魏繼東

（1.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司地球物理公司勝利分公司，山東東營(yíng) 257100；2.帝國(guó)理工大學(xué)油藏地球物理中心，倫敦SW7 2AZ）

地震勘探是根據(jù)地質(zhì)學(xué)和物理學(xué)的原理，利用電子學(xué)和信息學(xué)等方法，采用人工方式引起地殼振動(dòng)，再用儀器記錄爆炸后地面上各點(diǎn)的震動(dòng)情況，間接推斷數(shù)百至數(shù)千米以下的地下地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而尋找可能的含油氣圈閉。由于技術(shù)手段的限制，目前地震勘探尚無(wú)法直接測(cè)量震源激發(fā)所產(chǎn)生的大地的真實(shí)振動(dòng)，只能在地面放置具有將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)能力的檢波裝置，間接測(cè)量大地振動(dòng)，從中讀取地震波攜帶的地質(zhì)信息。

地震檢波器就是能將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種檢波裝置，其作用是以盡量小的失真產(chǎn)生地面振動(dòng)單分量或者多分量電模擬，完整地反映地震波的動(dòng)力學(xué)特征。但是，上述“間接測(cè)量”的方式會(huì)產(chǎn)生以下兩種誤差：①“大地振動(dòng)”與“檢波器外殼振動(dòng)”之間的誤差（耦合效應(yīng)）；②“檢波器外殼振動(dòng)”與“地震數(shù)據(jù)”之間的誤差（機(jī)電效應(yīng)）。與此同時(shí)，由于油氣藏埋深和大地吸收、衰減等因素造成地震勘探中有效反射波頻率降低，環(huán)境噪聲、次生噪聲、電噪聲等干擾因素造成地震資料的信噪比低（在山地、沙漠等復(fù)雜地表地區(qū)，有效反射信號(hào)較環(huán)境噪聲的動(dòng)態(tài)范圍多小于70dB［1－2］）；所以，地震檢波器的設(shè)計(jì)與制造必須在充分考慮以上各種因素影響的基礎(chǔ)上，“最大限度地”減小耦合效應(yīng)帶來(lái)的“耦合噪聲”以及機(jī)電效應(yīng)帶來(lái)的“電噪聲”，“盡量忠實(shí)地”記錄大地振動(dòng)。

動(dòng)圈式模擬檢波器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種地震檢波器。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也相繼研發(fā)了多種新型檢波器，其中取得較大進(jìn)展的是以MEMS技術(shù)為核心的數(shù)字檢波器，主要有VectorSeis系列和DSU 系列。VectorSeis系列是美國(guó)I／O 公司1999年前后推出的三分量數(shù)字檢波器；DSU 系列是法國(guó)Sercel公司2003年推出的全數(shù)字地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分為DSU1和DSU3兩種。迄今為止，數(shù)字檢波器的試驗(yàn)與生產(chǎn)已經(jīng)取得了很多有意義的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論，但同時(shí)也帶來(lái)了一些令人疑惑的問(wèn)題，其中比較突出的是，檢波器性能指標(biāo)的進(jìn)步似乎并沒(méi)有帶來(lái)顯著的地球物理效果。

我們以MEMS數(shù)字檢波器DSU3和普通動(dòng)圈式模擬檢波器20dx為例，系統(tǒng)地對(duì)比分析兩類地震檢波器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上明確了由檢波器性能指標(biāo)差異而導(dǎo)致的地球物理效果（數(shù)據(jù)表現(xiàn)）差異，厘清了地震檢波器性能指標(biāo)與實(shí)際地球物理效果之間的關(guān)系。

1 兩類地震檢波器的性能指標(biāo)對(duì)比

張丙和等［3］總結(jié)了DSU3數(shù)字檢波器和20dx模擬檢波器的性能指標(biāo)差異，如表1所示。

從性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果看，DSU3具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是這種比較存在兩個(gè)問(wèn)題：①部分指標(biāo)沒(méi)有進(jìn)行比較，比如耦合能力；②部分較高的指標(biāo)參數(shù)沒(méi)有在“從地面震動(dòng)到記錄數(shù)據(jù)的映射”中得以體現(xiàn)，比如0～800 Hz的“頻率和相位響應(yīng)”因?yàn)閷?shí)際的有效反射波頻率低（低于150～200 Hz）而難以發(fā)揮作用，即檢波器的“高指標(biāo)”沒(méi)有轉(zhuǎn)換為地震數(shù)據(jù)的“高質(zhì)量”。

