检波器性能参数现场测定方法

2021-06-01魏继东曹国滨

石油地球物理勘探 2021年3期

魏继东曹国滨刘斌

(中石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司，山东东营 257100)

0 引言

检波器是地震勘探中接收地表振动的硬件装置。现今仍广泛采用的速度型电感动圈式检波器(Electrical Seismometer)于20世纪30年代被发明并随即得到推广应用，此前的接收设备主要是位移型机械式检波器(Mechanical Seismometer)[1-2]。近十几年来，随着机电技术的发展，地震数据采集施工中出现了以MEMS为代表的加速度型检波器(Accelerometer)。不论何种类型检波器，“忠实(保真)地记录大地振动”是其最主要功能。

为了表征检波器接收信号的保真能力(任何检波器输出的电信号都是地表机械振动的“模拟与近似”)，试用了各种指标参数定量表达其多方面性能，如灵敏度、自然频率、阻尼系数、允差，等等。基于地震勘探的精度不断提高，要求检波器具有尽量高的机电(转换)参数保证数据畸变尽量小。在地震检波技术的发展过程中，人们发展了很多室内和现场的测试方法标定检波器的性能参数。其中，实验室方法受限于设备、场地等因素，只能检测少量检波器，无法及时、准确地检测实际地震数据采集中大量检波器的多种性能参数，部分重要指标甚至无法测量。另一方面，由于没有厘清检波器性能指标与地震数据表现之间正确的因果关系，当前通过比较不同检波器的频谱、能量、信噪比、同相轴连续性等指标，进而评价检波器性能参数的方法是非常粗放甚至错误的，无法观测到检波器性能指标的细部特征，容易产生误导[3-6]。因此，对于当前检波器性能参数标定方法而言，无论是少量的实验室检测还是大规模的现场试验均存在一定的局限性。施工单位进行了大量的、重复性试验，但方法不一，结论多样化甚至相互矛盾，未取得稳定的、统一的认识与做法，在一定程度上影响了现场采集数据质量的提高。

基于以上现状，在厘清检波器工作原理与对应数据特征的基础上，本文提出一种基于现场试验的估测大量(数万道)在用检波器指标参数的便捷方法，可在占用较小场地、仅用少量单炮数据的情况下，在数分钟内大致估测检波器的灵敏度、最低可靠频率、允差等较精细的指标，为确保数据接收质量提供硬件保证。此处之所以说“大致”而非“准确”，是因为受复杂现场环境的影响，估测结果很难达到实验室条件下的测量精度。但因实际数据是在现场环境下采集的，所以该方法可提供一个从最终“数据意义”上评判检波器是否“可用”的框架性标准。同时，也可用于检波器研制过程中在缺乏炸药震源时指标参数的快速标定。

1 方法原理

“地震仪+检波器+地表介质”三者的组合可被称为“地震检波系统[4]”。从“信号与系统”的角度来讲，如果多个系统的输入是一致的或高度一致的，其输出主要反映了系统特性/传输函数的差异。因此，如果同时给多个检波系统输入一个高度相似的机械信号，然后比较其输出，可观测到检波器机电参数以及检波器—大地耦合响应的差异。若其中某个系统的参数是已知的，可根据系统其他输出与已知系统输出的差异估测系统的其他相应参数(图1)。

根据以上思路，本文提出一种基于现场试验数据估测检波器性能参数的方法，称为“微型盒子波(Micro box wave test)”，其原理如下文所述。

图1 输入相同的情况下输出差异反映系统差异

1.1 地表临近质点振动特征具有高度一致性(输入分析)

地震波在地下介质中以真速度v沿射线传播，但在除射线方向以外的任意方向(如地表)观测时，地震波以视速度v'传播。将视速度定义为[7]

(1)

式中θ为入射角。

式(1)说明：当入射角θ=0°时，视速度等于真速度；当θ≠0°时，视速度总大于真速度；当入射角θ趋于90°极限时，视速度趋于无穷大，此时观测面上各点的扰动几乎同时到达。

图2显示低频检波器接收到各种常见地震波的视波长谱[8]。从中可见，除次生低速干扰速度稍低外，震源激发的有效波和干扰波的视速度几乎都大于100m/s，直到无穷大。因此，若将检波器布设在地表1m×1m范围内，则地表振动(不考虑检波器因素)的差异主要来源于三个方面： ①传播距离； ②大地吸收； ③不具有相干性的环境噪声。

图2 低频检波器接收时各种地震波的视波长谱[8]

1.1.1 传播距离

陆上震源被激发后，对于沿地表传播的地震波而言，1m地表距离产生约3ms时差(假设低速带速度为360m/s)。此时若选择频谱分析时窗长度为500ms，则相距1m的两个质点之间的振动差异主要在头、尾两端(图3红色部分)，其他部分是相同的(不考虑大地吸收)，即最大只有3/500=0.6%是不同的(在头、尾部振动完全不相关时)；若分析时长为3000ms，则最大只有3/3000=0.1%是不同的。

