（精密仪器及机械专业论文）光栅谐振子检测地震波的理论和方法研究.pdf

中文摘要地震勘探工作中，地震勘探仪器通过地震检波器接收地震波信号。地震检波器的性能好坏，直接影响着地震记录质量和地震资料的解释工作。本课题在深入地分析与研究地震波特性和现有地震波检测方法的基础上，以光栅谐振子作敏感元件，完成了光栅谐振子检测地震波的理论研究、方法研究和检测装置的设计与实验研究。主要包括：1 设计了光栅谐振子检测地震波装置。主要包括结构设计、光栅谐振子设计、光学系统设计、阻尼系统设计等。外壳采用轻质铝合金材料，光栅谐振子的“弹簧一质量系统”由主光栅、横向限振片和阻尼筒组成。光栅谐振子采用铝制光栅支架固定主光栅，通过具有横向限振功能的弹簧片与外壳连接，拾取被测地震波信号。光学系统由源系统、指示光栅和光电接收元件组成。光学系统采用自光灯加准直镜，以平行光照射光栅面，通过光栅副产生莫尔条纹。2 对阻尼系统进行了深入地研究。采用涡流阻尼原理，将阻尼筒与谐振子光栅支架进行一体化设计，磁钢则固定于与外壳相连的阻尼调节机构上，根据需要可准确调整阻尼比大小，实现了弹性系统阻尼的连续可调。3 研究了基于光栅倍增技术的提高系统灵敏度方法。采用不同参数的主光栅和指示光栅组成谐振子，指示光栅采用闪耀光栅以提高莫尔条纹的对比度，主光栅为振幅型粗光栅。4 实现了光栅振动检测系统构成与信号再现，将光栅传感器、硬件辨向与细分电路、p i c 单片机细分单元和计算机相结合，构成了测试系统，利用软件实现被测振动信号的再现，并完成了对光栅测振系统的性能分析。5 对光栅谐振子检测地震波装置进行了实验研究。光栅地震检波器性能测试系统是保证检波器性能分析的必要手段，本文设计了光栅数字地震检波器静态和动态特性测试系统，对光栅谐振子检测地震波装置进行了性能测试与分析。为了验证该检测装置能够真实再现地震波信号，本文完成了被测信号重构系统及与现有地震采集站的衔接技术。本研究成果可用于石油、矿藏、地热、工程和水文地质等地震勘探领域。特别是应用于高精度、高分辨力地球物理勘探。关键词：光栅谐振子；地震波；莫尔条纹；数据重构；a b s t r a c ti ns e i s m i cp r o s p e c t i n g ，s e i s m o g r a p hr e c e i v e sg e o l o g i c a li n f o m l a t i o nc a r r i e db ys e i s m i cw a v e st h l 0 u 曲g e o p h o n e 1 h eq u a l i 够o fs e i s m i cd a 协r e c o r d sa n dp r e c i s l o no tg e 0 1 0 9 i c a lt a r g e ti n t 唧r e t a t i o na r ed i r e c t l yd e p e n d e n to nt h ec h a r a c t e n s t l c s0 tg e o p h o n e b a s e do n 锄a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e i s m i cw a v ea n dc u r r e n ts e i s m i cw a v ed e t i 。c t c dm e t h o d mm o r ed e t a i l ，a d o p t i n ga 伊砒i n gv i b r a t o ra ss e n s o re l e m e n t ，n l et o p i ch a sc o 唧l e t e dt h e 劬d 锄e n t a lr e s e a r c ho ns e i s 删c 啪v ed e t e c t i o na n dt h em e t h o dw i t l lg r a t i n gv i b r a t o rt 0i i e t e 瓯a sw e l la sd e s l g n m gad e v l c e蛐dt h ee x p e r 疏e n t a ls t u d yo ft 1 1 ed e t e c t o r i tm a