宽频地震检波器技术探讨

罗福龙

(东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处, 河北 涿州 072751)



宽频地震检波器技术探讨

罗福龙

(东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处, 河北 涿州 072751)

宽频地震勘探是拓展地震信息频带的极佳方法，而作为对地震信息接收频带起关键作用的宽频地震检波器则是宽频地震勘探中必不可少的地震波传感部件，充分研究和利用宽频检波器技术，对保障宽频地震勘探特别是地震信息接收频带具有很强的现实意义。本文从幅频响应曲线、技术指标、突出特点等多方面探讨了宽频检波器的主要技术，并从满足宽频地震勘探需求出发，提出了宽频检波器独特的量化技术指标。

地震；宽频；检波器；自然频率；灵敏度

0 引言

地震勘探理论和实践都证明，地震信号的频带越宽其所携带的地震地质信息就越丰富，就越有利于准确识别各类复杂的油气藏。因此，追求更宽的地震信号频带便成为油气勘探永恒的主题[1]。为获取更宽频带的地震信号，相继发展了许多先进的勘探方法，典型的代表就是宽频地震勘探。事实也证明，宽频地震勘探是拓展地震信号频带宽度和探明复杂油气藏的极佳方法。所以，宽频地震勘探一问世就倍受重视并迅速成为全球油气勘探新常态。

宽频地震勘探是一个系统工程，涉及到地震信号的激发、传感[2-3]、记录、处理等多个环节和工序，其中地震信号的传感和记录是重要的野外地震数据采集工序。地震信号的传感和记录主要由地震检波器[4](以下简称检波器)和地震仪器[5]完成，而所传感地震信号的频宽又主要取决于检波器的响应能力。所以，宽频地震勘探首先要求检波器必须具有宽频接收地震信号能力。

目前，国内陆上油气地震勘探[6](特别是宽频地震勘探)采用的检波器大多数(90%以上)都属电磁感应原理的速度型10 Hz自然频率系列。这种检波器能否充分满足宽频地震勘探的需求，适合宽频地震勘探的检波器又应具备什么样的技术特性等问题当下还没有统一的认识和答案，也鲜见有这方面的技术文章。为了量化分析宽频响应地震信号检波器应有的技术特性，本文以常用的电磁感应原理速度型检波器为对象，以有关性能实际测试结果为支撑，从技术指标与响应频带关系等，广泛地探讨宽频响应地震信号检波器的关键技术，并希望以此更好地服务和保障宽频地震勘探。

1 技术指标与响应频带关系

与检波器响应频带宽度相关的技术指标众多，但起关键作用的主要有自然频率、灵敏度、失真度、阻尼系数[7]等。为了说明特定技术指标与响应频带的因果关系，下面就以幅频响应曲线为主轴和参考，依次讨论自然频率、灵敏度、失真度、阻尼系数等对检波器响应频带的影响。

1.1 幅频响应曲线

幅频响应曲线本身不是技术指标，但能集中反映每项技术指标对检波器响应效果的直观作用。因此，为直观简捷地通过幅频响应曲线说明特定技术指标与响应频带之间的关系，有必要先就幅频响应曲线的基本要素进行扼要说明。

幅频响应曲线展示的是检波器在恒定敏感物理量(速度)驱动下，输入信号频率和输出信号振幅的关系，对于电磁感应原理速度型检波器，经过归一化处理的幅频响应示意曲线如图1所示。图中，fN为自然频率，f为输入信号频率，v0为标称灵敏度，v为输出信号电压(灵敏度)，h为阻尼系数。

图1 电磁感应原理速度型检波器幅频响应示意曲线

从图1可以看出，高于自然频率时输出信号振幅总体保持稳定，低于自然频率时输出信号振幅随频率减小而快速衰减。不同阻尼系数下的曲线还说明，阻尼系统的大小直接影响自然频率点附近振幅的起伏程度和衰减陡度。当阻尼系数在0.7左右时，在自然频率点前振幅总体以12 dB/Oct衰减，且振幅在自然频率点附近基本没有起伏(这一点也可从有关技术资料得到证实)。为方便讨论起见，以fN/2为界，将响应曲线分为两个区域，通常将高于fN/2的区域称为检波器的通频带(在此区间检波器能充分有效地响应输入地震信号)，低于fN/2的区域称为检波器的阻频带。在通频带内检波器总体工作在线性区，各项技术指标也相对稳定；在阻频带内响应曲线变化剧烈，输出信号极小且与输入信号关系是非线性的，各项技术指标也极不稳定。因此，为线性保真地响应地震信号，检波器应该工作在通频带内。

