和意义所在。

起初，性能指标是针对光点模拟仪器设置的。基本做法是将与地震资料品质密切相关，且有必要量化控制的仪器技术属性，如接收频带、失真系数、放大倍数、系统噪声等，以性能指标形式进行标定。实际工作中，一般通过调校和测试手段来掌控仪器性能指标，并以此判定仪器综合技术特性和工作能力。几十年来，地震勘探行业一直习惯按此方法理解和应用仪器的性能指标。

随着科学技术的发展和进步，仪器也经历了多次的更新换代，当前已发展为以ΔΣ技术为基础的网络遥测数字仪器［2］。与过去的模拟仪器相比，今天的仪器性能指标内涵和外延都发生了质的变化。现行仪器的性能指标不仅体现在响应地震信号能力上，更多的是体现在观测能力和通用物理特性等方面。换言之，当前已不能单纯地从响应地震信号能力来全面衡量仪器的综合技术性能。

综上所述，与几十年前相比，当代网络遥测数字仪器的性能指标，无论是内容还是作用都有着质的不同。传统意义上对仪器性能指标的理解和应用已不适应技术发展的需要。为了更好地控制和利用仪器性能指标服务地震勘探，下面将从实际出发，以地震勘探技术需求为依据，以仪器技术现状为前提，系统地讨论当前仪器性能指标的意义和作用。

1 地震勘探对仪器的要求

从总体上看，资源勘查直接追求的目标反映到地震勘探上，就是要求获取时间精度更高、物理位置更准、信息量更丰富、保真效果更好的地震资料。转换成对仪器的总要求是，具有先进的技术特性，有近乎完美的地震信号响应能力，能满足各种观测和作业方式，有很强的适应性和实用性等。下面就以当前勘探技术需求为前提，系统分析地震勘探对仪器提出的综合性能要求。

1.1 地震资料采集对仪器特性的要求

仪器的核心作用是采集地震资料，所以其根本的技术特性就是能按需保真地响应和记录地震信号。考虑到地震资料采集总是以群体观测方式（许多地震道按特定的观测系统组合同步工作）实施，这就要求仪器还具有适应不同观测方式和作业方法的能力。所以，从满足地震资料采集品质和方式划分，可将地震资料采集对仪器特性的要求细分为地震信号响应能力和观测方式适应能力两个方面。

（1）地震信号响应能力

根据地震勘探中地震信号的属性特点及其质量要求，通常仪器在响应地震信号时需做到：时间同步误差在1／4个采样间隔内，动态范围达到120dB，可识别的弱小信号达微伏级（相当于微米级的移位），相位和幅度失真尽可能地小，响应频带尽可能地宽，这应该是仪器的地震信号响应特性基本要求。

反映到仪器的特性指标上，地震信号响应技术参数一般用系统噪声、谐波失真、同步精度、滤波特性、增益精度等表示。

（2）观测方式适应能力

随着勘探技术的进步，观测系统复杂程度和实时采集道数也日益增加，各种不同特点的高效作业方法也应运而生。这就要求仪器必须具有复杂排列管理能力和源驱动控制能力，同时要求有足够的地震道实时采集能力和海量数据处理能力。

反映到仪器性能指标上，观测方式适应能力主要用基线（排列线）传输率、干线（交叉线）传输率、连续实时采集道数、存储速度、移动激发源管理台数、适应高效作业的种类数等表示。

1.2 施工组织对仪器特性的要求

作为地震勘探的实施组织方（仪器用户），总是希望通过应用先进的仪器，在获取优质地震资料的同时得到丰厚的经济利益。所以，在核心技术指标不落后、主要采集功能不缺失的前提下，施工组织更关心仪器的稳定性、可靠性、耐用性 、便利性、经济性、适应性，以及体积、重量、强度、功耗等直接感受到的物理特性。这些应该就是施工组织（仪器用户）对仪器特性的主体要求，即仪器要“好用”。

为满足施工组织（仪器用户）的要求，仪器总是不断追求低功耗、小尺寸、轻重量、高强度、抗干扰、无故障等物理性能。反映到性能指标上，一般有道平均功耗、道平均重量、道平均尺寸、防水深度、抗拉力、平均无故障时间等项目。

2 主要性能指标综述

仪器的性能指标较多，而且不同类型和生产厂商的仪器在表达方式和名称定义上也有所差异。为了明确各性能指标与地震勘探中资料品质、观测能力、施工组织之间的关系，下面将从地震信号响应特性、观测能力特性、一般物理特性三类性能指标，分别进行其内涵和作用方面的讨论。