表1 DSU3數(shù)字檢波器與20dx模擬檢波器的性能比較［3］

我們認(rèn)為，判斷一種檢波器是否滿足石油地震勘探的地球物理要求，還需要進(jìn)行更為系統(tǒng)性的對(duì)比分析，找出“性能指標(biāo)差異”與“地球物理效果（數(shù)據(jù)表現(xiàn)）差異”之間的關(guān)聯(lián)性。

2 兩類檢波器的地球物理效果差異分析

以模擬檢波器20dx與數(shù)字檢波器DSU3為代表的兩類檢波器的主要性能指標(biāo)不同，由此產(chǎn)生的地球物理效果（數(shù)據(jù)表現(xiàn)）差異包括以下8個(gè)方面。

2.1 跟蹤物理量

20dx動(dòng)圈式檢波器為速度型檢波器，輸出的是模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)經(jīng)數(shù)字化以后與檢波器外殼振動(dòng)速度在一定頻帶范圍內(nèi)具有線性關(guān)系；DSU3數(shù)字檢波器為加速度型檢波器，輸出的是數(shù)字信號(hào)，并與檢波器振動(dòng)加速度在一定頻帶內(nèi)具有線性關(guān)系。

因?yàn)楦櫟奈锢砹坎煌ㄎ灰疲俣?，加速度），所以用不同類型檢波器得到的地震數(shù)據(jù)具有不同的數(shù)據(jù)特征（圖1）；加速度振幅譜與速度振幅譜存在線性關(guān)系（a＝2πfv），所以加速度振幅譜的高頻成分更為豐富，在監(jiān)視記錄上表現(xiàn)為加速度檢波器接收到的數(shù)據(jù)頻率更高（圖2）。因此，直接將跟蹤不同物理量的兩種檢波器（20dx，DSU3）產(chǎn)生的地震記錄或者剖面進(jìn)行對(duì)比，并由此斷定DSU3的高頻更加豐富是不合理的。對(duì)于同一個(gè)振動(dòng)而言，位移、速度、加速度的波形、振幅、主頻均不同，主頻依次提高（圖1），但是這種主頻的“提升”反映的是同一個(gè)振動(dòng)的不同表現(xiàn)形式，并沒(méi)有本質(zhì)的不同。如果要將20dx與DSU3的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的話，應(yīng)該將兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)域（速度域或者加速度域）中。

圖1 同一個(gè)振動(dòng)在位移域（a）、速度域（b）、加速度域（c）的不同表現(xiàn)

圖2 20dx模擬檢波器（a）與DSU3數(shù)字檢波器（b）的監(jiān)視記錄比較

2.2 振幅和相位響應(yīng)

20dx與DSU3檢波器接收到的機(jī)械信號(hào)具有不同的濾波響應(yīng)（圖3a）。從圖3a可見，20dx檢波器在低頻段具有12dB／Oct的衰減；同時(shí)，雖然20dx檢波器的主頻為10 Hz，但是低頻衰減直到30～40 Hz才能結(jié)束；在不考慮電噪聲的情況下，低頻段“記錄數(shù)據(jù)”較“檢波器外殼機(jī)械振動(dòng)”的低頻部分要弱得多。而DSU3在800 Hz以內(nèi)是“全通”的，低頻部分沒(méi)有衰減，表現(xiàn)在記錄上就是DSU3的低頻較為豐富（圖3b，同為速度）。由圖3b可見，數(shù)字檢波器DSU3甚至可以接收到頻率在1 Hz以下的機(jī)械振動(dòng)；而模擬檢波器20dx因?yàn)榈皖l衰減的關(guān)系，低頻部分已經(jīng)非常微弱。頻率域中低頻的缺失（圖3a），正是造成時(shí)間域中低頻極為微弱的原因（圖3b）。

對(duì)于模擬檢波器而言，振幅響應(yīng)及相位響應(yīng)都存在畸變，但是因?yàn)轭l率響應(yīng)是已知的，所以經(jīng)過(guò)“檢波器反褶積”對(duì)振幅、相位進(jìn)行補(bǔ)償后，不同主頻檢波器的資料面貌不會(huì)出現(xiàn)太大的差別（文獻(xiàn)［4］中的試驗(yàn)結(jié)果已證明了這一點(diǎn)）。但是“檢波器反褶積”仍然難以彌補(bǔ)“極低頻”部分的損失。