对于不沿地表传播的地震波来说，因视速度非常高，故在相同分析时段内，其差异非常小。因此，对于陆上勘探激发的各种地震波及环境噪声，1m×1m范围内的地表振动具有“高度一致性”。

图3 相距1m两质点振动记录在相同时段具有高度相似性未考虑大地吸收

1.1.2 大地吸收

大地对地震信号具有强烈的吸收衰减作用，地层纵波速度与品质因数之间满足经验公式

Q≈14×VP2.2

(2)

β≈1.949×VP-2.2

(3)

式中：Q为品质因数(无单位)；β为衰减系数，定义为每传播一个波长的振幅衰减量；VP为纵波速度。

式(2)、式(3)表征地震波衰减的大体规律，有助于理解大套地层吸收的总趋势[9]。在此基础上，根据工区地层的VP层速度剖面，可算出高频信息被衰减的程度[10]。如对于360m/s的低速带来说，传播1m距离的累计衰减率约为0.05dB/Hz[10]，据此可推算100Hz雷克子波从炮检距“X”m(图4蓝线)传播到“X+1”m(图4绿线)时振幅衰减的幅度。可见该子波200Hz处大约衰减了-12dB，变为原先幅度的1/4，这一衰减量有可能导致地表1m×1m范围内质点振动的较大差异。

通过比较多个相距1m的同类检波器接收的实际地表振动的振幅谱(图5为其中一个)，发现距离炮点较近检波点的高频成分并没有比炮检距增大1m后的检波点有明显增强。因为地震记录是由沿水平方向传播的波(如面波、初至波、次生干扰波等)以及主要沿垂直方向传播的地震波(如反射波)构成，出现图5现象的原因可能有以下几个方面。

(1)对于水平传播的各种地震波来说，受大地吸收影响最大的是沿地表低速带传播的初至波(吸收强烈且有高频成分)，对于低频(吸收弱)面波、次生干扰波等，1m距离产生的吸收差异非常小；

图4 地震波沿地表传播由大地吸收导致的理论振幅差异

图5 相距1m两检波器接收地震波的振幅谱

(2)对于反射波而言，因为低降速带的影响，大致垂直地入射到地表，地表相距1m的两个质点对应的大地吸收差异非常小[10]；

(3)图5中炮检距更小的高频端振幅没有明显偏高的另外一个原因是检波器—大地耦合响应。大地吸收衰减了高频成分，但是耦合响应会放大高频成分，后者的作用超过了前者，使得前者在图5中未呈现明显的规律性。

(4)或者大套地层的吸收规律不适于远小于波长尺度的吸收量的计算，尚不确定。

1.1.3 环境噪声

环境噪声具有各态历经性质[7]，所以1m×1m范围内差异非常小。

综上所述，无论从传播距离、大地吸收还是环境噪声的角度来看，在未植入检波器的情况下，1m×1m地表范围内由陆上震源激发的质点振动在环境噪声背景下具有高度一致性，频率越低一致性越强——因为由大地吸收导致的差异越小。

1.2 地震检波系统对地震数据的影响(系统分析)

将地表机械振动转换为可用于后续数学计算的离散数字过程中，地震检波系统主要完成了机电转换与模数转换两个过程，对地震数据的主要响应可总结为图6[4]。地震检波系统核心要素是检波器。

随着相关技术的发展，陆上石油勘探中出现过各种基于不同工作原理的检波器，如电感动圈式模拟检波器(SM-24、20DX)、MEMS数字检波器(DSUs、VectorSeis)等。表1为SM-24检波器的参数表。关于检波器指标参数的具体解释参见文献[11-12]，此处不做详述。

文献[11]表明：灵敏度决定检波器对机械信号的电放大能力；自然频率、阻尼以及电阻决定检波器的低频滤波响应；允差代表多个检波器之间的一致性；与地震仪或者有源检波器相关的本底噪声对地震数据的记录质量有重要影响，主要影响高、低频两端的机电比；检波器的物理特征包括直径、重量、高度等与检波器—大地耦合响应有关。

1.2.1 灵敏度

检波器灵敏度指的是机械振动转换为电信号后的电压与其位移、速度或者加速度的比值[14]。不同类型检波器的灵敏度单位不同，速度型一般为V·m-1·s，加速度型一般为V·m-1·s2或V/g。将SEGY数据除以灵敏度或SEGD数据乘以标定算子(Depreamplifer Scaling Factor)后再除以灵敏度，即可将数据统一为速度或加速度量纲。

图6 地震检波系统对机械振动的记录与改造作用[4]

