地震数据采集系统产品现状及发展趋势(上)

耿启立

(中国地质装备集团有限公司，北京 100102)



地震数据采集系统产品现状及发展趋势(上)

耿启立

(中国地质装备集团有限公司，北京 100102)

本文在介绍国外新型地震传感(检波)器的同时，对代表地震数据采集系统总体技术发展趋势的油气地震仪产品现状进行了概述，重点介绍了国内外工程地震仪的产品现状和代表产品，概括总结了国内外地震传感(检波)器、油气地震仪、工程地震仪的发展趋势。

地震仪；传感器；物探；发展趋势

地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震数据采集系统产品是获取地震勘探数据的关键设备，主要包括激发震源、检波器、数据采集系统(以下简称地震仪)等。本文在介绍新型地震检波器、油气地震仪的同时，重点介绍工程地震仪产品现状与发展趋势。

1 地震检波器

地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的专用传感器。按工作原理分为电磁感应式、压电陶瓷式、电化学式、MEMS微电子机械式、光纤式等；按输出信号方式分为模拟检波器和数字检波器，电磁感应式、压电陶瓷式属于模拟检波器，通常分别用于陆地地震勘探和水上(下)地震勘探。

近年来，在新材料、新技术的推动下，陆续出现了电化学地震检波器、MEMS数字检波器和光纤传感检波器，如美国PMD/eentec公司研制的宽频带电化学检波器能够检测0.008～50 Hz以内的振动信号，动态范围达到150 dB；美国ION公司和法国Sercel公司相继研制出的VectorSeis型和DSU型数字检波器，检测信号频带范围可达到DC～800 Hz。

1.1 电化学地震检波器

从20世纪90年代开始，美国PMD公司和俄罗斯MET公司相继推出了大动态范围、宽频带的电化学地震检波器。电化学检波器的核心是电化学换能器，其主要由一对惰性金属电极(通常使用铂金网状电极)和可逆氧化还原反应的电解质溶液(碘酒)组成，其工作原理是在阴阳电极之间加载小幅值的直流电流，使得离子向阴极密集，形成离子浓度梯度，产生静态电流；地表运动时，电解液随着在管道内移动，产生与电解液运动速度成比例的附加电流，由附加电流可以得到地表运动的速度或者加速度大小。电化学地震检波器属(甚)宽频带地震检波器，功耗一般只有30～50 mW ；换能器用电解液代替弹簧，惯性体为液体，其输出与惯性体的位置无关，没有惯性体锁死和中心调节的要求；反馈电路中没有积分电路，因此在长周期带宽工作噪声水平非常低；电化学换能器在120～130 dB动态范围内是线性的，采用力平衡反馈，动态范围可以达到150～160 dB。电化学换能器还具有频带宽、可在大倾角范围工作、工作温度范围宽及无需任何维护等优点，是地震检波器换能器的革新。近几年来，通过技术改进，这种电化学地震传感器克服了稳定性、动态范围等特性的不足，已经成功研制了实用的电化学地震仪，并实现了产品化。如美国PMD公司已经研制成功了电化学旋量地震仪、强震仪、宽频带地震仪以及海底地震仪。此外，俄罗斯莫斯科物理工艺研究所也研制了类似的地震检波器，能够检测0.005～100 Hz范围内的振动频率。中国科学院电子学研究所研制的MECSS1 I与MECSS3 I型电化学检波器频率范围为1～70 Hz，灵敏度达到100 V/(m·s-1)。

1.2 MEMS数字地震检波器

数字检波器与MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)传感器集成并微型化在一起，构成了新型MEMS数字地震检波器。其特点是内部包含MEMS传感器和微型化的24位A/D，直接输出24位数字信号，动态范围可达到120 dB，比传统检波器的动态范围至少高出50～60 dB；幅频特性十分平坦，在1～800 Hz频率范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响。目前世界上比较成熟的MEMS数字地震检波器是美国ION公司的VectorSeis型数字检波器和法国SECEL公司的DSU型数字检波器。