1.2 自然频率

自然频率也称固有频率或共振频率，它主要由检波器弹性系统的结构、材料和质量决定。从图1可以演算出，自然频率的大小与检波器的响应频带宽度密切相关，且自然频率越小低频信号响应能力越强，也即当高频信号接收能力不变时可有效响应地震信号的频带就越宽。由此可见，要想获得宽频(尤其是低频)的地震信号，就应该选择较低自然频率的检波器。

1.3 灵敏度

灵敏度是检波器对外部激励(振动)输入响应的敏感程度，通常用输出与单位输入的比值表示。电磁感应原理速度型检波器使用单位速度下输出电压值表示，其大小主要取决于检波器内磁场强度和线圈总长度。从灵敏度的物理意义可知，同等条件下灵敏度越高输出信号的振幅就越强，有利于接收弱小信号。所以，在其他技术指标等同的条件下，较高灵敏度的检波器有更佳的弱小信号响应能力(相当于拓展了接收信号的响应频带)。

1.4 失真度

失真度反映的是检波器输入与输出信号的一致性程度，一般用信号的相位和幅度差异来衡量，或者用各次谐波分量总和与基波分量之比计算。在幅频响应曲线上一般不能直观地反映失真度与响应频带的关系，但对于特定的检波器而言，失真度越大其幅频响应曲线就越不平滑，特别是在阻频带内会引入更多的检波器噪声。所以，同等技术条件下失真度小的检波器更有利于保护弱小输入信号，即相当于有更宽的地震信号响应频带。

1.5 阻尼系数

阻尼系数是指检波器并联衰减电阻(或负载)后惯性体自主运动衰减快慢的相对比值。如图1 所示，阻尼系数与阻频带内输出电压上升速度密切相关，阻尼系数越小上升的速度就越快；另一方面，阻尼系数与自然频率点附近振幅的起伏(振荡)程度密切相关，阻尼系数越小振荡周期越长。当其他技术指标一致时，阻尼系数越小越有利于低频地震信号的接收。所以，同等条件下较小阻尼系数的检波器更有利于拓展低频端的频带。阻尼系数、灵敏度、自然频率等相互制约，较小的阻尼系数势必牺牲一定的层位厚度分辨能力。实际工作中，为使检波器有较好的响应效果，通常选择0.7左右的阻尼系数。

1.6 假频

假频是检波器在横向(垂直于检波器线圈的轴向)上的共振频率，即在此频率点检波器的横向灵敏度(将横向振动转换为纵向输出的能力)最大。纵波勘探不希望横向灵敏度的干扰，好在相比纵向灵敏度横向灵敏度一般都很小。表1列出了一组10 Hz自然频率检波器的假频和纵向、横向灵敏度实际测试数据。表中数据说明横向灵敏度比纵向灵敏度小10倍以上，即在强振幅信号输入下纵横灵敏度之比大于10。实际上，弱小信号输入时纵横灵敏度之比一般大于30。所以，对于制造工艺和技术都较高的检波器，一般可忽略假频干扰对响应频带的影响。但对于早期技术的传统型检波器，假频带来的干扰有时也会影响较高频弱小信号的接收。所以，为保真地响应较高频弱小地震信号，就应该尽可能地提高假频并降低横向灵敏度。

此外，检波器还有阻抗、容差、允许倾角等技术指标，这些指标与响应频带关系较小。

表1 检波器的纵横向灵敏度实测结果

注：测试方法是，以同样的驱动速度(占最大允许25%)分别作为检波器的纵向和横向输入，测量对应的输出信号幅度，进而折算出相应的灵敏度。

2 阻频带内技术特性

通过对检波器技术指标与响应频带关系的讨论可以得出两个要点，一是自然频率、灵敏度、失真度、阻尼系数等是影响检波器响应频宽的关键；二是灵敏度、失真度等指标在阻频带内极不稳定，并且呈现频率越低指标值就越差的态势。检波器的某些技术指标只在通频带内稳定且满足标称值要求，而在阻频带内却极不稳定且明显偏离标称值。为了量化说明阻频带内检波器失真度等技术指标的变化规律，以及这种变化对输入响应效果的影响，下面就以实际测试数据为支撑，系统地讨论检波器的低频端截止响应频点。

表2列述了3种(G1、G2和G3)在全球广泛应用的高精度检波器的灵敏度和失真度在阻频带内和自然频率附近的实际测试数据统计结果，而对应的灵敏度和失真度标称值如表3所示。通过分析表2中的测试数据便可发现，阻频带内的灵敏度和失真度极不稳定，远不能满足表3 所示的标称值要求，并具有频率越低结果越差的变化规律。

