（地质工程专业论文）检波器抗干扰性能研究.pdf

摘要 随着地震勘探的不断发展 对地震数据分辨率的要求越来越高 但由于大地 对地震信号的吸收以及地表各种干扰的影响 使得地震信号和噪声混杂在一起难 以分辨 目前 在激发处理等方面做了许多工作来压制干扰 但用于接收地震信 号的检波器却没有大的突破 使得这些工作没有完全达到预期的效果 因此 我 们将如何提高检波器的抗干扰性能作为课题进行研究 本文针对地震生产中常用 的几种检波器的原理和特点进行了详细的理论分析 将各种干扰产生的原因进行 调查和分类 在此基础上设计了一种新型抗干扰检波器 并提出了检波器轮流工 作的检波方法来抑制干扰 提高地震信号的信噪比 根据施工中存在的随机和耦合谐波干扰的成因和特点 我们设计了一种新的 检波器壳体和尾椎形状 改变了连线位置 增加了检波器与大地的耦合度 通过 大量的实验 我们设计了电子线路 使检波器输入端电阻为o 并提高检波器屏 蔽性能来抑制电磁干扰 检波器轮流工作组合检波法 是使检波器能够输出延续度尽量小的有效波 它根据检波器的固有振动和强迫振动对地震信号的不同作用 最大程度的减少固 有振动对地震信号的负面影响 让检波器在强迫振动时处于低阻尼高灵敏度状 态 在固有振动时处于低灵敏度状态 突出有效波 具体方法为设计一个控制电 路 使几个检波器在一个周期内依次工作在高灵敏度状态 对数据进行采集 达 到提高信噪比的目的 根据上述理论分析及实验所得出的结果 对这种新检波器和s w j 2 s s w l 型检波器进行了野外采集对比实验 发现新型检波器的灵敏度高 有着较好的高 频响应特性 并对耦合 电磁干扰有明显的抑制作用 通过野外实验记录证明本文的理论分析和研究方法基本是j 下确的 新型检波 器抑制干扰的方法是行之有效的 主题词 地震信号检波器 耦合 电磁干扰 抑制 电路轮流工作法 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u i n g d e v e l o p m e n to fs e i s m i ce x p l o r a t i o n i te x p e c t sh i g h e r r e s o l u t i o nt h a nb e f o r e b u tb e c a u s eo ft h ea b s o r p t i o nb ye a r t ha n di n f l u e n c eb y i n t e r f e r e n c e s t h es e i s m i cs i g n a lm i xw i t hn o i s ed i f f i c u l tt od i s t i n g u i s h n o w m a n y m e t h o d si ns o u r c ea n dp r o c e s s i n gw e r e d o n et or e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c e b u tt h e g e o p h o n ew eu s e dt or e c e i v es e i s m i cd a t ah a sn o tc h a n g e dal o ty e t s ot h e s em e t h o d s h a v en o ta c h i e v e dt h er e s u l tw ee x p e c t e d a c c o r d i n gt ot h i s h o wt oi m p r o v et h e g e o p h o n e sc a p a c i t yt oc o m p r e s st h ei n t e r f e r e n c ew a s c h o s e na st h es t u d yd i r e c t i o n i nc o n n e c tw i t hs e v e r a lt y p i c a lg e o p h o n eu s e dn o w t h i sp a p e ra n a l y s e si t sc a r d i n a l p r i n c i p l ea n dt h er e a s o nt h a tw h y t h ei n t e r f e r e n c ec a ni n f l u e n c et h eg e o p h o n e b a s e d o nt h i s an e wg e o p h o n ew a sd e s i g n e da n dan e wm e t h o di sp u t e df o r w a r di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro fr a n d o