地震数据采集中检波器串组合形式的研究

地震数据采集中检波器串组合形式的研究

The study of the geophone string combination form of the seismic data acquisition

陈影

（江汉物探公司仪器服务中心，湖北潜江433199）

摘要

地震采集中，检波器如何组合、采取什么样的组合形式才能压制干扰波、提高有效波的品质一直是我们努力的方向。本文通过对空间电磁干扰进行分析入手，通过实验对几种检波器组合的模式进行比对，找到了最优的检波器组合形式。

关键词:

检波器；组合；地震数据采集

Abstract:

Seismic acquisition, how geophone combination, adopt what kind of combinations to suppress interference wave, improve the quality of the effective wave has been our effort direction. In this article, through analysis of space electromagnetic interference, through the experiment of several kinds of geophone array mode to compare, to find the optimal form of geophone array。

.Keywords:

geophone; combination; seismic data acquisition

0 引言

地震采集中，检波器如何组合、采取什么样的组合形式才能压制干扰波、提高有效波的品质一直是我们努力的方向。如何在地震采集中确定检波器串的组合形式是本次研究的重点。本文通过实验比较几种检波器的组合形式对地震资料的影响，找到了优选检波器组合形式的方法。

1.1 检波器

地震勘探数据采集是通过检波器采集地震信号,但是在野外采集过程中,检波器同时接受着外界天电活动或其它工业活动产生的电磁场,这些空间电磁干扰严重影响了采集资料的信噪比,必须进行研究降低干扰以提高信噪比,获得合格的地震资料。

检波器的内部电气结构是一个多达数千圈的线圈，用弹簧片固定在磁钢形成的固定磁场中。当地震反射波返回地面时，检波器随地表振动，线圈产生切割磁力线的运动，

从而产生感应电动势，把地面的机械运动变成电信号。而空间电磁场中变化的磁场也会使检波器线圈产生感应电动势，和检波器因为反射回的地震波以及环境噪声引起的机械振动使线圈产生的感应电动势一样，对于地震放大器而言，都属于差模信号，一起经过地震放大器放大输出，对地震反射波形成干扰，如图2所示：

由于检波器线圈的圈数很多，因此感应的空间电磁干扰信号是非常强大的，而且无法消除，因此检波器生产厂家在设计生产时，采取了一定的抗电磁干扰的技术措施：把检波器线圈一分为二，形成上下两个线圈的双线圈结构，并且保证两个线圈的圈数、层数、宽度和厚度等物理参数完全相同，两个线圈的绕线方向相反，一个正绕，一个反绕，然后把一个线圈的尾端和另一个线圈的始端相连，另外两端为输出端，如图3所示。根据楞次定律，两个线圈相对磁钢运动，切割磁力线时，产生的感应电动势是相加的，而外磁场变化时，两个线圈产生的感应电动势是相互抵消的，从而达到克服空间电磁干扰的目的。所以在地震数据采集系统的四种外部设备中，检波器抗空间电磁干扰的能力是比较强的。

图2 空间电磁干扰信号与反射波及环境噪声信号叠加在一起，以差模形式输入给放大器

图3 检波器内线圈的绕法

1.2检波器连线、模拟信号通道线和数传线

这三种部件具有以下共同的特点：

·以线对的形式存在。

·在地面摆放长度较长。

图4 线对接收的电磁波信号, S

是共模信号

3

对于一个地震信号通道而言，铺设在地面上的线对是两根良好的天线，极易接收空间的电磁波信号，输入给地震放大器。但是线对接收的电磁波信号对于地震放大器是一种共模信号，采集系统的差模输入特性会抑制这种共模输入信号,如图4所示。

图5 线对平衡被破坏，发生共模－差模转换

如果线对是完全对称平衡的，即两根线的电气参数一致，那么放大器入口两端的共模电磁感应信号是同幅同相的，将受到放大器共模抑制比的衰减，衰减量可以达到90～100dB以上，使电磁干扰信号受到很大的抑制。但是如果线对的对称平衡被破坏，两根线的电气参数不一致，那么两根线接收的电磁信号就有差异，或者在传输过程中产生差异，就会有部分共模信号转换成差模信号，对地震反射信号形成严重干扰。图5中由于线对的漏电电阻不等，感应的共模信号在放大器两端的电压值不等，将有电流流经检波器串阻抗，形成差模信号和地震反射波等信号一起进行放大。