i n l yc o n 协i n s ：1 ad e v i c eo nd e t e c t i n gs e i s m i c 、a v eb yg r a t i n gv i b r a t o ri s ( 1 e s i g n e d 1 tm a i n l yi n c l u d e s ：1 ) as t m c t u r ec a s 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h a n c ec o n 衄s to fm em o 硅衔n g e ，t h cm a mg r a t l n gi sa m p i i t u d ew i t ht h i c kg r a t i n g 4 t h ec o n s t i t u t i o no fg r a t i n gv i b r a t i o nd e t e c t i o ns y s t 锄a n d 廿l es l g n a lr e c o v e 巧1i sr e a l i z e d t h et e s ts ys j c e mi sc o n s t i t u _ t e dc o m b i n i n gt h eg r a t i n gs e n s o r ，t h eh a r d w a r ed i f f e r e n t i a t i o n ，t h es e g m e n t a t i o nc i r c u i t ，t h ep i cm i c r o c o n t r o l l e rs u b d i v i d e du n i t 锄dt h ec o m p u t e r u s i n gt h es o f t w a r et or e a l 讫et h er e c o v e 巧o ft h em e a s u r e dv i b r a t i o ns i g n a i ，a n dc o m p l e t e dp e m n n a n c e 锄a i y s i so ft h eg r a t i n gv i b r a t i o ns y s t e m 5 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ed e v i c eo fg r a t i n gv i b 随t o rd e t e c t i o ns e i s m i cw a v ei si m p l e m e n t e d t h ep e 响m a n c et e s ts y s t e mo ft h eg r a t i n gg e o p h o n ei st h ee s s e n t i a lm e 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】。本课题研究成果形成的光栅谐振子检测地震波装置，是一种应用在接收记录地震波环节中的光栅地震检波器。地震勘探仪是通过地震检波器来拾取信号的，而地震检波器是一种将地震波的反射或折射信号转换为电信号的精密的机械、电子组合装置，或者说是将机械能转化为电能的能量转换装置，是应用于地球物理勘探及工程测量领域的专用传感器，它的性能好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解释工作【2 】。目前，地震激发与观测方式的发展，使地震勘探技术有了长足的进步，地震记录仪的性能也有了大幅度的提高，其等效输入噪声已达到微伏级，动态范围已达到1 2 0 d b 【3 】但是用于接收地震波信号的检波器技术进展缓慢，已成为制约地震勘探事业向前发展的瓶颈1 4 j 。在油气资源的勘探活动中，为了查清地下沉积环境和构造形态，地球物理勘探过程中激发的信号都包括了较大的相对频宽，而大地作为一个低通滤波器对高频信号的衰减比较强【5 】，使得非常重要的高频反射、折射信息非常的弱【67 】。这就要求地震检波器具有高分辨能力、高信噪比、高保真度、高精确度和高可信度等特点1 8 】，即：对地震数据采集的动态范围与信号的保真性的要求越来越高，也促进采集装备技术的不断进步【9 1 。