单道地震电缆检波器线性组合特性分析

万芃，温明明，牟泽霖

（1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州510075；2.国土资源部广州海洋地质调查局，广州510075）

单道地震电缆检波器线性组合特性分析

万芃1，2，温明明1，2，牟泽霖1，2

（1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州510075；2.国土资源部广州海洋地质调查局，广州510075）

单道地震电缆采用检波器线性组合方式，单道地震剖面的信噪比和分辨率与检波器线性组合特性密切相关。将对检波器线性组合方式的方向特性和滤波特性进行了理论分析，并结合海上试验数据，对不同勘探目的、作业水深和检波器线性组合参数条件下的单道地震剖面及其频谱进行对比分析。研究结果认为：在浅水海域，或探测目标层较浅的海洋单道地震勘探中，可选择检波器数量较少且相邻检波器间距较小的检波器组合方式，以提高资料分辨率；而在深水海域和探测目标层较深的海洋单道地震勘探时，应该选择检波器数量较多且相邻检波器间距较大的检波器组合方式，以改善资料信噪比。

单道地震、接收电缆、检波器、分辨率、信噪比

万芃，温明明，牟泽霖.单道地震电缆检波器线性组合特性分析[J].华南地震，2015，35（2）：60-66.WAN Peng，WEN Mingming，MU Zelin. Characteristics Analysis of Geophone Linear Array in Single-channel Seismic Cable[J].South china journal of seismology，2015，35（2）：60-66.]

0　引言

单道地震探测系统是一种可用于水域高分辨地震勘探的调查设备，主要由震源、接收电缆以及震源触发控制和数据记录主机组成[1]。单道地震电缆采用检波器线性组合接收技术，通过多个检波器串联或并联连接，线性排列密封在充满油的塑料管内，拖曳在作业船船尾接收地震反射信号。作为单道地震系统的信号接收单元，它的接收性能将直接影响最终剖面质量。

一直以来，在地震勘探中，噪音是提高资料分辨率的最大“公敌”[2]。在地震勘探中，利用检波器线性组合的方向特性和滤波特性，作为提高资料信噪比的主要手段之一，已经被广泛应用于实际野外资料采集系统中[3-4]。然而，检波器线性组合的低通滤波特性，在提高了资料信噪比的同时，也损失了有效信号的高频成分，致使有效信号的频带宽度变窄，这样就降低了资料的整体分辨率[5-6]。目前，国内外针对陆地地震的检波器组合特性研究较多[7-8]，而针对海洋地震勘探中的检波器线性组合特性研究较少。检波器线性组合具两面性，即提高资料采集信噪比的同时降低了采集分辨率。在海洋单道地震勘探中，针对不同勘探目的和作业水深，如何选择适当的检波器线性组合参数，压制水体中的高频噪音和随机噪音，提高资料的信噪比，又能保证采集分辨率，最终获得高质量的采集资料，这一问题一直是开展高分辨海洋单道地震勘探技术方法研究过程中的难点。

本文将从水声学的基础理论研究出发，结合野外试验，对不同勘探目的、作业水深和组合参数条件下的检波器线性组合特性进行详细分析，为野外作业中的检波器组合参数的选择提供理论依据。

1　多检波器线性组合原理

设有n个检波器沿直线等距排列，检波器间距为Δx。为简化讨论，设地震波为平面波，波前和地面夹角为α。地震波速度为V（如图1所示）。把第一个检波器接收到的振动时间记为零，振动函数为f（t）。又设各检波器接收到的振动波形和振幅一样，只是有相对时差。那么第二个检波器接收到的振动相对于第一个要晚Δt。这个时差Δt与Δx、V、α三个参数有关。

图1　 n个检波器线性组合示意图Fig.1 The diagram of n geophones linear array

第二个检波器接收到的振动是f（t-Δt），第三个检波器接收到的振动是f（t-2Δt），依次类推，第n个检波器接收到的振动是f（t-（n-1）Δt）。

设f（t）的频谱是g（jw），根据延时定理，有：f（t-Δt）的频谱为g（jw）e-jwΔt，f（t-2Δt）的频谱为g（jw）e-2jwΔt，f（t-（n-1）Δt）的频谱为g（jw）e-（n-1）jwΔt。

组合后的和振动为：

对上次进行傅里叶变换后，将F（t）的傅里叶变换为G（jw）：

设定K（jw）=1+e-jwΔt+e-2jwΔt+……+e-（n-1）jwΔt

又设定Δφ=-ωΔt，则有

化简后得到：

通常称为组合的方向频率特性，由公式（5）可知，K（jw）是一个复数，它的振幅特性为：

它的相位特性为：

根据公式（6）和公式（7），设定单个检波器收到的振动振幅为A0，初相位为0的简谐波f（t）=A0sinω1t时，则n个检波器线性组合的输出F（t）可写成：

根据式（8）可知，总输出信号的振幅为：

也即AΣ与Δφ和n有关，其中这就表明总振动AΣ与波的入射角a有关。从深层水平界面来的反射波差不多垂直入射到地面（即a≈90），这时AΣ≈nA0，即总振幅增加了n倍，说明有效波得到加强，而对其它角度的干扰波，则相对地受到压制[9-10]。