1.2.2 低频滤波响应

不同检波器具有不同的低频滤波响应[4，6，11]。动圈式检波器低频滤波响应主要受主频和阻尼系数两个因素影响，主频以下存在-12dB/OCT的衰减；MEMS检波器(如DSU3)理论上不存在低频衰减(实际上会由于本底噪声以及加速度接收的原因而导致较大的极低频失真)。图7为两种典型检波器(20DX、DSU3)的幅频响应曲线。

1.2.3 允差

允差指对某给定检波器参数所允许的误差极限值[13]。允差主要影响数据的一致性。由表1可见，主频、阻尼、电阻及灵敏度等都存在允差概念。

图7 两种典型检波器的幅频曲线[5]

1.2.4 本底噪声

检波系统的本底噪声(Floor noise)指的是在没有外界机械输入的情况下仍然存在的干扰信号[13]。本底噪声主要有两个来源[14-15]：一是空气分子不停的布朗运动撞击质量块和弹簧振子引起的布朗热噪声；二是有源检波器或者地震仪中的电子噪声。对于无源检波器而言，电子噪声主要来源于地震仪前置放大器等元器件；对于有源检波器来说，除地震仪噪声外其自身也会产生电子噪声。本文将布朗热噪声以及地震仪(包含有源检波器)产生的电子噪声均称为本底噪声，不再做更细致区分。本底噪声主要影响地震数据的绝对动态范围[6]。同时，由于本底噪声中的电子噪声具有1/f的特征(频率越低强度越大)，其强弱对极低频以及高频弱信号的记录有重要影响。表2为DSU1检波器的部分指标，其中Noise主要表征了本底噪声的水平。

1.2.5 检波器—大地耦合响应

检波器的不同材质、外形、重量等物理特征会导致其与大地之间不同的耦合响应[3-5]。图8a是两个检波器相距20cm时有意差异性埋置时接收到的振幅谱。在其他因素一致的情况下，二者在高频端的差异是由于耦合条件不同导致的。

图8 两个同类检波器因耦合条件导致的振幅差异(a)以及两条示意性理论耦合响应振幅曲线(b)

表1 SM24(SENSOR)部分指标

表2 DSU1(SERCEL)部分指标

从振动力学的角度来看，检波器—大地之间的耦合系统是一个单自由度机械振动系统。因为普通检波器与陆地地表的耦合谐振频率多为几百赫兹，所以低于耦合谐振频率的频率成分具有频率越高、振幅越强的特征(图8b)。根据本研究测量，耦合响应对地震数据的影响多在40～300Hz频段(40Hz以下耦合响应弱，300Hz以上地表振动弱)。

1.3 根据输出数据反演系统特性(输出分析)

根据以上输入、系统因素分析，为了估测检波器的性能指标，笔者参照文献[16]中用于调查干扰波的Box Wave Test方法，设计了前述的用于估测检波器性能指标的“微型盒子波法”(图9)。该方法设定的检波器间距较文献[16]小了约一个数量级(1.0m→0.2m)，目的是估测检波器的指标参数。

图10为4×4个检波器(20DX)按照图9所示排列接收数据的振幅谱。根据文献[5]，地震数据会受到以下因素的影响：机械振动、机电转换过程中的滤波响应、本底噪声、耦合响应以及电子元器件中数学运算(如高截滤波)等。但对于不同的频段而言，其主导因素是不同的，大致可划分为六个频段。就图10来说，由地表机械振动转换的信号主要影响频段为2、3、4(绿、青、黄)。这三个频段震源激发的信号较强，振幅谱的主要形态由地表机械信号决定。同时，每个检波器具有不同的低频滤波响应、耦合响应(主要影响数据的高频端[17-19])，因此频段2的主要影响因素是机械信号+低频滤波响应，频段3的主要影响因素是机械信号，频段4则为机械信号+耦合响应。由图10可见，因震源激发的地震波视波长很大(≫100m)，故分布在1m×1m范围内的所有检波器在频段2、3的一致性非常高。但超过40Hz以后，由于耦合响应的作用，16个检波器之间的一致性降低了。

频段5(300～400Hz)由于输入的机械信号(震源激发+环境因素)大大减弱，数据中本底噪声的占比大大增加了，呈现出类似“白噪”的态势。

频段6的影响因素与频段5基本相同，但增加了作用明显的高截滤波，所以其幅度在400Hz(0.8×Nyquist 频率)以上迅速衰减。

对于频段1来说，因为炸药激发的低频分量迅速衰减，由机械振动转换而来的电信号非常微弱(但一致性很强)；同时，本底噪声具有1/f规律[5，14-15]，则该频段的主导因素变为本底噪声。又因每个检波器的本底噪声各不相同，故曲线组的一致性显著降低。图11为8个加速度检波器DSU3(垂直分量)布设在1m×1m范围内录制数据的振幅谱。因为加速度检波器具有弱化低频的作用，本底噪声的表现更加明显(红色部分)，低频端保真度显著降低。