光栅器件经过几十年的发展，制作工艺技术有了很大的进步，光栅一经问世，即以其高精度特点，频繁应用于直径、缝隙、位移的测量中。应用技术己相当成熟，比较适应于对地震波检测的精度高、动态范围大、频带宽、分辨率高要求【l0 1 ，因此，利用光栅作为敏感元件检测地震波可以达到高分辨率地震勘探的目的【1 1 】。利用本项目的研究成果制造的传感器，具有动态范围宽、抗电磁干扰、信号频带宽等优点，满足高精度、高分辨率地震勘探的需要。天津大学博士学位论文1 2 地震勘探方法概述地震勘探是地球物理勘探的一种方法。每一种物探方法都是以研究岩石的某一种物性为基础的，地震勘探所依据的是岩石的弹性【1 2 1 。地震勘勘采用人工的办法( 用炸药或其它能源) 激发弹性波，沿测线的不同位置用地震勘探仪器检测大地的振动，通常把数据以数字形式记录信息；并以易于进行地质解释的形式显示其结果i l 引。由于地震波在介质中传播时，其路径、振动强度和波形随所通过介质的弹性性质及几何形态的不同而变化，如果掌握了这些变化规律，根据接收到的波的旅行时间和速度资料，可推断波的传播路径介质的结构，而根据波的振幅、频率及地层速度等参数，则有可能推断岩石的性质，从而达到勘探的目的【1 4 1 5 1 。波实质上是弹性振动在弹性介质中的传播过程，地震波也是一种波动。地震勘探中，在震源瞬间激发产生的冲击力作用下，岩石质点产生弹性振动并在地下岩层中由近及远传播，形成地震波。地下岩层一般是成层分布的，尤其是沉积岩，在沉积过程中往往形成层状结构。上下不同岩层，由于沉积时代不同，岩石的密度不同，以及岩石孔隙内含有的流体( 油、气、水) 不同等等，使岩层与岩层之间就有着不同性质的界面存在【l 引。人们对地震波的基本特征加以研究和判别就可以了解不同深度地层的属性、构造的形态等，从而初步判断是否具备生油、储油条件，最后提供钻采的井位i l s 】。地震波的传播路径所遵循的规律与几何光学极其相似。波在传播过程中，当遇到弹性分界面时，将产生反射和折射；接收其中不同的波，就构成不同的地震勘探方法。即：地震勘探方法分三种，反射波法、折射波法和透过波法，本课题研究的地震波检测方法适用于反射波法【l9 1 。反射波法是在离震源较近的若干测点上，测定地震波从震源到不同弹性的地层分界面上反射后回到地面的旅行时间，当地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的，因此，在测线的不同位置上反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。一般单次激发可以得到六千多米深以内的反射，所以在大多数地区能够测定整个沉积剖面的地质构造，特别是圈定与石油和天然气储藏有关的背斜、断层、礁块等构造。在理想的条件下能够以几米的精度测定构造的起伏，根据速度、频率和吸收特性，也可用来判别岩性1 2 。国内外油气田的发现均证实地震勘探是查明地下构造的一种最有效的方法，多年来，西方国家在物探方面的投资，9 0 是用于地震勘探，在我国自发现大庆油田以来，9 5 的油气田都是由地震勘探提供构造，之后才发现油气田的。世界上，墨西哥湾油田、中东油田、里海油田、北海油田等许多大中型油气田的发现2第一章绪论也与地震勘探紧密相连【2 l 】。1 3 地震波的检测方法概述并不是所有的传感器都适用于地震波信号的拾取，油气勘探技术对地震检波器拾取的地震信号是有一定要求的【2 2 1 。首先，油气勘探技术要求地震检波器能够检测具有位移、速度和加速度特征的地震反射折射信号；其次，地震检波器要具有一定的灵敏度和尽可能大的动态范围；再次，由于油气勘探过程中对这类检波器使用量较大，因此，还要求检波器本身应该具有一定的经济性( 属于低值易耗品范畴) ；最后，由于这类检波器通常还要进行必要的组合，以压制面波提高信噪比，因此，检波器的参数离散性还要满足一定的技术要求。下面就目前所使用及正在研究的几种地震检波器进行简单的阐述。1 3 1 传统的磁电式传统地震检波器绝大多数是机械动圈式【2 3 1 ，根据法拉第定律，长度为l 的线圈相对磁场运动时，在线圈上感生电动势的大小为：u = 脱1 ，( 1 1 )式中：u 一线圈两端的感生电动势；b 一磁感应强度；y 一线圈运动速度；动圈式检波器的工作磁场分布在磁靴与外壳间的环形空间中的气隙磁场，磁靴一般用导磁材料制作，其形状用来控制邻近气隙中磁通的分布。