耿启立
2014年南京青年奥林匹克运动会开幕式【摘 要】本文在介绍国外新型地震传感(检波)器的同时，对代表地震数据采集系统总体技术发展趋势的油气地震仪产品现状进行了概述，重点介绍了国内外工程地震仪的产品现状和代表产品，概括总结了国内外地震传感(检波)器、油气地震仪、工程地震仪的发展趋势。
【期刊名称】《地质装备》
【年(卷),期】2016(017)005
【总页数】12页(P21-31,37)
【关键词】地震仪;传感器;物探;发展趋势
【作 者】耿启立
【作者单位】中国地质装备集团有限公司，北京 100102
【正文语种】中 文
【中图分类】P631.3
地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震数据采集系统产品是获取地震勘探数据的关键设备，主要包括激发震源、检波器、数据采集系统(以下简称地震仪)等。本文在介绍新型地震检波器、油气地震仪的同时，重点介绍工程地震仪产品现状与发展趋势。 地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的专用传感器。按工作原理分为电磁感应式、压电陶瓷式、电化学式、MEMS微电子机械式、光纤式等；按输出信号方式分为模拟检波器和数字检波器，电磁感应式、压电陶瓷式属于模拟检波器，通常分别用于陆地地震勘探和水上(下)地震勘探。
近年来，在新材料、新技术的推动下，陆续出现了电化学地震检波器、MEMS数字检波器和光纤传感检波器，如美国PMD/eentec公司研制的宽频带电化学检波器能够检测0.008～5
0 Hz以内的振动信号，动态范围达到150 dB；美国ION公司和法国Sercel公司相继研制出的VectorSeis型和DSU型数字检波器，检测信号频带范围可达到DC～800 Hz。
1.1 电化学地震检波器
从20世纪90年代开始，美国PMD公司和俄罗斯MET公司相继推出了大动态范围、宽频带的电化学地震检波器。电化学检波器的核心是电化学换能器，其主要由一对惰性金属电极(通常使用铂金网状电极)和可逆氧化还原反应的电解质溶液(碘酒)组成，其工作原理是在阴阳电极之间加载小幅值的直流电流，使得离子向阴极密集，形成离子浓度梯度，产生静态电流；地表运动时，电解液随着在管道内移动，产生与电解液运动速度成比例的附加电流，由附加电流可以得到地表运动的速度或者加速度大小。电化学地震检波器属(甚)宽频带地震检波器，功耗一般只有30～50 mW ；换能器用电解液代替弹簧，惯性体为液体，其输出与惯性体的位置无关，没有惯性体锁死和中心调节的要求；反馈电路中没有积分电路，因此在长周期带宽工作噪声水平非常低；电化学换能器在120～130 dB动态范围内是线性的，采用力平衡反馈，动态范围可以达到150～160 dB。电化学换能器还具有频带宽、可在大倾角范围工作、工作温度范围宽及无需任何维护等优点，是地震检波器换能器的革新。
近几年来，通过技术改进，这种电化学地震传感器克服了稳定性、动态范围等特性的不足，已经成功研制了实用的电化学地震仪，并实现了产品化。如美国PMD公司已经研制成功了电化学旋量地震仪、强震仪、宽频带地震仪以及海底地震仪。此外，俄罗斯莫斯科物理工艺研究所也研制了类似的地震检波器，能够检测0.005～100 Hz范围内的振动频率。中国科学院电子学研究所研制的MECSS1 I与MECSS3 I型电化学检波器频率范围为1～70 Hz，灵敏度达到100 V/(m·s-1)。
1.2 MEMS数字地震检波器
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数字检波器与MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)传感器集成并微型化在一起，构成了新型MEMS数字地震检波器。其特点是内部包含MEMS传感器和微型化的24位A/D，直接输出24位数字信号，动态范围可达到120 dB，比传统检波器的动态范围至少高出50～60 dB；幅频特性十分平坦，在1～800 Hz频率范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响。目前世界上比较成熟的MEMS数字地震检波器是美国ION公司的VectorSeis型数字检波器和法国SECEL公司的DSU型数字检波器。
美国ION公司于1998年推出世界上第一款MEMS数字地震检波器，其是3分量检波器，将3个MEMS传感器和控制电路集成在一个检波器中，系统内部有矢量校正系统，可以任意方向、任意角度摆放。VectorSeis型数字检波器主要技术指标如下：动态范围115 dB、谐波失真0.002 %、交叉隔离46 dB、容差0.3 %、可任意方向埋设。
法国SECEL公司于2001年推出DSU系列数字检波器，共有DSU1单分量和DSU3三分量两种，主要技术指标如下：动态范围120 dB、谐波失真-90 dB、交叉隔离45 dB、容差0.25 %，倾斜27°。
数字检波器与传统检波器比较，有以下优点：
(1)谐波畸变小于0.003 %，动态范围可达105 dB，而传统检波器的谐波畸变最小也只有0.03 %，动态范围只有60 dB；
