對3種典型檢波器及其數據的幾點看法

魏繼東

(中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司,山東東營 257100)

動圈式速度檢波器與水中壓電檢波器分別是當前陸地石油勘探與海洋石油勘探最重要的采集設備,二者基于不同的物理原理,目的都是將由震源激發的地震波場(彈性波、聲波)表達為可以計算、分析的數據,進而反演地下介質的空間和物性特征,確定油氣藏等地下礦藏的分布范圍、地質儲量、開采難度等要素,為其后的油氣田開發指明方向。壓電陶瓷作為水中壓電檢波器普遍采用的機電轉換材料,采用不同于水中壓電檢波器的外形、數量并與質量塊結合(此時壓電陶瓷既作為機電轉換元件,又作為類似于彈簧的彈性元件),得到的輸出電壓在一定頻帶內與輸入振動的加速度成正比,可被用于陸地地表振動的檢測,被稱為“陸地壓電檢波器”。

動圈式檢波器、水中壓電檢波器和陸地壓電檢波器具有各自不同的物理結構、力學模型、等效電路以及傳輸函數,充分理解3種檢波器輸出數據的物理意涵以及數據意義,對于確保后續處理方法的物理合理性以及數學有效性具有重要意義。其中,動圈式檢波器與陸地壓電式檢波器可以用彈簧-質量塊-阻尼(k-m-c)單自由度振動模型進行描述,主要利用彈簧質量系統的強迫振動特性來進行振動測量,屬于慣性式檢波器。當前部分文獻[1-3]主要關注不同類型檢波器的機電構成以及傳輸函數的推導與表達,對于不同類型檢波器輸出的數據的地球物理意義論述較少。本文意圖在厘清不同類型檢波器機電構成以及傳輸函數等數理特征的基礎上,檢視部分與檢波器類型有關的數據計算過程的物理合理性,初步探討不同類型檢波器數據對后續處理成果信噪比、分辨率等的影響。

1 3種檢波器的物理結構與數學模型

1.1 動圈式檢波器

動圈式檢波器是在用檢波器類型中歷史最為悠久的石油勘探用檢波器[4]。動圈式檢波器輸出的電壓與地表振動速度在主要頻帶內成正比,所以被稱為“速度型”檢波器,其物理結構、等效電路、傳輸函數等見表1[5]。動圈式檢波器的系統特性既取決于質量塊的重量、彈簧的彈性系數,也取決于線圈磁通、磁電轉換系數等電磁參數。所以,動圈式檢波器在地震勘探有效頻帶內的系統特性(自然頻率、阻尼等)取決于“材料、外形、電、磁”等多種因素(表1)。

1.2 水中壓電檢波器

當沿著一定方向對某些電介質施力使之變形時,介質內部會產生極化現象,同時在它的兩個表面產生符號相反的電荷(作用力方向改變時,電荷的極性也隨之改變)。去除外力后,電介質又會恢復不帶電的狀態,這種現象稱為壓電效應。具有壓電效應的物質很多,如天然石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛等。水中壓電檢波器即是根據壓電陶瓷元件的壓電效應制造的傳感器[5-6]。

水中壓電檢波器(水檢)的自然頻率取決于壓電片的物性以及外形,通常非常高,可以達104Hz甚至更高的量級,所以海洋勘探時水檢在遠低于其自然頻率以下的頻帶工作[6]。在實際應用中,由于壓電陶瓷元件具有很高的輸出阻抗,而地震儀的輸入阻抗低得多,所以長期以來廣泛使用變壓器耦合進行阻抗匹配,被稱為“變壓器耦合式壓電檢波器”[5]。為了減少導線間的漏電作用,變壓器一般靠近壓電陶瓷元件。在單獨的水中檢波器中,變壓器通常置于檢波器內,而拖纜通常是一道檢波器組合共用一個變壓器。水中壓電檢波器的物理結構、等效電路等參見表1[5]。因為壓電陶瓷本身的自然頻率遠高于地震勘探的有效頻帶,所以影響水中壓電系統特性的主要因素是變壓器以及分流電阻,其作用可用LCR振蕩電路進行描述,后者具有高通濾波的作用。需要說明的是,這種高通濾波特性由附加電路帶來,與壓電陶瓷的自然頻率關系不大。另外一種水檢為“帶電荷放大器的壓電檢波器”,利用電荷放大器來提供低輸出阻抗,并對壓電檢波器產生的信號進行放大[5]。