通常用组合后总振动的振幅与组合前单个检波器接收到的振动振幅的n倍之比值

φ（n，Δφ）称为组合的方向特性，表示组合对来自不同方向的波的相对加强或压制效果[11-12]。

由图2可知，组合检波为低通滤波器，φ（n，Δφ）≥0.707对应区域为通带，而φ（n，Δφ）＜0.707对应的区域为阻带，而且带通宽度，随着n、Δt、Δx增大而变窄，由于采集分辨率信号频率和带宽有关，信号频率越高，带宽越大，分辨率越高，即采集分辨率随着n、Δt、Δx增大而变低[13]。

图2　 7个检波器线性组合方向特征曲线Fig.2 The directional characteristic curve of seven geophones linear array

通过上述理论分析可以得出：由于检波器组合的方向特性，检波器数量越多，其对噪音的压制效果越好，可提高采集信噪比，而检波器数量的增加也增强了检波器组合的滤波效应，降低了采集分辨率；检波器线性组合相邻检波器间距的减小，可以削弱检波器组合的滤波效应，提高采集分辨率，但同时也降低了采集信噪比。

2　实例分析

海洋单道地震勘探具有采集分辨率高、设备操作维护简单和作业效率率高且费用低等特点，主要用于海底沉积物地层结构的探测，可适用于天然气水合物资源调查[14]、海洋区域地质调查、海洋井位调查以及浅水工程物探调查[15]等。单道地震电缆的检波器线性组合参数作为海洋单道地震勘探中的一个重要作业参数，其直接影响最终资料采集效果。为了开展海洋地震勘探中的检波器线性组合特性研究，在不同作业水深条件下，笔者开展了两次海上对比试验。

（1）第一次海上对比试验。2013年3月，笔者采用SIG2MILE小容量电火花震源，IXSEA DELPH数字记录系统，分别使用GEO接收电缆和AAE接收电缆接收数据，在南海北部海域浅水海域（水深大约20 m）开展海上对比试验。本次海上试验技术参数见表1。

表1　第一次海上南海北部对比试验主要设备及其技术参数Table 1 Major equipments and technical parameters in first sea test

本次海上对比试验中采用小容量电火花震源。该类型震源的主要技术特点：主频高且频带宽，其采集分辨率高，但是震源能级较小，且声波主频越高，声波传播过程中能量损失越大。因而这类小容量电火花震源地层穿透能力不强，一般在几百毫秒以内，主要适用于作业水深较浅且探测目的层较浅的高分辨率单道地震勘探，如浅水井位调查和近岸工程物探调查等。

GEO接收电缆和AAE接收电缆两种单道地震接收电缆采集的单道地震剖面及其频谱对比如下图3和图4所示。

图3　采集剖面对比图Fig.3 Comparison chartof seismic profile

GEO接收电缆检波器单元数量要多于AAE接收电缆，而且GEO接收电缆检波器相邻检波器间距也要大于AAE接收电缆，根据上文的理论分析，GEO接收电缆信噪比高，而AAE接收电缆采集剖面分辨率高。在图3采集剖面对比图中，可以看出，从海底到海底以下100 ms，AAE接收电缆的地层分辨率要明显高于GEO接收电缆，这样验证了上述的理论分析结论。另外从图4频谱对比图可以看出，GEO接收电缆接收主频在600 Hz，而AAE接收电缆接收主频在900 Hz，两者频带宽度都为1 000 Hz左右，从信号频谱方面来看，AAE接收电缆海底浅部沉积物地层分辨率要高于GEO接收电缆；由于作业区域水深较浅，电火花震源能量在传输过程中损失较小，相邻检波器间距对信噪比的影响很小，从图4频谱对比图中可以看出，两种电缆接收的主频振幅幅值相差不大。

图4　采集剖面频谱对比图Fig.4 Spectrums comparison chartof seismic profile

通过图3和图4的试验数据对比分析可知：针对浅水海域、探测目标层较浅的高分辨率调查项目中，单道地震震源通常采用高分辨率电火花震源，在这种情况下，采用检波器单元个数较少，且相邻检波器间距较小的检波器组合方式可以采集到更好的高分辨率单道地震资料。

（2）第二次海上对比试验。2013年10月，笔者采用气枪组合震源，IXSEA DELPH数字记录系统，分别使用SIG接收电缆和AA接收电缆接收数据，在南海中部深水海域（水深大约2 200m）开展对比试验。本次海上试验技术参数见表2。

表2　第二次海上南海北部对比试验主要设备及其技术参数Table 2 Major equipments and technical parameters in second sea test

本次海上对比试验采用气枪组合震源。该类型震源的主要技术特点：主频低且频带窄，其采集分辨率低要低于电火花震源，但是震源能级较大，且声波主频越低，声波传播过程中能量损失越小。因而气枪组合震源地层穿透能力远强于电火花震源，一般在几百毫秒到一千毫秒以上，主要适用于作业水深较深且探测目的层较深的单道地震勘探，如深水海洋区域调查等大范围地质构造普查。

