魏繼東 曹國濱 劉 斌

(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)

0 引言

檢波器是地震勘探中接收地表振動的硬件裝置?，F(xiàn)今仍廣泛采用的速度型電感動圈式檢波器(Electrical Seismometer)于20世紀30年代被發(fā)明并隨即得到推廣應用，此前的接收設備主要是位移型機械式檢波器(Mechanical Seismometer)[1-2]。近十幾年來，隨著機電技術的發(fā)展，地震數(shù)據(jù)采集施工中出現(xiàn)了以MEMS為代表的加速度型檢波器(Accelerometer)。不論何種類型檢波器，“忠實(保真)地記錄大地振動”是其最主要功能。

為了表征檢波器接收信號的保真能力(任何檢波器輸出的電信號都是地表機械振動的“模擬與近似”)，試用了各種指標參數(shù)定量表達其多方面性能，如靈敏度、自然頻率、阻尼系數(shù)、允差，等等。基于地震勘探的精度不斷提高，要求檢波器具有盡量高的機電(轉換)參數(shù)保證數(shù)據(jù)畸變盡量小。在地震檢波技術的發(fā)展過程中，人們發(fā)展了很多室內(nèi)和現(xiàn)場的測試方法標定檢波器的性能參數(shù)。其中，實驗室方法受限于設備、場地等因素，只能檢測少量檢波器，無法及時、準確地檢測實際地震數(shù)據(jù)采集中大量檢波器的多種性能參數(shù)，部分重要指標甚至無法測量。另一方面，由于沒有厘清檢波器性能指標與地震數(shù)據(jù)表現(xiàn)之間正確的因果關系，當前通過比較不同檢波器的頻譜、能量、信噪比、同相軸連續(xù)性等指標，進而評價檢波器性能參數(shù)的方法是非常粗放甚至錯誤的，無法觀測到檢波器性能指標的細部特征，容易產(chǎn)生誤導[3-6]。因此，對于當前檢波器性能參數(shù)標定方法而言，無論是少量的實驗室檢測還是大規(guī)模的現(xiàn)場試驗均存在一定的局限性。施工單位進行了大量的、重復性試驗，但方法不一，結論多樣化甚至相互矛盾，未取得穩(wěn)定的、統(tǒng)一的認識與做法，在一定程度上影響了現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)質量的提高。

基于以上現(xiàn)狀，在厘清檢波器工作原理與對應數(shù)據(jù)特征的基礎上，本文提出一種基于現(xiàn)場試驗的估測大量(數(shù)萬道)在用檢波器指標參數(shù)的便捷方法，可在占用較小場地、僅用少量單炮數(shù)據(jù)的情況下，在數(shù)分鐘內(nèi)大致估測檢波器的靈敏度、最低可靠頻率、允差等較精細的指標，為確保數(shù)據(jù)接收質量提供硬件保證。此處之所以說“大致”而非“準確”，是因為受復雜現(xiàn)場環(huán)境的影響，估測結果很難達到實驗室條件下的測量精度。但因實際數(shù)據(jù)是在現(xiàn)場環(huán)境下采集的，所以該方法可提供一個從最終“數(shù)據(jù)意義”上評判檢波器是否“可用”的框架性標準。同時，也可用于檢波器研制過程中在缺乏炸藥震源時指標參數(shù)的快速標定。

1 方法原理

“地震儀+檢波器+地表介質”三者的組合可被稱為“地震檢波系統(tǒng)[4]”。從“信號與系統(tǒng)”的角度來講，如果多個系統(tǒng)的輸入是一致的或高度一致的，其輸出主要反映了系統(tǒng)特性/傳輸函數(shù)的差異。因此，如果同時給多個檢波系統(tǒng)輸入一個高度相似的機械信號，然后比較其輸出，可觀測到檢波器機電參數(shù)以及檢波器—大地耦合響應的差異。若其中某個系統(tǒng)的參數(shù)是已知的，可根據(jù)系統(tǒng)其他輸出與已知系統(tǒng)輸出的差異估測系統(tǒng)的其他相應參數(shù)(圖1)。

根據(jù)以上思路，本文提出一種基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)估測檢波器性能參數(shù)的方法，稱為“微型盒子波(Micro box wave test)”，其原理如下文所述。

圖1 輸入相同的情況下輸出差異反映系統(tǒng)差異

1.1 地表臨近質點振動特征具有高度一致性(輸入分析)

地震波在地下介質中以真速度v沿射線傳播，但在除射線方向以外的任意方向(如地表)觀測時，地震波以視速度v'傳播。將視速度定義為[7]

(1)

式中θ為入射角。

式(1)說明： 當入射角θ=0°時，視速度等于真速度； 當θ≠0°時，視速度總大于真速度； 當入射角θ趨于90°極限時，視速度趨于無窮大，此時觀測面上各點的擾動幾乎同時到達。

圖2顯示低頻檢波器接收到各種常見地震波的視波長譜[8]。從中可見，除次生低速干擾速度稍低外，震源激發(fā)的有效波和干擾波的視速度幾乎都大于100m/s，直到無窮大。因此，若將檢波器布設在地表1m×1m范圍內(nèi)，則地表振動(不考慮檢波器因素)的差異主要來源于三個方面： ①傳播距離； ②大地吸收； ③不具有相干性的環(huán)境噪聲。

圖2 低頻檢波器接收時各種地震波的視波長譜[8]

1.1.1 傳播距離

陸上震源被激發(fā)后，對于沿地表傳播的地震波而言，1m地表距離產(chǎn)生約3ms時差(假設低速帶速度為360m/s)。此時若選擇頻譜分析時窗長度為500ms，則相距1m的兩個質點之間的振動差異主要在頭、尾兩端(圖3紅色部分)，其他部分是相同的(不考慮大地吸收)，即最大只有3/500=0.6%是不同的(在頭、尾部振動完全不相關時)； 若分析時長為3000ms，則最大只有3/3000=0.1%是不同的。

