地震检波器技术与发展研究_陈金鹰

第29卷　第5期

物探化探计算技术　　

　　　　

2007年9月

文章编号:1001—1749(2007) 05—0382—04

地震检波器技术与发展研究

陈金鹰, 龚江涛, 庞　进, 席　华

(成都理工大学　信息工程学院, 成都610059)

摘　要:地震勘探数据采集的关键器件是检波器, 分为模拟检波器和数字检波器。在分析了各种模拟检波器特点之后, 再对数字检波器进行研究。这里展示了基于M E M S (M i c r o E l e c t r o M e -c h a n i c a l s y s t e m s ) 技术的数字检波所代表的机电合一、微型化、宽频谱线性响应的发展方向。同时指出, 由于目前M E M S 数字检波器的不完善, 在今后一段时间内, 基于电磁感应机理的数字检

波器, 将与基于M E M S 技术的数字检波器长期共存与互补。关键词:地震检波器; M E M S ; 地震勘探中图分类号:P631. 4　　文献标识码:A

了传统检波器对地震勘探技术发展的“瓶颈”式束

0　前言

随着地震勘探技术的发展, 特别是高分辨率勘探的深入, 对地震勘探数据采集的精度和质量要求也越来越高, 要求采集数据具有宽频、高保真、高信噪比、高动态, 以便更好地识别岩性、流体、裂缝油藏, 改进油藏定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等。作为野外数据采集关键的部件之一的地震检波器

[1]

缚, 在技术层面上对传统检波器是一次意义重大的挑战

[2]

。

1　模拟地震勘探检波器技术比较

在常规反射地震勘探中, 接收地震有效波的频率范围一般在3H z ～300H z 之间, 并要求传感器在此频率范围内对振动的相位和振幅响应是线性的、稳定的。在目前地震勘探领域使用的检波器中, 大致可归为以下几个主要类别。

(1) 从检波器使用环境角度来讲, 分为陆上检波器、沼泽检波器和海上检波器。

(2) 从工作原理来讲可分为电磁感应式检波器、压敏检波器和数字传感器或叫数字检波器。

(3) 按输出信号所跟踪的物理量不同来分, 又有速度检波器、加速度检波器等。

目前, 用量最大的是电磁感应式检波器, 这其中还可分常规检波器和超级检波器等。1. 1　电磁感应式检波器

电磁感应式检波器中的传感器, 主要由线架、悬浮弹簧、磁钢、磁靴及弹簧片组成。线圈通过弹簧片或悬浮弹簧与外壳相连, 且位于磁钢与外壳间

, 其性能的好与坏, 将直接关系

到采集数据质量和地质分析的效果。

近年国外开始研究全数字地震数据传输与记录系统, 即第六代全数字遥测地震仪。在全数字遥测地震仪系统中, 采集站的概念实际上已不存在。原来采集站中地震道部分的电路, 包括Δ-΢24位A D C 和D S P 电路等已被分离出来, 微化集成到数字地震传感器中, 形成了数字检波器。

实现数字检波器有二种方法:

(1) 在传统模拟传感器的基础上进行A /D变换。

(2) 由基于M E M S 技术的数字传感器直接实现数字检波器功能。

利用M E M S 技术生产的加速度传感器, 突破

收稿日期:2006-11-02

5期陈金鹰等:地震检波器技术与发展研究383

的磁场之中, 构成与磁钢、外壳作相对运动的惯性体, 外壳与大地耦合。

当震源激发时, 地面与传感器壳体一起产生相同的振动。由于质量体的惯性, 使线圈与磁钢产生相对运动, 线圈切割磁力线产生感应电动势, 其电压的大小取决于运动的速度, 因此这种检波器也叫速度型检波器。其振动位移关系的微分方程如下

d x d x m t

++k x =0

d t 0d t x x x t =m -0

2

公司研发出一种新的电容式石油地震勘探M E M S (即微电子机械系统) 传感器。我国威海双丰电子集团公司也设计、制造了自己的M E M S 传感器, 输出方式有模拟量和数字量二种。其中, 模拟量输出方式的M E M S 传感器是一种差动电容式振动加速度传感器, 它的结构为中间电极采用高跨度双臂梁结构, 采用中间电极构成了一种三明治式差动电容传感器。中间电极结构的特点为:悬臂梁长, 有利于提高灵敏度; 悬臂梁位于质量块的二侧, 可防止梁在受震时产生左右摇摆, 提高稳定性; 悬臂梁固定在质量块的下部而非中间, 保证了中间电极所处的质量块与上、下电极平动, 有利于提高传感器的线性度。