美国ION公司于1998年推出世界上第一款MEMS数字地震检波器，其是3分量检波器，将3个MEMS传感器和控制电路集成在一个检波器中，系统内部有矢量校正系统，可以任意方向、任意角度摆放。VectorSeis型数字检波器主要技术指标如下：动态范围115 dB、谐波失真0.002 %、交叉隔离46 dB、容差0.3 %、可任意方向埋设。

法国SECEL公司于2001年推出DSU系列数字检波器，共有DSU1单分量和DSU3三分量两种，主要技术指标如下：动态范围120 dB、谐波失真-90 dB、交叉隔离45 dB、容差0.25 %，倾斜27°。

数字检波器与传统检波器比较，有以下优点：

(1)谐波畸变小于0.003 %，动态范围可达105 dB，而传统检波器的谐波畸变最小也只有0.03 %，动态范围只有60 dB；

(3)具有极高的向量保真度，其输出频带十分平坦，在1～500 Hz范围内始终保持平直，且相位为0相位，而最好的模拟检波器也达不到1～500 Hz的带宽；

(4)抗干扰能力强，由于输出的是24位数字信号，不受外界的电磁干扰影响；

(5)三分量检波器能检测3个方向的地震波，能够采集全波地震信号，从而改善在复杂地区地震成像和岩性信息数据采集的质量。

1.3 光纤地震传感器

高灵敏度、高保真度、高动态范围和低谐波畸变的数字式检波器是地震检波器的发展方向。

2 地震仪

地震仪器一直伴随着电子、通信、计算机、网络、软件等技术和基础工业的进步在不断发展，经历了模拟光点记录、模拟磁带记录、数字磁带记录、初期遥测、后期多道遥测、全数字记录、节点到实时无线万道网络遥测等七代发展历程。

按应用领域划分，地震仪可分为油气勘探地震仪(简称油气地震仪)和工程勘探地震仪(简称工程地震仪)。

2.1 油气地震仪

油气地震仪代表了当代地震仪的最新发展水平。目前的油气地震仪以有线仪器、节点仪器、无线仪器等为代表，适宜10万道以上的大道数作业，野外布设灵活，具有强大的网络化数据管理能力。

2.1.1 有线仪器

有线仪器采用网络遥测、数据压缩、光纤通信、数据存储、源同步控制等先进技术，从采集站到交叉站再到主机的数据传输采用电缆来实现，使仪器的稳定性、可靠性、数据传输速度、存储速度、源同步控制能力、带道能力大幅度提高。具备高密度采集、海量地震数据管理、多组移动激发源同步控制等能力。操作系统软件功能不断完善和强大，可进行排列监控和野外设备测试，可以进行现场数据质量控制，几十万道仪器同步采集时差精度大幅提高，交叉线数据传输速率达GB级，数据存储和显示能力大幅提高，系统的实时记录能力达到每秒几百兆字节。

有线仪器的代表产品是428XLG系统和G3i系统。

有线系统由于采集站之间通过电缆连接，使得野外布设不太灵活方便，且电缆保养维修、存储运输增加了使用成本。道数的增加带来插头节点的增加，也使系统的稳定性降低。

有线仪器发展的重点是扩展实时带道能力、满足高效施工要求、提高野外适应性。

2.1.2 节点仪器

节点仪器是一种没有实时信息交换能力、以站为单位独立工作、按精确时序连续采集、存储式地震数据采集系统。

节点仪器站单元采用分布式供电，检波器有内置和外接两种方式。节点仪器由于不采用实时数据回传，避开了传输系统的限制，道数可随意扩展。采集站采用GPS定位和精确授时，数据连续采集并保存在大容量的存储设备中，收工或一个阶段后，采用手持设备或遥控回收数据。

节点仪器代表产品有 OYO公司的GSR节点式采集系统、INOVA公司的HAWK系统、Sercel公司的UNITE系统等。OYO公司的GSR节点式采集系统无大线传输、无电台传输、无主机记录、连续记录时间可长达30天。

节点仪器可以和现有的有线仪器混合使用，弥补有线仪器野外布设不方便的不足，增强野外施工的灵活性。

节点仪器的不足是不能及时根据地震监视记录来指导下一步的野外施工生产，后期回收需要庞大的辅助设备，大道数施工情况下数据回收工作量大，数据编排繁琐，存在数据错误和数据丢失的风险。