2.1 地震信号响应特性指标

地震信号响应特性指标［3］是仪器性能指标的核心构成，因为它们直接关系到所采集地震资料的品质。这类指标是从传统仪器中继承而来，一般都是日、月、检验的具体内容。通常，响应特性指标包括噪声、漂移、谐波失真、地震道一致性、动态范围、计时精度、串音隔离能力、共模抑制比等。下面将从物理意义及其对地震资料品质的影响入手，重点讨论几项与地震信号响应效果密切相关的指标。

（1）等效输入噪声。等效输入噪声是指地震道输入接标准电阻时测量仪器的输出，并将测量结果折算（除以放大倍数）到地震道输入的均方根（RMS）电压值，通常用微伏表示。

等效输入噪声主要由ADC量化噪声和元器件热噪声等构成，工作时直接叠加在输入地震信号当中，所以它是仪器分辨弱小信号能力的决定因素。因此，该指标越低越好，实际上当代仪器的噪声已经做得很好，只有微伏左右（远小于环境和检波器［4］带来的噪声），所以就地震信号保真而言，仪器噪声的影响可勿略不计。

（2）直流漂移。直流漂移是指仪器在响应地震信号时因工作电源作用而附加的直流分量，其测量方法与等效输入噪声一样。直流漂移反映的是仪器对直流信号隔离和抑制能力，它不会直接影响地震信号的品质，但可能会略为影响仪器的动态范围。实际上，当代仪器都有直流漂移自动校准能力，加之量值极低（不足微伏），因此本指标的影响也可勿略不计。

（3）谐波畸变。谐波畸变是仪器响应地震信号时产生的非线性失真，也即产生寄生频率信号的比重，一般用基波信号（输入信号）功率与其各次谐波信号功率总和之比计算，通常用%或dB表示。

谐波畸变是一项综合性能指标，是仪器技术特性组合效果的综合反映，也是衡量仪器技术水平的重要标志。谐波畸变主要影响仪器对地震信号的保真能力，并决定仪器的瞬时动态范围（低频大信号背景下识别较高频弱小信号的能力）。

（4）共模抑制比。共模抑制比是指仪器输入为共模信号时测量其输出，并将所测输出折算到（除以放大倍数）输入，那么共模输入信号的有效值与折算输入信号的有效值之比为共模抑制比，实质上是共模信号放大倍数除差模信号放大倍数，习惯上用dB表示。

共模抑制比主要反映地震道正、负极电路的电气对称性和一致性，是压制共模干扰信号的能力标志。地震信号属于差模信号，环境中的电磁干扰等属于共模信号，所以一般通过提高共模抑制比来增强仪器抗电磁干扰的能力。

（5）地震道一致性。地震道一致性也是仪器的一项综合性能指标，主要包括振幅（增益）一致性、相伴一致性和时间一致性等内容。由于各地震道组成独立，那么要做到所有地震道协同一致工作，确保不同地震道对地震信号的响应效果一致，就必须保证所有地震道的响应特性高度一致。地震道一致性就是衡量各地震信号工作通道在振幅、相伴、时间、频带等特性的相似程度，也是衡量仪器综合技术水平的重要依据。

时间（同步）一致性包括各地震道每次采集零时刻的误差和采集过程中每一个样点的时刻误差两项内容，一般用微秒表示。时间一致性决定仪器可选择的最小采样间隔和最大记录长度。对于具有连续采集能力的仪器，一般采用GPS授时实现计时同步，所以无论什么时候所有样点的时刻误差都能控制在微秒级。对于靠内部计时实现采集同步的仪器，时间一致性（计时精度）是最大允许记录长度的决定因素。

振幅和相伴一致性（有时称增益一致性），主要反映各地震道电路组成性能差异，可能影响的是地震资料的叠加效果。振幅一致性通常用%误差表示，当代仪器一般都能控制在1%以内。相位一致性一般用角度或时间偏移表示，当代仪器大多能在20微秒以内。

（6）串音。串音是指相邻地震道间信号相互干扰的程度，一般用串音隔离（串音的倒数）来衡量，习惯上用dB表示。测量方法是通过对某地震道输入已知的差模信号再测量相邻地震道的输出，那么输入与输出信号的有效值之比为相邻道串音隔离。

