地震检波器技术发展思考*

罗福龙

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 河北 涿州 072751)

0 引 言

地震检波器(以下简称检波器)是油气地震勘探必不可少的地震信号传感部件，其性能质量和技术水平不仅直接关系到地震数据的品质，而且还直接关系到油气地震勘探的综合成效[1]。因此，检波器技术的发展不仅是地震勘探技术发展的重要支撑，同时也是实现高品质、高精度、高效益地震数据采集的关键所在。

检波器技术经过几十年的发展，虽然在新工艺、新材料、新方法等方面有所进步，在地震信号响应性能上也获得了更宽的接收频带、更大的动态范围、更好的保真效果等，但与地球物理勘探技术发展带来的需求相比，发展的速度仍然显得缓慢和滞后[2]。特别是随着当前高精度、高密度、宽频带油气地震勘探技术的普及，面对迫切需要一致性更高、灵敏度更高、保真度更高、分辨率更高、响应频带更宽的地震信号传感器这一新常态，时下的检波器技术更显得薄弱和落后。所以，大力发展检波器技术已经成为新时期油气勘探的必然要求。

检波器技术应该向什么方向发展、重点发展什么内容、如何发展就成为当前应该定位、策划和研究的主要任务。为此，本文以地球物理勘探技术需求为指针，以国际成熟且先进的工艺和材料技术为依托，从现状和问题分析出发，系统地探讨今后检波器技术的发展脉络。希望以此能为检波器技术的创新和换代起到抛砖引玉的作用。

1 现状与问题分析

为了全面探索检波器技术的发展规律，准确把握检波器技术的发展脉络，事先做好检波器技术现状的调查分析，特别是当前面临的关键问题就显得尤其必要和重要。

据不完全统计，全球范围内目前用于油气地震勘探的检波器超过100种，其中又以电磁感应原理的模拟检波器为绝对主体(占总量的90%以上)。为直观展示检波器的现状，表1统计了部分目前国内市场可提供的电磁感应原理陆用检波器及其主要技术参数。

表1 部分国内电磁感应原理检波器主要技术参数

表1 列出的都是电磁感应原理检波器，实际上油气地震勘探市场上不仅有电磁感应原理检波器，还有压电式、光栅式、MEMS等原理检波器，只是就目前市场拥有量而言电磁感应原理检波器的占比应该超过90%，所以除特殊说明外，下述的分析研究都是基于电磁感应原理检波器进行。

虽然表1仅统计了20多种检波器的主要技术参数，但也能基本反映当前检波器的技术概况。从表1列出的信息可以看到，检波器的品种型号多且杂、指标参数多样化且精度各异、相同自然频率却有不相同的阻尼和灵敏度、失真和横向固有频率差异明显，等等。

另外，在结构方式上，过去大多以串并联构成的检波器串作为工作单元，便于组合压制噪声，但当前正在快速发展高灵敏度的单只检波器为工作单元，因为单只不仅方便野外作业，而且也有利于地震信号相位保真。

回顾近几十年来检波器的发展，虽然技术参数、指标、特性等得到持续优化和提升，但关键技术并没有多少突破。这就致使检波器的技术与追求高精度、高密度、宽频带的勘探技术不匹配，特别是在信号保真能力、抗干扰能力、环境适应能力等方面还远不能满足精细化勘探的需求[3]。以上陈述就是检波器技术的大致现状。

发展的目标之一就是解决当前存在的问题，所以准确地找到不适应油气勘探需求的关键问题也是推动检波器技术进步的基础要素。透过当前的技术现状并结合实际应用的效果，可将检波器存在的主要问题大致归纳为：一是品种型号又多又杂，导致市场混乱、用户选型困难且互换共用性差，造成重复投入和资源浪费[4]。二是技术参数和指标设置不够全面，不能客观真实反映检波器的固有性能。例如，传统的失真指标定义为特定频率(一般在自然频率附近)下检波器响应输出的谐波畸变，反映的仅是一个频率点的保真效果，不能反映整个工作频带内检波器的保真效果。又如，当前没有对检波器的抗干扰(如雷电感应)能力进行规范，致使实际应用时不能依据指标选择抗干扰能力强的检波器[5]。三是传统技术指标的精度还不适应地球物理勘探技术发展需求，当下普遍开展的是高精度勘探，这就要求检波器的技术指标具有高度一致性，进而实现响应信号的高度“聚焦”。四是响应频带还不够宽，当下热门的是宽频勘探尤其是低频(2 Hz以下)勘探，这就要求检波器有宽泛的响应频带尤其是良好的低频响应能力，但现时的检波器很难保真地响应2 Hz以下的地震信号，所以扩展检波器的响应频带也是势在必行[6]。五是环境温度适应性不够，检波器通常只在室温(20 ℃左右)条件下能达到设计的技术指标，低温或高温条件下检波器的技术指标都会发生明显变化，显然不利于在极端温度条件下保真响应地震信号。六是检波器技术的发展缺少统一的顶层设计，多数新产品是厂商为获利而研发，没有密切联系地球物理技术发展的需求。