2.1.3 无线仪器

无线仪器通过无线电波实现信息的传递和交换，采集站与采集站，或者采集站与主机之间没有电缆，系统灵活性高。无线仪器通信频带一般选择微波域甚高频段，其核心技术在于通信协议，不同协议下的信道个数和带宽不同。近年来，随着编码、调制、抗干扰、同步、授时等技术所取得的突破，无线仪器地震道管理能力和通信速率得到了显著提高，能够实现万道以上地震数据采集和实时回传。

传统无线仪器大多使用甚高频波段，其传播方式接近于光波，可在视距范围内有效通讯。如Fairfield公司的BOX系统，工作频率在214～234 MHz的通带范围内，每个频道带宽20 kHz，可提供多达1 000个无线通道，如果单采集站为8道，最大扩展道数理论上为8 000道。

无线网络技术的发展为油气地震仪提供了技术基础。开放的2.4 GHz ISM波段局域网无线传输速率高，小区域使用遭遇的干扰少，射频频带可重复利用，功耗低。美国WirelessSeismic公司以该项技术为基础形成了多项自主核心技术，开发了RT2无线实时遥测系统。该系统主要由记录单元、无线遥测单元和回程单元三个部分组成，在工作方式上类似有线仪器的系统结构，同时具备了节点仪器的轻便布设和扩道随意的优点。系统带道能力达100 000 道以上(与有线仪器相近)，实时无线传输地震数据，可监视排列动态、放炮序列、地震数据、排列背景噪声、实时QC状态和地面布设状态等，轻便和简单快速的布设带来更高的生产效率，减少了运输和电缆维修成本，具有超低功耗，野外的综合使用成本大大降低。该系统是目前最先进的无线遥测地震系统，有望成为油气地震勘探仪器的换代产品。

油气地震仪的发展趋势：大道数(通信网络信道带宽是制约通道数的关键因素)；无线遥测数据实时传输；集有线、无线、节点等多项能力，有线、无线、节点混装；开放式一体化全数字；远程技术支持及实时质量控制；降低高密度、单点采集成本。

油气地震仪代表了地震数据采集系统未来的技术发展趋势。

2.2 工程地震仪

除能源物探、固体矿产资源物探、地下水资源物探以外，凡与地表以下地质结构和地质异常体有关的探测，均属于工程物探范畴。如岩土工程探测、水利水电工程探测与检测、隧道超前预报、地下工程和路基探测、港口码头和滩涂地基探测、活断层探测与地震安全评估、溶洞和采空区探测、城市防空洞和地下管线探测、地质灾害监测、工程质量无损监测、地下环境检测等。

工程物探深度一般为地表以下几十米至百米，探测目标一般为地下细结构、大小断裂、风化层、软弱带、透水区、小型三维体以及地基和岩体的力学性质等，要求探测精度高、准确性高，仪器轻便易携带。工程物探设备要具备高分辨率、高采样率、高精度、高频响应、轻便灵活等特点。地震法是工程物探的主要方法之一，包括反射法、折射法、透射法和瑞利面波法等。

2.2.1 国外地震仪代表产品

国外工程地震仪代表产品为德国DMT公司的Summit系列地震仪和美国Geometrics公司地震仪(包括StrataVisor NZ、SmartSeis ST、Geode、ES3000等)。

(1)DMT公司Summit系列地震仪

Summit系列地震仪包括Summit X One、Summit Ⅱ Plus、Summit Ⅱ Sh、Summit Ⅱ Compact、Summit X Stream Pro、Summit M Vipa、Summit M Hydra等，详细技术指标见表1，表2。

