面向宽频采集的新型检波器研发与应用

吴学兵

(1.中国科学院声学研究所,北京100090;2.中石化地球物理公司装备管理中心,江苏南京211100)

随着国内陆上油气勘探程度的不断提高,勘探目标越来越复杂,已经从早期的简单、大型构造油气藏发展到目前的复杂、隐蔽型油气藏[1],此类油藏对地震勘探的分辨率和成像精度要求越来越高,“高密度、宽频带、宽方位、单点、超大道数”采集成为物探技术的发展方向[2]。宽频地震采集包括地震波的宽频激发技术、宽频接收技术和合理的观测系统设计。宽频勘探不仅涉及到宽频采集技术,还涉及到针对性的资料处理技术,是一项系统工程。“宽频带、单点、高密度、大道数”的地震采集趋势,要求地震检波器具有“单点单支、频带宽、灵敏度高、保真度高、使用方便”等性能指标与之相适应[3]。地震检波器作为宽频信号接收的重要环节和最前端设备,还要求具备幅频相频响应线性化等特性。电磁式检波器自20世纪30年代问世以来,一直主导着地震勘探行业市场。自20世纪60年代后期开始,该检波器得到不断改进和完善,其灵敏度、可靠性和一致性不断提升,失真度不断降低[4]。目前仍在广泛使用的动圈检波器即电磁式检波器,主要基于电磁感应原理,地面振动引起线圈与磁铁产生相对位移,使得内部磁通量发生变化,从而产生感应电压,该电压与线圈相对磁铁的运动速度成正比,检测的是速度信号。这种动圈检波器受工作原理、材料、制造工艺等制约,已经接近它的性能极限。如动圈检波器工作在谐振频率以上时,其幅频响应在谐振频率以下存在12dB/Oct的衰减,使得目前地震勘探更为关注的10Hz以下低频地震信号衰减严重。另外,动圈检波器内部弹簧从静止到拉伸存在一定的非线性失真,使其有效带宽相对较窄(10～200Hz)、失真度相对较高(-62dB)、动态范围相对小(<60dB),一定程度上影响了地震数据采集质量的进一步提高[5]。

基于MEMS(micro electro mechanical system)原理的数字检波器面世已近20年,此类检波器在技术指标上较动圈式检波器有明显的提升。MEMS 传感器由两对固定电极和一块可移动的质量块电极构成,可移动的质量块电极和固定电极之间形成了一个电容器,当外部振动迫使质量块移动时,通过反馈电容变化而调整的控制电压就迫使质量块保持不动。控制电压反馈的是外力的变化,因此,MEMS检波器检测的是加速度信号[6-11],且工作在谐振频率以下,从幅频和相频响应来看,有效频带宽(3～500Hz)、失真度低(<-90dB)、动态范围大(>120dB)。但由于MEMS数字检波器输出的是数字信号,与现有地震仪器系统(从检波器输出、采集站端输入的是模拟信号)不兼容,需要有专门的采集系统与之配套;同时,这种数字检波器价格昂贵、前端MEMS传感器野外耐用性差,使用中故障率高,因此其推广应用受到制约。近年来国内外陆续推出了高灵敏度、低自然频率的单支动圈检波器。该检波器对内部弹性系统进行了改进,自然频率从10Hz降低到5Hz,通带宽度为5～160Hz,一定程度上拓宽了低频端信号采集带宽。但这种低频检波器受芯体质量、弹性结构和材料的制约,降低自然频率后频率允差增大,故障率也随之增高,导致其使用寿命缩短,影响了推广应用。除了电磁检波器技术改造外,围绕宽频采集需求,国内很多厂家和科研院所开展了各类新型检波器的研发,并进行了大量的野外采集试验,如MEMS宽带电化学地震检波器[12]、光纤激光微地震检波器[13]、干涉型光纤地震检波器[14]、基于弹性薄壁管的光纤光栅高频加速度检波器[15]等。这些新型检波器一定程度上具备了宽频采集性能,但距离油气勘探大道数、严酷条件下的大规模商业化应用尚存在一定距离。