2.3 絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍

地震儀可以采集到的地震信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍取決于A／D 轉(zhuǎn)換元器件的位數(shù)，目前多數(shù)為24 位（1位符號(hào)位＋23位數(shù)據(jù)位），所以動(dòng)態(tài)范圍為6dB×23＝138dB（A／D 轉(zhuǎn)換元器件每增加一位大致增加6dB）；同時(shí)，包括前置放大器、A／D 轉(zhuǎn)換器等在內(nèi)的電噪聲，也是影響地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍的重要因素。在A／D 轉(zhuǎn)換器、前置放大器等硬件因素確定的情況下，可以采集到的地震信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是確定的，即電噪聲—A／D 轉(zhuǎn)換器最大量程，所有超過(guò)這個(gè)范圍的信號(hào)都不能被接收或者識(shí)別。因?yàn)檫@個(gè)范圍是“固定不變”的，不會(huì)隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的變化而變化，所以也將其稱為“絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”，其關(guān)聯(lián)因素包括A／D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、電噪聲水平、前放增益、檢波器靈敏度（決定檢波器原始的輸出電壓）。我們對(duì)于絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的看法主要有以下3點(diǎn)。

圖3 DSU3與20dx的振幅響應(yīng)（a）與數(shù)據(jù)表現(xiàn)（b）差異

1）24位A／D 轉(zhuǎn)換器對(duì)當(dāng)前地震勘探是適用的。

從理論上講，A／D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，可采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍（強(qiáng)、弱信號(hào)幅度之比的分貝數(shù)）越大，從而可以更精確地記錄振動(dòng)波形。但是，因?yàn)榈卣饳z波器拾取的信號(hào)既包含有效信號(hào)，又包含噪聲（環(huán)境噪聲、次生噪聲、電噪聲等），增加A／D 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍以后，接收到的數(shù)據(jù)中含有太多的噪聲并且難以分離，這對(duì)于提高地震數(shù)據(jù)信噪比、增強(qiáng)信號(hào)識(shí)別能力并沒(méi)有太大幫助。所以，A／D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與所采集數(shù)據(jù)的信噪比有著密切的關(guān)系。

圖4為東營(yíng)HJ地區(qū)不同強(qiáng)度有效波與干擾波所占用的A／D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。從圖4可見，環(huán)境噪聲可以占用到第9位。通過(guò)后續(xù)處理，如果可以將噪聲的水平降低20dB左右，即相當(dāng)于噪聲占用9－20／6≈6位（每一個(gè)二進(jìn)位對(duì)應(yīng)6dB），那么在6位以下仍然被噪聲所占用，此時(shí)，增加A／D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，比如增加到32位，其主要作用是“更加精確地記錄了噪聲”，對(duì)于有效信號(hào)的識(shí)別并沒(méi)有太大幫助。

圖4 不同強(qiáng)度信號(hào)與噪聲占據(jù)的A／D 轉(zhuǎn)換位數(shù)（23位數(shù)據(jù)位）

圖5是無(wú)噪聲與－80dB 噪聲定點(diǎn)23 位、31位采樣時(shí)的振幅譜。由圖5可見，當(dāng)只有信號(hào)沒(méi)有噪聲的時(shí)候，32位A／D轉(zhuǎn)換器有利于提高信號(hào)的保真度（采樣噪聲?。?；但是當(dāng)加入隨機(jī)噪聲（比淺層最強(qiáng)有效波弱－80dB，代表信噪比非常高）后，兩種A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)于有效波頻譜的影響并無(wú)明顯差異。

圖5 無(wú)噪聲時(shí)定點(diǎn)23位（a）、31位（b）采樣與有－80dB噪聲時(shí)定點(diǎn)23位（c）、31位（d）采樣的振幅譜比較

所以，在處理技術(shù)取得較大進(jìn)步，可以將噪聲幅度極大衰減（30～40dB）的前提下，采用更高的A／D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)、擴(kuò)大A／D 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍不會(huì)顯著提高對(duì)有效信號(hào)的識(shí)別能力。

2）在確定A／D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的前提下，絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的大小取決于電噪聲。

對(duì)于20dx模擬檢波器而言，完成數(shù)字化的器件是A／D 轉(zhuǎn)換器；對(duì)于DSU3數(shù)字檢波器來(lái)說(shuō)，則是ASIC。無(wú)論是哪種器件，只要轉(zhuǎn)換位數(shù)是24位，那么理論上的動(dòng)態(tài)范圍就都是138dB。但因?yàn)殡娫肼暡煌?，所以在不同采樣率下，其?shí)際可以利用的動(dòng)態(tài)范圍是不同的（表2）。