m d e s i g n e dan e wg e o p h o n es h e l la n dt r a i l t a r g e to fw h a tw ed oa b o v ei sa d d i n gt h e d e s i g n e d ae l e c t r o n i cc i r c u i t i tc a l l e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n a n dr e s o n a n c ei n t e r f e r e n c ei ns u r v e y w e s h a p e a d j u s t e dt h ep o s i t i o no fc a b l e t h e c o u p l i n gc o e f f i c i e n to fg e o p h o n e w ea l s o i m p r o v e t h e c a p a c i t y t or e s t r a i nt h e t h ed e s t i n a t i o no fw h yw er e s e a r c ht h eg e o p h o n ea l t e r n a t i v ew o r k i n gm e t h o di st o h o p eg e o p h o n ec a no u t p u tt h es m a l l e s tp h a s ew a v e a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c e b e t w e e nf i x e dv i b r a t i o na n ds l a v e dv i b r a t i o n t h i sm e t h o d sc a nr e d u c et h en e g a t i v e e f f e c ti ng r e a te x t e n d m a k es u r eg e o p h o n ew o r k sa th i g hs e n s i t i v i t ys t a t u s d u r i n g t h ev i b r a t i o np e r i o d t h ec o n c r e t em e t h o di ss h o w na sf o l l o w s d e s i g n i n gac o n t r o l c i r c u i t m a k i n gs e v e r a lg e o p h o n e sa l t e r n a t i v ew o r k i n ga th i g hs e n s i t i v i t yp e r i o d t h r o u g ht h a tw e c a nr a i s i n gt h er a t i oo fs i g n a lt on o i s e a ne x p e r i m e n ti sd o n ei nf i e l d st oc o m p a r ea n da n a l y s e st h en e wg e o p h o n e s w j 2a n ds s w1 t h er e s u l tc o n f i 册t h a tt h eg e o p h o n ew ed e s i g n e dh a sh i g h s e n s i t i v i t y i tc a nr e s t r a i nc o u p l i n gi n t e r f e r e n c ea n d5 0 h ze l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n v e r yw e l l i ta l s oc o n f i r mo u rt h e o r ya n a l y s e sa n ds t u d ym e t h o da r er i g h ta n d e f f e c t i v e s u b j e c th e a d i n g s e i s m i cs i g n a l i n t e r f e r e n c ee l e c t r o n i cc i r c u i t g e o p h o n ec o u p l i n ge l e c t r o m a g n e t i c a l t e r n a t i v ew o r k i n gm e t h o d 上 jl 刖吾 随着地震勘探的不断发展 对地震数据采集数据的分辨率要求越来越高 高分辨 率地震勘探要解决的基本问题是如何得到延迟度尽量小的子波 