本文结合动圈检波器技术成熟、MEMS检波器闭环控制实现拓频的优势,设计和开发了一种基于反馈控制的新型检波器,并通过实验室振动测试[16]和野外地震数据采集试验[17],验证了该新型检波器的特性参数和采集性能[18-21],获得了较高品质的地震资料。

1 基本构成及传感原理

常规地震检波器(如20DX-10)、5Hz低频检波器都属于开环结构,基于MEMS技术的数字检波器是闭环控制结构。本文所设计的新型检波器(图1)则由双线圈机芯、闭环反馈电路、供电系统三部分构成,其中,供电系统由高性能锂电池和太阳能充电器组成,双线圈机芯由传感线圈和控制线圈组成。其基本工作原理是外部振动引起传感线圈切割磁力线相对运动产生感应电压后,闭环反馈电路产生的电磁力施加在控制线圈上,抑制了传感线圈的非线性位移,将常规检波器线圈毫米级的位移降低到微米级,从而大大降低了检波器的非线性位移。这样一方面能大大降低检波器的非线性失真,另一方面可以拓宽检波器采集的带宽。该检波器反馈的是运动的加速度,因此是一种加速度型检波器。新型检波器设计为传感和控制双线圈结构并加入反馈控制之后成为闭环控制结构。与开环结构检波器相比,闭环结构的检波器可以有效降低线圈的非线性位移、拓宽信号带宽,使得该检波器比常规检波器失真度更低、有效带宽更宽、动态范围更大。

图1 新型检波器内部结构

2 技术指标测试

根据常规地震检波器测试技术指标,考虑到新型检波器为加速度型,对新型检波器的灵敏度、带宽、噪声等特性参数进行了测试,并根据测试结果绘制了幅频和相频响应曲线,计算了动态范围。

1) 频宽测试。利用国家仪器仪表质量监督检验中心标准的振动测试台(型号B&K4808;量程5Hz～10KHz;精确度±1.5%)进行了频宽测试。受振动台量程限制,从5Hz到300Hz进行了单频点逐点测试,振动条件为1ms-2(1g=9.8ms-2)。将测得的检波器各个频点的幅值绘制成幅频响应曲线,如图2所示。可以看出,在5～300Hz之间灵敏度曲线是平直的。

2) 低频测试。利用低频测试振动台(量程0.2～200.0Hz),从0.2Hz到10.0Hz进行了不同频点下的扫频测试,结果如图3所示。分析测试结果可见,新型检波器低频端响应的有效带宽达到了0.6Hz。

3) 幅频和相频测试。利用振动台进行了幅频和相频测试,结果如图4所示。在1～240Hz范围内幅频响应起伏小于±0.1dB,在1～300Hz范围内相位非线性小于15°。

图2 新型检波器幅频响应

图3 新型检波器不同频点下的扫频测试(0.2～10.0Hz)a 相频响应; b 幅频响应

图4 新型检波器幅频和相频测试a 幅频响应; b 相频响应

4) 灵敏度测试。用单一频点(31.25Hz)测试了10只检波器的灵敏度,结果如图5所示。分析测试结果可见,新型检波器灵敏度为10V/g;10只宽频检波器灵敏度误差范围为±3%,一致性高于动圈检波器灵敏度误差为±5%的要求。

图5 新型检波器灵敏度测试

5) 谐波失真测试。在低频测试振动台上完成了谐波失真测试。在10Hz频点以500mV正弦波信号为激励信号,测得谐波失真结果如图6所示。经过计算(排除振动台本身的谐波失真),新型检波器总谐波失真为-82dB,远优于动圈检波器(>-54dB)。

6) 噪声测试。在某地震台观测站静音硐室利用超低频振动台进行了噪声测试。采集参数为:采样率500sps;增益30dB。测试结果见图7,幅度测算参照(code/232)×(5V/32)。

新型检波器噪声的峰值为(±2.5×106/232)×(5/32)=±90.9μV;噪声的有效值通常为噪声峰值的1/(6.0～6.6),即90.9×2/6.6=28.0μV。