因為附加電路的存在,水中壓電檢波器同樣存在類似動圈式檢波器的自然頻率、阻尼等概念,在自然頻率以下以一定的速率衰減。但是,這種衰減是由純電路因素導致的,與動圈式檢波器“機械+電磁”因素導致的低頻衰減不同。水中壓電檢波器通常采用與動圈式檢波器大致相同的自然頻率(如10,15Hz)以及阻尼系數(比如0.707),這一點為雙檢合并技術的應用提供了便利(具有相同的高通濾波效應)。

1.3 陸地壓電檢波器

基于壓電材料的壓電效應,20世紀60至70年代美國有公司采用壓電陶瓷作為機電轉換元件,在多個壓電陶瓷片上附加一個質量塊(表1),當檢波器振動時,質量塊對壓電晶體產生壓力,從而在壓電晶體兩端產生電壓,將地表振動轉換為電信號。近年來國內公司在該設計基礎上進行了改良,生產了多款陸地壓電檢波器[7-9]。較美國公司產品而言,國內陸地壓電檢波器沒有“積分放大電路”,所以前者是速度型檢波器,后者是加速度型檢波器。

陸地壓電檢波器受壓電材料機電轉換系數的限制,產生的電信號比較微弱,必須通過放大器進行放大后才能被地震儀接收,所以陸地壓電檢波器采用了變壓器設計,以實現與地震儀的阻抗匹配以及信號放大,但是這種設計帶來了額外的電噪聲,縮小了地震數據的有效動態范圍。

陸地壓電檢波器準確的傳輸函數未見諸于文獻(表1),從實際數據來看,陸地壓電檢波器存在與動圈式檢波器類似的高通濾波作用。

由表1可見,動圈式檢波器是“速度型”檢波器,其輸出數據在一定頻帶內與地表振動的速度呈線性關系;水中壓電檢波器是“壓力型”檢波器,其輸出數據在一定頻帶內與周圍介質的壓力成正比;陸地壓電檢波器是“加速度型”檢波器,其輸出數據與地表振動的加速度在一定頻帶內成正比(不加積分電路的情況下)。

2 動圈式檢波器與陸地壓電檢波器對地表振動的等效表征

檢波器的主要功能是“忠實地記錄大地振動”。對于振動表征而言,如果不考慮振動的直流分量,位移、速度、加速度是等效的。但是,因為目前無法直接測量機械振動,必須經由機電轉換和模數轉換等,才能實現機械振動的位移、速度或者加速度表達,這樣會不可避免地產生系統噪聲(機械、電磁、數學),如本底噪聲會對地震數據高低頻兩端的保真度產生影響。但是,對于成熟的工業用檢波器而言,地震信號的主要頻段都是可靠的[10-11]。

圖1對比了3種檢波器(相距20cm)的振幅譜。由圖1可見,陸地壓電檢波器(LP)的振幅譜(藍色)與動圈式5Hz檢波器的振幅譜(綠色)在主要頻帶內具有高度一致性。紅色振幅譜來自Sercel公司生產的DSU3檢波器,因為理論上該檢波器的振幅譜沒有低頻衰減,所以低頻較動圈式5Hz檢波器以及陸地壓電檢波器更強,理論測試結果與實際結果相符。此外,動圈式5Hz檢波器經過檢波器反褶積[12]后,低頻端與DSU3檢波器的振幅譜高度一致。陸地壓電檢波器的低頻衰減無明確的公式表示,故無法通過確定性反褶積進行低頻補償。