并将有效信号从其他 干扰信号中分离出来 但由于大地对高频信号的吸收 特别是地表低速层对高频能量 的衰减 使环境随机噪声相对得到提升 将有效信号淹没在随机噪声之中难以分辨 因此地震仪器记录的信号中 除不同深度地层分界面的反射有效波外 还有诸如下图 所示面波 风吹草动等自然因素以及人和车的走动等引起的微震干扰 工业用电及雷 电等引起的射频干扰波 以及检波器与大地所产生的耦合谐振等干扰波 这些干扰波 与有效波混杂在一起 降低了对地下地质构造的分辨程度 反射波 为了满足高分辨率勘探的要求 一个十分重要的问题是如何压制各种干扰波 提 升有效信号 以便仪器能把有效地震信号清晰的记录下来 为随后的处理解释工作提 供高质量的原始资料 为了提高勘探精度 工作 地震仪器性能也有了大幅度的提高 目前在激发 接收因素方面已做了大量的 它的等效输入噪声已达到u f 级 但用于接 收地震信号的传感器即检波器却没有大的突破 使得上述方法没有完全达到预期的效 果 所以提高检波器的灵敏度及抗干扰能力是提高地震资料分辨率的一个基本前提 通过对干扰波调查发现 施工中主要存在随机高低频干扰 耦合谐波干扰以及工 频射频干扰等几种类型 出现这些干扰 外界条件是外因 检波器自身条件是内因 因此我们将 检波器抗干扰性能研究 作为2 0 0 1 年度的公司立项项目进行研究 主要 目的是设计一种灵敏度高 抗干扰性能强的检波器 并找到一些新的方法来提高检波 器的抗干扰性能 目前 国内外检波器厂家已推出了许多类型的检波器来适应高分辨 勘探的需要 如美国i 0 g e o s p a c e 公司推出的高频检波器 国内如西安 徐水仿造 国外的高频检波器等 这些检波器在灵敏度 及高频响应特性等方面比以往有了一定 提高 但在检波器壳体形状 尾椎设计 以及抗工频射频干扰方面还存在不足 为此 我门对目前常用的动圈式 涡流式 及压电检波器进行了详细分析 选择出了灵敏度 高 高频特性好的涡流式作为机芯 针对随机高低频干扰和耦合干扰的成因 设计出 一种新检波器壳体 改变了小线走线方法以及尾椎形状来抑制这些干扰 针对工频射 频干扰 设计出一种电子线路 使检波器从端口测量阻值为o 这些措施对抑制工射 频干扰起到良好的作用 这种检波器经室内测试和野外对比实验证明 基本达到了预 期的目的 同时为解决动圈式检波器固有振动所带来的负效应 本文提出了检波器轮 流工作法的设想使每个检波器在接收信号时都轮流出处于低阻尼高灵敏度状态 进一 步提高信噪比 2 第一章检波器原理分析 l 1检波器原理 1 1 1 电动式检波器 a 外形 b 内邵结构 图1 1电动式检波器的结构 上 下两个线圈绕制在铝制线圈架上 组成一个惯性体 由弹簧片悬挂在永久磁 铁产生的磁场中 永久磁铁与检波器外壳固定在一起 两个线圈的接法应满足这样两 个要求 当检波器外壳随地面震动引起线圈相对磁铁运动时 两线圈的感应电力动势 增加 在输出端输出相应的电信号 1 1 2 涡流与涡流的检波器 1 涡流的概念 把一块金属导体放在磁场中 或使其在固定磁场中运动时 在金属导体中变会感 应出一圈圈自由相闭合的电流 称为涡流 2 涡流检波器 利用非磁性的导体在永久磁场中运动会产生涡流的原理制成的一种地震检波器 称为涡流检波器 其外形与普通检波器相同 但内部结构截然不同 是一种加速度型 检波器 3 涡流检波器的结构与工作原理 涡流检波器也是应用电磁感应原理制成的 图1 2 为涡流检波器的内部结构图 由图可知 涡流检波器是将一个非磁场性的铜质圆筒作为惯性体 圆筒通过弹簧片与 外壳连接 然后使其处于磁钢 极靴 线圈及外壳桅成的磁通回路的间隙中 线圈固 定在外壳上 线圈通过导线与检波器接线柱连接 当外壳运动时 铜圆筒对外壳及磁 钢作相对运动而切割磁力线 根据f 乜磁感应原理 在圆筒导体中将产生感应电势 此 时 感应电势的方向与磁场方向垂直 感应电势的幅值与圆筒及磁钢和外壳的相对运 动速度成正比 圆筒中感应电势使闭合四路生成电流 这种电流即为涡流 1 一矗雌性 一上 片 7 一拽知 i o 一卡 z 上庾 5 垃t e n 一鬃一片 一蚪 e 3 一卡 一薯 h 一下4 8 片 i z 一下菘 矗电蕾焉在 环中形扈 图卜2 涡流检波器内部结构图 在涡流检波器中 由于涡流的大小及方向都是变化的 因此涡流的磁场也随之 变化 这将导致在固定线圈中产生感应电势和电流 此信号就作为涡流检波器输出的 电流和电压 l 1 3 压电检波器 压电式检波器在海洋地震勘探工作中大量使用 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而使其变形时 内部就产生极化 现象 同时在它的两效应 海上检波器正是利用这种压电效应将地震波引起的水压 变化转变为电信号的一种机电转换装霄 l l 3 1 压电传感器 很多物质都具有压电效应 如天然石英晶体 人造压电陶瓷 锆钛酸铅等 4 f n i兄 固圆 c a 一 图卜3 压电式传感器的等效电路 a 电荷等效电路 b 电压等效电路 当压电片受力时 