串音主要反映地震道之间信号相互感应的程度，也是抗外界干扰的能力标志。所以串音隔离越大越有利于抗拒相互干扰，当代仪器一般都能做到100dB以上。

除此之外，还有输入阻抗、最大允许输入、ADC位数、动态范围等电气特性类指标。由于这些指标意义直观，或可由其它指标换算而来，这里不再赘述。

2.2 观测能力指标

观测能力指标，是指仪器为满足可能采用的观测系统、排列布设方式和采集作业方法而设置的性能指标，主要反映仪器的带道能力、作业方法支持能力、数据路径选择能力、数据传输和存储能力等。随着物探技术的发展，仪器的观测能力指标也在不断增强和充实，这就导致此类指标因仪器不同而存在明显差异。事实上，观测能力指标是区别现代仪器综合技术性能的关键所在，也是衡量仪器技术先进程度的主要依据。现阶段描述观测能力的指标主要有数据传输率、实时采集道数、数据存储速度、移动激发源管理台数和组数、支持先进高效作业方法的种类数、复杂排列的路径自由度等。

随着网络遥测通信技术的不断发展和完善，仪器的观测能力类指标也在不断充实和规范当中，目前比较成型的有基线（排列线）数据传输率、干线（交叉线）数据传输率、连续采集功能、系统实时最大数据处理流量、数据存储速度、实时管理可控震源台数、排列信息传输路径自由度等。这些指标决定仪器的最大二维实时采集地震道数、三维实时采集地震道数、复杂排列设计和管理能力、各种高效采集［5］支持能力、海量数据处理和存储能力等。综合地看，这些指标是仪器系统硬件平台和软件平台先进程度的体现，也是满足“高、精、尖”现代地震勘探技术需求的核心要素。虽然这些指标不直接影响地震资料品质，但却影响先进观测方式和作业方法的实现，所以越来越成为竞争高端物探市场的必备技术条件。

2.3 常规物理特性指标

对于施工组织而言，在满足勘探技术和质量的前提下，总是希望仪器足够地“好用”，也即能够用较少的投入和付出争取更多的利益回报。实践证明，仪器“好用”与否主要取决于常规的物理特性，这些特性通常包括稳定性、可靠性、实用性、适应性、便利性、经济性等。虽然这些特性并不直接影响地震资料品质，但却直接影响施工组织的速度、难度和效益，所以倍受仪器用户关注和重视。事实上，这些物理特性指标还是衡量仪器工艺、材料、结构等技术水平的主要参考。

仪器的常规物理特性指标相当广泛，目前尚无完全统一和规范的定义，但普遍认可且作用明显的内容有体积、重量、强度、功耗、寿命、防水深度、工作温度、系统速度、完好率、抗干扰能力、平均无故障时间等。由于这些特性指标的物理意义和作用简单明了，这里不对其做更具体的说明。

3 当前性能指标问题分析与审视观点讨论

国际上，有销售业绩的地震仪器制造公司多于十家，不同公司生产的仪器甚至同一公司生产的不同类型或年代的仪器，所标称的性能指标各不相同，这就为仪器用户理解和应用这些指标带来诸多困难。那么，现行仪器的性能指标主要存在些什么样的问题？这些问题又有什么样的危害？实际工作应如何去理解和把握尚不规范统一的仪器性能指标？弄清楚这些问题，自然可以为更有效地应用先进仪器提供支持和参考。

3.1 问题分析

虽然仪器的性能指标在细节上千差万别，但关键项目基本相同且本质作用总体一致，所存在的问题也大同小异。综观当前国际比较流行的仪器，结合实际应用体会，大致可把性能指标存在的问题归结为如下几个方面。

（1）为商业利益服务

表面上性能指标都是衡量仪器特性和技术的量化参数，实质上生产厂商往往为了经济利益，有意用一些“镜子”手法突出某些特性的正作用而勿略其副作用，进而误导用户对仪器特性的全面理解。例如，节点仪器没有电缆的特点，厂商总喜欢宣传其重量轻、环境友好、施工便利的一面，但却不直接说明其不利于设备安全和地震数据实时质量监控的一面。

（2）没有统一规范的定义和格式

不同仪器对其性能指标的表述多种多样，就是完全相同的概念，不同厂家也有不同的内涵。例如，同是动态范围这一指标，有的用最大允许输入与对应的等效输入噪声比表示，有的用ADC位数表示，还有的用谐波畸变表示。又如，同是脉冲响应指标，有的用响应的幅值和相伴误差表示，有的则用响应的频谱特征表示。这种不规范不统一的表示形式，导致不同仪器间同类性能指标物理意义不尽相同，且不能用统一的技术标准来指导各种仪器的质量检验。