圖1 3種類型檢波器就近(20cm)放置時地震數據反褶積前(a)、后(b)的振幅譜

為了測試圖1中動圈式5Hz檢波器、陸地壓電(LP)檢波器的一致性,對其進行了微型盒子波試驗[13],將兩種檢波器分別選用16個并記錄單炮記錄(圖2)。由圖2可知,盡管輸入信號強度逐漸降低(初至-中深層-深層-環境噪聲),但動圈式5Hz檢波器的輸出數據始終保持了極高的一致性。并且,因為該數據經20～80Hz濾波處理(遠離動圈式5Hz檢波器的低頻濾波效應范圍),所以認為動圈式5Hz檢波器所接收到的地震波形是可靠的。與此同時,LP檢波器(第2道反道)在信號最強(初至)時與5Hz檢波器之間的一致性較高,其自身16個檢波器相互間的一致性也較高。但是,隨著輸入信號強度的下降,16個陸地壓電檢波器相互間的一致性及其與5Hz檢波器之間的一致性逐漸降低。在輸入信號一致的情況下,這種不一致性是由于檢波器自身機電性能(比如本底噪聲高、陶瓷片一致性差)以及更大的外形與重量帶來更強的耦合效應導致的。這種不一致性在一定程度上會掩蓋有效信號,降低地震數據對弱信號的表達能力。對于地震數據處理來說,這種由檢波器導致的不一致性會被誤認為是地下介質的不一致性導致的,進而導致數據假象。

圖2 各16個動圈式5Hz檢波器和陸地壓電(LP)檢波器的單炮記錄對比

3 雙檢合并消除鳴震干擾

自1989年BARR等[14]提出通過雙檢合并消除水層鳴震干擾和具有工業應用意義的海底電纜設計以來,雙檢(水檢、陸檢)數據采集、處理技術得到了長足的發展,很多學者從不同角度提出了各種壓制水中鳴震(water column reverberation)的方法[15-17]。該技術的基本理論依據如下:對上行波而言,水、陸檢接收到的子波極性相同、下行波極性相反,二者合并后,可以衰減除一次波以外、在海水自由表面與海底之間往返傳播的多次波(圖3a)。對水陸檢數據進行適當的運算[16,18],可以實現上、下波場分離(圖3b)。水、陸檢接收到的上行波極性相同而下行波極性相反,是因為兩類檢波器拾取壓力、速度兩個物理量并表達為電壓的物理機制不同。陸檢是感受速度的檢波器(MEMS檢波器感受加速度需要將數據積分并切除1～2Hz以下的低頻),其輸出電壓在一定頻帶內與水體質點的速度成正比。水檢是感受壓力的檢波器,其輸出電壓在一定頻帶內與壓力成正比。同時,水、陸檢輸出數據的正、負號也有著不同的物理含義。對陸檢而言,其數據的正、負號分別代表質點速度的不同方向;對水檢而言,其正、負號代表水體的膨脹與壓縮,質點速度的上、下以及水體的脹、縮首先經機電轉換表現為電壓的正、負,然后再經模數轉換表現為數字的正、負。按照慣例,速度向下為正、向上為負,水體的膨脹為正、壓縮為負。當然這種慣例是人為設定、約定俗成的,便于更改[19]。

圖3 雙檢合并消除鳴震(a)、上下波場分離(b)以及動圈式速度微分后與水檢的波形比較(c)

地震“波場”如果用壓力或者速度來表征的話,因其代表作用是一樣的,故二者可以相互推算。但是,因為實踐中檢波器只能放置在三維空間中的某些點(理想化的質點)上,并且上行波與下行波相互混疊,所以無法對單個檢波器的數據直接進行壓力與速度之間的相互推算。根據地震波動力學的相關原理,必須將同一類檢波器布置在不同的空間位置,加入空間參量,或者在同一個空間位置上同時布置壓力和速度檢波器,才能實現地震波場在該空間位置上的完整表達[20-21]。

水陸檢數據表征上行波極性相同而下行波極性相反,本質上是單一類型檢波器對波場表征的不完備導致的,這一點恰恰為雙檢合并、波場分離提供了可能(圖3a、圖3b)。

由文獻[14,19]可知,我們可以基于以下假設,利用雙檢合并技術壓制鳴震干擾。

3.1 地震波場是平面波場

在平面波場的假設下,由波動方程、牛頓第二定律以及胡克定律可以推知地震波場中的壓力與速度存在以下關系[14,22-25](假設一維):