图9 微型盒子波排列示意图

这样，对于接收地表机械振动的地震检波系统[5]来说，影响地震数据(输出)频域特征的主要因素包括地表机械振动(输入)以及低频滤波响应、本底噪声、检波器—大地耦合响应、允差、灵敏度等。以上因素对地震数据的影响可以归结为图12(蓝、红、绿三种颜色分别代表了不同的检波器)以及表3(表3中频带范围的划分数值限于图10具体情况，并不绝对)。

另外，若将同类或不同类检波器埋置到1m×1m狭小面积内，震源激发的机械振动高度一致(频率越低一致性越强)，输出地震数据的差异主要反映地震检波系统特性的差异。同时，由图12可见20～40Hz是较“特殊”频段，具有三个特征： ①大地吸收衰减少、输入信号一致性强； ②地震波能量最强、机电比最高的频段，受本底噪声影响最小(地震子波是钟型谱)； ③既不受低频滤波响应影响，又几乎不受高频耦合响应的影响。

图10 4×4个检波器接收同一炮的振幅谱

图11 本底噪声使DSU3检波器极低频保真度显著降低

图12 不同性能参数指标对地震数据的影响

在这个频段内，振幅主要决定于灵敏度、振幅响应以及二者的变化范围(允差)；如果通过多次叠加消除允差影响、通过频带平均消除频带差异，则振幅只决定于灵敏度这一单一因素，20～40Hz频带内振幅均值与检波器的灵敏度成正比。若不进行多次叠加，输出数据振幅的变动范围则反映了灵敏度以及振幅响应的变化范围(无论灵敏度还是振幅响应在不同频率上的分布都不会保持绝对“平直”)，大致相当于允差的范围。

因此，若将检波器按照图9所示设计形态布设，其输出数据的差异主要反映地震检波系统的差异，这样就为现场快捷估测检波器性能参数提供了可能性。

表3 地震信号以及地震检波系统各因素作用的主要频带范围

2 试验验证

基于上述原理，对灵敏度、最低可靠频率以及允差、综合一致性等指标的估测进行了试验验证。试验时检波器按图9所示方式摆放，炮检距大约几百米，工区常用激发因素(如激发井深为10m、激发药量为4kg)、仪器因素(如采样间隔为1ms、记录长度为6s、前放增益为12dB)即可。

2.1 灵敏度

灵敏度反映了检波器对机械信号进行“电放大”的能力。根据前述，可以根据多个检波器累加后20～40Hz频带内振幅均值标定检波器的灵敏度。

为了标定新型检波器的灵敏度，可选取已有成熟检波器作为标准。如测定加速度检波器的灵敏度时，可采用DSU系列检波器作为标准；测定速度检波器时，可采用20DX或者其他成熟的速度型检波器作为标准。因为同种类型检波器(速度/速度，加速度/加速度)之间的灵敏度是简单的倍数关系，不同类型检波器(速度/加速度)的灵敏度则依赖于频率，计算不够直观。

图13是10种检波器的测试结果，其中超级检波器的灵敏度已知(19.7V·m-1·s，红色)，DSU3的灵敏度已知(4.43V/g，绿色)。通过计算得知，5Hz动圈式检波器灵敏度约为72V·m-1·s(粉色)，第1～6、10种加速度检波器的灵敏度约为10V/g(蓝色)，均与室内试验结果相符，从而证明了这种方法的正确性。当然，非常准确的测量需在实验室进行，但这种估测结果对于实际数据采集具有现实参考意义。

根据作者经验，陆上石油勘探单点采集时速度型检波器灵敏度在100～120V·m-1·s、加速度检波器灵敏度在4～5V/g范围较为合理，既可以充分利用地震仪的动态范围，又不会产生超调现象。

作者对此方法进行了多炮检距验证，结果都是一致的，进一步说明了这种方法的稳定性与正确性。

图13 由微型盒子波估算的检波器灵敏度

2.2 最低可靠频率

决定检波器低频接收能力的主要因素包括检波器的低频滤波响应(图7)、本底噪声(表2)以及灵敏度(主要影响弱信号)，可用“最低可靠频率”这一单一指标进行直观衡量。作者将振幅曲线组一致性显著变差的转折点称为该型检波器的“最低可靠频率LFF-Lowest Faithful Frequency”(图11红点)，代表在此情况下最低的保真频率，由机械信号的强度、本底噪声、灵敏度以及低频滤波响应共同决定(前三者相同的情况下，低频滤波响应越强，低频记录能力越差、最低可靠频率越高)。