所以地震通道线对的平衡被破坏是地震数据采集系统接收电磁干扰的最根本的原因，由于在线对的平衡被破坏，发生了共模－差模转换后，空间电磁感应信号对地震采集信号形成干扰，干扰的程度与检波器串的阻抗有关，检波器串阻抗大，共模信号向差模信号转换后，在检波器串阻抗上的压降大，从而导致干扰水平高。

2 地震数据采集空间电磁干扰实验

在理论分析的基础上，我们进行了针对性的实验，室内实验利用空间工频50Hz电磁场作为电磁干扰源，在有限空间场地集中摆放若干地震道记录环境噪声，实验结果见图6：

图中的第1、2道（道号494、495）为短路道；3、4道（道号496、497）为开路道；

5、6道（道号498、499）为9个检波器串联、组串结构平衡的检波器串；7、8道（道号500、501）为9串2并、组串结构不平衡的检波器串；9、10两道（道号502、503）为9个检波器串联、组串结构不平衡的检波器串；所有10道感应环境基本相同，记录回放滤波范围40～60Hz，采用固定回放增益0db。

实验结果表明：

1.10个实验道中短路道的感应水平最低,几乎为零；开路道次之；其它感应水平由低到高的排序为9串平衡串、9串2并不平衡串、9串不平衡串。

2.同样9个检波器串联，结构不平衡的检波器串比结构平衡的检波器串感应水平高约16dB。

3.同样是不平衡结构，9串的检波器串电阻比9串2并的检波器串电阻大一倍，感应水平高约8dB。

图6 电磁干扰实验记录

分析实验结果可以得到以下认识；

1.在检波器、检波器串线、模拟信号通道线和数传线四个部件中，接收电磁干扰的主要部件不是检波器，也不是模拟信号通道线和数传线，而是检波器串。因为如果接收电磁干扰的主要部件是检波器，那么9个检波器串联无论结构如何，感应水平不应差别那么大；如果接收电磁干扰的主要部件是模拟信号通道线和数传线，那么开路道的感应水平不应那么小。

2.电磁干扰水平与检波器串电阻和结构状况有关：结构不平衡干扰水平高；检波器串电阻大干扰水平高，在专门用电阻器代替检波器串进行的检波器串电阻对感应干扰水平影响的实验中，三个地震道分别接入1.1KΩ、10KΩ、150KΩ模拟电阻，实验表明干扰水平由高到低与模拟电阻值从大到小的排序一致，外接150KΩ模拟电阻干扰水平比外接1.1KΩ模拟电阻高约23 dB；外接10KΩ模拟电阻时，干扰水平比外接1.1KΩ模拟电阻高约16dB。

3.结构的平衡状态是决定干扰水平的最关键的因素。按理说外线开路时，电阻值为无穷大(∞)，干扰水平应该最高，但是图6中，开路道的干扰仅比短路道略高一点，就

是因为在实验条件相对较好的情况下，开路道的结构保持着基本平衡的状态，放大器前地震通道两端的感应信号受到放大器的衰减，事实上在野外施工的恶劣条件下，开路道的平衡状态往往遭到破坏，开路道的干扰水平是很高的。

野外排列实验与室内实验的结果是一致的。实验结果与理论分析是一致的。

3提高抗空间电磁干扰能力的要素

3.1检波器与检波器串组合

从上面的分析和实验中已知检波器抗电磁干扰的能力是比较强的，在实际地震勘探生产中往往都是使用多个检波器组合的检波器串，检波器组合的形式有多种：串联、并联和各种串并联组合，有关研究表明：