對于不沿地表傳播的地震波來說，因視速度非常高，故在相同分析時段內(nèi)，其差異非常小。因此，對于陸上勘探激發(fā)的各種地震波及環(huán)境噪聲，1m×1m范圍內(nèi)的地表振動具有“高度一致性”。

圖3 相距1m兩質點振動記錄在相同時段具有高度相似性 未考慮大地吸收

1.1.2 大地吸收

大地對地震信號具有強烈的吸收衰減作用，地層縱波速度與品質因數(shù)之間滿足經(jīng)驗公式

Q≈14×VP2.2

(2)

β≈1.949×VP-2.2

(3)

式中：Q為品質因數(shù)(無單位)；β為衰減系數(shù)，定義為每傳播一個波長的振幅衰減量；VP為縱波速度。

式(2)、式(3)表征地震波衰減的大體規(guī)律，有助于理解大套地層吸收的總趨勢[9]。在此基礎上，根據(jù)工區(qū)地層的VP層速度剖面，可算出高頻信息被衰減的程度[10]。如對于360m/s的低速帶來說，傳播1m距離的累計衰減率約為0.05dB/Hz[10]，據(jù)此可推算100Hz雷克子波從炮檢距“X”m(圖4藍線)傳播到“X+1”m(圖4綠線)時振幅衰減的幅度?？梢娫撟硬?00Hz處大約衰減了-12dB，變?yōu)樵确鹊?/4，這一衰減量有可能導致地表1m×1m范圍內(nèi)質點振動的較大差異。

通過比較多個相距1m的同類檢波器接收的實際地表振動的振幅譜(圖5為其中一個)，發(fā)現(xiàn)距離炮點較近檢波點的高頻成分并沒有比炮檢距增大1m后的檢波點有明顯增強。因為地震記錄是由沿水平方向傳播的波(如面波、初至波、次生干擾波等)以及主要沿垂直方向傳播的地震波(如反射波)構成，出現(xiàn)圖5現(xiàn)象的原因可能有以下幾個方面。

(1)對于水平傳播的各種地震波來說，受大地吸收影響最大的是沿地表低速帶傳播的初至波(吸收強烈且有高頻成分)，對于低頻(吸收弱)面波、次生干擾波等，1m距離產(chǎn)生的吸收差異非常?。?/p>

圖4 地震波沿地表傳播由大地吸收導致的理論振幅差異

圖5 相距1m兩檢波器接收地震波的振幅譜

(2)對于反射波而言，因為低降速帶的影響，大致垂直地入射到地表，地表相距1m的兩個質點對應的大地吸收差異非常小[10]；

(3)圖5中炮檢距更小的高頻端振幅沒有明顯偏高的另外一個原因是檢波器—大地耦合響應。大地吸收衰減了高頻成分，但是耦合響應會放大高頻成分，后者的作用超過了前者，使得前者在圖5中未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。

(4)或者大套地層的吸收規(guī)律不適于遠小于波長尺度的吸收量的計算，尚不確定。

1.1.3 環(huán)境噪聲

環(huán)境噪聲具有各態(tài)歷經(jīng)性質[7]，所以1m×1m范圍內(nèi)差異非常小。

綜上所述，無論從傳播距離、大地吸收還是環(huán)境噪聲的角度來看，在未植入檢波器的情況下，1m×1m地表范圍內(nèi)由陸上震源激發(fā)的質點振動在環(huán)境噪聲背景下具有高度一致性，頻率越低一致性越強——因為由大地吸收導致的差異越小。

1.2 地震檢波系統(tǒng)對地震數(shù)據(jù)的影響(系統(tǒng)分析)

將地表機械振動轉換為可用于后續(xù)數(shù)學計算的離散數(shù)字過程中，地震檢波系統(tǒng)主要完成了機電轉換與模數(shù)轉換兩個過程，對地震數(shù)據(jù)的主要響應可總結為圖6[4]。地震檢波系統(tǒng)核心要素是檢波器。

隨著相關技術的發(fā)展，陸上石油勘探中出現(xiàn)過各種基于不同工作原理的檢波器，如電感動圈式模擬檢波器(SM-24、20DX)、MEMS數(shù)字檢波器(DSUs、VectorSeis)等。表1為SM-24檢波器的參數(shù)表。關于檢波器指標參數(shù)的具體解釋參見文獻[11-12]，此處不做詳述。

文獻[11]表明：靈敏度決定檢波器對機械信號的電放大能力；自然頻率、阻尼以及電阻決定檢波器的低頻濾波響應； 允差代表多個檢波器之間的一致性； 與地震儀或者有源檢波器相關的本底噪聲對地震數(shù)據(jù)的記錄質量有重要影響，主要影響高、低頻兩端的機電比； 檢波器的物理特征包括直徑、重量、高度等與檢波器—大地耦合響應有關。

1.2.1 靈敏度

檢波器靈敏度指的是機械振動轉換為電信號后的電壓與其位移、速度或者加速度的比值[14]。不同類型檢波器的靈敏度單位不同，速度型一般為V·m-1·s，加速度型一般為V·m-1·s2或V/g。將SEGY數(shù)據(jù)除以靈敏度或SEGD數(shù)據(jù)乘以標定算子(Depreamplifer Scaling Factor)后再除以靈敏度，即可將數(shù)據(jù)統(tǒng)一為速度或加速度量綱。

圖6 地震檢波系統(tǒng)對機械振動的記錄與改造作用[4]

1.2.2 低頻濾波響應

不同檢波器具有不同的低頻濾波響應[4，6，11]。動圈式檢波器低頻濾波響應主要受主頻和阻尼系數(shù)兩個因素影響，主頻以下存在-12dB/OCT的衰減；MEMS檢波器(如DSU3)理論上不存在低頻衰減(實際上會由于本底噪聲以及加速度接收的原因而導致較大的極低頻失真)。圖7為兩種典型檢波器(20DX、DSU3)的幅頻響應曲線。