差动电容传感器的工作原理是当传感器感受到地震波反射信号后, 中间电极发生位移, 使上、下电容C 1、C2发生变化, 通过“电容～电压”变换电路再经信号处理, 获得采集站所需的有用信号。电容的相对变化量为

ΔΔΔΔC

=21+　(3)

C C 00000

式中　CC C C 0为静态时的单电容值, C 0=1=2; 1、C 2分别为上、下电容值;δ0是静态时电容极板间距; Δδ为振动时电容极板间距的变化值; ΔC 为振动时电容变化值, ΔC C C =1-2。当忽略高次项, 差动电容灵敏度K 为

K δ0

3

2

4

(1) (2)

式中　xx 0为振动物体的绝对位移; m 为惯性体的绝对位移; x t 为惯性体与传感器壳体之间的相对位移;m 为惯性体的质量;c 为惯性体的阻尼系数; k 为惯性体的弹性系数。

应用机电转换原理的电磁感应方程式, 可以按不同结构, 通过二次变换的途径制成特殊的检波器。例如:输出电压与振动加速度成正比的加速度检波器。包括速度型和加速度型检波器在内的常规检波器频率特性、相位特性是以传感器外壳运动的速度振幅来计算的。1. 2　压电检波器

压电式检波器是以压电传感器为信号检测单元的检波器

[3]

。它以某些介质的压电效应为基

础, 在外力的作用下, 在电介质表面上产生电荷, 其电荷与所受外力成正比, 从而达到把机械能转化为电量的目的。因为压电晶体二极板间产生的电荷量相等, 压电晶体为高阻抗的元件, 所以可将其视为一个电容器。二极板间的电压为U=Q /Ca , 可把压电式传感器等效为一个电源U 和一个电容C a 的串联电路。压电传感器会受周围环境的温度、电场、磁场和压力影响。1. 3　超级检波器

超级检波器又叫高精度检波器, 目前, 勘探市场上应用的超级检波器的原理和结构与电磁感应式检波器完全一致, 区别主要在于检波器的制造工艺和器件材料。本质上, 超级检波器只是传统电磁感应式检波器的改进型。改进的主要措施包括改进磁路、改进弹簧片、改进生产工艺、缩小允差范围、改进设计方案, 提高设计标准, 降低设计偏差。超级检波器具有更高的技术指标、更好的一致性和更大的动态范围

[4]

(4)

其非线性误差C f 2为

2(Δδ/δ0) C ×100%=f 2

2(Δδ/δ 0) Δ0

×100%

δ0

一倍, 而非线性大大降低。

2

(5)

从式(4) 、式(5) 可见, 差动电容灵敏度提高

2　数字检波器发展研究

当将检测到的模拟信号通过检波导线传到采集站时, 过去常将检测部件称为检波器, 此时检测部件与模数转换部件是分开的, 如前述的电磁感应式检波器、压电式传感器、速度型和加速度型检波器。当讨论数字检波器时, 常将模拟检测部件称为传感器, 此时的检波器称数字检波器, 是指传感器, 。

1. 4　模拟M E M S 传感器

, e r c e

384

2. 1　基于M E M S 的数字检波器

物探化探计算技术

k k d V x s

a m m V m

关系

。

29卷(6)

基于M E M S 技术的数字检波器的核心是M E M S 传感器

[5]

, 它以硅材料为基底, 采用微机械

由式(6) 可见, 输出电压V 与加速度a 呈正比s

加工工艺和I C 工艺加工出差动电容式微机械加速度计。这种加速度计是集微型传感器、执行器、信号处理器以及控制电路、接口电路、通信电路和电源为一体的微型机电系统。由电子弹簧支撑的质量体与上、下端盖分别构成电容C 1和C 2。在未加电时, 质量体由于受重力的作用使C C 当检波1>2; 器加电后, 负反馈回路调整电压V 1与V 2来产生反作用力, 使得C C 1=2, 从而保持了质量体处于中心位置, 使传感器处于平衡状态。在工作过程中, 由于质量体被迫随着大地做同向运动, 平衡状态被打破, 为强迫质量体恢复平衡, 控制电路持续采样Δ΢电路得到对应检波器振动的数字信号输出。

相对于传统的模拟检波器而言, 基于M E M S 技术的数字传感器在技术特性上主要有以下几点实质性的进步:

