（物理电子学专业论文）三分量光弹波导光电集成加速度地震检波理论与实验研究.pdf

摘要 为提高石油天然气产量，石油地震勘探正朝着多波多分量的三维精细地震勘 探发展，以寻找储藏在浅层、薄层的油气。因此，检波器作为地震勘探中地震反 射波信号的拾取单元，必须满足三分量地震勘探对其频带、分量间串扰、灵敏度、 野外施工适应性等各项性能的要求。 本课题首次提出基于光弹效应的三分量混合集成加速度地震检波器，很好地 结合了光波导技术和三分量地震加速度检波技术，与其他三分量检波器相比有频 带更宽、分量间串扰低、灵敏度高的优点。同时由于光波导集成器件本身的特点， 所研制的三分量加速度检波器体积小、适合在强电磁场和高温高寒等恶劣环境下 稳定工作。论文的主要研究工作如下： 1 、首先建立三分量光弹波导混合集成加速度地震检波器动力学模型、微分运动 方程，系统分析并计算加速度检波器的幅频特性、相频特性、阶跃响应以及 其静态特性，为加速度检波器结构设计奠定振动力学理论基础。 2 、首次从单向力作用下晶体光弹效应出发，详细推导出在空间加速度作用下， l i n b 0 3 晶体的三维光弹效应，采用坐标变换法推导出：通过l i n b 0 3 晶体的光 相位变化与三分量加速度变化的对应关系，为加速度检波器结构设计奠定光 学理论基础。 3 、基于l i n b 0 3 晶体的光弹效应，详细分析计算三分量光弹波导加速度检波器的 极问耦合影响，结合对三分量检波器的振动力学和光学理论分析，最终确定 分量间串扰值为零的加速度检波器结构设计。 4 、对三分量光弹波导混合集成加速度地震检波器的m a c h z e h n d e r 光波导干涉仪 系统进行了系统研究和优化设计。从导波的射线理论出发，根据波导单模条件， 结合有效折射率法完成了单模波导的优化设计。结合有效折射率法，二维空间 有限差分光传播法和透明边界条件，对s 形反正弦波导构成的双y 分支波导光路 传输进行深入分析研究，对波导传输损耗进行了计算分析，在此基础上设计的 双马赫一曾德干涉仪具有良好的分光比和低损耗的优点。 5 、对波导干涉仪的制作工艺进行了详尽的理论和实验研究。通过大量的实验制 定出了切实可行的工艺流程，获得了有参考价值的工艺参数。成功研制分支波 导结构复杂、波导间隔小的干涉芯片并完成通光实验。 关键词：三分量，加速度检波器，光弹效应，波导，m z 干涉仪 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h eo i l a n dg a sr e s e r v e s ，p e o p l eu s e d3 - ds e i s m i ce x p l o r a t i o nt o f i n dt h eo i la n dg a ss t o r a g ei nt h es h a l l o wa n dt h i nl a y e r s t h em u l t i c o m p o n e n t s e i s m i ce x p l o r a t i o nr e q u i r e s3 - c o m p o n e n ts e i s m i cs i g n a l s ，w h i c ha r em e a s u r e db y 3 - c o m p o n e n tg e o p h o n ei na l le a r t h q u a k e 3 - c o m p o n e n tg e o p h o n ec a l lm e a s u r eb a c k a n df o r t hh o r i z o n t a lm o t i o n si nt w od i r e c t i o n s i ti sai m p o r t a n tt h i n gf o r3 - ds e i s m i c e x p l o r a t i o nt oc h o o s ea3 ：c o m p o n e n tg e o p h o n ew i t hs u i t a b l ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g n a t u r ef r e q u e n c y ；c r o s s - a x i ss e n s i t i v i t y ；o n a x i ss e n s i t i v i t ya n da p p l i c a b i l i t yf o rf i e l d e x p l o r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h r e e c o m p o n e n th y b r i d i n t e g r a t e do p t i c a la c c e l e r a t i o ns e i s m i c g e o p h o n eb a s e do np h o t o e l a s t i cw a v e g u i d ei si