1.2.3 允差

允差指對某給定檢波器參數(shù)所允許的誤差極限值[13]。允差主要影響數(shù)據(jù)的一致性。由表1可見，主頻、阻尼、電阻及靈敏度等都存在允差概念。

圖7 兩種典型檢波器的幅頻曲線[5]

1.2.4 本底噪聲

檢波系統(tǒng)的本底噪聲(Floor noise)指的是在沒有外界機械輸入的情況下仍然存在的干擾信號[13]。本底噪聲主要有兩個來源[14-15]： 一是空氣分子不停的布朗運動撞擊質量塊和彈簧振子引起的布朗熱噪聲； 二是有源檢波器或者地震儀中的電子噪聲。對于無源檢波器而言，電子噪聲主要來源于地震儀前置放大器等元器件； 對于有源檢波器來說，除地震儀噪聲外其自身也會產(chǎn)生電子噪聲。本文將布朗熱噪聲以及地震儀(包含有源檢波器)產(chǎn)生的電子噪聲均稱為本底噪聲，不再做更細致區(qū)分。本底噪聲主要影響地震數(shù)據(jù)的絕對動態(tài)范圍[6]。同時，由于本底噪聲中的電子噪聲具有1/f的特征(頻率越低強度越大)，其強弱對極低頻以及高頻弱信號的記錄有重要影響。表2為DSU1檢波器的部分指標，其中Noise主要表征了本底噪聲的水平。

1.2.5 檢波器—大地耦合響應

檢波器的不同材質、外形、重量等物理特征會導致其與大地之間不同的耦合響應[3-5]。圖8a是兩個檢波器相距20cm時有意差異性埋置時接收到的振幅譜。在其他因素一致的情況下，二者在高頻端的差異是由于耦合條件不同導致的。

圖8 兩個同類檢波器因耦合條件導致的振幅差異(a)以及兩條示意性理論耦合響應振幅曲線(b)

表1 SM24(SENSOR)部分指標

表2 DSU1(SERCEL)部分指標

從振動力學的角度來看，檢波器—大地之間的耦合系統(tǒng)是一個單自由度機械振動系統(tǒng)。因為普通檢波器與陸地地表的耦合諧振頻率多為幾百赫茲，所以低于耦合諧振頻率的頻率成分具有頻率越高、振幅越強的特征(圖8b)。根據(jù)本研究測量，耦合響應對地震數(shù)據(jù)的影響多在40～300Hz頻段(40Hz以下耦合響應弱，300Hz以上地表振動弱)。

1.3 根據(jù)輸出數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)特性(輸出分析)

根據(jù)以上輸入、系統(tǒng)因素分析，為了估測檢波器的性能指標，筆者參照文獻[16]中用于調(diào)查干擾波的Box Wave Test方法，設計了前述的用于估測檢波器性能指標的“微型盒子波法”(圖9)。該方法設定的檢波器間距較文獻[16]小了約一個數(shù)量級(1.0m→0.2m)，目的是估測檢波器的指標參數(shù)。

圖10為4×4個檢波器(20DX)按照圖9所示排列接收數(shù)據(jù)的振幅譜。根據(jù)文獻[5]，地震數(shù)據(jù)會受到以下因素的影響：機械振動、機電轉換過程中的濾波響應、本底噪聲、耦合響應以及電子元器件中數(shù)學運算(如高截濾波)等。但對于不同的頻段而言，其主導因素是不同的，大致可劃分為六個頻段。就圖10來說，由地表機械振動轉換的信號主要影響頻段為2、3、4(綠、青、黃)。這三個頻段震源激發(fā)的信號較強，振幅譜的主要形態(tài)由地表機械信號決定。同時，每個檢波器具有不同的低頻濾波響應、耦合響應(主要影響數(shù)據(jù)的高頻端[17-19])，因此頻段2的主要影響因素是機械信號+低頻濾波響應，頻段3的主要影響因素是機械信號，頻段4則為機械信號+耦合響應。由圖10可見，因震源激發(fā)的地震波視波長很大(?100m)，故分布在1m×1m范圍內(nèi)的所有檢波器在頻段2、3的一致性非常高。但超過40Hz以后，由于耦合響應的作用，16個檢波器之間的一致性降低了。

頻段5(300～400Hz)由于輸入的機械信號(震源激發(fā)+環(huán)境因素)大大減弱，數(shù)據(jù)中本底噪聲的占比大大增加了，呈現(xiàn)出類似“白噪”的態(tài)勢。

頻段6的影響因素與頻段5基本相同，但增加了作用明顯的高截濾波，所以其幅度在400Hz(0.8×Nyquist 頻率)以上迅速衰減。

對于頻段1來說，因為炸藥激發(fā)的低頻分量迅速衰減，由機械振動轉換而來的電信號非常微弱(但一致性很強)； 同時，本底噪聲具有1/f規(guī)律[5，14-15]，則該頻段的主導因素變?yōu)楸镜自肼?。又因每個檢波器的本底噪聲各不相同，故曲線組的一致性顯著降低。圖11為8個加速度檢波器DSU3(垂直分量)布設在1m×1m范圍內(nèi)錄制數(shù)據(jù)的振幅譜。因為加速度檢波器具有弱化低頻的作用，本底噪聲的表現(xiàn)更加明顯(紅色部分)，低頻端保真度顯著降低。

圖9 微型盒子波排列示意圖

這樣，對于接收地表機械振動的地震檢波系統(tǒng)[5]來說，影響地震數(shù)據(jù)(輸出)頻域特征的主要因素包括地表機械振動(輸入)以及低頻濾波響應、本底噪聲、檢波器—大地耦合響應、允差、靈敏度等。以上因素對地震數(shù)據(jù)的影響可以歸結為圖12(藍、紅、綠三種顏色分別代表了不同的檢波器)以及表3(表3中頻帶范圍的劃分數(shù)值限于圖10具體情況，并不絕對)。