(2)超低噪声，其噪声指标优于；
(3)具有极高的向量保真度，其输出频带十分平坦，在1～500 Hz范围内始终保持平直，且相位为0相位，而最好的模拟检波器也达不到1～500 Hz的带宽；
(4)抗干扰能力强，由于输出的是24位数字信号，不受外界的电磁干扰影响；
(5)三分量检波器能检测3个方向的地震波，能够采集全波地震信号，从而改善在复杂地区地震成像和岩性信息数据采集的质量。
遭遇昨天
1.3 光纤地震传感器
光纤传感技术以光纤为媒质、光为载体，感知和传输外界信号，具有线性好、动态范围大、工作频带宽、噪声水平低、灵敏度高、绝缘性好、重量轻、体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、便于组网及长距离传输等优点，适用于偏远山区与边界安全监测以及石油勘探中高温高压、强电磁强辐射的井下环境等一些传统传感器受限制的领域。美国加州大学圣地亚哥分校2010年研制出了基于Michelson干涉仪的光纤地震检波器，实现了高达4×10-13 m 的位移测试精度，带宽为10-3～1 Hz，动态范围达到180 dB，并记录了2008年5月12日发生在四川汶川的7.9级地震。Weatherford公司的井下VSP系统采用双光纤光栅构成的FP干涉仪为传感元件，能够实现高灵敏度大动态范围的信号解调，并采用特殊设计的机械结构实现了三维地震波采集，能够适用于井下175 ℃的高温及100 MPa的高压环境，系统工作带宽为10～400 Hz，最小可探测的加速度为100～500 。
高灵敏度、高保真度、高动态范围和低谐波畸变的数字式检波器是地震检波器的发展方向。
地震仪器一直伴随着电子、通信、计算机、网络、软件等技术和基础工业的进步在不断发展，经历了模拟光点记录、模拟磁带记录、数字磁带记录、初期遥测、后期多道遥测、全数字记录、节点到实时无线万道网络遥测等七代发展历程。
按应用领域划分，地震仪可分为油气勘探地震仪(简称油气地震仪)和工程勘探地震仪(简称工程地震仪)。
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2.1 油气地震仪
油气地震仪代表了当代地震仪的最新发展水平。目前的油气地震仪以有线仪器、节点仪器、无线仪器等为代表，适宜10万道以上的大道数作业，野外布设灵活，具有强大的网络化数据管理能力。
2.1.1 有线仪器
有线仪器采用网络遥测、数据压缩、光纤通信、数据存储、源同步控制等先进技术，从采集站到交叉站再到主机的数据传输采用电缆来实现，使仪器的稳定性、可靠性、数据传输速度、存储速度、源同步控制能力、带道能力大幅度提高。具备高密度采集、海量地震数据管理、多组移动激发源同步控制等能力。操作系统软件功能不断完善和强大，可进行排列监控和野外设备测试，可以进行现场数据质量控制，几十万道仪器同步采集时差精度大幅提高，交叉线数据传输速率达GB级，数据存储和显示能力大幅提高，系统的实时记录能力达到每秒几百兆字节。
象征手法
有线仪器的代表产品是428XLG系统和G3i系统。
有线系统由于采集站之间通过电缆连接，使得野外布设不太灵活方便，且电缆保养维修、存储运输增加了使用成本。道数的增加带来插头节点的增加，也使系统的稳定性降低。
有线仪器发展的重点是扩展实时带道能力、满足高效施工要求、提高野外适应性。
2.1.2 节点仪器
节点仪器是一种没有实时信息交换能力、以站为单位独立工作、按精确时序连续采集、存
储式地震数据采集系统。
节点仪器站单元采用分布式供电，检波器有内置和外接两种方式。节点仪器由于不采用实时数据回传，避开了传输系统的限制，道数可随意扩展。采集站采用GPS定位和精确授时，数据连续采集并保存在大容量的存储设备中，收工或一个阶段后，采用手持设备或遥控回收数据。
节点仪器代表产品有 OYO公司的GSR节点式采集系统、INOVA公司的HAWK系统、Sercel公司的UNITE系统等。OYO公司的GSR节点式采集系统无大线传输、无电台传输、无主机记录、连续记录时间可长达30天。
节点仪器可以和现有的有线仪器混合使用，弥补有线仪器野外布设不方便的不足，增强野外施工的灵活性。
节点仪器的不足是不能及时根据地震监视记录来指导下一步的野外施工生产，后期回收需要庞大的辅助设备，大道数施工情况下数据回收工作量大，数据编排繁琐，存在数据错误和数据丢失的风险。
2.1.3 无线仪器
无线仪器通过无线电波实现信息的传递和交换，采集站与采集站，或者采集站与主机之间没有电缆，系统灵活性高。无线仪器通信频带一般选择微波域甚高频段，其核心技术在于通信协议，不同协议下的信道个数和带宽不同。近年来，随着编码、调制、抗干扰、同步、授时等技术所取得的突破，无线仪器地震道管理能力和通信速率得到了显著提高，能够实现万道以上地震数据采集和实时回传。
传统无线仪器大多使用甚高频波段，其传播方式接近于光波，可在视距范围内有效通讯。如Fairfield公司的BOX系统，工作频率在214～234 MHz的通带范围内，每个频道带宽20 kHz，可提供多达1 000个无线通道，如果单采集站为8道，最大扩展道数理论上为8 000道。
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