对气隙磁通的要求是：时效变化小；必须有足够大的磁通产生；在线圈行程内，磁场分布要均匀。为此，许多检波器生产厂家先后研究了新的永磁材料，选用矫顽力大、剩磁高的磁性材料和采用新的结构设计，以期获得更宽的线性磁场范围，以降低检波器的失真度。传统的永磁材料多为铝镍钻( 彳刀啊c r d ) 合金，而在近期投入市场的超级检波器研制上，为了降低检波器输出的畸变，已经广泛应用了钕铁硼、钐钴和铁钴合金等新一代稀土材料【2 4 】。动圈式检波器的主要技术缺陷：磁场的非均匀性对检波器的输出影响太大；天津大学博士学位论文对气隙装配与加工保证要求较高；灵敏度的非线性问题；装配精度的提高同时影响检波器埋置倾角。正是因为有这些先天性技术缺陷，尽管许多厂家为此尽了最大的努力，但是与未来油气勘探技术对地震检波器动态范围的要求还是有差距，并且随着勘探技术要求的提高，这种差距成为难以逾越的障碍。1 3 2 海洋用压电式压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的，它是一种发电式传感器【2 5 1 。为了使压电元件能够正常工作，它的负载电阻应有极高的值，与压电元件配套的检测电路放大器有两个主要作用：放大压电元件的微弱信号；阻抗变换，将高输入阻抗变为低输出阻抗。通常前置放大有二种形式：电压放大器；电荷放大器。( a ) 对于电压放大器，压电元件的输出特性为：u 。：f 害兰( 1 - 2 )1 + 国2 r 2 ( c ：+ c c + c f )矿q 心= 要一铷c t a 【n 烈e + e + e ) 足+ ( 1 3 )当哼时，则放大器输入遄煎蝠值为：u i m ( 嘞：c 口+ e + c( 1 - 4 )此时传感器的灵敏度可以表述为：啦嘶叫佤。焘a 巧)其中：西厂压电系数；厶一压电材料受到的作用力；口一角频率；肛电压元件的等效阻抗( 尺= 见置) ；只厂压电元件的绝缘阻抗；厨_ - 葑放的输入阻抗；c 卜压电元件的等效电容：c 卜连接电缆电容；c f 一等效输入电容。4第一章绪论若增大放大器的输入电阻r i 值，可提高检波器的灵敏度。但要把忌提高到1 0 9 q 以上也是非常困难的；另外，提高压电元件的绝缘电阻如也是很难的，乜仅取决于压电材料。从振幅特性可以看出，压电传感器的高频响应是比较理想的，但是地震信号的检测多集中于1 0 0 h 匕以内，因此这对于检测地震信号没有特殊意义，反而会带来低频失真问题。压电传感器信号的灵敏度在采用电压前放时还受测量电缆电容g 的影响【2 6 】o( b ) 对于电荷放大器，其放大器输出特性为：c -图卜l 电荷放大器电路原理图a ) 基本电路图b ) 等效电路图u 。：一二型望一( 1 6 )。【g 口+ g f + ( 1 + 彳) 唏】+ - ，d e + e + c + ( 1 + 么) o 】其中：a 一放大器增益；q 一输入电荷；g 广反馈电路电导；g 广压电元件等效电导；g 广- 前放等效输入电导；c 广反馈回路电容；r 广反馈回路阻抗。当a 足够大时，则振幅输出特性为：u 。= 一i 否了；一器。7 )。( g ，+ 口c f ) ( 1 + 彳)g f + 国c _( 1 7 )幅值为：虬2 巅( 1 8 )检波器的输出电压不仅与表面电荷q 有关，而且与c f 、r f 和参数有关，与放大器开环增益无关。信号频率越低，则g f 项越重要，当g f = c f 时：玑2 最( 1 9 )天津大学博士学位论文这是截止频率点的输出电压，3 d b 时对应的低频截止频率为：斤= lj 2 花f r f低频时，输出电压u o 与电荷q 之间的相位关系为：舻尝) - 1 8 0 0 + 蝴毫)“- 1 0 )与电压放大器相比，由于不涉及测量电缆的分布电容的影响，以及具有较低的低频截止频率( 是电压放大器的l a 倍) ，比电压放大器更具有优势。但是压电式传感器的主要技术缺陷：无静态输出：阻抗高，需要低电容的低噪声电缆；电荷放大器尽管比电压放大器有技术优势，但是价格较高，重要的是电路复杂，调整能够满足大动态响应是非常困难的。