同時(shí)，20dx與DSU3 采集系統(tǒng)電噪聲的比較應(yīng)該在同一個(gè)域內(nèi)進(jìn)行，提高20dx的靈敏度（6個(gè)20dx串聯(lián)）有利于擴(kuò)大20dx較DSU3在低頻端的動(dòng)態(tài)范圍。從表2 可見，在同樣采樣間隔的情況下，20dx的動(dòng)態(tài)范圍較DSU3 要大。但是應(yīng)該注意的是，DSU3是加速度型檢波器，20dx是速度型檢波器，所以其電噪聲的比較也應(yīng)該轉(zhuǎn)換到“運(yùn)動(dòng)域”——速度域或者加速度域內(nèi)進(jìn)行（圖6）。對(duì)于不同檢波器輸出數(shù)據(jù)的比較，也是在“同一個(gè)運(yùn)動(dòng)域”內(nèi)進(jìn)行的。

表2 不同元器件、不同采樣率對(duì)應(yīng)的可用動(dòng)態(tài)范圍

圖6 3種情況下電噪聲的比較（加速度域）

從圖6可見，在27 Hz以下，20dx檢波器電噪聲小于DSU3 檢波器；但是在27 Hz以上，DSU3檢波器電噪聲小于20dx。也就是說(shuō)，DSU3 較20dx更適合于高頻信號(hào)（大于27 Hz）的拾取。表1中所述DSU3“信噪比高頻端好”即由此而來(lái)。

如果將20dx的靈敏度提高6倍，或者將6個(gè)20dx檢波器串聯(lián)，則上述兩條曲線的交點(diǎn)可以上升到162 Hz（這并不說(shuō)明此時(shí)A／D 轉(zhuǎn)換器的電噪聲會(huì)降低，但是因?yàn)?0dx靈敏度的提高會(huì)使得相同電壓的電噪聲被轉(zhuǎn)換為速度或者加速度時(shí)變小，所以與DSU3比較時(shí)“交點(diǎn)”的數(shù)值會(huì)增大）。也就是說(shuō)，在160 Hz以下（石油勘探的目標(biāo)頻率），6個(gè)20dx檢波器串聯(lián)的電噪聲較單個(gè)DSU3的電噪聲更小，信噪比更高，動(dòng)態(tài)范圍更大。

3）在考慮前放增益的情況下，檢波器的靈敏度設(shè)計(jì)應(yīng)以充分利用A／D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍為原則。

對(duì)于不同的檢波器而言，其靈敏度是不同的，比如20dx檢波器的靈敏度是20.1V·（m／s）－1，DSU3檢波器的靈敏度是452mV·（m／s2）－1。但是無(wú)論靈敏度多少，接收最強(qiáng)地震波時(shí)都應(yīng)該達(dá)到或者略小于24位A／D 轉(zhuǎn)換器的最大量程，以便使得弱信號(hào)盡量多地進(jìn)入A／D 轉(zhuǎn)換器而不被電噪聲及采樣噪聲所淹沒(méi)。就單個(gè)20dx 與DSU3 而言，在東營(yíng)HJ地區(qū)，DSU3 只浪費(fèi)了大約4.5dB的量程，20dx則因?yàn)殪`敏度較低（單個(gè)不組合），浪費(fèi)了約29dB的動(dòng)態(tài)范圍；經(jīng)過(guò)6個(gè)20dx串聯(lián)后，這種情況會(huì)有所改善，浪費(fèi)了大約13dB。所以，在不超過(guò)A／D 轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍（超調(diào)）的情況下，提高模擬檢波器的靈敏度有利于增加A／D 轉(zhuǎn)換器的可用動(dòng)態(tài)范圍，提高采集數(shù)據(jù)的信噪比（應(yīng)以A／D轉(zhuǎn)換器的最大量程為上限，不要超調(diào)）。

分析表明：①目前廣泛采用的24位定點(diǎn)A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)于當(dāng)前“石油勘探”是適用的；②32位定點(diǎn)A／D 轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍（186dB）在目前地震勘探噪聲背景以及噪聲衰減能力的情況下難以發(fā)揮作用；③提高模擬檢波器靈敏度有利于提高其在低頻端的優(yōu)勢(shì)（較數(shù)字檢波器DSU3）；④靈敏度設(shè)計(jì)在考慮前放增益的前提下應(yīng)以充分利用A／D 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍為原則。