表1 Summit系列地震仪主要技术指标

续表

表2 Summit系列地震监测仪主要技术指标

Summit X One地震仪由数据采集站RU(如图1)、数据收集单元DC(如图2)、交叉单元XDC、主机MDC和MXDC(如图3)等构成。

图1 数据采集站RU

图2 数据收集单元DC

数据采集站RU重仅0.3 kg，紧靠检波器，由于检波器连线很短，避免了电磁噪声干扰，移动非常方便、快捷，可实现自动定位；数据收集单元DC具有中继站(每330 m线距布置一个DC)、触发、给采集站供电和连接PC主机等多种功能；交叉单元XDC是三维勘探时测线之间的交叉站，用来实现测线之间的连接，具有DC的全部功能；数据收集单元DC连接笔记本电脑后便是二维排列主机MDC，XDC连接笔记本电脑后便是三维排列主机MXDC，对地震排列进行控制，实时监测和控制探测质量，实时检测包括检波器在内的系统技术指标，执行叠前或叠后相关处理和实时相关处理。

图3 主机MDC和MXDC

Summit X One采用SNAP-ON技术，通过双芯电缆来实现系统间的连接、数据传输和供电，检波器间距可从0.5～50 m任意改变；瞬时动态范围>128 dB@2 ms，系统动态范围>144 dB，数据传输速率可达20 Mb/s，通频带宽6 000 Hz，可在任何复杂的地形、地理条件下布置二维观测系统(如图4)和三维观测系统(如图5)，可应用于基于纵波、横波及瑞利面波的工程物探，石油、天然气、油页岩和煤炭等能源勘探，固体矿产资源勘探，活断层、地壳上地幔构造探测，连续监视地震活动和振动检测等。

图4 Summit X one二维地震观测系统排列组成和连接图

图5 Summit X one三维地震观测系统排列组成和连接图

Summit Ⅱ Plus数据采集站(如图6)为2通道24位分辨率，质量仅1.2 kg，非常轻便；最高采样率可达50 kHz，频率响应范围达12.5 kHz，对1 500 m/s的波速层而言可分辨出3 cm的薄层结构；内置功能强大的数字处理器，可以对地震信号进行叠加和相关处理，可以对仪器和检波器的各项技术指标进行实时检测。

图6 Summit Ⅱ Plus数据采集站

Summit Ⅱ Plus数据采集站采用SNAP连接技术，道间距在0.5～100 m范围内任意可变；野外施工系统组成灵活，增加采集站和中继站，采用集中供电或分离供电方式，笔记本电脑作为主机，就可以在地形复杂的山区、沼泽区、森林区、村庄密集区、高速路以及河流阻隔等地区顺利地布设小型或大型勘探系统，实施各种工程物探和三维地震勘探(可组成大于1 000道的三维地震勘探网)。

Summit Ⅱ Sh是8～16道组合超高采样率地震仪(如图7)，可多台串接组成更多道观测系统，最高采样率可达192 kHz，可分辨毫米级的细微结构，是当今世界上分辨率最高的地震仪，主要应用于精细的结构探测和工程质量及岩土工程的无损检测。

图7 Summit Ⅱ Sh超高采样率地震仪

Summit Ⅱ Compact为24道组合地震仪(如图8)，最多可实现40台串接的960道观测系统，主要应用于工程物探。

图8 Summit Ⅱ Compact 24道组合地震仪

Summit X Stream Pro为24/48道地震仪(如图9所示)，内置PC机和集成式高分辨率显示屏，采用Plug&Trace技术，连接陆地拖缆，配置小型震源，施工效率高，非常适合城市物探。

图9 Summit X Stream Pro 24/48道地震仪

除以上介绍的各型号产品外，Summit系列地震仪还包括面向基础设施、工程、微地震监测应用的Summit M Vipa、Summit M Hydra等两个型号产品。

Summit M Vipa为3通道(单独配置1个辅助通道用于监测噪声)地震监测仪(如图10所示)，采用24位A/D，具有超高灵敏度，可连续记录或基于事件触发记录，配置可长时间工作(连续工作时间长于2天)电池电源、4 GB存储器和远程访问网络接口，易于安装配置，多个Summit M Vipa地震仪相连可构建成远程移动监测网络。

Summit M Hydra为多通道地震监测仪(如图11所示)，具有超宽频带、超低噪声的特点，可连续记录或基于事件触发记录。产品集成了有线、无线网络接口和GPS，存储容量达8 GB，可灵活布设远程移动监测网络，进行基于GPS精确授时的连续记录。