SIG接收电缆和AA接收电缆两种单道地震接收电缆采集的单道地震剖面及其频谱对比如下图5和图6所示。

SIG接收电缆检波器单元个数要多于AA接收电缆，而且SIG接收电缆检波器相邻检波器间距也要大于AA接收电缆，根据上文的理论分析，SIG接收电缆信噪比高，而AA接收电缆采集剖面分辨率高。

在图5采集剖面对比图中，可以看出，在地震剖面某些局部上，AA接收电缆采集剖面的分辨率要高于SIG接收电缆，但是AA接收电缆采集剖面的整体信噪比要远低于SIG接收电缆，SIG接收电缆采集剖面的连续性和海底沉积物地层可辨识度要更好，其采集剖面效果更有利于后期数据解释。另外从图6频谱对比图可以看出，SIG接收电缆接收主频在100 Hz，而AA接收电缆接收主频在150 Hz，两者频带宽度都为150～200 Hz，AA接收电缆的接收主频及频带宽度都要略高于SIG接收电缆，从上述理论分析可知：AA接收电缆采集分辨率要略高于SIG接收电缆。由于作业区域水深较深，震源能量在声波传播过程中损失较大，采用不同检波器组合参数其采集信噪比相差较大。从图6可以看出，SIG接收电缆采集信号的有效信号振幅幅值要明显大于AA接收电缆。

图5　采集剖面对比图Fig.5 Comparison chartof seismic profile

通过图5和图6的试验数据对比分析可认为：针对深水海域且探测目标层较深的海洋单道地震勘探项目中，通常对地层分辨率要求较低，单道地震震源一般采用气枪震源，在这种情况下，采用检波器单元个数较多，而且相邻检波器间距较大的检波器组合方式可以采集到高信噪比的单道地震资料。

图6　采集剖面频谱对比图Fig.6 Spectrums comparison chartof seismic profile

3　结语

通过上述检波器线性组合原理的方向特性和滤波特性的理论分析，并结合两次野外数据对比试验，对海上单道地震勘探中的检波器线性组合参数的选择有以下几点认识：

（1）检波器组合由于其方向特性和滤波特性，会直接影响最终采集资料的分辨率和信噪比。检波器数量越少、相邻检波器间距越小，其采集分辨率越高，同时信噪比越低；而检波器数量越多、相邻检波器间距越大，其采集信噪比越高，但是分辨率越低。在野外作业中，应根据不同的勘探目的和作业水深，选择不同的检波器组合参数，达到分辨率和信噪比的最佳平衡，以获取最佳资料采集效果。

（2）在浅水海域作业，针对探测目标层较浅的高分辨率海洋单道地震勘探中，单道地震震源一般采用电火花震源。由于声波传输距离短，其能量损失小，其采集剖面的信噪比可以得到保证，在作业中应以提高作业分辨率为主，应选择检波器数量较少和相邻检波器间距较小的检波器组合方式，这样可在保证信噪比的基础上，提高资料分辨率。

（3）在深水海域作业，针对探测目标层较深的海洋单道地震勘探时，单道地震震源通常采用气枪震源。由于声波传输距离长，其能量在传输过程中损失较大，这就要求在作业中，应尽量提高资料采集的信噪比。因此，建议选择检波器数量较多和相邻检波器间距较大的检波器组合方式，这样才能采集到高信噪比的单道地震资料。

在此特别向广州海洋地质调查局徐行教授致谢，感谢他对本文提出的许多有益的建议。

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Characteristics Analysis of Geophone Linear Array in Single-channel Seism ic Cable

WAN Peng1，2，WEN Mingming1，2，MU Zelin1，2

（1.Key Laboratory ofMarineMineralResources，Ministryof Land Resources，Guangzhou 510075，China；2.Guangzhou MarineGeologicalSurvey，Ministry of Land Resources，Guangzhou 510075，China）

The single channel seismic cable uses geophone linear array to acquisite seismic profile，The profile's signal to noise ratio and resolution is closely related to the character of geophone linear array.This paper analyzes the directional character and filter character of the geophone linear array,and does comparative analysis of single channel seismic profiles and spectrums which are acquisited in different exploration purpose，water depth and parameters of the geophone linear array by combining with test data.The results show that:we should choose the geophone linear array which uses fewer geophones and smaller adjacent geophone spacing to detect shallower target layer in the shallow waters，so thatwe can improve the profile's resolution.On the other hand，we should choose the geophone linear array which usesmore geophones and bigger adjacent geophonespacing to detect deeper target layer in the deep waters，so as to improve profile's signal to noise ratio in this way.

Single channel seismic；Seismic cable；Geophone；Resolution；Signal to noise ratio

P631.443

A

1001-8662（2015）02-0060-07

10.13512/j.hndz.2015.02.010

2014-08-27

国家863课题：天然气水合物冷泉声学采集技术（课题号：2013AA0925010102）

万芃（1983－），男，工程师，从事海洋地质勘查技术方法研究.

E-mail：wanpeng9999@126.com.