地震仪输出的数字信号来源于电信号，而电信号有两个来源：由机械振动转换而来的电信号和本底噪声。本底噪声属地震仪和检波器固有的噪声，其特征与机械输入信号无关。如果输入的振动信号足够强、超过本底噪声，就可以比较保真地记录振动信号；如果输入振动信号与本底噪声相当甚至更弱，本底噪声的影响就会显现。图14中蓝色环境噪声的极低频逐渐减弱，而粉色本底噪声逐渐增强(1/f规律)；在本底噪声强于环境噪声的频段(极低频段)，前者占主导作用，此时输出的电信号不再代表地表振动，而是反映了本底噪声的强度。部分加速度检波器数据积分为速度后会产生强烈的极低频，基于此原因，应该将其切除。

在图11中，频段2、3的主要构成要素是振动信号转换而来的电信号，具有高度的“空间一致性”，所以8个检波器高度一致，且越趋向低频一致性越强(低频成分视波长更大、吸收更小)。由此一致性可以推知灵敏度、允差以及低频滤波响应都是一致的。但是，频段1(极低频，大约2.5Hz以下)中各曲线一致性显著变差，出现了向上突然抬升的态势。因其他因素都是一致的，故极低频出现差异的唯一原因是“本底噪声”(表3)。

本底噪声具有1/f及随机分布的特征[5，14-15]，一致性变差的频率点反映了地震信号由机械输入信号为主向本底噪声为主的转变。

图15左图为10种检波器(除第9种为8个以外，其余均为16个检波器，记录时段0～6s)的低频振幅谱比较，图中低频端振幅谱变粗的频率点即为对应检波器类型的“最低有效频率”。由图15可见，第6种检波器的低频接收能力最差，第7种检波器低频接收能力最强；第9种DSU检波器的最低有效频率大约为4Hz(与图11不同)。另外，随着输入信号强度降低，允差、灵敏度等其他因素的作用更明显，本底噪声的影响减弱，最低有效频率就难以标定(图15b，分析时段5～6s)。因此，最低可靠频率对比应在较强机械输入的情况下进行。当然，经多次叠加衰减本底噪声后最低可靠频率会降低。

图14 本底噪声与环境噪声的功率谱比较

图15 10种检波器的低频记录能力比较(由上到下分别对应10种检波器类型) 左图对应时段为0～6s，右图对应时段为5～6s

2.3 允差

根据前述，尽管1m×1m范围内地表机械振动具有高度一致性，但实际数据显示部分检波器类型不同检波器之间的曲线一致性较好、曲线重合度较高(图16B1、C1)，部分一致性则较差(图16A1、D1)。因为A1、D1是加速度检波器，具有突出视觉高频的作用(差异大的耦合响应作用在高频，环境噪声较震源信号在高频端也相对更强)；同时，二者均为有源检波器，本底噪声更强；这些都是A1、D1一致性差的重要原因。但对于同种检波器而言，耦合响应及本底噪声应极为接近，故图16中A1、D1一致性差的主要原因是允差。允差对于保持地震数据的一致性具有重要影响，但是现场难以测量这一指标。在检波器的性能参数表中，影响允差的主要参数包括主频、阻尼、电阻以及灵敏度等(表1。有源检波器的本底噪声也存在允差的概念)，多数在2.5%～5%范围。

对于分布在1m×1m范围内的多个检波器来说，极低频容易受到本底噪声的影响，高频容易受到耦合响应的影响，低、中频段机械信号的强度大、机电比高，作用的主要系统因素有两个：灵敏度和振幅响应允差(暂称为“合并允差”)。如果把每一组所有检波器振幅谱的分布范围作为考核标准，就可大致算出该型检波器合并允差的大小。具体的计算方法如下。

(1)计算每一类型所有检波器的振幅谱。

(2)将同一类中所有检波器各个频率振幅谱的“(最大值-最小值)/平均值”作为该频率的“合并允差”。因为“最大值-最小值”的范围代表了该频率振幅的变动范围，平均值则将不同检波器的变动范围进行了归一化，实现了可比性。

图17是实际试验结果，可见20～40Hz频段曲线基本平直，反映了检波器的“合并允差”。其中两种动圈式检波器(B1—动圈5Hz、C1—动圈10Hz)的合并允差接近10%，DSU3(D1)大约为18%，而LP-5Hz(A1)则达到约35%，大约是DSU检波器的两倍，显然太高了，严重影响了数据一致性。低频端的抬升是由于本底噪声导致的，其转折点对应最低可靠频率，强度大致反映了检波器本地噪声的相对强弱。由图17可知，LP-5Hz、动圈10Hz、DSU3、动圈5Hz的低频接收能力依次增强。超过40Hz以上的曲线抬升是由于耦合响应不一致导致的。

因为多数反射信号较初至弱很多，所以更容易受到系统因素的影响。图16下部为4～4.5s的波形图，可见各个检波器之间的一致性较初至(图16上部)大大下降了，这种不一致使深层反射弱信号的识别更困难，此不一致性不仅仅来源于合并允差，也跟其他系统因素有关。为了简洁、全面地反映不同地震检波系统的机电特性，可用综合一致性对此进行表征。