1 3 3 半导体材料式利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片：另外一种是在半导体材料的基础上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压组传感器【27 1 。压阻传感器的重要技术缺陷是半导体材料对温度过于敏感，因此，其温度误差较大，设计中必须采用温度补偿结构；另外其压阻系数与温度系数成正比，因此，一般也不采用高掺杂的方式降低温度系数，提高压阻系数。为了补偿温度变化，压阻式传感器一般扩散四个电阻，并接入电桥。当四个扩散电阻的阻值相等或相差不大，温度系数也一样时，则电桥的零漂和灵敏度漂移就会很小，但工艺上较难实现。压阻传感器的优缺点：灵敏系数大，可测微小应变；尺寸小，横向效应与机械滞后也小；温度稳定性差；测量较大应变时，非线性严重；灵敏系数随拉伸或压缩而变，离散性较大。美国i o 公司研发的v e c t o r s e i s 数字检波器就是基于半导体材料的检波器。在原有集成工艺如：氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝的基础上，更采用了微电子机械系统( m e m s ) 加工技术【2 引，其中质量体的悬挂系统则直接采用在单晶硅上通过m e m s 加工形成微米级弹性膜。v e c t o r s e i s 数字检波器的核心部分的结构如图1 2 所示。图中的上、下部分为端盖，左右为框架，中间部分为质量体。6第一章绪论从i o 公司公开的技术演示中推断该检波器采用电容式，工作中通过检测二边电容量的变化调整加电大小，使质量体平衡，而加电的大小则反映了振动大小，因此这是一个具有负反馈特征的计策过程。l 。3 4 光纤式图卜2v e c t o r s e i s 数字检波器的核心与传统传感器相比，光纤传感器具有以下特点：灵敏度高；是无源器件，对被测对象不产生影响；光纤是电介质，耐高压、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠；频带宽、动态大；几何形状具有多方面的适应性；与光纤遥测技术配合，可以实现远距离测量与控制；传感器体积小、重量轻。1 3 4 1 利用弯曲损耗的光纤压力、振动传感器【2 9 3 1 】这是利用压力或振动使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度构成的强度型光纤压力( 或振动) 传感器。通常这样的系统工作方式为：由光源( 激光) 经过扩柬镜聚焦后注入多膜光纤。光纤包层中的非导引膜由脱模器( 一般涂有黑漆的光纤，长度数厘米) 去掉，然后进入变形器( 一般为5 个周期，节距3 n l l l l ) 。当变形器受外界压力作用时，光纤的微变导致光纤传输能量的变化，通过光探测器检测其变化。这一系统能够检测的最小位移为o 8 l ( 1l = 1 0 。1 0 m ) ，频率响应范围为2 0 1 l o oh z ，线性度为l 。1 3 4 2 多普勒光纤速度传感器( l d v ) 【3 2 。3 4 17天津大学博士学位论文多普勒效应的数学表达式为：z = # 专兀( 1 + 詈)( 1 - l1 )l 一二-。频差为：鲈= z 一 ：五兰= ：军c氐九( 1 1 2 )其中：y 一波源运动的速度；兀入射光的频率；九一介质中的波长；刀一介质的折射率。波源与接收器固定不动，运动物体与波接触而引起反射波时，反射波中也存在多普勒效应。此时，频率的变化量是波源或接收器单独运动时的二倍，即：坐( 1 1 3 )7五通过对频差的检测，计算波源或反射波的运动速度。1 3 4 3 光纤加速度传感器【3 5 3 8 】光纤加速度传感器利用光纤测出距离的变化，而光纤既起位移检测作用，同时还起弹性体作用。