7) 动态范围计算。新型检波器的瞬时动态范围定义为信号最大输出(有效值)和最低噪声(有效值)之比的常用对数与20的乘积,用分贝(dB)表示。DR=20lg[(2.5/1.414×106)/(90.9×2/6.6)]=96dB。

图6 新型检波器谐波失真测试

图7 新型检波器噪声曲线

综合分析以上测试结果,新型检波器的主要特性参数指标如下:通带宽度1～300Hz;灵敏度10V/g;谐波失真-82dB(受测量方法的限制);本底噪声为28μV,动态范围为96dB。说明新型检波器在频带宽度和保真度方面优于常规动圈检波器。

3 野外采集试验与对比分析

根据地震检波器工作原理的不同,设计并开展了新型检波器与同类型加速度检波器——MEMS数字检波器、不同类型速度检波器——10Hz和5Hz动圈检波器的野外采集对比试验。采用炸药震源激发方式,接收排列为间距1m的4个平行排列,分别为480道5Hz检波器、新型检波器、MEMS数字检波器和10Hz检波器,道间距20m。试验区勘探目的层深度一般在1.3～2.2s。

3.1 与数字检波器对比

图8对比了新型检波器与数字检波器的原始单炮解编记录,其2～8Hz滤波记录如图9所示,浅中深层频谱对比结果如图10所示。

图8 新型检波器和数字检波器单炮解编记录对比a 数字检波器; b 新型检波器

图9 新型检波器和数字检波器单炮2～8Hz滤波记录a 数字检波器; b 新型检波器

从单炮解编记录和2～8Hz滤波记录来看,两种检波器采集的记录基本一致,波组特征相似。从单炮记录频谱来看,两者浅、中、深层频谱曲线基本重合,频谱特征一致。对比结果说明新型检波器与MEMS数字检波器具有相似的宽频特性:低频响应好、主频高、频带宽。

3.2 与速度检波器对比

图11对比了新型检波器与5Hz,10Hz速度检波器的单炮记录,其2～8Hz滤波记录如图12所示。

考虑到新型检波器是加速度型检波器,而5Hz,10Hz检波器是速度型检波器,2种类型检波器表征的物理量不同[8],具有不同的频谱特征,直接进行频谱对比有失客观性,因此专门做了一段采集对比试验,以评估三种检波器的实际采集能力。三种检波器采集的资料经过处理后得到的叠加剖面(覆盖次数为16次)如图13所示,图14为剖面频谱对比结果,新型检波器频宽达到0～76Hz,5Hz检波器频宽为0～55Hz,10Hz检波器频宽为2～55Hz,可见新型检波器采集的剖面具有频带宽的优势。图15对比了剖面细节,可见新型检波器采集的剖面分辨率更高、波组连续性更好、层间信息更为丰富,验证了新型检波器频带宽的优势。

图10 新型检波器单炮记录频谱分析

图11 三种检波器单炮记录解编对比a 5Hz检波器; b 新型检波器; c 10Hz检波器

图12 三种检波器单炮2～8Hz滤波记录a 5Hz检波器; b 新型检波器; c 10Hz检波器

图13 三种检波器采集数据叠加剖面对比a 5Hz检波器; b 新型检波器; c 10Hz检波器

图14 三种检波器采集数据叠加剖面频宽对比a 5Hz检波器; b 新型检波器; c 10Hz检波器

图15 三种检波器采集数据叠加剖面细节对比a 5Hz检波器; b 新型检波器; c 10Hz检波器

4 结论

设计开发了新型检波器并对其进行了技术指标、采集性能、适用性等多方面的测试、评估和对比分析,形成以下认识。

1) 新型检波器通过闭环控制设计,降低了检波器的失真度,拓宽了信号采集的频宽,具有加速度检波器的特性。

2) 新型检波器通带宽度为1～300Hz、谐波失真为-82dB,具有频带宽、失真度低的特性,下一步需继续改进以降低本底噪声。

3) 新型检波器采集的资料层间信息更丰富、成像精度更高,有利于提高地震资料纵向分辨率和地震成像精度。

综合分析认为,新型检波器具有单支、保真度高、频带宽、与现有地震仪器兼容的优势,是实现宽频、单点单震源、高密度3D采集可选用理想检波器之一。