2.4 相對(duì)動(dòng)態(tài)范圍（諧波失真）

包括20dx在內(nèi)的多數(shù)模擬動(dòng)圈式檢波器的諧波失真在－60dB左右，而數(shù)字檢波器DSU3的諧波失真則只有－90dB。相應(yīng)地，20dx的動(dòng)態(tài)范圍為60dB，DSU3的動(dòng)態(tài)范圍為90dB（均指檢波器自身的動(dòng)態(tài)范圍）。應(yīng)該看到，盡管與前述“絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”都屬“動(dòng)態(tài)范圍”的范疇，且單位都是dB，但是由諧波失真定義的“檢波器自身的動(dòng)態(tài)范圍”與由A／D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位數(shù)所定義的“絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”138dB有著很大的差異，其計(jì)算公式、決定因素、物理含義均完全不同。如果根據(jù)60dB遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于138dB就認(rèn)為檢波器的動(dòng)態(tài)范圍小而限制了A／D 轉(zhuǎn)換器大動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，則是片面的。

為了與由A／D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位數(shù)定義的“絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”相區(qū)別，將由諧波失真定義的動(dòng)態(tài)范圍稱為“相對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”，這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍是隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)度而“浮動(dòng)”的，不是“固定不變”的。

如果只是比較20dx與DSU3檢波器的“相對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”，則顯然是后者更有利于提高信號(hào)的保真度（圖7a，10 Hz雷克子波，最淺層反射強(qiáng)度）；但是因?yàn)榈卣鹪肼曒^有效反射波諧波失真產(chǎn)生的噪聲（相對(duì)于信號(hào)而言，諧波失真產(chǎn)生的也是“噪聲”）要大1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在去噪措施無(wú)法將噪聲降低約2 個(gè)數(shù)量級(jí)的情況下，諧波失真由－60dB降低到－90dB對(duì)有效信號(hào)的影響是微乎其微的，很難表現(xiàn)為數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高（圖7b）。究其原因，是“非失真噪聲”（包括環(huán)境噪聲、次生噪聲、電噪聲）的強(qiáng)度太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了諧波失真所帶來(lái)的“噪聲”。只有今后去噪手段有顯著改進(jìn)，可以大大衰減噪聲，檢波器諧波失真?。ㄓ?0dx 的－60dB到DSU3的－90dB）的優(yōu)勢(shì)才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。圖8為東營(yíng)HJ地區(qū)“絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”、“相對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”、信號(hào)以及噪聲之間的相互關(guān)系，可見信噪比越高，噪聲產(chǎn)生的影響較諧波失真產(chǎn)生的影響越小。

同時(shí)，對(duì)于中深層反射或者遠(yuǎn)炮檢距信號(hào)，反射強(qiáng)度降低，信噪比降低，非失真噪聲相對(duì)更強(qiáng)，所以DSU3“－90dB 諧波失真”的優(yōu)勢(shì)就更難顯現(xiàn)（圖8）。此外，檢波器失真（－60dB或者－90dB）是在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量得到的，將檢波器放置到復(fù)雜的野外環(huán)境后，由于激發(fā)子波、傳播路徑、介質(zhì)吸收、地表差異、環(huán)境噪聲等因素的影響，同一CMP道集中同一反射層的有效反射信號(hào)之間存在的差異［5］很容易超過(guò)檢波器失真噪聲的量級(jí)（－60dB），使得檢波器失真小的優(yōu)勢(shì)難以得到體現(xiàn)。

2.5 對(duì)于電磁干擾的響應(yīng)

圖7 檢波器“諧波失真”（a）與“諧波失真＋噪聲”（b）對(duì)信號(hào)振幅譜的影響

圖8 東營(yíng)HJ地區(qū)“絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”、“相對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”、信號(hào)以及噪聲之間的相互關(guān)系