采用的原理主要有：1 ) 马赫曾特尔干涉原理：在马赫曾特尔光纤干涉仪的传感臂上连接一块质量为m 的物体，质量体的位移使光纤产生伸缩，这种变化将以光的传输时间变化，即相位变化的形式表现出来，设光纤长度三的变化量业可用光纤受的力和相应的应力表示，即：丝：竺l( 1 1 4 )一= 一l - _ j三e 万( 马2式中：e 一光纤的杨式模量；d 一为光纤的直径；朋一为重物质量；口一加速度；传输光的时间延迟为：其相位变化为：址：址三施= 碰= 等碰( 1 1 5 )( 1 1 6 )第一章绪论式中：k 一为波数；n 一为光纤折射率；将( 1 一1 4 ) 代入( 1 - 1 6 ) ，则有：= 等( 1 - 1 7 )设光纤的有关常数为：n = 1 5 ；e = 7 3 1 0 1 0n m 2 ；d 一8 0 岬；护o 6 3 3 岬，则：竺：4 1 0 5 历r a d( 1 1 8 )口如果l = 1 6c m ，m = 0 4g ，千涉仪能检测的相位变化：= 1 0 。6r a d口：牟：o 3 9 1 0 “聊s 2( 1 1 9 )4 l o 。厶啪这一结构的理论与实测值的对比结果表明：2 0 0h z 以内数据吻合较好，假频可以达到4 0 0h z 。2 ) 迈克尔逊干涉原理：迈克尔逊干涉仪采用双光纤组成加速度计，与马赫曾特尔光纤干涉仪相比，它是单光纤相移的二倍，即：= 等( 1 - 2 0 )l 凸口而加速度检测值：口：垒尘型：( 1 2 1 )口= 一ll z l ，1 6 三历砼从目前光纤传感器技术的发展来看，光纤传感器技术也是未来地震检波器有可能采用的主要技术之一。1 4 国内外本领域技术现状二十世纪六十年代以来，随着光栅刻制技术和电子技术的发展，莫尔条纹细分技术的不断完善，以及计算机及数字系统的发展，光栅检测技术逐渐成熟，应用领域日趋广泛，如仪器仪表，位移变送器、齿轮测试和误差补偿、振动测量、压力测量和泡沫箱粒子径迹测量、星球照相、天文望远镜和射电望远镜的自动控制、x 射线衍射样品取向控制等高科技领域中【3 9 5 1 1 。具体而言，其应用范围分为以下几个领域：长度与角度的精密测量；位移量同步比较测量；数控机床领域；9天津大学博士学位论文振动、应力、应变测量领域；基于莫尔条纹拓扑技术的三维测量领域。光栅检测是利用光栅作为位移传感器，通过对莫尔条纹计数来实现的，光栅检测技术是传感器由模拟化到数字化的一个重要发展。有关资料表明，国外在各种位置检测中计量光栅应用最多，约占全部产品的8 0 以上【5 2 1 。光栅之所以能以其独特的优势在位移检测技术中起着重要的作用，是与它的优点是分不开的，具体而言，它有着以下特点【5 玉5 4 】：高精度：由于光栅刻划技术以及电子细分技术的进步，特别是莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用，因此目前一般认为光栅式测量装置在大量程测长方面的精度仅低于激光式测量的一种高精度测量装置；兼有高分辨率和大量程两特性：这也是测量装置中一个非常难得的突出特点；可实现动态测量、自动测量以及数字显示；具有较高的抗干扰能力，对环境的要求低于激光干涉测量方法，在环境较为恶劣的工业现场其稳定性优于电感式传感器；具有较高的测量速度；获得高精度的光栅尺价格昂贵，因而其成本要比感应同步器式、磁栅式测量装置高。此外，制造量程大于l m 的光栅尺尚有难度。目前，在光栅检测领域，比较活跃的研究方向主要有如下几个方面：1 光栅纳米测量技术研究：将光栅技术应用于纳米和亚纳米量级的物理量测量，主要进行细分和误差分析等方面的研究。例如，天津大学精密仪器与光电子工程学院、合肥工业大学仪器仪表学院、北京标普纳米测控技术有限公司等在纳米测量技术领域取得了一定的成果【5 引。2 莫尔条纹细分技术研究：由于光栅计量技术主要包括光栅刻制技术和莫尔条纹细分技术两部分，要实现高精度高分辨率的测量，必须从两方面入手，因此莫尔条纹细分技术是不可忽视的。目前在这一方面的国内外研究人员很多，取得的成果也各有特色，浙江大学、重庆大学研究出新型的莫尔条纹时空脉冲细分技术，精度达到o 1 跚；广州信和光栅数显公司、广东韶关光栅测控研究所、西安交通大学、清华大学、合肥工业大学等科研单位也正致力于微机细分技术的研究【5 洲】。3 光栅检测动态信号技术与理论研究：主要是对振动信号的振幅、速度、加速度、频率等信息进行检测。光栅传感器具有抗干扰、精度和灵敏度高、响应速度快、可进行非接触测量等特点，将光栅检测技术应用于动态信号的检测是光栅检测技术发展的一个趋判6 5 】。l o第一章绪论就地球物理勘探方法而言包括地震勘探、重力勘探、磁力勘探、电法勘探等。在9 0 年代前，油气勘探活动中普遍使用的是动圈( 电磁) 型检波器，具有代表性的产品如：美国g e o s p a c e 公司生产2 0 d x 系列，国内厂家生产的s j 系列等，这些检波器的动态范围一般为4 0 6 0 d b 【矧。