2 需求分析

明确了当前检波器的主要问题，只是总体把握了检波器技术进步和发展的一方面内容，但要进步到什么程度、发展成什么样子，还要取决于地球物理勘探技术发展带来的新需求。那么，为探索检波器技术发展的具体方向和量化目标，透过物探技术发展给地震数据采集带来的新变化映射出检波器发展的新要求就显得十分必要。

从本质目标上看，物探技术的创新重点是围绕获取时间更精确、位置更准确、保真效果更好、地质信息更丰富的地震数据而展开，为此发展了以宽频、宽方位、高密度、高覆盖、高效率地震数据采集等为代表的先进勘探技术和方法。反映到检波器上就是如何实现宽频、保真、灵敏、聚焦地接收地震信号。为了精细化地刻画出物探技术进步对检波器提出的新需求，表2按照一一对应关系列出了追求目标及需要改进的内容和约束指标。

表2 物探技术进步对检波器提出的需求要点

从表2可见，当前检波器的技术水平还远不能满足物探技术进步带来的新需求。今后的检波器不仅要在地震信号响应的线性度、保真度、动态范围、频带范围等方面的技术指标上努力提高，而且还要在温度适应性、抗干扰能力、标准化程度等方面实现全新的突破。

除此以外，为满足高效率低成本地震勘探作业的需要，还要求检波器具有造价低、寿命长、使用便利(允许倾角大、重量轻、适合机械化作业等)、耦合效果好等特点。“点”接收方式因施工简单、信息“原味”而越来越普及，所以发展宽频高灵敏度单点式检波器也是一项刚性需求。以上内容应该是地震勘探技术发展给检波器提出的总体要求。

3 发展路线思考

人类发展史证明，快速有序的发展通常需要科学的总体技术设计和技术路线规划，检波器技术的发展自然也需要总体设计和路线规划。为此，下面将从分析以往检波器技术发展相对滞后的原因出发，系统思考今后检波器技术的发展路线。

立足当下探索未来，在讨论未来发展路线之前有必要事先总结过去发展路线的曲折。系统地看，导致检波器技术发展与地球物理勘探技术发展不协调、不同步、不配套的原因众多，但归根结底大致有如下几项关键原因。一是检波器依托的材料、工艺、设计等技术许多年来一直没有实质性的突破，致使检波器技术进步缓慢。二是设计制造与勘探需求没有紧密结合，多数情况厂商在开发新型检波器时是以获利为前提，没有充分地研究地球物理勘探技术的发展需求，致使研制的产品与需要的产品不完全一致。三是缺少长远规划和系统设计，同时还缺少具有引领作用的基础通用技术标准，致使检波器的发展粗犷且无标可依[7]。四是缺少原理和方法创新，多数时候仅在已有技术上进行优化和改进，极少有本质上的突破，导致检波器的核心技术基本不变。五是设计研究创新人才分散没有形成合力，虽然检波器技术的研究力量一直在积累，但这些力量都是零星分散在不同的厂商或单位当中，致使很多研究重复且低水平。六是行业内缺少权威的检测和评价机构，致使产品性能良莠不齐且优劣难辨。