n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c h c o n t a i n st h ep h o t o e l a s t i ew a v e g u i d et e c h n o l o g ya n d3 - c o m p o n e n ts e i s m i cs i g n a l d e t e c t i o nt e c h n o l o g y c o m p a r e d w i t ho t h e r3 - c o m p o n e n t g e o p h o n e s ，t h i sa c c e l e r a t i o n g e o p h o n eh a sb r o a d - b a n df r e q u e n c y ；l o wc r o s s - a x i ss e n s i t i v i t y ；h i g ho n a x i s s e n s i t i v i t y i ti sa l s op o s s i b l et oo v e r c o m eo p t i c a la l i g n m e n t ，l o n g - t e r ms t a b l ea n d h a n d i n go f f i b e ri np a c k a g ep r o c e s sw h e no p t i c a lf i b e rs e n s o ri sm i n i m i z e da n dg o i n t om a s sp r o d u c t i o n t h er e s e a r c hw o r ko f t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yi n c l u d e sf o u r a s p e c t sa sf o l l o w s ： 1w em o d e lt h e t h r e e - c o m p o n e n th y b r i d i n t e g r a t e do p t i c a la c c e l e r a t i o ns e i s m i c g e o p h o n eb yt h es y s t e mc o n s i s t i n go fm a s s e s ；s p r i n ga n dd a m p e r s t h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o no fm o t i o nf o rt h es y s t e mi sf o u n d t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co f3 - c o m p o n e n th y b r i d i n t e g r a t e d o p t i c a l a c c e l e r a t i o ns e i s m i c g e o p h o n e ( s u c ha s ：f r e q u e n c yr e s p o n s e ；p h a s er e s p o n s e ；s t e pr e s p o n s ee r e ) a r e s t u d i e d ，w h i c ha r eb a s e so ft h ev i b r a t i o nt h e o r yf o rd e s i g nt h et h r e e - c o m p o n e n t h y b r i d i n t e g r a t e do p t i c a la c c e l e r a t i o ns e i s m i cg e o p h o n e 2b a s e do nt h eo n e d i m e n s i o n a lp h o t o e l a s i t c i t yw h e no n e d i m e n s i o n a ls t r e s si s a p p l i e do nl i n b 0 3c r y s t a l ，w ed e r i v et h e3 - d i m e n s i o n a lp h o t o e l a s i t c i t yw h e n 3 - d i m e n s i o n a ls t r e s si s a p p l i e do nl 1 2 q b 0 3c r y s t a l a p p l y i n gt h em e t h o do f c o o r d i n a t et r a n s f o r m ，w eo b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np h a s ec h a n