在电极的一个极板i e i j 聚集正电荷 另一个极板上取聚集负电荷 这两种电荷量相等 两级板上聚集电荷 中间为绝缘体 使它成为一个电容器 两级 板问电压为v q c 因此 可把压电传感器等效成一个电荷源如图卜3 a 或等效成一 个电压源如图卜3 b 实际上 在海上每一地震道并不只使用一个压电传感器 一般 都是多个传感器并联 或串并联使用 在海上勘探过程中 由于勘探船的拖动和海浪 冲击 海上检波器中的压电传感器将不断地受到加速度的作用 由于加速度的作用 压电元件上将受到与质量成币比的惯性力的作用而产生的电荷输出 为了消除这种加 速度产生的噪声 海上检波器通常做成两个背靠背的弯曲片 如图卜4 a 所不 当 地震信号引起检波器附近水压变化时 西面三刀弯曲片形变相同 产生相同极性的电 荷彼此相加 在输出端产生信号电压 由图卜4 b 不难看地出 在加速度作用f 两弯曲片形变相反 产生的电荷彼此抵消 在输出端不产生加速度噪声电压 u u 图卜4 加速度抵消接法 1 l 3 2 变压器耦合式海上检波器 压电陶瓷元件的输出阴抗很高 而地震仪的输入阻抗则比它低得多 因此 常使 用变压器进行阻抗匹配 为减少导线间的漏电作用变压器一般靠近陶瓷元件 对于单 个压电检波器 变压器变放在检波器内 但在海洋拖缆中 往往是几个地震检波器组 共用一个变压器 在海上进行地震勘探时 地震仪装在专用的地震勘探船上 如图表一9 所示 装有 压电晶体地震检波器的拖缆安装在船的后面随船航行 拖缆沉放于一定的水深中 水 上有称为水鸟的电缆标志 拖缆的位置由船上的雷达监视并作记录 航行一般由卫生 导航定位 恒速前进 震源每激发一次产生地震波 拖缆中的压电晶体检波器便接收 地震波所引起的海水压力的变化 并将其转换为相应的电模拟地震信号 由拖缆传送 到船上的地震仪中 经仪器记录 成为原始的地震勘探资料 1 1 3 3 带电荷放大器的海上检波器 随着地震仪器不断改进 近年来 很多海上检波器不再采用变压器耦合 而是利 用电荷放大器来提供低输出阻抗 并对压电传感器产尘的信号起一定的放大作用 这 种电荷放大器通常靠近地震仪的输入端 安装在勘探船上的输入接口系统内 上述两 种海上检波器各有其优缺点 然而 尽管带电荷放大器的海上检波器比变压器耦合式 海上检波器易接受串音干扰 但它没有因变压器接收磁干扰而产生的噪音 而且便于 在勘探船上测试整个电路 因此在海上勘探中 越来越多地使用带电荷放大器的海上 检波器 无论采用哪种类型的海上检波器 都应根据勘探任务需要造反它们的工作频 率 以使所需记录的信号频率都能被检波器接收 1 2力学模型及方程 这三种检波器的运动方程虽然不完全相同 但它们的力学模型和运动微分方程基 本一致 以下就以动圈式运动方程为例来对枪波器的受力运动原理进行分析 1 2 1 运动方程 引 下面通过分析线圈受力情况和电动式检波器内部各部分的运动关系 导出电动式 检波器输出电压与检波点地面运动的关系 见图1 2 为方便起见 用ab 代表线圈的位置 cd 代表磁铁的位置 并认为电动式 检波器静止时ab 与cd 重合 地震波传到地面后 假设地面相对共原来位置产 生一个向上的位移z 如忽略检波器与地面的耦合问题 即认为检波器外壳与地 6 面一起运动 则地面的位移就是检波器外壳的位移 而磁铁又是同外壳固定在一 起的 所 图卜5 电动式检波器各部分运动关系 以此时磁铁也相对其原位置产生一个向上位移z 显然 惯性体也会相对其原来 的位置产生一个向上的位移y 由于惯性的原因 惯性体的位移将小于地面的位 移 于是弹簧被拉长x 即线圈相对磁铁有一向下的位移x 检波器内各部分的运动关系为 们 y z x 卜1 此时 线圈及框架组成的惯性体受到如下外力的作用t 1 弹簧克服惯性体重力后的拉力f f k k x 1 2 式中 弹簧的弹性系数 负号表示f 与x 方向相反 2 线圈受到的电磁阻尼力 根据法拉第定律 线圈相对磁铁运动时 线圈产生的感应电动势为 e n d 中 d t n d 巾 d x 木d x d t s 木d x d t 1 3 式中由一一线圈磁通 n 一一线圈匝数 s 一一机电转换系数 即 s n d 巾 d x 1 4 对低频地震信号而言 线圈的感抗很小可以忽略 因此线圈中的感应电流为 i e r c r o e r 卜5 式中 r c 一一线圈内阻 r o 一一线圈负载电阻 由楞次定律可知 当线圈中有电流流过时 线圈将受到阻止其运动的电磁力 f 一 n d 巾 d x i s i 卜6 将式 1 3 式 1 5 代入式 1 6 得 f l s 2 r d x d t 卜7 3 铝制线圈架受到的电磁阻尼力 圆筒形铝制线圈将可看作是一个单匝闭合线圈 当线圈架随同线圈 起在磁场中 运动时 线圈架内将产生涡流磁场 涡流磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架 运动 由式 1 7 可知 这种电磁阻尼力与线圈相对磁铁的运动速度d x d t 成正比 方向相反 f t 一u d