从傅里叶变换的角度来讲，地震检波系统的所有性能参数可从每一个样点上得到体现。特别地，最小炮检距的最大值是地震记录中机电比最高、输入一致性最强的样点，其差异最大限度地反映了系统的差异。因此，可用微型盒子波条件下每个检波器的最大值(不超调时)的变动范围量化表征某种类型检波器的一致性。该指标可在一定程度上表示某种类型检波器的各项指标对地震数据共同作用后的结果，与允差类似，但对其指标体系的综合表征作用更强，可被称为综合一致性。图18中的绿、黑、粉、蓝曲线分别对应图16中A、B、C、D四种检波器，其变动范围分别为±20%、±2.5%、±2.5%、±7.5%，综合反映了检波系统的机电参数浮动范围。如果此范围过大，弱信号的识别就难以实现。

图17 20～40Hz的振幅谱相对分布范围反映了合并允差的大小

图18 图17四种检波器的综合一致性对比

3 具体应用中的若干问题

在具体应用中应该注意以下几个问题。

3.1 观测系统

新型检波器参数标定与采集作业用检波器一致性筛选(挑选不合格检波器)，这两种应用目的宜采用不同的布设方式，前者如图19，后者如图20。

微型盒子波试验应该采用炸药激发方式，炮检距在300～1500m范围。该距离既不会导致检波器超调，又能保证初至波有较强的能量(较高机电比)。但是，由于安全等各方面的原因，炸药震源在非采集作业阶段不易获得，而研制新型检波器的过程中需要频繁测量检波器的性能指标，这种情况下可以用重锤等在距排列几十米的位置激发振动作为一个简便的替代方法。这种方法对于某些检测手段不完备的小型公司非常适合。该方法的优点是不必采用炸药震源，随时随地可以试验，几乎没有成本；缺点是高频段(约80Hz以上)无法标定。高频段标定必须借助炸药激发高频信号或者室内检测设备来完成。

当前节点地震仪是采集装备更新的一个热点。

图19 新型检波器参数标定时布设方法

图20 采集作业用检波器一致性筛选时采用的布设方法

因为每一个节点仪器都是一个独立的机电单元，所以这种新型设备需要采用图19所示的方法来考察其一致性，特别是本底噪声的一致性。

如果是采集作业用检波器一致性筛选，观测系统可以采用图20所示排列方式，炮点位于中心，300m以外布放检波器，4×4为一组，组与组间隔约5m，便于区分。如果是检波器串(如每串6个)，建议每组四串检波器(四串不至于分布范围太大，以确保输入信号的一致性)。以每组为单位，考察组内各串检波器之间的一致性。在能够接收到较强震源信号的偏移距内可将排列扩展到数万组(每一组的信号输入是基本一致的)。

当前采集作业在用的部分检波器使用年限较长，真实参数已经大大偏离了标称值，可以采用振幅归一化 (详见3.3节)后进行各项指标的一致性比较，按照少数服从多数的原则挑选出明显数据错误的检波器。

3.2 分析时窗

输入信号的高度一致性主要是对较强机械信号而言的，对随机干扰、特别是小波长的随机干扰一致性较弱。因此，在选取输入信号的时候，应选取包含初至波、强反射、折射、强相干噪声的整个记录时段作为分析时段，这种情况下机电比最高、能量最强、频带最宽，容易识别，可更准确地由检波器输出数据反推检波器的各种参数。

3.3 振幅归一化

不同类型检波器对比的时候，往往存在灵敏度、滤波响应等参数不同的情况，此时应该根据每种检波器的灵敏度将原始数据转换为速度或者加速度量纲后，再进行比较。在灵敏度未知或者不准确的情况下，可以根据20～40Hz范围内振幅平均值做振幅归一化来比较检波器的性能参数。

如果检波器的类型(速度、加速度)不同，要进行转换之后再进行振幅归一化[3-5]。因为不同检波系统的性能参数不同，根据时域波形的最大值进行归一化有时候是不合理的。

4 关于检波器应用与研究的几点看法

近十几年来，以MEMS检波器引进国内为标志，国内业界进行了数十甚至上百种不同型号的检波器试验与应用。但是，即使在此背景下，现场施工仍然以传统的10Hz动圈式检波器串为主，MEMS数字检波器等仅占单点采集总道数的大约10%[14]。为什么当年备受推崇的MEMS数字检波器没有像厂家预测的那样[20]被大面积推广？为什么部分指标并不优秀的检波器进入了日常采集作业流程？从技术应用的角度看主要有以下几个要素应该被重点关注。