g eo f l i g h ta n d 3 一c o m p o n e n ta c c e l e r a t i o na p p l i e do nl i n b 0 3c r y s t a l t h er e l a t i o ni st h et h e o r y b a s ef o r d e s i g n i n gt h et h r e e - c o m p o n e n th y b r i d i n t e g r a t e do p t i c a la c c e l e r a t i o n s e i s m i cg e o p h o n e 3a f t e ro b t a i n i n gt h e3 - d i m e n s i o n a lp h o t o e l a s i t c i t yo f l i n b 0 3c r y s t a l w ea n a l y s et h e l e v e lo f s e n s i t i v i t yt oo f f - a x i sa c c e l e r a t i o n sw h i c hi sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e rf o r 3 - a x i s a c c e l e r o m e t e r c o m b i n i n g w i t ht h em e c h a n i c a ll i b r a t i o n t h e o r y a n d p h o t o e l a s i t e i t yt h e o r y , w ed e s i g nt h e3 - c o m p o n e n th y b r i d i n t e g r a t e do p t i c a l a c c e l e r a t i o ns e i s m i cg e o p h o n ew h i c hc r o s s s e n s i t i v i t yi s0 41 1 1 em a c h z e h n d e r w a v e g u i d ei n t e r f e r o m e t e ro ft h e t h r e e c o m p o n e n t h y b r i d - i n t e g r a t e do p t i c a la c c e l e r a t i o ns e i s m i cg e o p h o n ei sr e s e a r c h e dd e t a i l e d l y n e o p t i m i z a t i o ns t r u c t u r ed e s i g no ft h ea c c e l e r o m e t e ri sa c c o m p l i s h e d b a s e do nt h e w a v e g u i d er a yt h e o r y ，t h ec o n d i t i o nf o rs i n g l e - m o d ew a v e g u i d ei sd e r i v e d ，a n d d e s i g no f s i n g l e m o d es t r i pw a v e g u i d ei sa c c o m p l i s h e dw i t l le f f e c t i v ei n d e xm e t h o d c o m b i n i n g 谢t l lt h ee f f e c t i v e i n d e xm e t h o d ，f d b p ma n dt b cm e t h o d t h e y - b r a n c h i n gw a v e g u i d ec o m p o s e do f r e f l e c t e ds - b e n di sr e s e a r c h e d n e 】讪t w a v e p r o p a g a t i o ni ny - b r a n c h i n gw a v e g u i d ei s s t u d i e da n dt h ef d b p mm e t h o d e m p l o y e dt os i m u l a t e n 圮m a e h - z e h n d e rw a v e g u i d ei n t e r f e r o m e t e rw ed e s i g n e d h a sg o o ds p l i t t i n gr a t i oa n dl o w - l o s s 5i no r d e rt om a k eag o o dm a c h - z e h n d e rw a v e g u i d ei n t e r f e r o m e t e r , l o