（3）检测方法不一致

现代仪器的响应特性指标都是通过自身配置的软件进行检测，检测的结果也只能由软件按内设的门槛值进行判定，也即检测方法各自独立。单从数值上看，不同仪器同一指标的测试结果可能存在明显差异。这就使得不同仪器间同类性能指标没有量化可比性，也使得实测结果和仪器的固有性能没有完全的等同关系。实际上，不同仪器的指标测试方法、数学模型、运算程序都各不相同。实践也证明，测试结果的差异不仅取决于仪器的固有技术特性，更多取决于测试信号源精度、测试信号通路和运算软件的差异。不过，第三方检验证明，采用ΔΣ技术［6］的各类仪器，其响应特性指标实测值总体一致。

3.2 审视观点讨论

针对当前仪器性能指标存在的问题，实际工作中应如何处置？各类性能指标的内涵应如何把握？下面根据笔者的实际工作经验，来讨论仪器性能指标的应用和理解问题。

（1）不同仪器间同类指标不宜量化比较

由于不同仪器之间存在对同类指标在定义方式、测量方法等的差异，说明标称的指标不能准确反映仪器的固有特性，且不同仪器的同类指标表达的物理意义也不尽一致。所以，不能用标称指标或自身实测结果直接比较仪器技术特性的优劣，这也是理解和应用仪器技术检验标准要引起注意的问题。

（2）特性指标的量值差异不影响地震资料品质

虽然各种仪器的性能指标可能存在明显差异，但只要是采用ΔΣ技术的仪器，实际应用效果证明，在响应地震信号能力上没有本质差异。这是由于指标差异不代表响应特性差异，即使响应特性存在细微差异也远没有环境或检波器对地震信号的影响大。换言之，除抗干扰能力外，就保证地震资料品质来说，选择什么样的仪器都一样。

（3）地震信号响应特性指标总体一致

地震信号响应特性指标是仪器电气特性的反映，而电气特性又主要取决于基础元器件的技术特性。考虑到当今的仪器一般都选择全球顶级技术特性的电子器件，且都以ΔΣ技术为基础，所以最终决定不同仪器的地震信号响应特性总体一致。虽然不同仪器对性能指标的定义和测试方法有所不同，导致指标表现形式等也略有差异，但实际测试总体证明采用ΔΣ技术仪器的响应特性指标基本一致。

（4）常规物理特性决定仪器的使用效果

实际生产应用直接感受到的更多是仪器的常规物理特性、生产速度是否快、设备是否方便用、适应性是否强等主要物理特性。这是因为可靠性、稳定性、便利性、耐用性、适应性、实用性等，直接关系仪器是否“好用”，也是赢得用户口碑的关键因素。实际上，施工组织更关心仪器的常规物理特性，因这是获取良好经济利益的基础。

（5）观测能力指标体现仪器的先进和完备程度

设计制造仪器的难点和区别主要在于系统的各种先进、高效的观测能力，而且仪器的技术水平和竞争力也主要由这些能力来体现。地震信号响应能力和常规物理特性是仪器的基础和必备特性，属共性类指标且技术难度也不高。但观测能力特性属个性类指标，而且技术难点多。仪器是否适应各种先进、高效的观测方法、满足各种复杂的观测系统，是否有足够快和强的海量数据采集、存储能力，都取决于仪器观测能力方面的技术指标。虽然这方面的指标既不直接影响地震资料品质，也不影响用户的直观感受，但却影响其参与高端市场的竞争力，也影响先进、高效观测技术和方法的实现。所以，观测能力指标是衡量仪器先进程度和竞争力的重要标志。

4 认识与建议

通过上述讨论，并结合长期从事仪器应用技术工作的经验和积累，就仪器性能指标的理解和应用提出如下几点认识和建议。

（1）仪器性能指标仍有提高的空间和必要

尽管当前仪器的综合性能指标可以较好地满足地震勘探技术需求，特别是能充分满足地震信号响应保真的需求。但从满足和引领物探技术发展角度看，仪器的性能指标，特别是常规物理特性指标和观测能力指标，还有许多完善和提升的空间。因此，为满足未来物探技术发展的需要，仪器性能指标仍需提高。

（2）统一和规范仪器性能指标意义重大

当前仪器的性能指标既不统一也不规范，导致用户很难直接依据指标来区别仪器性能，也无法制订统一的技术检验标准，进而造成指标作用隐形化。为了简化用户的工作并显性化性能指标的作用，就十分有必要在全球范围内统一和规范仪器性能指标的定义和表述。考虑到仪器生产厂家的利益，加之缺乏能够规范的权威组织，短时间内或许很难统一和规范仪器的性能指标。