另外，若將同類或不同類檢波器埋置到1m×1m狹小面積內(nèi)，震源激發(fā)的機械振動高度一致(頻率越低一致性越強)，輸出地震數(shù)據(jù)的差異主要反映地震檢波系統(tǒng)特性的差異。同時，由圖12可見20～40Hz是較“特殊”頻段，具有三個特征： ①大地吸收衰減少、輸入信號一致性強； ②地震波能量最強、機電比最高的頻段，受本底噪聲影響最小(地震子波是鐘型譜)； ③既不受低頻濾波響應影響，又幾乎不受高頻耦合響應的影響。

圖10 4×4個檢波器接收同一炮的振幅譜

圖11 本底噪聲使DSU3檢波器極低頻保真度顯著降低

圖12 不同性能參數(shù)指標對地震數(shù)據(jù)的影響

在這個頻段內(nèi)，振幅主要決定于靈敏度、振幅響應以及二者的變化范圍(允差)；如果通過多次疊加消除允差影響、通過頻帶平均消除頻帶差異，則振幅只決定于靈敏度這一單一因素，20～40Hz頻帶內(nèi)振幅均值與檢波器的靈敏度成正比。若不進行多次疊加，輸出數(shù)據(jù)振幅的變動范圍則反映了靈敏度以及振幅響應的變化范圍(無論靈敏度還是振幅響應在不同頻率上的分布都不會保持絕對“平直”)，大致相當于允差的范圍。

因此，若將檢波器按照圖9所示設計形態(tài)布設，其輸出數(shù)據(jù)的差異主要反映地震檢波系統(tǒng)的差異，這樣就為現(xiàn)場快捷估測檢波器性能參數(shù)提供了可能性。

表3 地震信號以及地震檢波系統(tǒng)各因素作用的主要頻帶范圍

2 試驗驗證

基于上述原理，對靈敏度、最低可靠頻率以及允差、綜合一致性等指標的估測進行了試驗驗證。試驗時檢波器按圖9所示方式擺放，炮檢距大約幾百米，工區(qū)常用激發(fā)因素(如激發(fā)井深為10m、激發(fā)藥量為4kg)、儀器因素(如采樣間隔為1ms、記錄長度為6s、前放增益為12dB)即可。

2.1 靈敏度

靈敏度反映了檢波器對機械信號進行“電放大”的能力。根據(jù)前述，可以根據(jù)多個檢波器累加后20～40Hz頻帶內(nèi)振幅均值標定檢波器的靈敏度。

為了標定新型檢波器的靈敏度，可選取已有成熟檢波器作為標準。如測定加速度檢波器的靈敏度時，可采用DSU系列檢波器作為標準；測定速度檢波器時，可采用20DX或者其他成熟的速度型檢波器作為標準。因為同種類型檢波器(速度/速度，加速度/加速度)之間的靈敏度是簡單的倍數(shù)關系，不同類型檢波器(速度/加速度)的靈敏度則依賴于頻率，計算不夠直觀。

圖13是10種檢波器的測試結果，其中超級檢波器的靈敏度已知(19.7V·m-1·s，紅色)，DSU3的靈敏度已知(4.43V/g，綠色)。通過計算得知，5Hz動圈式檢波器靈敏度約為72V·m-1·s(粉色)， 第1～6、10種加速度檢波器的靈敏度約為10V/g(藍色)，均與室內(nèi)試驗結果相符，從而證明了這種方法的正確性。當然，非常準確的測量需在實驗室進行，但這種估測結果對于實際數(shù)據(jù)采集具有現(xiàn)實參考意義。

根據(jù)作者經(jīng)驗，陸上石油勘探單點采集時速度型檢波器靈敏度在100～120V·m-1·s、加速度檢波器靈敏度在4～5V/g范圍較為合理，既可以充分利用地震儀的動態(tài)范圍，又不會產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。

作者對此方法進行了多炮檢距驗證，結果都是一致的，進一步說明了這種方法的穩(wěn)定性與正確性。

圖13 由微型盒子波估算的檢波器靈敏度

2.2 最低可靠頻率

決定檢波器低頻接收能力的主要因素包括檢波器的低頻濾波響應(圖7)、本底噪聲(表2)以及靈敏度(主要影響弱信號)，可用“最低可靠頻率”這一單一指標進行直觀衡量。作者將振幅曲線組一致性顯著變差的轉折點稱為該型檢波器的“最低可靠頻率LFF-Lowest Faithful Frequency”(圖11紅點)，代表在此情況下最低的保真頻率，由機械信號的強度、本底噪聲、靈敏度以及低頻濾波響應共同決定(前三者相同的情況下，低頻濾波響應越強，低頻記錄能力越差、最低可靠頻率越高)。

地震儀輸出的數(shù)字信號來源于電信號，而電信號有兩個來源：由機械振動轉換而來的電信號和本底噪聲。本底噪聲屬地震儀和檢波器固有的噪聲，其特征與機械輸入信號無關。如果輸入的振動信號足夠強、超過本底噪聲，就可以比較保真地記錄振動信號；如果輸入振動信號與本底噪聲相當甚至更弱，本底噪聲的影響就會顯現(xiàn)。圖14中藍色環(huán)境噪聲的極低頻逐漸減弱，而粉色本底噪聲逐漸增強(1/f規(guī)律)；在本底噪聲強于環(huán)境噪聲的頻段(極低頻段)，前者占主導作用，此時輸出的電信號不再代表地表振動，而是反映了本底噪聲的強度。部分加速度檢波器數(shù)據(jù)積分為速度后會產(chǎn)生強烈的極低頻，基于此原因，應該將其切除。

在圖11中，頻段2、3的主要構成要素是振動信號轉換而來的電信號，具有高度的“空間一致性”，所以8個檢波器高度一致，且越趨向低頻一致性越強(低頻成分視波長更大、吸收更小)。由此一致性可以推知靈敏度、允差以及低頻濾波響應都是一致的。但是，頻段1(極低頻，大約2.5Hz以下)中各曲線一致性顯著變差，出現(xiàn)了向上突然抬升的態(tài)勢。因其他因素都是一致的，故極低頻出現(xiàn)差異的唯一原因是“本底噪聲”(表3)。