t so f t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so n p r o c e s sc r a 矗o f w a v e g u i d ei n t e r f e r o m e t e r h a v e b e e nd o n e af e a s i b l ep r o c e s sf l o wi sm a d ea n dv a l u a b l et e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d 1 1 1 cm a c h z e h n d e rw a v e g u i d ei n t e r f e r o m e t e ri sf a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l ya n dt h eo p t i c a lm e a s u r e m e n ti se x e c u t e d k e yw o r d s ：t h r e e - c o m p o n e n t ，a e e e l e r o m e t e r ，p h o t o e l a s i t c i t ye f f e c t ，w a v e g u i d e ， m a c h - z e l a n d e ri n t e r f e r o m e t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舌彦- 啊乙 签字日期：阳巧年， 月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：每力秕导师签名：p 糸才年* 签字日期：跏亨年f 月r o 日签字日期：2 。t f 年1 7 - 月fc ，日 第一章绪论 第一章绪论 引言 石油是一个国家最重要的战略资源，作为石油工业中寻找油气藏的源头：石 油勘探则是行业的重中之重了。石油工业近半个世纪的勘探实践表明：地震勘探 是探明地下地质构造寻找油、气藏的一种行之有效的地球物理勘探方法。随着对 油气藏描述精度要求的进一步提高，地震勘探目前正朝着高精度的三维地震勘探 发展，这就要求有高精度、高性能的接受三维地震数据的传感器。本研究就是在 分析评述石油勘探领域相关关键技术发展的基础上，提出并设计了一种全新的三 分量加速度传感器，来满足高精度三维地震勘探的需要。 1 1地震勘探技术的发展及其对检波器的要求 1 1 1 地震勘探的基本原理 石油地震勘探利用声波寻找地下石油，在石油勘探过程中，存在两种基本类 型【1 】：反射法和折射法，反射法是利用岩层反射回来的声波，折射法利用沿岩层 界面滑行一段距离后，再返回地面的声波。折射法是地震勘探首先被普遍采用的 一种方法，但现在除几种特殊用途外，折射法已被反射法所取代。所以，我们就 反射法地震勘探原理进行简单介绍。 反射法地震勘探原理 勘探前，地球物理学专业人员首先对目的区块进行野外施工安排的地震设计 和测线布置的测线设计。包括震源的位置和测线排列形式。这种设计又叫分选技 术，常见的分选技术有如下三种形式【2 】： 捡进罂 1 一个共源地震剖面示意图2 一个共偏移距地震剖面示意图 震源一般 达几十万个大 检波嚣 震源 地质反射面 ( 永久变形区) ( 非线性区) 弹性区 ( 线性区) 间产生商 第章绪论 有关的电信号。这些信号通过电缆中各缆芯到达记录仪器，这样，每一检波器组 就给记录仪传送一个地震道的地震信息。各道的地震信息在记录仪里以地震剖面 的形式被记录下来，地震解释人员通过对地震剖面的分析，可以知道地下目的岩 层的形态，岩层的起伏，断裂等地质结构，然后决定油藏的位置和钻探的位置。 1 1 2 一，二维地震勘探技术的发展及局限 ，早期的地震勘探，是初放型的勘探，目的是为了寻找大而深的油藏，因此在 国内外大多进行的是一，二维地震勘探，地理学家只对s 波( 纵波) 信息感兴趣。 此时的检波器也都是垂向检波器装置，其设计思路是敏感s 波( 纵波) 尽量压制 p 波( 横波) 。单靠单只检波器本身来抑噪还是不够的。于是在一，二维地震勘 探实践中，逐渐发展出了多种检波器的组合方式来削弱噪音中( 即使在最新的三 维勘探中，这些技术仍被广泛采用) 。在组合检波中，垂直传播的地震波几乎同 时到达检波器组，而水平传播的地震波却以不同的时刻到达组内各检波器，以不 同的相位输入大线，彼此将部分地抵消【。为更好地消除噪音，a n s t e y 将检波器 和震源置于感兴趣地震带的层状介质项部【5 】 c l e a r b o u t 则将震源和检波器分开1 6 】， 都取得了好的勘探效果。