发展的目标在于解决当前问题和满足未来需求，通过前面的讨论基本明确了地球物理勘探技术发展给检波器提出的新需求，也精准找到了检波器以往发展固有的问题及其主要原因。那么，检波器的发展路线就应该定位在有效地解决问题和充分地满足需求之上。根据这一定位结合以往的成功经验，可将检波器技术的发展路线概括为：一是提炼地球物理勘探技术发展给检波器带来的量化需求，为研究设计全新的检波器提供具体目标。二是以地球物理勘探技术发展需求为指引，以综合技术性能国际先进为前提，为检波器技术发展策划顶层设计并制定相应基础通用技术标准，引导检波器技术良性发展。三是创新选择和研究全新的材料和工艺，只有材料和工艺方面取得突破，检波器的技术才可能实现质的飞跃。四是针对性地增设能客观反映检波器性能的指标参数，特别是涉及到信号频带、相位保真、抗干扰能力、温度适应性等方面的指标参数，进而更全面地保障地震信号传感效果。五是提高传统指标参数的精度和匹配性，特别是提高低频弱小信号的保真识别能力，增强与地震仪器协同工作参数的匹配性，为高精度采集地震信号提供条件[8]。六是研制高保真、高灵敏度、高分辨率、宽频带单点接收检波器，为低成本、机械化、高效率、高品质实施地震信号采集提供支撑。七是创新设计理念和加工制作方法，在体积、重量、强度、寿命、成本等方面取得突破性进展，提高检波器的性价比。八是在行业内建立权威的检波器性能测试与评价机构，统一平台量化检波器的指标参数，规范检波器技术性能的测试方法和评价手段[9]。

4 未来特性展望

通常，技术发展的结果可以用相应的特性来体现，那么检波器技术的发展在特性上又有什么样的表现？相应的指标参数会有什么样的取值？常规物理性能又会有什么样的改观？作为对未来检波器特性的设想，也作为检波器技术发展目标的预测，下面就检波器技术发展可能给检波器特性带来的变化进行展望。

检波器的本质功能是完整保真地传感地震信息，关键特性自然就体现在响应地震信号的能力上。为表述和理解上的便利，下面将从综合响应特性、环境适应特性、常规物理特性等几个方面来探讨未来检波器的量化特征。

综合响应特性是指直接影响地震信号传感效果的指标参数，既包括自然频率、阻尼系数、一致性(参数波动率)、失真度、灵敏度、假频等传统项目，也包括通带失真、响应频带、动态范围等新增项目。为了展现时间和空间上的变化轨迹，下面将以单点检波器为例按过去型、现在型、正开发型、未来型产品分类和对比方式来展示未来检波器的综合响应量化特性，对比的具体内容见表3。考虑到油气勘探可能应用的检波器大多为5 Hz或10 Hz自然频率，所以表中展示的内容也以5 Hz和10 Hz自然频率为代表(其中2.5 Hz自然频率仅是对未来产品性能的设想)。

表3 未来检波器的综合响应特性

环境适应特性是指与环境条件密切相关的指标参数，包括允许倾角、抗干扰能力、温度系数等。为了展现技术递进关系，下面也以单点检波器为例按过去型、现在型、正开发型、未来型产品分类和对比方式来展示未来检波器的环境适应特性，对比的具体内容见表4。表中的内阻占比实际是指与地震仪器的阻抗匹配关系。

表4 未来检波器的环境适应特性

常规物理特性是指不直接影响地震信号接收效果只影响操作效果的特性，主要包括寿命、绝缘电阻、工作温度、重量、强度等。为了展现技术递进关系，下面仍以单点检波器为例按过去型、现在型、正开发型、未来型产品分类和对比方式来展示未来检波器的常规物理特性，对比的具体内容见表5。

在表中的特性中有几项是过去没有定义过的指标参数，如通带失真、共模抑制比、工频干扰敏感度、温度系数、内阻占比。增设这些项目是为了更好地满足高精度地震勘探需求，如通带失真是衡量检波器在整个响应频带内的信号保真效果而设定的，共模抑制比和工频干扰敏感度是衡量检波器抗拒雷电等电磁干扰的能力而设定的，温度系数是衡量检波器指标参数随温度而变化的程度而设定的。

总而言之，为适应精细化油气勘探的需求，检波器的技术特性将进一步细化和充实，特别是涉及到相位、频率、振幅等保真效果方面的指标参数会进一步得到优化，此外在抗干扰能力和温度适应性等方面也会推出相应的约束指标。发展技术更加先进、频带更宽、性价比更高、聚焦和保真效果更好的检波器是大势所趋。

5 结束语

检波器是地震数据采集的重要部件，其性能品质直接关系到油气勘探的综合成效，因此不断创新和发展检波器技术将是永恒的主题，也是获取更高品质地震资料的必由之路。这里对检波器技术发展的探讨重点在于理清需求和路线，目的是为研究设计出国际先进的检波器提供服务，进而为检波器技术进入良性快速发展轨道提供借鉴。同时，希望借此唤起有关技术工作者对检波器技术发展的关注和讨论，并起到抛砖引玉的作用。