本底噪聲具有1/f及隨機分布的特征[5，14-15]，一致性變差的頻率點反映了地震信號由機械輸入信號為主向本底噪聲為主的轉變。

圖15左圖為10種檢波器(除第9種為8個以外，其余均為16個檢波器，記錄時段0～6s)的低頻振幅譜比較，圖中低頻端振幅譜變粗的頻率點即為對應檢波器類型的“最低有效頻率”。由圖15可見，第6種檢波器的低頻接收能力最差，第7種檢波器低頻接收能力最強；第9種DSU檢波器的最低有效頻率大約為4Hz(與圖11不同)。另外，隨著輸入信號強度降低，允差、靈敏度等其他因素的作用更明顯，本底噪聲的影響減弱，最低有效頻率就難以標定(圖15b，分析時段5～6s)。因此，最低可靠頻率對比應在較強機械輸入的情況下進行。當然，經(jīng)多次疊加衰減本底噪聲后最低可靠頻率會降低。

圖14 本底噪聲與環(huán)境噪聲的功率譜比較

圖15 10種檢波器的低頻記錄能力比較(由上到下分別對應10種檢波器類型) 左圖對應時段為0～6s，右圖對應時段為5～6s

2.3 允差

根據(jù)前述，盡管1m×1m范圍內(nèi)地表機械振動具有高度一致性，但實際數(shù)據(jù)顯示部分檢波器類型不同檢波器之間的曲線一致性較好、曲線重合度較高(圖16B1、C1)，部分一致性則較差(圖16A1、D1)。因為A1、D1是加速度檢波器，具有突出視覺高頻的作用(差異大的耦合響應作用在高頻，環(huán)境噪聲較震源信號在高頻端也相對更強)；同時，二者均為有源檢波器，本底噪聲更強；這些都是A1、D1一致性差的重要原因。但對于同種檢波器而言，耦合響應及本底噪聲應極為接近，故圖16中A1、D1一致性差的主要原因是允差。允差對于保持地震數(shù)據(jù)的一致性具有重要影響，但是現(xiàn)場難以測量這一指標。在檢波器的性能參數(shù)表中，影響允差的主要參數(shù)包括主頻、阻尼、電阻以及靈敏度等(表1。有源檢波器的本底噪聲也存在允差的概念)，多數(shù)在2.5%～5%范圍。

對于分布在1m×1m范圍內(nèi)的多個檢波器來說，極低頻容易受到本底噪聲的影響，高頻容易受到耦合響應的影響，低、中頻段機械信號的強度大、機電比高，作用的主要系統(tǒng)因素有兩個：靈敏度和振幅響應允差(暫稱為“合并允差”)。如果把每一組所有檢波器振幅譜的分布范圍作為考核標準，就可大致算出該型檢波器合并允差的大小。具體的計算方法如下。

(1)計算每一類型所有檢波器的振幅譜。

(2)將同一類中所有檢波器各個頻率振幅譜的“(最大值-最小值)/平均值”作為該頻率的“合并允差”。因為“最大值-最小值”的范圍代表了該頻率振幅的變動范圍，平均值則將不同檢波器的變動范圍進行了歸一化，實現(xiàn)了可比性。

圖17是實際試驗結果，可見20～40Hz頻段曲線基本平直，反映了檢波器的“合并允差”。其中兩種動圈式檢波器(B1—動圈5Hz、C1—動圈10Hz)的合并允差接近10%，DSU3(D1)大約為18%，而LP-5Hz(A1)則達到約35%，大約是DSU檢波器的兩倍，顯然太高了，嚴重影響了數(shù)據(jù)一致性。低頻端的抬升是由于本底噪聲導致的，其轉折點對應最低可靠頻率，強度大致反映了檢波器本地噪聲的相對強弱。由圖17可知，LP-5Hz、動圈10Hz、DSU3、動圈5Hz的低頻接收能力依次增強。超過40Hz以上的曲線抬升是由于耦合響應不一致導致的。

因為多數(shù)反射信號較初至弱很多，所以更容易受到系統(tǒng)因素的影響。圖16下部為4～4.5s的波形圖，可見各個檢波器之間的一致性較初至(圖16上部)大大下降了，這種不一致使深層反射弱信號的識別更困難，此不一致性不僅僅來源于合并允差，也跟其他系統(tǒng)因素有關。為了簡潔、全面地反映不同地震檢波系統(tǒng)的機電特性，可用綜合一致性對此進行表征。

從傅里葉變換的角度來講，地震檢波系統(tǒng)的所有性能參數(shù)可從每一個樣點上得到體現(xiàn)。特別地，最小炮檢距的最大值是地震記錄中機電比最高、輸入一致性最強的樣點，其差異最大限度地反映了系統(tǒng)的差異。因此，可用微型盒子波條件下每個檢波器的最大值(不超調(diào)時)的變動范圍量化表征某種類型檢波器的一致性。該指標可在一定程度上表示某種類型檢波器的各項指標對地震數(shù)據(jù)共同作用后的結果，與允差類似，但對其指標體系的綜合表征作用更強，可被稱為綜合一致性。圖18中的綠、黑、粉、藍曲線分別對應圖16中A、B、C、D四種檢波器，其變動范圍分別為±20%、±2.5%、±2.5%、±7.5%，綜合反映了檢波系統(tǒng)的機電參數(shù)浮動范圍。如果此范圍過大，弱信號的識別就難以實現(xiàn)。

圖17 20～40Hz的振幅譜相對分布范圍反映了合并允差的大小

圖18 圖17四種檢波器的綜合一致性對比

3 具體應用中的若干問題

在具體應用中應該注意以下幾個問題。

3.1 觀測系統(tǒng)