文獻(xiàn)［3］提到，應(yīng)用MEMS技術(shù)的數(shù)字檢波器DSU3不再有任何連接到地震道的電感線圈，所以也就不再受任何電磁干擾信號(hào)的影響；但是，實(shí)踐證明這個(gè)結(jié)論并不全面。我們?cè)谝粋€(gè)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分DSU3檢波器存在某種“高頻干擾”（試驗(yàn)中采用了36個(gè)數(shù)字檢波器與36個(gè)模擬檢波器進(jìn)行對(duì)比），且這種高頻干擾的幅度非常大（圖9）。在總數(shù)同為36個(gè)的檢波器集合中，數(shù)字檢波器記錄的數(shù)據(jù)存在高頻干擾的比例較模擬檢波器要高得多（DSU3為12～13個(gè)，20dx為2～3個(gè)）。我們?cè)诓煌臅r(shí)間、地點(diǎn)，以同樣的方法進(jìn)行了同樣的環(huán)境噪聲接收試驗(yàn)，這種“高頻干擾”卻沒(méi)有出現(xiàn)。所以，我們認(rèn)為這種“高頻干擾”是外界干擾與檢波器內(nèi)部因素相互作用的結(jié)果，并且是與電磁干擾而非機(jī)械干擾相關(guān)的噪聲。部分野外生產(chǎn)的記錄中出現(xiàn)的工頻干擾，也證實(shí)了上述結(jié)論。以上現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明了DSU3檢波器難以對(duì)電磁干擾“完全免疫”，并且這種干擾無(wú)疑會(huì)對(duì)地震弱信號(hào)的接收產(chǎn)生影響。減少模擬電路比重的做法無(wú)疑會(huì)有助于減小電磁干擾，但不能完全消除電磁干擾的影響。

圖9 DSU3數(shù)據(jù)存在的高頻干擾（藍(lán)線：20dx；黑線：DSU3）

2.6 組合方式（室內(nèi)組合或野外組合）

單點(diǎn)采集具有室內(nèi)自由組合的優(yōu)勢(shì)，但是在有些地區(qū)并不能完全摒棄野外組合，特別是在次生干擾非常嚴(yán)重、信噪比較低的地區(qū)，單純依靠室內(nèi)手段難以達(dá)到有效衰減次生干擾的目的［6－12］。

2.7 耦合效應(yīng)

圖10 兩類檢波器的耦合效應(yīng)

圖10為東營(yíng)HJ地區(qū)普通泥質(zhì)地表下測(cè)試的DSU3和20dx的耦合效應(yīng)（通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量并經(jīng)去噪、擬合處理后）。由圖10可見，在低頻部分，兩類檢波器的耦合效應(yīng)基本一致；但在160 Hz以上，數(shù)字檢波器DSU3的耦合效應(yīng)振幅曲線要遠(yuǎn)高于模擬檢波器20dx。也就是說(shuō)，在輸入相同機(jī)械振動(dòng)（環(huán)境噪聲＋地震信號(hào)）時(shí)，數(shù)字檢波器的高頻響應(yīng)會(huì)比較強(qiáng)，但這是一種“高頻畸變”，而非“高頻提升”，所以也是有害的噪聲。當(dāng)檢波器輸入信號(hào)為小炮檢距的初至波時(shí)，因?yàn)轭l率高、頻帶寬、能量強(qiáng)，DSU3就會(huì)表現(xiàn)出高頻響應(yīng)強(qiáng)的特征，即高頻段（超過(guò)160 Hz）的振幅稍大；隨著地震信號(hào)傳播距離的增加，頻率會(huì)逐漸降低，兩類檢波器接收到的振動(dòng)數(shù)據(jù)就不再表現(xiàn)出明顯的高頻端的差異（圖11）。

埋置良好的檢波器產(chǎn)生的“耦合畸變”可以通過(guò)“耦合反褶積”在一定程度上得到糾正。但是，如果檢波器埋置很差，在外界振動(dòng)激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生大幅度的不規(guī)則次生振動(dòng)，不能形成穩(wěn)定的振動(dòng)模態(tài)，這種“不良耦合噪聲”則難以通過(guò)耦合反褶積去除。

如果綜合考慮2.4節(jié)“絕對(duì)動(dòng)態(tài)范圍”中的靈敏度因素以及2.7節(jié)的“耦合效應(yīng)”，在將20dx的靈敏度提高6 倍（120.6V·（m／s）－1），或者將6個(gè)檢波器串聯(lián)）的情況下，在160 Hz以下頻段，DSU3的“電噪聲”大于20dx；而在160 Hz以上頻段，因?yàn)轳詈闲?yīng)的影響，DSU3的“耦合噪聲”大于20dx。也就是說(shuō)，在這種情況下DSU3 在整個(gè)頻段都沒(méi)有信噪比上的優(yōu)勢(shì)。

2.8 矢量保真度

DSU3檢波器具有非常高的矢量保真度，無(wú)論是埋置傾斜度、幅度校準(zhǔn)精度還是直角校準(zhǔn)精度，都較普通動(dòng)圈式檢波器有了比較明顯的提高。前人研究表明，DSU3優(yōu)秀的矢量保真度在處理階段擁有優(yōu)勢(shì)，但是在應(yīng)用效果上的結(jié)論尚不統(tǒng)一［13－23］。我們認(rèn)為，導(dǎo)致這種狀況的原因仍然是噪聲的強(qiáng)度高。在信噪比比較低的地區(qū)，矢量保真度指標(biāo)提高的優(yōu)勢(shì)被噪聲的影響所淹沒(méi)。

