MEMS数字检波器技术特点及应用效果分析.pdf

2013年8月 物 探 装 备 第23卷第4期 MEMS数字检波器技术特点及应用效果分析 夏 勇 徐宏朝 (1．长江大学，湖北荆州434023；2．中海油田服务股份有限公司物探事业部) 摘 要 夏勇，徐宏朝．MEMS数字检波器技术特点及应用效果分析．物探装备，2013，23(4)：2154220 基于MEMS(微电子机械系统)技术的数字检波器优势明显其重量轻、畸变低、动态范围可达120dB，因此能 够记录来自地下反射界面非常微弱的低电平信号；并且由于数字检波器直接输出数字信号，抗干扰能力强，不受外 界电磁信号的干扰，从而保证了地震资料的高分辨率和高保真度 本文首先对比分析了模拟检波器和基于MEMS技术的数字检波器的技术特点，强调了新一代基于MEMS技 术的数字检波器(以Sercel的数字检波器DSU为例)给地震勘探带来的巨大优势；然后结合实际，对比分析了使用 数字检波器与模拟检波器采集地震资料的优劣；最后总结了当前利用MEMS数字检波器进行高密度地震勘探的 注意事项 关键词 地震勘探 MEMS技术 数字检波器 模拟检波器 ABSTRACT Xia Yong and Xu Hongchao．Features and application analysis of MEMS digital sensor．EGP，2013，23(4)：2154220 Since its light weight，low distortion and wide dynamic range(reach tO 1 20dB)，more and more advantages of digital sensor(DSU)based on MEMS technology had been proven and DSU can record weak low level signals．Also because it can output digital signal directly and have less anti-interference to be free from external electromagnetic effect，thus high resolution and fidelity of seismic data are achieved． Firstly，this article compared the technology features of analog sensors and MEMS-based digital sensor，de～ scribed the big advantages of new generation of MEMS-Based digital sensors for seismic exploration．Then this pa～ per based on the actual seismic data for further comparative analysis and applications．Finally summarizes the cur～ rent matters need attention of MEMS digital sensor for high density seismic operation． Key words seismic exploration，MEMS，digital sensor(DSU)，geophone 0 引言 目前，地震勘探中大量使用的地震检波器仍然 是模拟检波器，这种检波器是依据法拉第定律，利用 线圈切割磁力线产生电压的原理，来记录地面的振 动，因此又称作动圈式检波器。

动圈式检波器依靠 线圈的机械运动，将地面振动所产生的机械能转换 成电能，再经过模／数转换把电能变化的信号转换成 数字信号并记录下来如今，尽管模拟检波器的机 械加工水平有了很大的进步，但其电气指标受加工 精度的影响仍然存在种种缺陷 随着数字检波器的广泛使用，人们发现数字检 波器能最大程度地弥补模拟检波器的缺陷，大大地 提高地震采集资料的品质 1 MEMS技术与DSU数字检波器 1．1 MEMS工作原理 MEMS本质上是由两对固定电极和一块可移 动的质量块电极构成的实际上，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可移动 的质量块电极传输重力加速度时，质量块电极就会 沿轴的方向上下运动这种运动使得两个电极之间 *夏勇，男，1976年出生，工程师1998年毕业于江汉石油学院电子仪器及测量专业，现主要从事物探设备的管理工作 第23卷第4期 夏勇等：MEMS数字检波器技术特点及应用效果分析 217 表1 数字检波器与模拟检波器的主要性能技术指标对比 性能指标 模拟检波器 数字检波器 10、14、28、 自然频率(Hz) >1000 40、60、100 动态范围 60～70dB 120dB@4ms 灵敏度 0．3～O．6W(m·S一 ) O．408V／(m·S一 ) 假频(Hz) 250～35O >1000 谐波畸变(dB) 一62 —9O 频带宽度(Hz) 1O～250 0～800 相位畸变、 无相位畸变、 幅频特性 高／低频衰减 0~800Hz无衰减 振幅测定精度( ) 土3．5 士0．25 正交测定精度(。

) ±1．0 士0．25 稳定性 差 好 10 笛0 3 馨 】I馨 —20 —40 ……DSU3一 夏 f百熟璇翠 …‘●加速度域) l · 模拟检波器…一- _／ (速度域-) ／ f(H2) 图4 DSU3数字检波器与模拟检波器的幅频特性对比 3)模拟检波器的动态范围小，并且存在使用期 内失真和畸变的问题，影响了高保真性能目前模 拟检波器的畸变指标出厂要求也仅为O．2％，这说明 其动态范围仅为54dB，且超级检波器的动态范围也 仅为62dB； 4)模拟检波器在使用期内存圈被磁化、疲 劳等问题； 5)模拟检波器的物理性能受加工精度的影响 大，造成不同检波器之间的振幅、频率和相位的响应 的差异，降低了地震道之间的一致性，导致勘探精度 的降低 (2)数字检波器 1)数字检波器具有极佳的线性幅频特性，在0 ~800Hz范围内，输出相位为零相位，对低频没有衰 减压制作用，因此能够记录下低频的反射信息，在一 定意义上保护了低频信号； 2)数字检波器的高频端可以达到800Hz，并保 持线性输出，已经远远大于地震反射的有效频带，因 此可以记录下高频弱反射信号 2．2两种检波器的相位特性对比 图5是数字检波器与模拟检波器的相位特性对 比。