e r g u t o w s k i 等人在综合了前人对一，二维地震勘探得 出的经验的基础上，提出了广义的一维勘探分析模型，可以计算任意震源和检波 器布置几何形态的法线如射地震记录 7 1 但是，由于随着人们对地质资料要求的进一步提高，二维勘探就体现出 了很多的局限性，主要有 8 1 ： 1 ) 二维勘探的地震测线覆盖面不够以及隐蔽断层显示不出或错误成象，使得不 可能准确和精细地解释正确的断层组合； 2 ) 二维地震勘探仅可提供简单的断层组合，而实际地壳的复杂性只能用三维地 震数据来理解； 一二维勘探无法精细描述复杂地质构造，特别是对储层薄，物性差，丰度低，规 模小的开发目标显得力不从心 1 1 3 三维地震勘探技术的发展及其对检波器的要求 1 ) 三维地震勘探技术的原理，目的及意义 正是由于一，二维地震勘探无法满足精细物探的要求，三维地震勘探技术应 运而生。简单地说：三分量地震勘探的原理是：根据波动理论，入射波在分界面 上除了反射和透射外，还发生波型转换的反射和透射。以p 波入射为例，在界面 上除了反射和透射p 波外，还转换出s 波的反射和透射。三分量地震勘探就是利用 p 波激发，用三分量数字检波器接收来自地下x ，y ，z 三个方向的地震波信息， 再通过对纵、横波地震资科的联合解释，不仅可以分析地下的地质构造，而且还 可以分析地下岩层的岩性、裂缝发育，并进行比较准确的储层和油气预测。 第一章绪论 三分量勘探技术对石油工业的最大贡献在于：它在寻找裂缝和薄层油气方面 取得的巨大突破。地球物理学家把地震薄层定义为层间距厚度小于地震波场中主 波长的1 4 ，许多的地震薄层垂向上仅跨过1 - 3 个样点，解释人员很容易错误地确 定在空间上与薄的目的层相一致的地震层次。然而利用三维勘探数据，能使地层 层面通过反射子波的任意相位点在横向上延伸，这就可以从三维数据体中提取单 个薄储层进行精确成像，绘制出薄层的储层图 最新的研究表明【9 1 ：低渗透性的，处于裂缝中的油气藏几乎是所有油气盆地 的共同特征。其油气产量可达整个油田油气产量的一半以上。这些裂缝带一般分 布很不规则，特别是对于s 波反应不敏感，传统的用于一，二维地震勘探只敏感s 波的检波器对于裂缝的检测就无能为力了。 2 ) 国内外三维地震勘探技术的发展 在当前石油储量和油价上升的双重压力下，世界各国均集中精力通过对成熟 油区，采用高分辨率的三维地震勘探，对油田内原来用一，二维勘探未发现的裂 缝，薄层油藏做更详细的描述和精确圈定，提高油田产量。许多油公司为获得更 高的开采率，在新发现油田的早期开发阶段就开始三分量地震勘探，以期获得三 维地震数据。高精度三维地震勘探技术在寻找隐藏油气和复杂地质目标方面作用 越来越大【l o 1 2 】 国外最早进行三维地震勘探的，是e x x 0 n 生产研究公司在休斯敦附近的 f r i e n d w o o d 油田进行的实验【1 3 1 。早期利用三维技术的油公司都取得了巨大的生 产收益，e x x o n 对进行过4 0 次共花去4 8 0 0 万美圆成本的3 d 地震测量进行了研究， 从中获得的3 d 地震投资回报率保持在2 6 的水平，s h e l l 在北海1 0 个油田所开展的 研究表明：3 d 地震勘探提高了勘探精度，使储量估算平均提高t 3 6 1 4 1 r o b e r t e 对用三维勘探数据分析结果进行钻井定位分析表明：钻井成功率接近5 0 。 p s l e c o p e t r o l 公司对哥伦比亚l ae i r a - i n f a n t a s 油田不但进行了1 1 0 公里的三维 勘探，还建立了该油田断裂理论模型【1 6 j 。最近国外对裂缝的三维探测也取得了新 进展，v i c t o rh 等在阿曼的n a t i h 油田采用9 分量三维地震勘探证明了横波地震勘 探的可行性，对该油田裂缝形成的断块获得了最大的开采率i l 国内于1 9 9 4 年首次在东北利用观测直立裂缝系的转换横波技术【1 8 9 1 ，成功地 采集了一块三维三分量地震资料【2 0 】，随后在川西南裂缝气藏( 1 9 9 6 年) 2 1 1 ，吉 林松辽盆地松南区块( 2 0 0 2 年) i 竭，大庆油田的太1 9 0 区块( 2 0 0 0 年) 2 3 】等地区 均进行了三维勘探实践。值得一提的是，胜利油田2 0 0 1 年在车西，田家等探区尝 试用加速度地震检波器进行了较为成功的三维地震勘探1 2 4 3 ) 三维地震勘探对检波器的要求 三维地震勘探对检波器的要求是：检波器能适时真实地接收来自地下x ，y ， 4 第一章绪论 z 三个方向的地震波信息。他包含两层含义： 1 ：对检波器设计而言，要求若用同一地震波分别沿x ，y ，z 方向激发检波器，三 分量检波器在三方向上应有相同的响应，及灵敏度相同。在三分量检波器设计过 程中，通常用正弦波激励来替代地震波。 在三分量检波器设计过程中，尽量减少三个分量之间存在着的串扰，串扰强 度大小直接影响地震三分量数据的信噪比，从而影响对地震资料的解释，油层的 描述。 2 ：对检波器的使用而言：要尽量减少三分量检波器与地面的耦合误差。这种误 差将导致检波器所记录的地震信号并不能真实反应地层震动。尽管 p c w u e n c c h e l 采用沃什伯恩一威利算法在一定程度上消除了耦合引起的畸变 1 2 5 1 ，但是由于震源特性信号带宽限制，无法将该算法用于高频勘探 1 2地震检波技术的发展 对于地震勘探而言，无论用何种技术方法设计的检波器，都应在所要求的地 震频带内提供高输出( 灵敏度) 、最小的畸变和最小的噪声。