新型檢波器參數(shù)標定與采集作業(yè)用檢波器一致性篩選(挑選不合格檢波器)，這兩種應用目的宜采用不同的布設方式，前者如圖19，后者如圖20。

微型盒子波試驗應該采用炸藥激發(fā)方式，炮檢距在300～1500m范圍。該距離既不會導致檢波器超調(diào)，又能保證初至波有較強的能量(較高機電比)。但是，由于安全等各方面的原因，炸藥震源在非采集作業(yè)階段不易獲得，而研制新型檢波器的過程中需要頻繁測量檢波器的性能指標，這種情況下可以用重錘等在距排列幾十米的位置激發(fā)振動作為一個簡便的替代方法。這種方法對于某些檢測手段不完備的小型公司非常適合。該方法的優(yōu)點是不必采用炸藥震源，隨時隨地可以試驗，幾乎沒有成本；缺點是高頻段(約80Hz以上)無法標定。高頻段標定必須借助炸藥激發(fā)高頻信號或者室內(nèi)檢測設備來完成。

當前節(jié)點地震儀是采集裝備更新的一個熱點。

圖19 新型檢波器參數(shù)標定時布設方法

圖20 采集作業(yè)用檢波器一致性篩選時采用的布設方法

因為每一個節(jié)點儀器都是一個獨立的機電單元，所以這種新型設備需要采用圖19所示的方法來考察其一致性，特別是本底噪聲的一致性。

如果是采集作業(yè)用檢波器一致性篩選，觀測系統(tǒng)可以采用圖20所示排列方式，炮點位于中心，300m以外布放檢波器，4×4為一組，組與組間隔約5m，便于區(qū)分。如果是檢波器串(如每串6個)，建議每組四串檢波器(四串不至于分布范圍太大，以確保輸入信號的一致性)。以每組為單位，考察組內(nèi)各串檢波器之間的一致性。在能夠接收到較強震源信號的偏移距內(nèi)可將排列擴展到數(shù)萬組(每一組的信號輸入是基本一致的)。

當前采集作業(yè)在用的部分檢波器使用年限較長，真實參數(shù)已經(jīng)大大偏離了標稱值，可以采用振幅歸一化 (詳見3.3節(jié))后進行各項指標的一致性比較，按照少數(shù)服從多數(shù)的原則挑選出明顯數(shù)據(jù)錯誤的檢波器。

3.2 分析時窗

輸入信號的高度一致性主要是對較強機械信號而言的，對隨機干擾、特別是小波長的隨機干擾一致性較弱。因此，在選取輸入信號的時候，應選取包含初至波、強反射、折射、強相干噪聲的整個記錄時段作為分析時段，這種情況下機電比最高、能量最強、頻帶最寬，容易識別，可更準確地由檢波器輸出數(shù)據(jù)反推檢波器的各種參數(shù)。

3.3 振幅歸一化

不同類型檢波器對比的時候，往往存在靈敏度、濾波響應等參數(shù)不同的情況，此時應該根據(jù)每種檢波器的靈敏度將原始數(shù)據(jù)轉換為速度或者加速度量綱后，再進行比較。在靈敏度未知或者不準確的情況下，可以根據(jù)20～40Hz范圍內(nèi)振幅平均值做振幅歸一化來比較檢波器的性能參數(shù)。

如果檢波器的類型(速度、加速度)不同，要進行轉換之后再進行振幅歸一化[3-5]。因為不同檢波系統(tǒng)的性能參數(shù)不同，根據(jù)時域波形的最大值進行歸一化有時候是不合理的。

4 關于檢波器應用與研究的幾點看法

近十幾年來，以MEMS檢波器引進國內(nèi)為標志，國內(nèi)業(yè)界進行了數(shù)十甚至上百種不同型號的檢波器試驗與應用。但是，即使在此背景下，現(xiàn)場施工仍然以傳統(tǒng)的10Hz動圈式檢波器串為主，MEMS數(shù)字檢波器等僅占單點采集總道數(shù)的大約10%[14]。為什么當年備受推崇的MEMS數(shù)字檢波器沒有像廠家預測的那樣[20]被大面積推廣？為什么部分指標并不優(yōu)秀的檢波器進入了日常采集作業(yè)流程？從技術應用的角度看主要有以下幾個要素應該被重點關注。

4.1 速度/加速度

MEMS加速度數(shù)字檢波器被引進十幾年來，很多文獻[20-23]都將其與傳統(tǒng)的速度型動圈式檢波器直接對比。因為速度、加速度是不同的物理量，不同檢波系統(tǒng)的性能參數(shù)也不同，將二者直接對比沒有物理意義。將速度型檢波器與加速度型檢波器數(shù)據(jù)進行頻譜、能量、信噪比、子波等指標比較并據(jù)此判定優(yōu)劣，沒有反映地震數(shù)據(jù)所代表的物理本質，僅僅反映了數(shù)學表象。近年來經(jīng)過有關文獻的呼吁[3-6]，大家逐漸接受了二者應該在同一種“域”進行比較的觀點。經(jīng)過重新認識，MEMS加速度檢波器并沒有表現(xiàn)出引進初期期望的大大提高勘探精度的跨越式促進作用[20-25](只是過分夸大了MEMS這種優(yōu)質檢波器的作用)。

但在MEMS加速度檢波器可以提高“視覺/數(shù)學”主頻[3]的啟發(fā)下，國內(nèi)部分單位轉向研發(fā)各類新型加速度檢波器，涌現(xiàn)了部分指標并不突出甚至性能低劣的檢波器，意圖在于提高數(shù)據(jù)主頻以及地質分辨率，并進行了大量的試驗甚至采集作業(yè)，在一定程度上造成了資源的浪費。并且，直接將加速度檢波器數(shù)據(jù)輸入處理系統(tǒng)進行處理的做法，可能違背了“基本的物理原理”[3，14，20]。文獻[3]初步討論了選擇速度、加速度進行處理的時候應該考慮的幾個因素。文獻[14]認為，在進行速度、加速度檢波器對比、處理的時候，必須把加速度檢波器數(shù)據(jù)積分轉換為速度數(shù)據(jù)，因為速度域更有利于解釋人員拾取準確的反射時間(圖21)。對于厚層(圖21左圖，由上而下依次為速度記錄、反射系數(shù)序列、加速度記錄)而言，每一個反射層對應區(qū)分明顯的速度或加速度子波。但對于薄層(圖21右圖)而言，速度雷克子波可區(qū)分兩個反射層的情況下(圖21右圖上)、加速度子波就難以辨別了(圖21右圖下)。因此，盡管用加速度表征較速度表征的子波主頻由30Hz提高到36Hz，但其時域分辨能力下降了。