(1)

式中:P為壓力,單位Pa;ρ為水體密度,單位kg/m3;c為水體速度,單位m/s;v為水體質點的振動速度,單位m/s。

由(1)式可見,理想化情況下,將水檢檢測到的壓力P與被標定后的陸檢數據ρcv相加,上行波得到加強(2P),下行波得到抵消(-ρcv+ρcv=0),這是雙檢合并消除鳴震干擾的基本原理。部分文獻[4,26-28]將水中壓力型檢波器等同于加速度型檢波器,緣于對水檢所應用的牛頓第二定律的誤解,認為水中壓力型檢波器拾取的是“力”信號,所以根據牛頓第二定律:

f=ma

(2)

式中:f為壓力,單位N;m為水檢的質量,單位kg;a為水檢的加速度,單位m/s2,可以推斷水檢輸出的數據正比于加速度。但是就水檢的工作原理而言,水檢輸出電信號與水檢周圍水體的“壓力”(更準確而言是壓強)而不是“力”成正比,“壓力”的單位為Pa(根據相應靈敏度換算后),“力”的單位為N。水檢適用于牛頓第二定律的形式為(假設一維):

(3)

式中:t為時間,單位s;z為距離,單位m。

(3)式表達的是水體在無檢波器情況下質點振動速度v與壓力P的關系。在介入檢波器的情況下,水體與檢波器之間產生了耦合效應,主要影響信號高頻端的保真度[29-30]。

因此,認為水檢等同于加速度檢波器、應該將速度型動圈式陸檢微分為加速度后再與水檢進行合并的做法不符合地震波動力學原理,在此基礎上發展的數學去鳴震方法缺乏物理合理性。將速度檢波器微分為加速度后,子波波形會發生改變(圖3c),無論如何選擇標量標定算子,都很難將鳴震干擾的速度和壓力分量抵消,并且會形成新的干擾波。因此,盡管對野外實際而言,很多陸檢記錄的主頻低于水檢主頻,但是這種差異并不是兩種檢波器跟蹤物理量(速度/壓力)不同導致的。將單個地震子波表達為速度或者壓力并不會導致主頻上的差異,導致主頻差異另有原因。

平面波場是雙檢合并消除水層鳴震的物理前提。在地震波場遠離震源或者反射面時,可以將地震波近似為平面波場[31]。但是,對于OBC/OBN技術來說,檢波器恰恰位于反射面附近,所以其速度與壓力關系是否符合(1)式,進而使得雙檢合并取得理想效果,缺乏足夠的理論與實踐證明。目前,沒有文獻記載在現實中測量到速度與壓力在這種微觀(海底與電纜之間的距離)、臨界(入射波與反射波、透射波同時對檢波器產生影響)、大尺度(電纜的長度與視波長的量級相當甚至更大)條件下的理想關系。

3.2 檢波器距離海底非常近

由文獻[14]可知,在海底水固界面法向應力、位移連續且切應力消失的情況下,其平面彈性波的解析解如圖4a所示。在該文獻中,假設檢波器位于水中且距離海底非常近(遠遠小于地震波長)但又不與海底接觸,這樣就可以忽略海底入射波A1、海底反射縱波A2以及反射橫波B2的影響,而只考慮透射縱波A′1(圖4b的t1)及其后續引發的在水體中往復傳播的鳴震干擾(圖4b的t2,t3,…)。在這種假設條件下,可以將由海面下行的海底入射波(鬼波,ghost)與由海底上行的反射波(微屈多次波,Peg-leg)時差視為0(此處定義入、反射波的標準是基于置于海底檢波器),即幾乎同時發生。比如,對于壓力波場而言,海底入射(-1)和海底反射(-Kr)同時發生在t2時刻,且二者之間的關系符合反射定律(圖4a)。在這種理想情況下,經過適當標定后可以消除除一次波以外的由海水自由表面反射到海底的干擾波(ghost)以及由海底反射回海面的波(peg-leg)[20,30,32],而不是僅僅衰減下行波[24,33]。之所以可以達到這樣的目的,是因為海底入射波的振幅要大于反射波的振幅(1>Kr),在二者反相時,極性取決于入射波,在二者同相時,極性仍然取決于入射波。所以二者疊加后的子波極性取決于入射波(即下行波),而水陸檢的下行波極性相反。