进而，在感兴趣的 频带内振幅响应曲线应是平滑的( 与频率无关) ，同时，相位也应该是线性的， 如果非线性相位畸变通过处理中的移相得到补偿，那么线性相位的要求就不是关 键性的了【2 6 】。检波技术的发展是随勘探技术的发展而逐步前进的，经历了常规检 波器、三分量检波器后，利用先进的m e m s ( m o m e s ) 技术，目前的检波技术 正朝着三分量的集成化检波器方向发展 1 2 1 常规地震检波器 所说的常规地震检波器，就是目前广泛应用于地震勘探、已经商业化的检波 器，其技术及生产工艺都很完善，这里只做简单介绍。 1 ) 动圈式检波器 动圈式检波器是发展最早技术最成熟的一种检波器。到目前，国内外地震勘 探中使用的绝大部分检波器都是这种结构，其结构剖面如图1 3 所示。 图1 3 动圈式检波器的结构示意图 其中，线圈及线圈架( 4 ) 由上下弹簧片( 3 ) ( 5 ) 支撑，为可动部份，称为检波 器悬体，线圈处于由磁钢( 2 ) 外壳( 1 ) 所构成的磁路中，磁钢与外壳固定在一 起，构成不动部分。检波器工作时，其外壳通过尾锥与大地耦合，地震放炮所产 5 第一章绪论 生的地震波经过地层之间的反射传回地面，并引起地面震动，检波器外壳也随大 地振动，而检波器悬体由于弹簧的弹性及悬体的惯性，有保持绝对不动的趋势， 从而产生了悬体与壳体之间的相对运动。即检波器的线圈相对于磁场而运动，由 法拉弟电磁感应定律，于是在线圈的两极间便产生了感生电动势。因此，如不考 虑检波器外壳( 包括尾锥) 与地面的耦合，磁环检波器实际上是一典型的单自由 度“弹簧质量阻尼”振动系统，并联电阻后，对该种检波器作力分析和电 路分析，可得检波器工作时的机电耦合方程如下： mx c + cox ，+ kx ，+ b li c = 0 ( 1 1 ) b 工 i c 2 石r r c 十r d 进一步的分析能得到检波器的静、动态特性。 动圈式检波器诞生在地震勘探的初期，很好地满足了当时低频深层地震勘探 的需要，比较有代表性的产品有：美国g e o s p a c e 公司的g s - 2 0 d x 、荷兰s e n s o r 公司的s m - 4 ，以及由国内检波器厂商引进生产的s n 系列和2 0 d x 系列。为适应 高精度的地震勘探，国内外的检波器厂家和研究机构，在动圈式检波器的磁路( 如 美国m a r k 公司、国内物探局仪器厂) 、弹性系统( 如国外s e n s o r 公司、法国 c g g 公司，国内西安石油勘探仪器总厂) 上进行精细开发，纷纷在1 9 9 7 年前后 研制出了失真度小于0 1 ，灵敏度在2 0 0 ( m v c m s ) 的超级检波器。目前，国 内外的检波器厂家( 如c g g 公司、i 0 公司) 正致力于将高精度的超级检波器工 艺化推向物探市场，预计在未来的几年内，将取代传统的失真度较大的动圈式检 波器【2 7 2 8 2 9 。 但是对于高分辨率地震勘探，动圈式检波器仍有不足1 3 0 3 1 1 ： 1 ) 检波器灵敏度太低。随着仪器数字化的发展，仪器的动态范围已经达到l o o d b 以上，可以满足记录微弱地下反射信号的要求。但是，我们使用的检波器灵敏度 只能达n 5 0 6 0d b ，浪费了仪器的记录能力。 2 ) 受工作原理、工艺材料等的限制，谐波失真等技术指标总是达不到满意的效 果 3 ) 自然频率档位和串组合方式过多。自然频率有：8 h z 、l o h z 、1 2 h z 、1 4 h z 、2 8 h z 、 3 0 h z 、3 5 h z 、4 0 h z 、6 0 h z 不等；组合结构有4 l 、3 3 、5 2 、6 2 不等，这就 给检波器的互换通用、备件材料供应以及应用选型等带来困难。现场施工检波器 组合图形复杂，组合个数太多。 4 ) 个体检波器之问的性能指标一致性较差，这就会给地震信号带来组合失真 2 ) 压电式检波器 6 第一章绪论 压电式检波器在海洋地震勘探中广泛使用。这种检波器是根据某些物质的压 电效应制成的。当沿一定方向对某些电介质施力使其变形时，介质内部就产生极 化现象。压电检波器正是利用这种压电效应，将地震波引起的水压变效应转变为 电信号的一种机电转换装置。 在海上地震勘探过程中，由于勘探船的拖动和海浪冲击，压电检波器中的压 电传感器不断受到加速度的作用，使压电元件受到与质量成正比的惯性力作用而 产生电荷输出。这种电荷输出就是压电检波器附近介质受地震信号传输中引起的 水压变化而形成的电信号。为了消除这种加速度产生的噪声，压电检波器通常做 成两个背靠背的弯曲片1 3 l 】。 由于压敏元件本身的敏感特性和陆地地震勘探的局限性，陆用压电检波器的 研究一直比较困难。最近的陆用压电检波器口2 j ，其基本结构主要包括检波器内部 2 个压电陶瓷和一个质量块。在2 个压电陶瓷片材料上加一个质量块，当检波器振 动时，质量块对压电晶体产生压力，从而在压电晶体两端产生电压。 压电检波器很适合海洋地震勘探，但对于陆地地震勘探而言：由于大地的吸 收滤波作用，有效高频能量到达地面时已大为减弱，导致总体信噪比偏低，因此， 应研究压制高频噪音的方法。 