圖11 耦合效應(yīng)在地震資料上的表現(xiàn)

綜上所述，以20dx與DSU3為代表的兩類檢波器的性能指標(biāo)及實(shí)際地球物理效果（數(shù)據(jù)表現(xiàn)）差異如表3所示。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，采集階段的信噪比、處理階段的壓噪能力以及地質(zhì)條件的復(fù)雜程度是決定檢波器優(yōu)良的性能指標(biāo)能否轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量地球物理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵要素。

表3 20dx與DSU3的性能指標(biāo)及地球物理效果差異

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)DSU3數(shù)字檢波器和20dx模擬檢波器各項(xiàng)性能指標(biāo)的對(duì)比和地球物理效果差異的分析，基本厘清了地震檢波器性能指標(biāo)與其實(shí)際地球物理效果之間的關(guān)聯(lián)性，并取得以下認(rèn)識(shí)。

1）地震檢波器優(yōu)良的電學(xué)性能指標(biāo)是保證記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)。但是，數(shù)字化不能帶來(lái)數(shù)據(jù)根本性的改變，任何“數(shù)字信號(hào)”最初都來(lái)源于模擬信號(hào)；速度和加速度是同一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，不能用來(lái)提高反射波主頻；目前廣泛采用的24位A／D轉(zhuǎn)換器是適用的；靈敏度的設(shè)計(jì)以最大限度利用A／D 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍為原則。

2）耦合性能的提高有助于提高高頻端的數(shù)據(jù)保真度。耦合條件差會(huì)導(dǎo)致更多的高頻端噪聲，使檢波器更輕、更小、更好地耦合有利于減小這種噪聲。

3）地震檢波器更好的性能指標(biāo)肯定有助于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是更高的性能指標(biāo)并不能保證更好的地球物理效果。采集階段的信噪比、處理階段的噪聲衰減能力以及復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致的地震信號(hào)自身的差異對(duì)地球物理效果起決定性作用。電學(xué)性能指標(biāo)的提高必須在原始資料信噪比較高、去噪能力持續(xù)改進(jìn)的前提下才能顯現(xiàn)作用，硬件設(shè)備取得的成效很大程度上取決于噪聲的特性。在地震勘探其它環(huán)節(jié)條件不銜接的情況下，單純追求非常小的失真或者非常大的動(dòng)態(tài)范圍等電學(xué)指標(biāo)的提高，往往難以表現(xiàn)為地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的系統(tǒng)性進(jìn)步。

［1］李慶忠.地震高分辨勘探中的誤區(qū)與對(duì)策［J］.石油地球物理勘探，1997，32（4）：751－783 Li Q Z.High resolution seismic exploration of mistakes and counter measures［J］.Oil Geophysical Prospecting，1997，32（4）：751－783

［2］Crisi P A，Perrin T J.How much wind is enough？［J］.Expanded Abstracts of 73rdAnnual Internat SEG Mtg，2003：70－73

［3］張丙和，崔樵，裴云廣.新型三分量數(shù)字檢波器DSU3［J］.石油儀器，2005，19（4）：39－44 Zhang B H，Cui Q，Pei Y G.New three－component geophone DSU3［J］.Petroleum Instruments，2005，19（4）：39－44

［4］王增明.地震采集中檢波器自然頻率的試驗(yàn)分析［J］.石油地球物理勘探，2003，38（3）：308－316 Wang Z M.Acquisition of experimental analysis of natural frequency receiver［J］.Oil Geophysical Prospecting，2003，38（3）：308－316

［5］陳志德，關(guān)昕，李玲，等.數(shù)字檢波器地震資料高保真寬頻帶處理技術(shù)［J］.石油地球物理勘探，2012，47（1）：46－55 Chen Z D，Guan X，Li L，et al.Digital detectors seismic data high fidelity wideband processing technology［J］.Oil Geophysical Prospecting，2012，47（1）：46－55

［6］李慶忠，魏繼東.論檢波器橫向拉開組合的重要性［J］.石油地球物理探，2007，43（4）：375－382 Li Q Z，Wei J D.Concerning the importance of open horizontal geophone combination［J］.Oil Geophysical Prospecting，2007，43（4）：375－382