·N个检波器串联的检波器串的灵敏度是单只检波器灵敏度的N倍，而串阻抗也提高了N倍。

·N个检波器并联的检波器串的灵敏度与单只检波器灵敏度相同，串阻抗是单只检波器的1/N。

很容易得到这样的结论：内阻小的检波器、并联形式的检波器串，串阻抗小，抗电磁干扰的能力强。

3.2 检波器连线、模拟信号通道线和数传线

这几种传输线对都能接收空间电磁干扰信号，而且都是以共模形式存在。为了衡量线对的对称平衡状态，对传输线也引入了共模抑制比（CMRR）的概念，传输线的共模抑制比与地震放大器的共模抑制比概念的物理意义是一样的，都是表征对共模信号的衰减抑制能力，不同的是放大器的共模抑制比在设计制作时就固定了，正常情况下不会发生变化，而传输线的共模抑制比在传输线的制造和使用中有可能发生很大的变化，对克服电磁干扰的能力有很大的影响，应该引起足够的重视。为维持传输线较高的共模抑制比，要注意以下三个要素：

1.结构对称平衡

检波器串的对称平衡状态对克服电磁干扰的能力有着关键的影响，检波器串的对称平衡状态是指以检波器串的物理中心为始点，到检波器串插头两端点的连接线的长度要一致或基本一致，否则因为连接线长度差异产生接收电磁信号的差异，进而产生共模－差模转换，形成电磁干扰。如图7所示，用两芯的检波器串线组成9个检波器串联的检波器串，以第5个检波器为中心，两边到串插头的连线长度差异很大，是严重的不对称平衡串组合，事实证明，这种检波器串接收电磁干扰的水平很强，在某地区施工无法进行，改用对称平衡检波器串后，电磁干扰基本消失。实际上检波器串线往往是三芯的，便于通过适当的设计，使检波器串的结构达到平衡或基本平衡。

图7严重不对称平衡的检波器串组合

模拟信号通道线和数传线都是双绞线，要求在对绞生产时要均匀，保持线对的长度一致。

2.避免漏电

检波器串和数传电缆（包括模拟信号通道线和数传线）在潮湿环境和雨天施工时，极易产生漏电，当线对对地的漏电电阻不一致时（这种情况又是经常发生的），就会发生如图5所示的电磁干扰，所以在野外施工中采取各种措施避免排列上的漏电是克服电磁干扰最重要和最有效的手段。

3.连接良好

在地震勘探施工中，检波器串与采集电缆相连，数传电缆和采集站相连构成地震排列网络，传输线的连接点的接触电阻不一致也是破坏传输线线对的对称平衡状态的原因之一，要尽可能保证各接触点连接良好。

4 结论

综上所述，地震勘探数据采集系统中的检波器串和传输线很容易接收空间电磁信号，传输线对的对称平衡被破坏时，两根线接收的共模电磁信号就会向差模信号转换，最终通过串阻抗，部分电磁信号变成差分电压，对地震反射信号形成干扰，所以：

1.检波器组串时，并联形式可以减小串阻抗，降低电磁干扰水平。但是检波器组串还要考虑用串联方式提高串灵敏度，因此要双方顾及，合理设计，在电磁干扰比较严重的地区，考虑多采用点并联形式，克服电磁干扰，电磁干扰不太严重时，多点串联形式提高灵敏度，不同工区要通过试验，对检波器串组合形式进行选择。

2. 始终保持传输线对的对称平衡是解决电磁干扰的根本要素，事实证明：保证线对的对称平衡比改变检波器串的组合方式对克服电磁干扰的作用更大。

但是检波器串和传输线等地震数据采集系统的外围设备的使用环境千变万化，涉及的点很多，不是一种或几种具体的技术方法能够一劳永逸、彻底消除电磁干扰的，需要在施工中，因地制宜，严格管理，从点点滴滴作起，保证每一个细小环节都不出现疏漏，只有这样，才可能最大程度地克服空间电磁干扰,保证采集的地震数据品质。

参考文献:

1吕郊.地震勘探仪器原理[M].石油大学出版社,1997.

2 李培超,盛国泰,谢石林,郭彪.检波器地面耦合机理研究.物探装备[J],2012,22（4）：218-221,225.

3 商杰,王春丽.检波器串电气连接组合效果分析.物探装备[J],2012,22(5):281-283,294.

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