1 2 2 三分量地震检波器的发展 三分量检波器的面世，其目的就是要在取代只能接受单一纵波的常规检波 器，实现同时接受三维地震信息，使开展高分辨率和高信噪比多波地震勘探成为 可能【3 引。目前，国内外已有和正在研究的三分量地震检波器结构大致可分为两 类1 3 4 1 ： 1 ) x y z 坐标正交型三分量检波器 这种结构的三分量检波器是由一个垂直检波器和二个水平检波器组成三个 检波器的轴向排列成x ，y ，z 正交型，与笛卡尔座标一致。其芯体的结构如图1 4 所示 y x 图1 4 正交型三分量检波器芯体布置示意 检波器芯体是三个性能尽量一致的速度型或加速度型检波器。以美国o y o 公司生 产的三分量检波器为例，分析其幅频特性( 图1 5 ) 可以看出：其幅频特性曲线 呈上升趋势，其灵敏度大于0 、2v ( c m s ) ，平静工作带宽为1 7h z 至2 4 5 h z ， 7 第一章绪论 一般情况下是完全能满足生产要求的，而且线性度非常好【3 5 】 图1 5o y 0 公司三分量检波器幅频特性曲线 正交型三分量检波器一直是主要的三分量检波器结构。东京大学开发研制的 三分量地震检波器( n a g a s h i r n a 等，1 9 9 2 ) 。该检波器内装有三分量压电型加 速计，通过内装的井下方位仪能检测出水平二分量方位i 姗。美国的g e o t e c h l n s t r u m e n t s 。l l c 公司生产的p a 2 3 ，p a - 2 3 b h ，s - 2 3 0 型三分量检波器 ( 2 0 0 3 ) 满足地表，井下等多种环境的勘探。国内的西安物探仪器厂在荷兰s e n s o r 公司的s m - 4 检波器基础上，研制出s 肿7 超级检波器并由此组装成了三分量检波器 f 2 “。此类检波器的优点是：制作比较简单，测量结果直观实践结果也都表明使 用正三分量检波器获得的地震资料，比使用斜三分量检波器获得的资料更易辨别 出纵波反射和转换波反射，解释资料也就更方便p 7 1 正交型三分量检波器不足的是：三个检波器的性能，特别是垂直检波器和水 平检波器问的性能，如振幅、频率、相位等响应很难做到一致，这样就影响了信 号的保真性 i o 公司用1 5 年时间的研究，推出的基于m e m s 技术的三分量数字检波器也采 用了正交式结构，它给检波器，三分量检波器乃至于后续的解释处理带来了全面 的数字化革新。由于采用了先进的m e m s 技术，本文将在下节中详细叙述 2 ) 5 4 7 4 对称正交型三分量检波器 这种结构的三分量检波器由三个同类型( 垂直或水平) 的检波器组成设三个 检波器的轴分别为u ，v ，w 轴，与空间坐标系( x ，y ，z ) 中的垂直轴z 轴呈对称分布， 与z 轴的夹角都是5 4 7 4 。如图( 1 6 a ) 所示 x ( a ) y ( b ) x u p 甬瑚霉稠镑变型黧 第一章绪论 图1 65 4 7 4 对称正交型三分量检波器芯体空间轴向分布置示意 而在x y 水平面内的射影相互之间呈1 2 0 。，而u 轴的射影与x 轴一致，v 轴和w 轴 的射影与x 轴负向呈6 0 ( 图1 6 b ) 在图( 1 6 b ) 中，z 轴垂直于纸面 这种结构的检波器中，有典型代表的加拿大地球物理技术公司的o 洲i p h o n e 三分量检波器，检波器芯体采用美国马克公司生产的4 5 h z ，l2 8 型检波器三个芯 体，并使每个芯体与垂直轴成5 4 7 4 。角，接收三个模拟分量后，通过1 4 位a d 转换器变成数字信号，每个检波器中装有一台微处理器，由固化在微处理器的程 序，按检波器放置的各种情况，利用数学运算【3 8 】，把成5 4 7 4 。分量转换为成9 0 。分量，0 m n i p h o n e 三分量检波器三轴的幅频特性曲线如下图： ：? l 。 乏， 箸， 崔_ ， l0 一 一寸叫十 - 薯啦 斗芦 荔。 三矽 | _ 厂r _ - r ；石匕7 t r ： 杉7 图1 70 州i p h o n e 三分量检波器三轴的幅频特性曲线 可以看出：三条曲线在低频端，b 1 3 1 7h z 附近均出现振荡，这就要求数字地震仪 滤波器的低切频率选在2 0h z 以上。同时，在6 0 h z 以上曲线，均出现了非线性。 但是，o m n i p h o n e 检波器各分量灵敏度比o y o 检波器相应分量灵敏度高，内有极化 滤波器能削弱瑞雷面波和徽震，在三维地震勘探中具有独特的优势。因此，从大 庆石油管理局1 9 9 4 年从加拿大引进该检波器后，国内检波器研究者对其进行了细 致的研究3 4 3 8 9 1 ，在对其性能h 0 】、极问串扰进行分析的基础上，王正垠等人 对o , t n i p h o n e 检波器的硬件及软件进行了全面的改造与修复，改正了软件编写过 程中的错误之处，并使三分量间的采样时延减小，经改造后的o m n i p h o n e 水平 径向振动时，垂向与水平切向的输出均可达一2 6 d b l 4 2 1 。 目前使用的，无论是x y z 坐标正交型三分量检波器还是5 4 7 4 对称正交型三 分量检波器，均是用传统的垂向检波器为芯体构成。