在8 0 年代后期，为了补偿大地对激发的地震信号的衰减【d 7 6 8 】，国内也引进了日本o y o 公司生产的加速度型的涡流( 电磁) 检波器，但是，由于涡流检波器的灵敏度与常规动圈检波器相比相差太大，对接收的地震信号的信噪比影响较大，而逐渐退出市场恻j 。为了满足高分辨率地震勘探的要求，国外检波器生产厂家曾推出“超级”( 电磁) 检波器。如：荷兰的s e n s o r 公司在1 9 9 3 年推出了超级检波器s m 2 4 ，随后美国的m a r k 公司推出了u m 2 【7 0 】、日本的o y o 公司推出了g s 3 2 c t 。与常规检波器相比，超级检波器的参数综合技术指标提高了几乎一倍，特别是美国m a r k 公司标称其u m 2 检波器的畸变达到了0 0 5 ，这一阶段的检波器动态范围可以达到7 l d b l 7 1 j 。目前地震数据采集系统的动态范围已经达到1 2 0 d b ，因此无论常规还是超级检波器都远远落后于高分辨率或高精度地震勘探的要求。从9 0 年代后期，为了满足未来高精度油气勘探的要求，各生产厂家先后投入巨资研究开发新一代数字型地震检波器。目前美国i o 公司新研发的数字检波器v e c t o r s e i s 的动态范围已经达到了9 0 d b 【7 2 】，由于存在一些技术问题，至今未能实现工程化。近几年，我国石油物探局和天津大学合作开发的全光纤加速度地震检波器【| 7 3 1 ，同样存在着难以解决的技术问题，在短时间内也无法投入生产。综观现有地震检波器，发现存在着以下一些问趔7 4 】：( 1 ) 频带窄；( 2 ) 动态范围小；( 3 ) 精度和分辨率较低等。目前，常用的振动测量传感器或测量方法主要有：速度型传感器、加速度型传感器、位移型传感器。从传感器工作机理分，测振传感器又可分为电磁型、压电型、光电型等7 5 8 2 1 。其中电磁型和压电型传感器的研究和应用已经比较成熟，而光电型测振传感器的研究，由于其独特的优点，近年来发展比较迅速，而且已经取得了较大发展。光电振动传感器具有灵敏度高、响应速度快、可进行非接触测量等优点，在振动测量领域占有重要地位。近年来，随着半导体、光电子和计算机技术的迅猛发展以及光学器件的完善，传统的振动测量技术得以不断改进，而新原理的振动传感技术也不断涌现【8 3 。黔j 。天津大学博士学位论文1 5 地震波检测方法的技术发展趋势1 5 1 光栅检波器光栅技术应用于地震检波器还只是一种尝试，目前初步解决了理论上的些问题和实际系统构成验证，该项目得到了天津市教委科技发展基金资助。光栅技术在地震检波器领域如何发展还有待于进一步研究，但是有几点是可以肯定的：计量光栅技术在信号测量方面的优势是十分明显的；光信号本身具备了较强的抗电磁干扰能力；计量光栅本身的局部消差作用有利于传感器低成本、大批量制造。目前商业性光栅尺可以达到2 0 0 线m m ，并且价格完全可以接受，如果采用8 0 1 0 0 电子细分技术。最大检测行程士2 m m ，则理论动态范围可以达到9 8 d b 。已经成熟的电子细分技术可以达到1 0 0 以上，而物理光栅更可以达到2 0 0 0 线m m ，只是价格比较昂贵，因此，若选用2 5 0 线m m 光栅、1 0 0 倍电子细分，则理论极限动态范围可达到1 5 4 d b 。1 5 2 光纤检波器目前真正将光纤传感技术应用到地震勘探的信号检测上还不多见，光纤传感器应用在长距离工程应力测量还是非常成熟的。从光纤传感技术本身来看，这也是很有前景的发展方向，国内外有许多专家还一直致力于这方面的研究工作，但是，从目前来看首先要解决的还是光电转换环节的动态问题。光纤传感器的最大技术优势在于光纤本身还可以构成弹性振子，在三维检测方面具有独特的优势。1 5 3 姬m s 检波器从目前来看，基于m e m s 的检波器是最成熟的数字检波器，尽管v e c t o r s e i s数字检波器的成品率只有6 5 左右，但是能够达到这一水平也是费了多番周折的，非常不容易。得益于m e m s 技术，使得v e c t o r s e i s 数字检波器从一开始就具备了三分量信号检测能力，这也使得数字检波器在分辨检测信号的方向性上展示了其独特的技术优势。