图10 Summit M Vipa地震监测仪

图11 Summit M Hydra地震监测仪

(2)Geometrics公司地震仪

美国Geometrics公司面向陆地勘探应用的地震仪有StrataVisor NZ、SmartSeis ST、Geode、ES3000等型号产品，详细技术指标见表3。

表3 Geometrics公司地震仪技术指标

续表3

续表3

StrataVisor NZ地震仪(如图12)是一款结构紧凑、底壳防水的高性能地震勘探数据采集设备，单箱体内可配置3～64通道，通频带宽达20 kHz，内置PC电脑，配置军品级中央处理器、日光下高可视度彩色LCD、防水键盘、打印机、防震机箱、Windows XP操作系统，低功耗电路设计和待机模式确保延长电池寿命，可在极端环境、温度、湿度和灰尘条件下稳定可靠工作。内置检波器测试、大线测试、全波形噪声监测等功能，配置反射、折射和层析成像等软件，可现场进行采集数据预处理。连接其他NZ或GEODE采集站，即可构建最多可达1 000通道的地震数据采集观测系统，适于反射、折射、井下、VSP、海洋地震勘探、地震监测等应用，满足超高分辨率工程勘查、低频率地震监测等应用需求。

图12 StrataVisor NZ地震仪

SmartSeis ST地震仪(如图13)为12，16，或24通道配置一体化地震仪，内置PC、日光下可视LCD、键盘、Windows XP操作系统，标准配置安装SIPQC 折射分析软件，可选装SeisImager/2D Lite折射建模分析软件、SeisImager/SW or SurfSeis 面波分析软件，可应用于基岩、地下水埋深、断裂等探测，也是工程建设、建筑施工、道路建设、科研教学的理想选择。

图13 SmartSeis ST地震仪

Geode超轻便地震仪(如图14，详细技术指标见表3)是Geometrics公司在继承其传统地震仪优点基础上，推出的具有灵活、轻便特点的分布式地震仪。其内置3～24通道和GPS授时同步模块，重量只有3.6 kg，具有折射、反射、面波、井中地震、VSP、地震监测、连续记录等多种地震数据采集功能和全波形噪音监测、检波器测试、大线故障监测功能，多台Geode地震仪和stratavisor NZ系列地震仪，或多台Geode地震仪和笔记本电脑，通过廉价的数字网路电缆实现级联，可以构建3～1 000通道含多条大线和具有滚动覆盖测量能力的地震勘探记录系统(Geode野外地震勘探记录系统构建如图15～18所示)。可应用于矿产资源地震勘探、能源地震勘探、海洋地质调查，还可应用于基岩深度探测、断层和断裂定位、地震监测、采石场爆破监测、大型设备振动监测。

图14 Geode地震仪

图15 单台Geode地震勘探记录系统示意图

图16 2台Geode地震勘探记录系统示意图

图17 stratavisor NZ和Geode级联地震勘探记录系统示意图

图18 笔记本电脑和Geode级联地震勘探记录系统示意图

ES-3000地震仪(如图19)是一款超轻便低成本地震仪，内置8或12通道，重量仅3.5 kg，通过网线可直接连接PC构成野外地震采集记录系统。产品已折射地震方法为主，可用于基岩埋深、地下水埋深、断裂定位等勘查应用，选配相应的软件，可应用于地震监测、爆炸及振动监测。

图19 ES-3000地震仪

(下期待续)

2016-08-29

耿启立(1964-)，男，中国地质装备集团有限公司技术中心副主任兼重庆地质仪器厂总工程师，高级工程师，1984年毕业于长春地质学院地质仪器专业，长期从事地震、电法及嵌入式产品设计开发、研发团队管理、项目管理、质量技术管理、产品开发规划等工作，多次主持开发国家级/省部级重点技术创新项目，先后获得部级科技成果2等奖2项，3等奖3项，Tel：18600398326，E-mail：gengqili@cgeg.com.cn。

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1009-282X(2016)05-0021-11