［7］羅仁澤，梁黎明，吳希光，等.寬線大組合理論及其在黃土塬地震采集中的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（2）：54－56 Luo R Z，Liang L M，Wu X G，et al.The theory of wide line array and its application in loess plateau seismic survey［J］.Natural Gas Industry，2009，29（2）：54－56

［8］盧占國(guó)，呂景峰，劉新文，等.復(fù)雜山地寬線大組合優(yōu)化應(yīng)用［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2009，32（1）：18－25 Lu Z G，Lv J F，Liu X W，et al.Complex mountain wide line big combinatorial optimization applications［J］.Natural Gas Exploration and Development，2009，32（1）：18－25

［9］王棟，賀振華，孫建庫(kù)，等.寬線加大基距組合技術(shù)在喀什北區(qū)塊復(fù)雜山地的應(yīng)用［J］.石油物探，2010，49（6）：606－610 Wang D，He Z H，Sun J K，et al.More from the wide line combination technology in Kashgar North block in the hill country of complex applications［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2010，49（6）：606－610

［10］朱鵬宇，楊晗，楊海濤，等.寬線觀測(cè)大組合接收技術(shù)在阜康斷裂帶的應(yīng)用［J］.勘探地球物理進(jìn)展，2010，33（5）：359－362 Zhu P Y，Yang H，Yang H T，et al.Application of wide－line array receiving technique in Fukang Fault Zone［J］.Exploration Geophysical Progress，2010，33（5）：359－362

［11］陳學(xué)強(qiáng)，白文杰，黃有暉.高精度三維地震采集技術(shù)在塔中沙漠區(qū)碳酸鹽巖勘探中的應(yīng)用［J］.石油物探，2011，50（1）：76－81 Chen X Q，Bai W J，Huang Y H.Application of 3D high precision seismic acquisition technology for carbonate exploration in the Central Tarim Basin［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2011，50（1）：76－81

［12］邸志欣，丁偉，王增明，等.復(fù)雜山前帶地震勘探采集技術(shù)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)［J］.石油物探，2012，51（6）：548－561 Di Z X，Ding W，Wang Z M，et al.Practice and understanding of seismic acquisition technology in complicated foothill area［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2012，51（6）：548－561

［13］Ronen S，Gibson J，Burnett R，et al.Comparison of multi－component data from different MEMS sensors［J］.EAGE 67thConference ＆Exhibition，2005：13－16

［14］Gibson J，Burnett R.Another look at MEMS sensors...and dynamic range［J］.CSEG Recorder，2005，30（2）：44－47

［15］Shuki R，Lynn C，Mark C，et al.Comparison between geophones and two MEMS types and repeatability of land data［J］.Expanded Abstracts of 75thAnnual Internat SEG Mtg，2005：908－911

［16］Christian S，Erika A，Erwin H，et al.Comparison of single sensor 3C MEMS and conventional geophone arrays for deep target［J］.Expanded Abstracts of 78thAnnual Internat SEG Mtg，2008：173－177

［17］John G，Roy B，Shuki R，et al.MEMS sensors：some issues for consideration［J］.The Leading Edge，2005，24（8）：786－790

［18］Denis M，Anatoly C，Liu J J.MEMS－based accelerometers expectations and practical achievements［J］.First Break，29（2）：17－21

［19］Michael H，Robert S，Don L，et al.Ground motion through geophones and MEMS accelerometers：sensor comparison in theory，modeling，and field data［J］.Expanded Abstracts of 77thAnnual Internat SEG Mtg，2007：11－15

［20］Maxwell P W，Cain B，Roche S L，et al.Field test of a micro－machined，electro－mechanical，digital seismic sensor［J］.Expanded Abstracts of 69thAnnual Internat SEG Mtg，1999：621－624

［21］Glenn H，Michael H，Rob S，et al.Field data comparison：3C－2Ddata acquisition with geophones and accelerometers［J］.Expanded Abstracts of 78thAnnual Internat SEG Mtg，2008：178－182

［22］王鑫.基于檢波器三維矢量組合的抽油機(jī)噪聲壓制方法研究［J］.石油物探，2011，50（3）：295－300 Wang X.Suppressing the noise from pumping unit based on 3－D vector combination of geophones［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2011，50（3）：295－300

［23］于世煥，趙殿棟，于晨.數(shù)字檢波器單點(diǎn)地震采集與組合接收對(duì)比試驗(yàn)［J］.石油物探，2012，51（3）：264－270 Yu S H，Zhao D D，Yu C.Comparative experiment on digital geophone single point and array receiving in the seismic acquisition［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2012，51（3）：264－270