(1) 直接以电信号平衡重力变化原理来感应地震波信号。

(2) 幅度与相位频率特性曲线在500H z 内都是平坦的直线。

(3) 信号失真度低于0. 003%,即瞬时动态在90d B 以上。

(4) 传感器直接输出24位一个样点的数字信号。

(5) 能自动识别和校正垂直地心方向的倾斜角度。

基于M E M S 技术的数字传感器是加速度型, 它感应的是重力的变化。由于它不再有模拟检波器的机电结构和电磁感应机理, 所以不怕任何工业频率和雷电干扰。这种数字传感器是高度集成的独立单元, 在野外一般不做组合采集。因此, 相比模拟检波器而言, 它还具有故障率低、总重量和总体积小、排列布放方便、不漏电、排查故障和建立排列容易等优点。这种拥有独特技术的新型数字传感器, 为多波三维勘探、精细目标勘探, 以及解决疑难地质问题, 进一步提高勘探质量与效果提供了硬件支持。图1是用于数字检波器上的M E M S 硅片与传统检波器的线圈/磁体外形比较

[6、7]

图1　ME M S 硅片与线圈/磁体外形比较F i g . 1　C o m p a r i s o no f a M E M Ss i l i c o nc h i pa s i t i s u s e d

w i t h i nd i g i t a l s e n s o r sw i t ht h ec o i l /ma g n e t o f a g e o p h o n e

2. 2　基于传统传感器的数字检波器

基于M E M S 技术的数字传感器有许多优点, 带来了地震勘探的新思维。但它的使用环境受限, 如施工时地震传感器埋置要求高, 道距比模拟检波

器要求小, 只适用于地面较平坦, 表层覆盖一定是松软沉积物, 低速带相对较均匀, 低噪音地区, 工业震动干扰小, 工区没有高速岩层露头等。而电磁感应式传感器则设有上述限制, 因此, 如果将采集站中的A /D转换器放到模拟检波器中, 同样可得到数字检波器。但应用范围更广, 受环境制约少, 将依然是不可缺少的。而且这种数字检波器可以象模拟检波器一样进行检波器组合, 信号叠加, 达到压制噪声和干扰的目的, 而这一点是M E M S 数字检波器所不具有的优势。

实现24位精度的A /D转换器, 在市面上有多种产品, 专用于地震勘探的A /D转换器中, 美国C I R R U S L O G I C 公司生产的C S 5371和C S 5372芯片是24位四阶Δ-΢A /D模块, 具有高动态范围, 低功耗特点, 其抽样率为1S P S ～4000S P S , 测量的频率范围为400m H z ～4000H z 。2. 3　基于M E M S 的三维数字检波器

下页图2所示为基于M E M S 的三维数字检波器外形。三维量数字传感器是用三个M E M S 加速度传感器正交直角安装成的三分量数字传感器。

M E M S 加速度传感器主要有二部分:微电子技术加工的电容性机械振动系统和信号转换闭环反馈控。

[8]

加速度型M E M S 利用电容变化所引起的感应器输出电压变化来检测加速度的变化量系式见式(6) 。

, 其关

5期陈金鹰等:地震检波器技术与发展研究

展

[10]

385

震动系统由质量体、弹簧、端盖、框架构成, 质量体的二面镀有金属导电物, 在端盖与质量体相对的面

上即顶盖和底盖上也镀有金属, 这样就形成了一个差动电容器, 加上相应的电路就可以成为电容式加速度传感器。该系统由四片独立的光刻单晶硅晶片组合而成, 为了排除气体阻尼和气体布朗运动引起的热噪声, 采用了高真空封装

。

。近年来, 我国引进的I /OS y s t e m F o u r 全数

字遥测地震仪先后在内蒙古、新疆、四川、华北等地进行野外地震数据采集施工, 均获得了比较满意的地震资料。国内、外资料表明, 以M E M S 为核心的数字检波器具有的独特优势, 使它成为今后发展的主要方向。参考文献:

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M o u g e n o t ＊,S e r c e l , 44474C a r q u e f o u , F r a n c e [E B /O L ]. h t t p ://ww w . s e r c e l . c o m/zh /Li b r a r y

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图2　基于M E M S 的三维数字检波器外形F i g . 2　S h a p eo f a 3-D d i g i t a l s e n s o r u n i t (D S U ) w i t h