4.1 速度/加速度

MEMS加速度数字检波器被引进十几年来，很多文献[20-23]都将其与传统的速度型动圈式检波器直接对比。因为速度、加速度是不同的物理量，不同检波系统的性能参数也不同，将二者直接对比没有物理意义。将速度型检波器与加速度型检波器数据进行频谱、能量、信噪比、子波等指标比较并据此判定优劣，没有反映地震数据所代表的物理本质，仅仅反映了数学表象。近年来经过有关文献的呼吁[3-6]，大家逐渐接受了二者应该在同一种“域”进行比较的观点。经过重新认识，MEMS加速度检波器并没有表现出引进初期期望的大大提高勘探精度的跨越式促进作用[20-25](只是过分夸大了MEMS这种优质检波器的作用)。

但在MEMS加速度检波器可以提高“视觉/数学”主频[3]的启发下，国内部分单位转向研发各类新型加速度检波器，涌现了部分指标并不突出甚至性能低劣的检波器，意图在于提高数据主频以及地质分辨率，并进行了大量的试验甚至采集作业，在一定程度上造成了资源的浪费。并且，直接将加速度检波器数据输入处理系统进行处理的做法，可能违背了“基本的物理原理”[3，14，20]。文献[3]初步讨论了选择速度、加速度进行处理的时候应该考虑的几个因素。文献[14]认为，在进行速度、加速度检波器对比、处理的时候，必须把加速度检波器数据积分转换为速度数据，因为速度域更有利于解释人员拾取准确的反射时间(图21)。对于厚层(图21左图，由上而下依次为速度记录、反射系数序列、加速度记录)而言，每一个反射层对应区分明显的速度或加速度子波。但对于薄层(图21右图)而言，速度雷克子波可区分两个反射层的情况下(图21右图上)、加速度子波就难以辨别了(图21右图下)。因此，尽管用加速度表征较速度表征的子波主频由30Hz提高到36Hz，但其时域分辨能力下降了。

传统的速度型动圈式检波器自1937年被广泛采用以来[1-2]，很多处理软件都默认输入数据代表地表振动的速度，故世界上大多数石油公司在将加速度检波器数据输入处理系统之前将其积分转换为速度并切除低频畸变后再进行处理[3，14，20]。但因为部分加速度检波器本底噪声非常高，积分转换为速度后会出现畸变的超强低频分量(一般小于5Hz)，所以国内部分项目没有将加速度检波器数据转换为速度数据，也不愿看到加速度数据的“高频优势”在积分后消失[3]，所以就将其直接输入处理系统。其后果是处理后的剖面视主频提高了，但是时间分辨率和信噪比都下降了。

另外，国内部分学者认为采用加速度数据可提高纵向分辨率；或者认为直接把加速度输入处理系统后，处理系统可以通过反褶积自动消除速度与加速度之间的动力学特征差异，二者的成像效果相当、不需预先进行微积分变换。由于作者知识领域的限制，无法对以上观点做理论与应用方面的深度剖析，希望引起相关专家的关注，进行进一步的验证，避免出现工程层面的原理性失误。如对多个区块的加速度数据直接进行处理，会产生成像扭曲，误导地质专家的更深入认识，进而降低钻井成功率。如果经过论证，证明加速度处理更有物理意义、地质效果更好，就可将以往大量速度检波器采集的数据进行微分后重新处理；如果证明速度处理效果更好，那么近年来所有由加速度检波器施工的区块资料应该被积分后再重新处理，而不是目前速度与加速度并行、莫衷一是的状况。

在实践中，有的新型检波器通过附加微分电路将速度型电信号整形为加速度后输出，以达到提高视觉主频的目的。尽管这种方法理论上对于提高高频弱信号保真度有一定的作用，但是因为微分电路的稳定性以及地震勘探目标频带范围、附加电噪声等原因，这种“电微分”的工程意义不大，完全可以通过数学微分替代。数学微分的效果取决于原始数据的“机电比”[5]。

图21 速度域雷克子波(左)较加速度域(右)更有利于提高时域分辨率

4.2 低频/常规

低频信号在克服吸收、非均质体散射以及动静校正、叠加、偏移、信噪比等方面有优势，有助于解决复杂地区的构造问题；深层反射、火成岩反射、盐下层反射、复杂逆掩断裂滑脱面下的反射具有低频的特性。近年来，随着专家学者对于低频信号(1～10Hz)在石油勘探中的作用认识不断深化，涌现了多种获取低频信号的方法。从接收的角度而言，获取低频信号大致有四种方法：①采用低频无衰减或者衰减非常小的检波器。这种获取低频的方式主要依赖于检波器的机械属性，可称之为“机械低频”(如MEMS数字检波器)。②在存在机械低频衰减的情况下，根据检波器的传输函数，经由附加电路补偿低频，这种方式可以称之“电低频”(如西方地球物理公司的GAC检波器)。③在存在机械低频衰减的情况下，根据检波器的传输函数，将损失的低频通过计算的方式补偿回来[5]，这种方法可以称之为“数学低频”。 ④根据普通检波器与低频检波器数据之间的特征(振幅谱、功率谱)差异，补偿普通检波器的低频成分[26-27]，是以上三种方法的综合。无论何种实现形式，它所希望代表的都应该是地表机械振动中的低频分量。