从图5可以看出：数字检波器在0～800Hz范 围内的相位响应是零相位；而模拟检波器存在由低 频到高频的相位畸变，表现为低频端大相位，高频端 小相位的特性模拟检波器的相位变化与它的动圈 式结构有很大关系 l帅 l5o ^ 、 100 趟 50 =模拟检波器：! f 、、 }直然援塞 ====速度域)：：： 一_＼ ＼-- …·‘加速度域-) Hz) 图5 数字检波器与模拟检波器的相位特性对比 正是由于数字检波器优异的幅频特性和相位响 应特性，使得数字检波器特别适合于高分辨率和高 精度地震勘探 3数字检波器的应用效果 常规地震勘探利用多个检波器以不同形式的组 合方式接收地震波，输出信号是对参与组合的检波 器的输出电压信号的不同权值的叠加组合方式不 同，组合内检波器叠加的权值也不同，由此达到提高 地震信号信噪比、保持耦合和提高灵敏度的目的 众所周知，检波器组合检波存在不可克服的缺点，这 也是必须发展新型检波方法的根本原因 3．1 两种检波器组合检波与点接收对E匕 (1)模拟检波器的主要缺点 1)由于假频的影响，组合检波造成信号和噪音 的叠加，即混波效应； 2)组合方式不同造成不同的炮一检方位滤波效果； 3)受组内时差的影响，高频信号受到损失(见 图6a)。

(2)组合检波与点接收对比 图6a、图6b、图6c、图6d分别为组合检波与点 接收性能对比、组合检波与点接收单炮对比、组合检 波器与点接收F／K谱对比和组合检波与点接收频 谱对比 1)对比图6a～图6d可以看出：模拟检波器组 合对地滚波的衰减以及假频化地滚波；而数字检波 器更为有效地对地滚波进行加强，无假频地滚波； 2)图6d不但更为清楚的反映出图6b、图6c的 结论，更可以清楚地看出数字点接收方式可获得更 多的高频成份，并且对高频弱反射信号有很好的保 22O 物 探 装 备 图11新、老两种方法频谱对比 4结束语 (1)数字检波器的频带宽，表现在低频和高频 两个方面； (2)数字检波器的动态范围较大； (3)单炮记录方面，单只数字检波器在扫描频 率方面与模拟检波器单串组合相比有一定的差异， 主要表现为数字检波器记录信噪比低于模拟检波器 记录这是由于模拟检波器串组合效果压制了环境 噪音，提高了信噪比，因此并不代表模拟检波器记录 优于数字检波器记录建议衡量对比数字检波器与 模拟检波器的优劣时，应以地震剖面为标准； (4)由于数字检波器以单点接收，具有宽进宽 出的特性，对信号和噪音无损记录，原始记录信噪比 低。

数字检波器单点接收结合高密度空间采样，才 能有利于提高对地质目标的分辨率 参考 文 献 1 梁运基．陆上高分辨率地震勘探检波器性能及参数选择 分析．石油物探，2005，44(6) 2朱铉．数字地震仪的发展历史及展望．地球物理学进展， 2002，17(2) 3徐锦玺．检波器尾锥结构对地震采集信号的影响．石油地 球物理勘探，1999，34(2) 4周滨，刘永霞，刘俊杰．渤海浅水海底电缆水陆检合并实 例及分析．SPG／SEG国际地球物理会议论文集，2011年 5 Wang MeiSheng et a1．The application of DSU1 high density 3-D in coal field exploration．SEG2008，Lasvegas 6 Shi Song：Qun et a1．Seismic acquisition with digital point receivers and prestack reservoir characterization at Chi— na’s Sulige gas field．The Leading Edge，March 2009 收稿日期：2013—06—19 ·消息与简讯· 重庆2013物探装备技术研讨会圆满闭幕 以“追踪业界前沿动态、交流未来储备技术”为主旨的重庆2013物探装备技术研讨会于7月27日上午 8时，在风景秀丽、盛夏“火”都的重庆阳光酒店隆重开幕。

来自国内外著名物探装备的主流厂商与石油、石 化、煤炭、地质勘探单位的近200余名用户与厂商代表出席了“重庆2013物探装备技术研讨会”今年物探 装备技术研讨会的主题是：面向“低、深、海、非”(即面向“低品质矿、大深度、海洋与非常规油气资源”)的物 探装备技术中国石油学会物探装备分会主任委员李国旗先生出席并致开幕词他说：近年来，国际能源 格局在发生着悄然无息的变化，国际市场的石油价格不再象脱缰的野马一样难以驾驭，而是逐渐安定下来， 特别是受北美页岩气规模化工业开发与成功商业运作的影响，非常规能源已经登堂入室，开采价格与天然气 几乎相当，这对平衡国际石油价格发挥了重要的作用……回顾以往的专题研讨内容，从大道数地震数据采 集、高密度地震勘探技术、宽频海量地震勘探技术以及今天的面向“低、深、海、非”的物探技术，每个技术交流 的命题都与当今地球物理技术的发展密切相关，每次技术讨论后对国内相关行业和技术领域都有较大的触 动，也为各地球物理公司提供了选择“攻艰啃硬”工程利器的参考依据，更是石油公司增储上产坚实的基础保 障通过这样的技术交流，为进一步推动国内地球物理技术的快速发展做出了应有的贡献，也得到了业界普 遍的认可与关注，这也是装备。