M E M S

M E M S 传感器和普通的动圈式检波器(10H z ) 的幅频特性曲线对比, 普通检波器的信号幅值在低于其自然频率的频率段内以响应曲线12d B /oc t 衰减, 而M E M S 传感器的信号幅值在相同低频段内则没有衰减。一些试验表明, M E M S 加速度传感器技术甚至可以保留偏移后地震道数据记录中3H z 以下频率成份。三分量数字检波器具有以下性能特点:

(1) 线性频率及相位响应可达500H z 。(2) 超低噪声, 典型为147d B g /Hz 。(3) 具有较大的动态范围, 典型为>105d B 。(4) 极高的向量保真度, 检波器具有极好的正交叉轴信号抑制, 通常好于46d B 。

(5) 传感器灵敏度调校精度可达0. 3%,安装传感器的机械允许误差保持在0. 3℃,在布置之后传感器方向(θ, Υ) 可确定为0. 05℃,信号隔离度优于40d B 。

2

3　结论

尽管目前地震勘探市场上应用的检波器品种繁多, 但总的趋势是在从传统电磁感应式向微电子机械式、从速度型检波器向加速度型检波器方向发展。以美国I /OS y s t e mF o u r 和法国S e r c e l 408U L -D S U 为代表的全数字遥测地震仪已采用数字检波器, 标志着世界地震勘探仪器的发展开始进入新的一代, 必将给地震勘探领域带来革命性的发

作者简介:陈金鹰(1958-) , 男, 博士, 副教授, 研。

V o l . 29　No . 5　　

　C O M P U T I N G T E C H N I Q U E SF O R G E O P H Y S I C A LA N D G E O C H E M I C A LE X P L O R A T I O N 　　e p . 2007　S

　

　A B S T R A C T S

N E W P R O G R E S SO FS E I S MI C A C Q U I S I T I O N

T E C H N O L O G Y Z H A N G J u n -h u a , Z H E N G X u -g a n g , W A N G W e i , e t a l . (C o l l e g e o f G e o -R e s o u r c e s a n d I n f o r m a t i o n , C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m , D o n g y i n g 257061, C h i n a ) . C O M P U T I N G T E C H N I Q U E S F O R G E O P H Y S I C A L A N D G E O C H E M I C A L E X P L O R A T I O N , 2007, 29(5) :373T h r o u g h e x t e n s i v e i n v e s t i g a t i o n , t h ep r o g r e s s o f s e i s m i c a c q u i s i t i o ni s s y s t e m a t i c a l l y s u m m a r i z e d .A t f i r s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e sam e t h o do f a c q u i s i t i o n w h i c hb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f i l l u m i n a t i o n , a n d d e s c r i b e s t h e T e e p e e t e c h n o l o g y . T h e n p r o c e s s o f t h e 3Ds u r v e y d e s i g n o p t i m i z a t i o n a n d w i d e -a z i m u t hs e i s -m i c a c q u i s i t i o n a r e r e c o m m e n d . F o r s e i s m i c e x p l o s i o n a n dr e c e p t i o n , w ei n t r o d u c es e v e r a l m a i np r a c t i c a l t e c h n i q u e s . T h i s p a p e r a l s o c o n c e r n s t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o no f s e i s m i ci n s t r u m e n t , e s p e c i a l l yi n -t r o d u c e s i t s f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s , p e r f o r m a n c e a n d r e l a t i v e m e r i t s o f t h e d i g i t a l g e o p h o n e s w h i c h i s b a s e d o nt h e t e c h n o l o g yo f M E M S .F i n a l l y , t h ef u t u r eo f s e i s m i c a c q u i s i t i o n i s d i s c u s s e d . K e y w o r d s :s e i s m i c a c q u i s i t i o n ; i l l u m i n a t i o n ; l a y o u t d e s i g n ; w i d e -a z i m u t h s e i s m i c a c q u i s i t i o n ; m i c r o e l e c -t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ; d i g i t a l g e o p h o n e s R E S E A R C H O N T E C H N O L O G Y A N D D E V E L -O P ME N TO FG E O P H O N E S C H E NJ i n -y i n g , G O N GJ i a n g -t a o , P A N GJ i n , e t a l . (C o l l e g eo f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g , C h e n g d uU n i -v e r s i t yo fT e c h n o l o g y , c h e n g d u 610059, C h i n a ) . C O M P U T I N G T E C H N I Q U E S F O R G E O P H Y S I C A L A N D G E O C H E M I C A L E X P L O R A T I O N , 2007, 29(5) :382