在阻频带内失真度和灵敏度等随频率减小而快速变差，导致检波器在极低频率信号激励下输出信号弱小且伴随有丰富的噪声，反映到地震信号响应效果上就是分辨极低频率弱小信号的能力变差。事实上，当输入信号频率低到使检波器的有效响应输出和伴随噪声相当时，便进入无效工作频段的拐点，此拐点即为截止响应频率点，下文称此为“死亡”频点。对于低于“死亡”频点的输入信号，检波器的输出没有利用价值，只有高于“死亡”频点的输入信号才可能被检波器有效响应。阻频带内技术指标随频率减小而变差的速度越慢，检波器的“死亡”频点就越低。因此，充分提高阻频带内失真度、灵敏度等的稳定性，也有利于拓展检波器的响应频带。

表2的测试数据还说明，对于油气地震勘探常用的10 Hz左右自然频率检波器，可有效响应极低频信号的能力和自然频率fN相关度最高。有关研究成果和应用效果也表明，对于混频(非单一频率)输入信号，油气勘探检波器的“死亡”频点一般在fN/4附近。对于技术指标精度高、稳定性好的检波器，其“死亡”频点可能略低于fN/4，但就当前的工艺和材料技术而言“死亡”频点一般都大于fN/8。虽然自然频率是检波器“死亡”频点的决定因素，但其他诸如灵敏度、失真率、阻尼系数等也在一定程度影响“死亡”频点位置。

表2 3种检波器的失真度和灵敏度在阻频带内的测试数据

注：测试时保持输入信号的驱动速度不变，输出为开路状态。由于G2和G3是10 Hz自然频率检波器，在1 Hz测试信号条件下失真度和灵敏度极不稳定，所以表中没有列出相应测试数据。

表3 3种检波器的自然频率、失真度和灵敏度标称值

3 宽频检波器标志性指标

以获取更宽频地震信息为根本目标的宽频地震勘探是相对常规地震勘探提出的，在技术内涵上还没有统一规范的定义。就当前技术而言，一般认为陆上油气地震数据采集只要能有效记录频带为2～160 Hz的地震信号，就满足了宽频地震勘探的接收条件。按照这一基本要求，能有效响应频带为1.5～200 Hz地震信号的检波器就符合宽频检波器的基本技术特征。

下面将依次讨论宽频检波器几项标志性指标。

3.1 自然频率

自然频率是决定检波器“死亡”频点的第一要素，实际应用效果证明对10 Hz左右自然频率的检波器，能有效接收的混频输入地震信号的截止频率一般在2.5 Hz左右，即“死亡”频点在fN/4附近。因此，为了能有效响应1.5 Hz甚至更低频率的地震信号，检波器的自然频率应不大于6 Hz，这是宽频检波器对自然频率的基本要求。

3.2 灵敏度

灵敏度直接反映的是单位时间内壳体位移量(速度)与检波器输出电压量的关系。考虑到地面弱小的位移量小至微米级，而地震仪器可有效分辨的最小信号通常是微伏级，那么为了能有效响应并记录微弱的地震波[8]，就应该使检波器在微米级位移激励下至少能保真地输出微伏级的电信号。根据这一目标，并结合阻频带内灵敏度随频率总体以12 dB/Oct衰减的规律，5 Hz自然频率检波器在1.25 Hz处要实现每秒位移1 μm时有5 μV的电压输出，灵敏度至少为80 V/(ms-1)。所以，5 Hz自然频率宽频检波器的灵敏度一般应大于80 V/(m·s-1)(如果自然频率更低对应的灵敏度也可再小些，反之就要更大)。

3.3 失真度

失真度越小越有利于拓展检波器的响应频带，但就当前的工艺材料技术而言，0.01%的失真度已经做到顶级。考虑到低自然频率的检波器制造工艺更为复杂，所以宽频检波器的失真度以不大于0.05%为宜。

3.4 阻尼系数

阻尼系数显性的作用是影响阻频带内灵敏度的变化速度，且相对小时更有利于低频弱小信号的接收。过小的阻尼系数会影响检波器的层位厚度分辨能力，所以宽频检波器的阻尼系数保持和常规检波器相当即可。

由此可见，宽频检波器的根本特征是低自然频率和高灵敏度，失真度和阻尼系数等仅可以略微改善频带响应特性。其他诸如阻抗、容差等技术指标与检波器的响应频带相关程度较低。总体的原则是，任何一项技术指标精度的提高都有利于响应效果的改善，所以充分提高指标的精度是改进宽频检波器响应性能的途径。