傳統(tǒng)的速度型動圈式檢波器自1937年被廣泛采用以來[1-2]，很多處理軟件都默認輸入數(shù)據(jù)代表地表振動的速度，故世界上大多數(shù)石油公司在將加速度檢波器數(shù)據(jù)輸入處理系統(tǒng)之前將其積分轉換為速度并切除低頻畸變后再進行處理[3，14，20]。但因為部分加速度檢波器本底噪聲非常高，積分轉換為速度后會出現(xiàn)畸變的超強低頻分量(一般小于5Hz)，所以國內(nèi)部分項目沒有將加速度檢波器數(shù)據(jù)轉換為速度數(shù)據(jù)，也不愿看到加速度數(shù)據(jù)的“高頻優(yōu)勢”在積分后消失[3]，所以就將其直接輸入處理系統(tǒng)。其后果是處理后的剖面視主頻提高了，但是時間分辨率和信噪比都下降了。

另外，國內(nèi)部分學者認為采用加速度數(shù)據(jù)可提高縱向分辨率；或者認為直接把加速度輸入處理系統(tǒng)后，處理系統(tǒng)可以通過反褶積自動消除速度與加速度之間的動力學特征差異，二者的成像效果相當、不需預先進行微積分變換。由于作者知識領域的限制，無法對以上觀點做理論與應用方面的深度剖析，希望引起相關專家的關注，進行進一步的驗證，避免出現(xiàn)工程層面的原理性失誤。如對多個區(qū)塊的加速度數(shù)據(jù)直接進行處理，會產(chǎn)生成像扭曲，誤導地質專家的更深入認識，進而降低鉆井成功率。如果經(jīng)過論證，證明加速度處理更有物理意義、地質效果更好，就可將以往大量速度檢波器采集的數(shù)據(jù)進行微分后重新處理；如果證明速度處理效果更好，那么近年來所有由加速度檢波器施工的區(qū)塊資料應該被積分后再重新處理，而不是目前速度與加速度并行、莫衷一是的狀況。

在實踐中，有的新型檢波器通過附加微分電路將速度型電信號整形為加速度后輸出，以達到提高視覺主頻的目的。盡管這種方法理論上對于提高高頻弱信號保真度有一定的作用，但是因為微分電路的穩(wěn)定性以及地震勘探目標頻帶范圍、附加電噪聲等原因，這種“電微分”的工程意義不大，完全可以通過數(shù)學微分替代。數(shù)學微分的效果取決于原始數(shù)據(jù)的“機電比”[5]。

圖21 速度域雷克子波(左)較加速度域(右)更有利于提高時域分辨率

4.2 低頻/常規(guī)

低頻信號在克服吸收、非均質體散射以及動靜校正、疊加、偏移、信噪比等方面有優(yōu)勢，有助于解決復雜地區(qū)的構造問題；深層反射、火成巖反射、鹽下層反射、復雜逆掩斷裂滑脫面下的反射具有低頻的特性。近年來，隨著專家學者對于低頻信號(1～10Hz)在石油勘探中的作用認識不斷深化，涌現(xiàn)了多種獲取低頻信號的方法。從接收的角度而言，獲取低頻信號大致有四種方法：①采用低頻無衰減或者衰減非常小的檢波器。這種獲取低頻的方式主要依賴于檢波器的機械屬性，可稱之為“機械低頻”(如MEMS數(shù)字檢波器)。②在存在機械低頻衰減的情況下，根據(jù)檢波器的傳輸函數(shù)，經(jīng)由附加電路補償?shù)皖l，這種方式可以稱之“電低頻”(如西方地球物理公司的GAC檢波器)。③在存在機械低頻衰減的情況下，根據(jù)檢波器的傳輸函數(shù)，將損失的低頻通過計算的方式補償回來[5]，這種方法可以稱之為“數(shù)學低頻”。 ④根據(jù)普通檢波器與低頻檢波器數(shù)據(jù)之間的特征(振幅譜、功率譜)差異，補償普通檢波器的低頻成分[26-27]，是以上三種方法的綜合。無論何種實現(xiàn)形式，它所希望代表的都應該是地表機械振動中的低頻分量。

圖22是四種檢波器貼近埋置后接收同一炮的振幅譜(經(jīng)20～40Hz振幅歸一化)。其中圖22a未做檢波器反褶積[5]，可見藍—綠—青(方法②)—紅(方法①)四種檢波器的低頻振幅依次增強，這與理論相符。圖22b的動圈式檢波器20DX做了檢波器反褶積Deg[5](方法③)后，與DSU、寬頻檢波器在2Hz以上高度重合； LP-5Hz加速度檢波器存在低頻衰減，故在約7Hz以上才與其余檢波器重合。

關于低頻檢波器，本文認為：

(1)對于石油勘探而言，DSU等MEMS數(shù)字檢波器是最直接的選擇，缺點是價格偏高。DSU-428大約在2Hz以上是可靠的，DSU-508應該可以達到大約1Hz甚至更低。其余很多類別不適于大規(guī)模的石油勘探作業(yè)；同時，此類加速度檢波器的低頻優(yōu)勢只有在轉換為速度進行數(shù)據(jù)處理的時候才能顯現(xiàn)(限于最低可靠頻率以上)。