圖4 地震波在海底的分裂(a)與雙檢合并消除鳴震的時域算子(b)

3.3 不考慮與海底以及海水的藕合效應

在海底介質非常軟、橫波速度很小的情況下,海底與檢波器之間的耦合效應對地震數據的影響非常大,難以忽視[34-38]。文獻[35]認為海底電纜垂直方向z與in-line方向x與海底耦合得較好,cross-line方向y耦合得較差。由于OBC外形的限制,其長度(千米級)大于地震波長(十米級-百米級),所以無法用單自由度振動系統對其進行數學描述,電纜與海底之間的耦合關系尚不能用明確的數學模型表示。并且,因為海底電纜位于海床之上,并非完全直線,同時地表起伏等導致耦合情況變化較大,所以很難將陸檢的in-line方向x輸出等同于海底的x方向振動。

海底節點儀(OBN)的外形更小、較橫波波長(與耦合效果密切相關)更接近于“質點”的假設。海底節點儀同時與海底和海水接觸,其傳輸函數[37-38]較陸地[39-40]更為復雜。

文獻[14]和文獻[19]提出采用標量算子來校正水陸檢之間的數據差異。但是由于耦合等原因的影響,一個標量算子并不能完全代表水陸檢之間的數據差異。文獻[36]采用依賴于頻率的算子來校正二者之間的差異,取得了較好的效果。

如果檢波器中立地漂浮于水體中(即平均密度與水體相當)且非常接近海底,盡管仍然存在與海水耦合,會對高頻振動產生衰減[30],但更滿足文獻[14]所假設的條件。不過這樣又會導致橫波無法正常接收。

3.4 不考慮檢波系統的機電效應

圖4僅從理想的地震波動力學的角度考慮了波場在海底的分裂與傳播,除了與海底、海水的耦合因素以外,沒有考慮檢波器在拾取地震波(彈性波、聲波)時的機電效應。文獻[30]和文獻[41]提到導致檢波器效應的主要因素是不依賴于頻率的標量——靈敏度,理由并不充分。靈敏度是標量,由此導致的差異很容易處理,雙檢地震檢波系統涉及的機電因素并不僅僅包括機電轉換系數(靈敏度)這一單一因素(表1)。不同水陸檢的自然頻率、阻尼系數、允差以及地震儀的本底噪聲等都會對雙檢合并的效果產生影響。

文獻[42]和文獻[43]中水陸檢數據的能量差異是跟蹤物理量、靈敏度、記錄格式差異導致的,并不意味著壓力代表的地震波機械能與振動速度所代表的機械能存在極大差異。當然,水檢對橫波波場沒有響應,陸檢可以接收橫波、Scholte波等,它們所表征的物理能量存在差異,但應該在同一個量級。

4 檢波器對地表振動的記錄與改造

檢波器的功能是在震源激發地震子波后,忠實地記錄大地產生的振動。因此,檢波器輸出數據應該“忠于”大地振動本身。除了檢波器以及地震儀本底噪聲、機電轉換、藕合效應等因素使得地震數據較地表振動存在較大畸變以外,還存在若干環節會影響地表振動的準確表達。

4.1 動圈式檢波器的高通濾波效應

由前面的分析可知,地表振動轉換為動圈式檢波器質量塊相對振動的過程中,會產生低頻衰減(-12dB/Oct)。只要衰減后的低頻信號高于本底噪聲,這種低頻衰減就可以通過確定性反褶積來恢復,在一定程度上再現地表振動的低頻特征,代表了“更真實的地表振動”[12](圖1b)。