4 宽频检波器相关技术

宽频检波器仅是宽频地震信号接收环节的一个重要部件，而地震仪器等也是宽频信号接收必不可少的关键所在。为从装备环节掌握宽频地震信号接收的整体技术，这里就与宽频检波器技术直接相关的宽频地震仪器技术和宽频检波器测试技术等也进行适当的讨论。

与宽频检波器技术相似，宽频地震仪器技术也主要反映在对低频弱小信号的分辨能力上。当代地震仪器一般都采用ΔΣ技术的24位精度模数转换器[9]，其动态范围超过120 dB，能分辨微伏级甚至更低的弱小信号。地震仪器的高频信号响应能力一般可达2 kHz以上(实际受采样间隔限制能接收的高频地震信号在1 kHz左右)，远高于200 Hz的基本要求。但响应低频信号的能力因地震仪器类型不同会有明显差异，如早期的Scorpion、Aries等低截止频率为3 Hz，而近几年问世的G3i低截止频率为1 Hz，428XL和508XT的低截止频率更是低于0.5 Hz。考虑到宽频地震勘探至少要能保护1.5 Hz 的低频地震信号，所以只要地震仪器的低截止频率不高于1.5 Hz就能满足宽频接收地震信号要求。从这一意义上讲，目前具有国际先进技术的G3i、428XL、508XT等都是宽频响应地震仪器。

根据此前的讨论结果可知，宽频检波器的突出特点是自然频率低(不大于6 Hz)、灵敏度高(不小于80 V/(m·s-1))。而当前通用的检波器测试仪主要是针对自然频率不低于8 Hz检波器开发的，对于6 Hz或更低自然频率的检波器尚无通用且可靠的测试手段。为了全程保证和有效监控宽频检波器的质量，就应该配套研发宽频检波器测试技术和相应的测试仪，进而形成完整的宽频检波器技术体系。

5 认识与建议

作为讨论宽频检波器技术的体会和外延，现就在实际技术工作中积累的几点粗浅认识和建议概述如下。

(1)检波器的标称技术指标受通频带约束。灵敏度、失真度、容差等指标仅在通频带内比较稳定且总体满足标称值要求，但在阻频带内这些指标很不稳定且一般都偏离标称值。为减少非线性失真和内部噪声带来的地震信号损失，应根据地震波的有效频带范围选择合适自然频率的检波器，以使检波器工作在通频带区域。

(2)失真度仅反映检波器在特定频点的保真效果。现阶段失真度是在通频带内输入单频激励信号再测量检波器的输出基波分量及各次谐波分量，然后用各次谐波分量与基波分量比来表示。此方法得到的失真度仅反映测试信号频点的保真效果，并不能客观代表检波器在整个通频带内的保真能力。为真实全面测试检波器保真效果，应该用全频扫描或多频点统计方式来测试检波器的失真度，至少应在通频带内选择有代表性的高、中、低3个以上频点来测量检波器的平均失真度。

(3)研发配套宽频检波器通用检测技术。通用检波器测试技术不能满足低自然频率、高灵敏度宽频检波器测试需要，应研发适合宽频检波器的检测技术和仪器，以便有效保障宽频检波器的性能质量。

(4)第二代MEMS数字检波器是接收宽频地震信息的极佳选项。近几年国际知名物探装备制造厂商研发并推向市场的第二代MEMS数字检波器，具有响应频带宽(0.1～800 Hz)、噪声小(约为第一代为的1/3)、灵敏度高、失真度小、功耗低等突出优点，利于保真地接收宽频地震信息。

(5)宽频检波器技术是宽频地震勘探的基础。电磁感应宽频检波器的关键技术在弹簧片的材料、结构、工艺和装配等方面，研究检波器的新型材料和工艺是突破现行技术瓶颈的唯一出路。

应该强调的是，这里仅仅讨论了电磁感应原理速度型宽频带检波器技术，并不能反映宽频地震信息接收技术的全局，更不能代表宽频地震勘探技术主体。实际上宽频地震勘探技术还涉及多个方面，如宽频地震信号激发技术和宽频地震资料处理技术等。限于个人的技术水平和理论功底，此处就宽频检波器技术所做的探讨既不全面也不深刻，所提出的某些观点也欠深思熟虑和实践检验，不妥之处敬请广大技术同仁指正。

在准备撰写此文的资料收集过程中，得到了俊峰公司王延胜总工程师和西安物探装备分公司薛立武副处长等的大力支持和帮助，特此申明并衷心感谢！

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2016-09-29

罗福龙(1961-)，男，江汉石油学院地震勘探仪器专业毕业，教授级高级工程师，主要从事地震采集装备技术工作，河北省涿州市范阳中路307号国际楼装备服务处，Tel：0312-3820843，E-mail：luofulong@cnpc.com.cn。

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