图22是四种检波器贴近埋置后接收同一炮的振幅谱(经20～40Hz振幅归一化)。其中图22a未做检波器反褶积[5]，可见蓝—绿—青(方法②)—红(方法①)四种检波器的低频振幅依次增强，这与理论相符。图22b的动圈式检波器20DX做了检波器反褶积Deg[5](方法③)后，与DSU、宽频检波器在2Hz以上高度重合； LP-5Hz加速度检波器存在低频衰减，故在约7Hz以上才与其余检波器重合。

关于低频检波器，本文认为：

(1)对于石油勘探而言，DSU等MEMS数字检波器是最直接的选择，缺点是价格偏高。DSU-428大约在2Hz以上是可靠的，DSU-508应该可以达到大约1Hz甚至更低。其余很多类别不适于大规模的石油勘探作业；同时，此类加速度检波器的低频优势只有在转换为速度进行数据处理的时候才能显现(限于最低可靠频率以上)。

图22 四种不同类型检波器的低频接收能力比较

(2)采用十几赫兹的动圈式检波器+反馈电路实现1～2Hz以上低频信号接收的情况下，因反馈电路难以保持较高的一致性，故叠加后低频数据的保真度较低。

(3)10Hz动圈式检波器+检波器反褶积Deg[5]大约可以实现1～2Hz以上的数据保真，是最经济的一种方法。更重要的是，Deg可用于以往所有动圈式检波器采集的工区(已施加低截滤波的除外)，可对以往数据进行重新处理、解释，发掘低频分量的潜力，大大降低采用低频检波器重新勘探的成本[5]。有技术人员认为可通过处理系统的反褶积来代替检波器反褶积[5]，这是不现实的，因为二者的所依据的物理事实以及实现算法均不相同。

(4)方法④依赖于低频检波器的机械或者电属性以及数学计算(反褶积)，算子不稳定，一致性差，操作繁琐，推广意义较弱。

4.3 单点/组合

“高密度采集”是指空间采样密度远大于常规施工的采集方式，往往道距较小，主要目的是提高地震资料的信噪比和分辨率。当前，高密度采集在很多地区被大量实施，且少量施工单位认为其必须同时与单点加速度检波器相配合。但从分类角度看，高密度本质属“观测系统”的范畴，单点采集属“接收”的范畴，加速度检波器则属“装备”的范畴，不能混为一谈。部分高密度采集实例中的剖面品质提升实际是加速度检波器接收带来的“视觉/数学”高频优势，如果将其积分为速度后，高频优势就消失了，时间分辨率不会有明显提高。当然，因为道距的缩小，空间分辨率有了较大改善。

文献[14]认为，在低信噪比地区，因为人们仍然依赖于单炮显示进行质量控制，通过组合滤波响应衰减低速炮生干扰仍然是人们优先的选择。只有当单点检波器可以在Inline 和Crossline 方向小到足够无假频记录波场并在处理阶段有效去噪的时候，才能够替代检波器组合。这在当下油价低迷的现实条件下很难实现，特别是Crossline方向无法达到所期望的空间密度。因此，在很多地区，检波器组合仍是当前低成本采集背景下的合理选择。

另外，在实际地震数据采集中，将不同检波器的单点与组合进行同时比对是错误的，此时检波器的滤波效应与组合效应相互重合，难以得出明晰的结论。

当前，一些单位热衷于研发新型加速度检波器及低频检波器的根本原因，可能是对检波器性能指标与其地球物理表现之间的因果关系不清楚或商业利益驱动，而对提高地震数据保真度并无太大助益。

除了以上纯技术因素以外，一些更深层面的因素影响了检波器的应用与研究工作。

(1)部分一线技术人员缺乏充分理解不同类型检波器数据所代表的物理意涵以及应用场景的知识基础和工具方法。

(2)在勘探要素发生变化的情况下，数据评价沿袭了技术规程中的僵化方法、导致了错误的判断。检波器效能应该放置到整个勘探链条中进行系统评判，而不仅仅是根据技术规程做“现象评价”[3-4]。

(3)以“工业试错”模式开展应用研究。在未厘清数理原理或未做充分点试验情况下，仓促投入大型试验甚至规模作业，浪费了资源、误导了认识。

(4)对MEMS等新型检波器的评价缺乏独立判断、“只有表扬没有批评”，鲜有“不同的声音”。这种现象与求真务实的科研作风是相悖的，背后的方法性、结构性甚至系统性的原因值得反思。