因此，采集数据的后处理压制干扰信号的手段得到施展，并取得了令人瞩目的效果。1 2第一章绪论v e c t o r s e i s 数字检波器的未来发展可能还会集中在继续提高动态范围、提高成品率、降低成本、无线传输( 蓝牙技术的应用) 或微化上。另外v e c t o r s e i s 数字单元本身也会移植到海上数据采集领域。1 5 4 技术与工艺l 生对比为了更好的完成本课题，深入了解当今地震勘探中，对地震波拾取所采用的方法是非常必要的。在技术与工艺性对比中，我们主要考虑将几种典型的技术用于实现对地震信号检测方面可能影响的因素见表1 1表1 1 基于几种不同原理地震检波器技术与工艺性对比表理论依据技术实现环境依据材料供应加工调试经济性性能动圈成熟一。，一好一。警肛m s成熟较好光纤成熟纛二麓。二幽0 ，_ 一般。叠光栅成熟较好激悲成熟，爱爱乏聂二不好蕊埔注：表示难度；表示优势1 5 5 本课题研究中应考虑的问题为了使研究成果尽快形成产业化，在课题研究的初期就应该探讨工程化过程中可能出现的问题，我们从以下几方面进行分析：( 1 ) 可实现性：主要考虑以中国目前的工业基础和技术水平实现新的检测手段或方法的可实现性，避免巨资投入与不可实现的风险。( 2 ) 无技术壁垒：调查该项技术在应用到地球物理勘探中，地震波信号检测领域的专利保护方面的情况。以避免引起知识产权的纠纷，开发具有自主知识产权的技术产品。( 3 ) 对原材料方面的要求：如果检测系统对一些原材料的要求过高，基于国家目前的工业基础和外部环境可能难以实现。( 4 ) 对加工环境、调试等方面的要求：往往一个研究成果后期大规模产业化遇到最大难题就是对加工环境、调试等方面的要求过高，工业化规模生产的环境与条件无法与实验室相比或要投入巨资才能达到。因此，对加工环境、调试等方面的要求应该事先就要表述出来。天津大学博士学位论文( 5 ) 如何解决参数离散性的控制问题，试验手段、质量控制等。未来地震检波器对参数的离散性控制极为严格，因此，在进行系统设计时就要考虑系统实现的过程中，对影响参数分布的主要因素进行必要的约束，降低系统对参数变化的敏感性。( 6 ) 试验手段与质量保证措施也是工程化过程中的重要因素，即要具备试验检测手段，又要考虑实现这些手段的技术可靠性与经济性。1 5 6 综合检测地震波方法得出结论根据上述分析可以得出以下结论：( 1 ) 传统的动圈式检波器的发展空间已经非常小。( 2 ) 光检波器因为具备灵敏度较高、频带宽、动态大、抗电磁干扰性能好、体积小等特点，在地震信号检测上具有较好的应用前景。( 3 ) 一些光纤传感器对信号的检测行程过小，或输出信号过小。因此，要求后续电子线路提供足够大的放大倍数，这样就对二次传感电子系统的动态范围提出的更高的要求，实际上是一种矛盾的转嫁，而没有解决问题。( 4 ) 实验方法制约着检波器的发展，如果没有一种试验方法与手段，开发大于9 0 d b 动态的检波器几乎是不可能的。因此，如何能够给出试验结果成为未来技术验证的关键，我们初步解决了9 0 d b 以内的检测问题，大于9 0 d b 动态的检测方法还在研究之中。( 5 ) 本课题研究的光栅检波器可能是未来一种光传感器在地震信号检测方面的应用方向，因为在目前的国家工业基础上，它可以满足工程化方面对工艺性的技术要求。与其它几种正在研制的比较先进的检波器相比，光栅传感器也具有较好的经济性。1 6 本课题研究的目的与主要工作本课题研究的目的是以光栅谐振子作敏感元件，完成了光栅谐振子检测振动的方法和理论研究。其成果主要应用于石油地震勘探领域，研制一种纯数字的光栅地震检波器，以达到高保真的拾取地震波信号的目的。基于上述研究目的，本课题的主要任务如下：( 1 ) 深入了解地震波的特性：包括传播特征及特征参数的提取。( 2 ) 明确油气勘探技术对地震检波器拾取地震信号的要求。1 4第一章绪论( 3 ) 对现有及在研的地震波检测新型方法的技术进行评估，做到有的放矢。( 4 ) 光栅谐振子检测地震波的理论研究和方法研究。( 5 ) 设计以光栅谐振子为敏感元件的地震波检测装置，设计中需要考虑系统的阻尼、灵敏度以及多检波器参数一致性等问题。( 6 ) 完成基于f p g a 的光栅地震检波信号实时分析系统设计，实现振动幅值的分析，重现