4.2 加速度域處理地震數據

目前陸上石油勘探中主要存在速度型、加速度型兩類檢波器。其中,MEMS檢波器、陸地壓電檢波器及渦流檢波器在主要頻帶內與地表加速度成正比。由于自20世紀30年代以來動圈式速度檢波器一直占據主導地位,很多處理軟件默認輸入數據為速度或者其線性等價數據,所以國內外多數油氣勘探公司將加速度數據積分為速度、切除低頻后再進行處理[44-47],以便保持后續有關計算的物理合理性。

比如,已知平面S質點振動速度法向分量振動速度為vn的情況下,可以利用瑞雷積分[48]求取任意一點A的頻域壓力波場PA:

(4)

式中:j為虛數;ω為圓頻率;r為A點到S平面上某點的距離;vn為平面S上質點的法向振動速度;ρ為密度;Kr為波數。

如果將加速度檢波器采集數據直接輸入處理系統,求取的值與該點壓力場的微分成正比(比例系數決定于檢波器靈敏度等檢波系統因素),不代表該點的壓力波場。此外,分別用速度和加速度表征地震子波,因為由波前擴散和大地吸收引起的振幅衰減速率不同[49],所以速度、加速度的動力學特征(頻率、振幅、相位)存在較大差異,如果不將加速度數據積分為速度而直接輸入處理系統的話,處理后的剖面視覺分辨率看似增加了(同相軸更多),但是實際地震分辨率、特別是深層的分辨率與信噪比會降低,同時會產生相位錯動,進而影響解釋精度。

4.3 經電路頻譜整形或者微分

文獻[50]至文獻[55]主張在野外利用電路提高地震儀模數轉換之前高頻端的電壓值,或通過電路將速度信號微分為加速度信號,或采用加速度檢波器接收,以期提高高頻信號的“可記錄性”進而提高分辨率。以上野外電路提頻、整形、微分或者直接利用加速度檢波器接收理論上存在兩個優勢:①使高頻端信號遠離本底噪聲,機電比[12]更高;這就使得原先部分低于本底噪聲的高頻信號得以高出本底噪聲從而被更準確地計入二進制數字,為后續利用數學方法提取高頻信號預留了可能性;②在一定程度上彌補大地濾波效應帶來的高頻損失。

但是,以上措施也存在明顯的不足:①高頻端的地震信號很弱、環境噪聲很強,所以即使提升了高頻端的機電比[11-12],如果不能有效衰減高頻端的機械噪聲,就很難將野外提頻的優勢顯現出來,甚至會降低信噪比;②野外提頻在一定程度上可以補償大地吸收衰減作用,但是這種補償相較實際的大地吸收而言,遠遠不夠。野外提頻或整形是由電路實現的,一旦設定后就難以改動、不夠靈活。在保證機電比的情況下,完全可以通過后續數學方法,如反Q濾波進行提頻,去噪后提頻的效果會更好。

所以,檢波器只要在多次覆蓋背景下在主要頻段(1～200Hz)[11]保證一定的機電比(比如>10),就可以通過數學方法保真地恢復其所表征的地表振動(位移/速度/加速度)。在檢波器靈敏度合理(如無源速度檢波器80～120V/m/s)、地震儀或者節點儀采用24位AD轉換(有效動態范圍>120dB)的情況下,不必采用野外提頻、頻譜整形或者微分的處理方式來“提高高頻信號的可記錄性”。如果在野外進行了以上改造,也應該在室內用數學方法將電增益去掉。

所以,檢波器只要能夠最大限度保真地記錄大地振動就是合格的檢波器,經過電路頻譜整形[53]、“截頻當做通頻用”(高低截+高增益)[52]、“兵分兩路”(高低頻分開記錄)[55]以及將速度檢波器輸出經電路微分[56]再進行模數轉換的做法,在提高高頻端機電比的同時,降低了低頻端、特別是極低頻端的機電比,同時對檢波器接收到的、默認為速度量綱的波形進行了較大改造、不再線性于地表振動的速度表達。如果后期沒有通過數學方法消除電增益,會將信噪比更低的高頻端反應到時域波形,使得子波旁瓣增加,降低分辨率和信噪比,因為“信噪比的提高最終體現在時域”[57]。