T h e g e o p h o n e s a r e t h e k e y d e v i c e s i n t h e s e i s m i c e x p l o r a t i o n d a t a g a t h e r i n g , w h i c h m a i n l y i n c l u d e b o t h o f a n a l o g a n d d i g i t a l o n e s .B y a n a l y z i n g t h e f e a t u r e s o f v a r i o u s a n a l o g g e o p h o n e s , t h e d i g i t a l g e o p h o n e s a r e s t u d i e d t o s h o w u s t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o f d i g i t a l g e o p h o n e s b a s e d o n t h e M E M St e c h n o l o g y i n m e c h a -t r o n i c s , m i c r o m a t i o n , w i d e b a n dl i n e a r r e s p o n s e . O n t h eo t h e r h a n d , f o r t h er e a s o no f f a u l t i n e s si nt h e t h b a s e d o ne l e c t r o m a g n e t i c p r i n c i p l ea n dM E M St e c h -n o l o g y c o u l db ec o e x i s t e n c e a n dc o m p l e m e n t i nt h e

n e a r f u t u r e . K e y w o r d s :g e o p h o n e ; M E M S ; s e i s m i c e x p l o r a t i o n G E N E R A L I Z E DS E I S M I C S I G N A LT I ME -F R E -Q U E N C Y A N A L Y S I S A N D N U ME R I C A L A L -G O R I T H MS L I UX i -w u , L I UW a n -y i n g , L I UH o n g , e t a l . (1. S c h o o l o f M a r i n eG e o -s c i e n c e , O c e a nU n i v e r s i t yo f C h i n a , Q i n g d a o 266003, C h i n a ; 2. I n s t i t u t e o f G e -o l o g y a n d G e o p h y s i c s , C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s , B e i j i n g 100029, C h i n a ) . C O M P U T I N G T E C H -N I Q U E S F O RG E O P H Y S I C A LA N D G E O C H E M I C A L E X P L O R A T I O N , 2007, 29(5) :386

F r a c t i o n a lF o u r i e r T r a n s f o r m (F R F T ) b a s e d T i m e -F r e q u e n c y (T F )A n a l y s i s i s c a l l e dG e n e r a l i z e d T i m e -F r e q u e n c y (G T F ) A n a l y s i s .T h ep a p e r i n t r o -d u c e s t h eF R F Tf o r s e i s m i cs i g n a l p r o c e s s i n g , a n d g e n e r a l i z e ss o m ec o m m o n F o u r i e rT r a n s f o r m(F T ) b a s e d T Fr e c i p e s , f o r e x a m p l e , W i g n e r -V i l l e D i s t r i -b u t i o n (W V D ) , t o F r a c t i o n a l F o u r i e r t r a n s f o r mF i e l d . T h e e m p h a s i s i s o n t h e n u m e r i c a l a l g o r i t h m s w i t h l o o -k i n g f o r n e ww a y s a n d a d v a n t a g e s o f t h e G T F f o r s e i s -m i c s i g n a l p r o c e s s i n g .F i r s t l y , t h e b a s i c d e f i n i t i o no f F R F Ti s g i v e n , a n dr e a l i z e db yc o m p u t e r .T h e n 3k i n d s o f G T Fm e t h o d s a r ed i s c u s s e dw i t hn u m e r i c a l i m p l e m e n t a t i o n s .T h er e s u l t s o f s e i s m i cs i g n a l G T F w i t h W V Ds h o wt h a t t h e a l g o r i t h m s a r e v a l i d a n de f -f e c t i v e , a n dt h e G T Fc a np r o v i d e m o r ec e n t e r e dT F d i s t r i b u t i o n s w h i c ha r e b e t t e r f o r s e i s m i ci n f o r m a t i o n e x t r a c t i o n .G T Fg i v e s t h es e i s m i cs i g n a l p r o c e s s i n g n e wv i e w s a n d t o o l s , w h i c h a r e w o r t hd o i n g m o r e r e -s e a r c h e s . K e y w o r d s :f r a c t i o n a l f o u r i e r t r a n s f o r m ;g e n e r a l i z e d t i m e -f r e q u e n c y a n a l y s i s ;w i g n e r d i s t r i b u t i o n ; d e i s m i c s i g n a l A R E S E A R C H O N T H E A S S O C I A T E DN O I S E -E L I MI N A T I O N ME T H O D O F T H E S E I S M I C D A T AB A S E DO NWA V E L E TP A C K E TA N A L -Y S I S , -, , 1

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