圖22 四種不同類型檢波器的低頻接收能力比較

(2)采用十幾赫茲的動圈式檢波器+反饋電路實現(xiàn)1～2Hz以上低頻信號接收的情況下，因反饋電路難以保持較高的一致性，故疊加后低頻數(shù)據(jù)的保真度較低。

(3)10Hz動圈式檢波器+檢波器反褶積Deg[5]大約可以實現(xiàn)1～2Hz以上的數(shù)據(jù)保真，是最經(jīng)濟的一種方法。更重要的是，Deg可用于以往所有動圈式檢波器采集的工區(qū)(已施加低截濾波的除外)，可對以往數(shù)據(jù)進行重新處理、解釋，發(fā)掘低頻分量的潛力，大大降低采用低頻檢波器重新勘探的成本[5]。有技術人員認為可通過處理系統(tǒng)的反褶積來代替檢波器反褶積[5]，這是不現(xiàn)實的，因為二者的所依據(jù)的物理事實以及實現(xiàn)算法均不相同。

(4)方法④依賴于低頻檢波器的機械或者電屬性以及數(shù)學計算(反褶積)，算子不穩(wěn)定，一致性差，操作繁瑣，推廣意義較弱。

4.3 單點/組合

“高密度采集”是指空間采樣密度遠大于常規(guī)施工的采集方式，往往道距較小，主要目的是提高地震資料的信噪比和分辨率。當前，高密度采集在很多地區(qū)被大量實施，且少量施工單位認為其必須同時與單點加速度檢波器相配合。但從分類角度看，高密度本質屬“觀測系統(tǒng)”的范疇，單點采集屬“接收”的范疇，加速度檢波器則屬“裝備”的范疇，不能混為一談。部分高密度采集實例中的剖面品質提升實際是加速度檢波器接收帶來的“視覺/數(shù)學”高頻優(yōu)勢，如果將其積分為速度后，高頻優(yōu)勢就消失了，時間分辨率不會有明顯提高。當然，因為道距的縮小，空間分辨率有了較大改善。

文獻[14]認為，在低信噪比地區(qū)，因為人們?nèi)匀灰蕾囉趩闻陲@示進行質量控制，通過組合濾波響應衰減低速炮生干擾仍然是人們優(yōu)先的選擇。只有當單點檢波器可以在Inline 和Crossline 方向小到足夠無假頻記錄波場并在處理階段有效去噪的時候，才能夠替代檢波器組合。這在當下油價低迷的現(xiàn)實條件下很難實現(xiàn)，特別是Crossline方向無法達到所期望的空間密度。因此，在很多地區(qū)，檢波器組合仍是當前低成本采集背景下的合理選擇。

另外，在實際地震數(shù)據(jù)采集中，將不同檢波器的單點與組合進行同時比對是錯誤的，此時檢波器的濾波效應與組合效應相互重合，難以得出明晰的結論。

當前，一些單位熱衷于研發(fā)新型加速度檢波器及低頻檢波器的根本原因，可能是對檢波器性能指標與其地球物理表現(xiàn)之間的因果關系不清楚或商業(yè)利益驅動，而對提高地震數(shù)據(jù)保真度并無太大助益。

除了以上純技術因素以外，一些更深層面的因素影響了檢波器的應用與研究工作。

(1)部分一線技術人員缺乏充分理解不同類型檢波器數(shù)據(jù)所代表的物理意涵以及應用場景的知識基礎和工具方法。

(2)在勘探要素發(fā)生變化的情況下，數(shù)據(jù)評價沿襲了技術規(guī)程中的僵化方法、導致了錯誤的判斷。檢波器效能應該放置到整個勘探鏈條中進行系統(tǒng)評判，而不僅僅是根據(jù)技術規(guī)程做“現(xiàn)象評價”[3-4]。

(3)以“工業(yè)試錯”模式開展應用研究。在未厘清數(shù)理原理或未做充分點試驗情況下，倉促投入大型試驗甚至規(guī)模作業(yè)，浪費了資源、誤導了認識。

(4)對MEMS等新型檢波器的評價缺乏獨立判斷、“只有表揚沒有批評”，鮮有“不同的聲音”。這種現(xiàn)象與求真務實的科研作風是相悖的，背后的方法性、結構性甚至系統(tǒng)性的原因值得反思。

5 結束語

(1)由陸上震源激發(fā)的振動在1m×1m范圍內(nèi)的動力學特征(振幅、頻率、相位)高度一致，越趨向低頻一致性越強。

(2)微型盒子波是一種基于現(xiàn)場試驗的、簡便的估測檢波器性能指標的方法，可以估測靈敏度、最低可靠頻率、允差以及綜合一致性等，分為常規(guī)采集作業(yè)和小型試驗兩種情況。其結果可以為檢波器提供一個基于最終數(shù)據(jù)意義的評價標準。

(3)在研制新型檢波器的時候，建議首先進行極低成本的微型盒子波試驗；在確認細部特征確有提高后，再進行大規(guī)?，F(xiàn)場試驗。

(4)更新失真嚴重的老舊檢波器是當前采集設備管理的主要任務，不是研制新型檢波器。10Hz動圈式檢波器在當前處理框架下仍是“高效”檢波器。

(5)成熟的速度、加速度檢波器對于地表機械振動的表征作用是等效的。到底是速度表征還是加速度表征更有助于提高勘探效果，有待處理、解釋階段的深入系統(tǒng)驗證。

(6)檢波器反褶積[5]可以穩(wěn)定地恢復1～2Hz以上的低頻信號。低頻恢復后的地震信號在處理、解釋階段的應用有待驗證。

(7)在充分認識檢波器工作原理及其數(shù)據(jù)表現(xiàn)的基礎上，重新制定檢波器選型試驗的數(shù)據(jù)評價標準。

感謝CGGVeritas公司Shuki Ronen博士、Seismic Oilfield Service公司Robert Heath先生及Sercel公司Jérme Lainé先生的經(jīng)驗介紹及觀點分享。