只是在结构、后续信号处理 上做了改进，而垂向检波器其本身不是为三分量勘探而设计，一旦用于三维勘探， 不可避免地会带来如极间串扰严重、体积过大、施工困难等缺点，因此，三维勘 探到了2 0 0 0 年以后，就迫切需要有基于新技术上的三分量检波器，来获得更详细 的勘探资料，提高勘探精度。由于m e b l s m o e m s 技术本身巨大的技术和市场优势， 地震检波技术的研究者正致力于将这项技术引入高精度、高分辨率的三维地震勘 探。 9 第一章绪论 1 3m e m s m o e m s 加速度传感技术发展及其在地震检波技术上的应用 1 3 1m e m s m o e m s 加速度传感技术发展 1 ) m e m s ，j g 速度传感技术的发展 m e m s ( m i c r o e l e c t r o 。m e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术是当今最前沿的研究领域，基 于m e m s 技术的加速度传感技术研究也得到了长足的发展，自从1 9 7 7 年美国 s t a n f o r d 大学在世界上首先采用m e m s 技术制造出一种开环加速度传感器以来i 韧， 人们开始研究各种结构、原理的m e m s 力h 速度传感器。到目前，大致可以分为两类： a ) 压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器以半导体的压阻效应为基础，常用的压阻式加速度传 感器的工作简图如1 8 图所示。质量块一般通过悬臂梁或者连接梁支撑悬挂，通 过离子注入或者扩散工艺在梁上制作扩散电阻。在质量块的惯性力的作用下，梁 上产生应力与应变，在梁上制作的扩散电阻由于硅的压阻效应，会发生与应变成 正比的电阻变化，利用适当的外围电路将这种变化转换为可测量信号，如：电压、 电流、等形式输出，经过标定就可建立输出信号与被测加速度的关系，从而测量 加速度。 玻璃盏板 疆蠡坟 图1 8 压阻式加速度度计结构( r o yl a n c e ，1 9 7 9 ) r o y l a n c e 第一次成功设计的压阻式加速度计中心部分为硅片，包含敏感质量块 和悬臂梁。硅片键合在两片玻璃中间，起到保护此结构并限制冲击和减振。该加 速度计由于采用了i c 技术，只有3 毫米长，o 0 2 克；其带宽为1 0 0 h z l 4 引。 v a n k a m p e n 等人压阻式加速度计的多种结构进行了分析，从传感器的静态特性( 灵 敏度、交叉轴灵敏度) 、动态特性( 谐振及阻尼) 进行了详细的讨论。并建立了 动静态理论模型1 4 4 。 压阻式加速度传感器是最常用的类型之一，优点在于动态响应特性及输出线 性较好，且成本低、工艺简单、接口电路简单。缺点在于压敏电阻属于温度型器 件，受温度影响较大，而且灵敏度也较低。此外在加工工程中残留在梁上、基座 上的应力分布也会对压敏电阻产生影响。 b ) 电容式加速度传感器 在电容式加速度传感器中，可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电 极。当加速度作用在质量块上，质量块发生位移，从而电容极板间距发生变化， 1 0 第一章绪论 用外围电路检测这一电容的变化量就可以得到输入加速度的情况。电容式加速度 传感器相对其它传感器而言具有温度效应小，重复性好等优点，但是在测量加速 度时，电容变化很小，一般为1 0 1 s f 左右，因而外围测试电路相对复杂，实现难 度较大。 图1 9 三轴电容式加速度传感器 电容式加速度传感器目前是m e m s 加速度传感器的研究热点。研究重心集 中在美国( a d 公司1 4 量4 6 1 、i o 公司i 明) 、日本【4 8 4 9 】以及欧盟的n a v a c c e l 1 0 0 研究项目i s o l ，该项目集合了德国、芬兰、奥地利等国各自在m e m s 技术领域优 势技术，开发稳定的高性能m e m s 传感器。 m e m s 的加速度计的另一发展是三维或多维m e m s 加速度的发展。图1 9 给出了p u e r s 设计的典型的单一敏感轴三轴加速度计，其特点是在小面积内制作 相对长的梁，以及大的电容电极1 5 1 。美国加州大学在一个质量块上实现了测量三 个轴的加速度输入 5 2 1 ，m a e n a k a ，k ，等人的研究更进了一步，他将三维m e m s 加 速度计、二维惯导仪以及p l l 微处理器集成在一起，研制出全数字化的m e m s 惯导传感系统f 5 3 1 2 ) m o m e s 加速度传感技术的发展 m o e m s 是指用于光学领域或采用光学原理进行工作的微电子机械系统 5 4 1 ，他涉及量子功能元件( 化合物半导体器件) 、光功能元件( 光集成技术) 、 电子功能元件( 硅技术) 、运动功能元件( 微加工技术) 等，所以m o e m s 的 研究具有多学科交叉性，涉及领域非常广泛，包括电子、光学、机械、材料、信 息、物理、化学、生物、医学等诸多学科。 m o e m s 领域里的一个重要研究方向就是m o e m s 加速度传感技术。基于 m