5 檢波器的分類

從檢波器輸出電壓與被檢測地表振動之間的關系來看,檢波器通常包括位移型、速度型、加速度型3類。但是,類型的劃分可以更詳細地分為兩種情況:基于“質-彈-阻模型”的單自由度振動系統中“質量塊相對位移與地表振動”的關系,以及地震檢波系統中“輸出電壓與地表振動”之間的機電轉換關系。前者可以簡稱為基于“機-機轉換”(分類Ⅰ),后者簡稱為“機-電轉換”(分類Ⅱ)。兩種分類系統下,3種類型檢波器分別具有不同的定義[1-2](圖5)。

圖5 兩種檢波器分類系統的對比[1-2]

根據單自由度振動系統的特點,當被測頻率遠大于系統自然頻率的時候,質量塊的相對位移Dm與大地振動的位移Dg成正比,該檢波器稱為位移型檢波器;當被測頻率與系統自然頻率接近的時候,Dm與Dg的一次微分(速度)成正比,該檢波器稱為速度檢波器;當被測頻率遠小于系統自然頻率的時候,Dm與Dg的二次微分(加速度)成正比,該檢波器稱為加速度檢波器。假設系統的自然頻率為f0,加速度檢波器、速度檢波器、位移檢波器各自的工作頻段見圖6a。也就是說,這種分類某種意義上取決于被測頻帶與系統自然頻率的相對關系。如果系統的自然頻率是60Hz,而被測頻段是1～10Hz,那么這種檢波器可以稱為加速度檢波器;如果被測頻帶在60Hz附近,可近似稱為速度檢波器,如果被測頻帶為100～200Hz,該檢波器為位移型檢波器。也就是說,對于同一個檢波器而言,其類型是由被測頻帶決定的。

圖6 檢波器分類Ⅰ(a)與分類Ⅱ(b)在頻域的差異

分類Ⅱ取決于檢波器輸出電壓與地表振動之間的關系。如果在主要測量頻帶內輸出電壓分別與地表振動的位移、速度、加速度成正比,則分別被稱為位移型、速度型、加速度型檢波器。

因為陸上石油勘探通常的有效頻帶在1～200Hz[11],如果動圈式檢波器自然頻率為10Hz,其接收到的信號由低到高的頻段分別包含了速度的二階微分、一階微分(加速度)以及速度等不同物理量綱組成的復合信號,并不是單純的速度信號(圖6b)。特別地,當目的層較深、反射信號主頻較低時(如1～20Hz),速度的一階、二階微分所占比例很大,信號被改造的程度更大,不再是“純粹的速度信號”,低頻信號被人為地衰減了,這種構成對于低頻勘探不利,需要通過檢波器反褶積[12]將自然頻率附近以及以下的頻帶校正為速度信號(圖1b)。

通常情況下,慣性檢波器質量塊的相對振動只有被轉換為電壓后才能經模數轉換轉化為可施加運算的數據,所以分類Ⅱ更具概括性,也更容易理解。因此工程層面上多采用分類Ⅱ進行分類。

6 結束語

1) 動圈式檢波器與陸地壓電檢波器在主要頻帶內對地表振動具有等效的表征作用。后者因為材質、工藝、成本等原因,一致性稍差。

2) 傳統的OBC、OBN雙檢合并消除鳴震技術所設定的前提,如地震波場是平面波場、與海底距離非常近但不接觸,不考慮耦合效應、不考慮檢波系統的機電效應等,與施工實踐存在一定差異,尚需深入的針對性研究與試驗并應采取相應的工程措施,以提高該技術的應用效果。

3) 借助野外電路提高高頻端機電比或者采用加速度接收對于提高地震數據信噪比以及分辨率并無太大幫助甚至會帶來更多的噪聲,進而增加后期去噪的難度;在處理軟件默認輸入數據為速度的情況下,頻譜整形后的數據應采用數學方法去除電增益,加速度檢波器接收的數據應先轉換為速度再進行處理。