x d t 1 8 式中u 一一比例系数 空气阻力比f 小得多 可忽略不计 线圈与线圈架组成的惯性体的运动符合牛顿第二定律 即 将式 1 3 式 1 5 代入上式整理后可得 f m a f f k f l f t 一k x s i u x m a m d y d t m d z d t 一d x d t m d x d t u d x d t s i c i k x m d 二z d t 1 9 将式 卜3 卜5 代入上式整理后得 d 2 x d 2 t u s 2 r m d x d t k m 木x 一d 2 z d 2 t 1 1o 化为一般式有 d x d 2 t 2 h d x d t w o x d 2 z d 2 t 卜1 1 式中h u s 2 r 2 m 一衰减系数 w o 而r 一自然频率 衰减系数与自然频率之比称为阻尼系数 简称为d d h w 卜1 2 式 1 11 反映了线圈运动与地面运动的关系 称之为电动式检波器的运动方程 在此基础上可进一步导出电动式检波器输出电压与地面运动的关系一一输出电压方程 l 2 2 输出电压方程和固有振动 电动式检波器的输出电压为 将式 1 3 代入上式得 v e r c r o r o v r o r 木s 木d x d t g o d x d t 1 一1 3 式中g o r o r 术s 1 1 4 对式 1 13 两边对 取二阶导数得 d 2 v d 2 t g o d 3 x d x d 3 t 将式 1 11 对t 再取一次导数 然后将上两式代入得 d v d 2 t 2 h d v d t w o w o v 一g o d x 术d x d t 宰d t 1 1 5 上式即为电动式检波器的输出电压方程 令d v 2 h d v d t w 0 2 v o 1 1 6 解齐次微分方程 可求得电动式检波器输出电压的固有振动形式 8 r 2 h r w 0 2 0 卜l7 下面分三种情况进行讨论 1 当d h w o 1 时 式 1 17 有两个不相等的实根 即 式 1 一l6 的通解为 v c l e 1 c 2 e r 2 e h c l e 2 c 2 e 1 2 1 2 0 这种情况称为过阻尼 在过阻尼情况下 电动式检波器固有振动具有非周期性 且迅 9 速衰减 3 o h w l 时 1 17 式有两个相等的实根 即 r 1 2 一h 式 1 16 的通解为 y e 岫 cj c 2 t 1 2 1 此种情况称为临界阻尼 在临界阻尼情况下 固有振动处于周期振动向非周期振动过 渡的状态 如图1 6 c 所示 由于固有振动的特点是输入信号消失后 输出要延续一段时间 所以 当检波器 固有振动的延续时问大于相邻两界面的反射时差时 那么检波器输出的这两个界面的 反射信号就会重迭在一起而无法分辨 很明显 为了提高分辨率 检波器固有振动延 续时间应缩短 因此 从提高分辨率考虑 电动式检波器的阻尼应选区取临界阻尼 1 2 3 频率响应 由于电动式检波器的输出电压与线图相对磁铁的运动速度成比例式 卜1 3 因 此电动式检波器通常又称为速度检波器 电动式检皮器输出电压v t 的频谱v j w 与地面振动速度d z d t 的频谱z j w 之比称为电动式检波器的函数 记作 3 对式 1 1 5 两边取付氏变换得 j w 2 j w 2 h w 0 2 一g o j w 2 z j w 一g o 卜w w 2 一2 j d w o w 由式 1 2 2 可得电动式检波器的幅频特性为 l o 卜2 2 g w i h j w l 一 一 一 1 2 3 1 w 二 w 2 2 2 d w w 2 根据上式可绘出电动式检波器的幅频特性 如图卜7 所示 f d 钏 l d o 5 一 入 钐 瓮磊 公 一l d 一2 0 图卜7 电动式检波器的幅频特性m 3 由图可见 电动式检波器在以地面振动速度作为输入量时 输出电压呈现二阶高 通滤波器的频率特性 因此对低频带面波干扰可以有一定的压制作用 电动式检波器幅频特性曲线的形状取决于阻尼系数 下面分三种情况讨论 1 当d h w 1 乏时 d g w d w 0 故g w 单调上升 趋近于g o 无尖峰出现 c u 4 o 厶 厶 一 一1 l 1 l i f 3 当d h w i 互时 g w 刚好不出现尖峰 或者说尖峰出现在无穷远处 即 w p g g 这种状态称为最佳阻尼 将d i 芝代入式 卜2 3 得 1 2 6 最佳阻尼是幅频特性g w 出现尖峰和不凸j 现尖峰的分界 而临界阻尼是固有振 动波形呈周期或非周期性的分界 由于d i 乏 l 所以最佳阻尼属于欠阻尼状 态 由式 1 2 2 可得电动式检波器的相频特性为 2d 1 i w o 卜 w w o 2 n 一d 一0 d 一0 5 一d 一0 7 一d j d 一2 l 0 图1 8 电动式检波器的相频特性 1 2 7 按上式可绘出电动式检波器的相频特性如图表一5 所示 由上式得 巾 0 0 由 w 9 0 巾 1 8 0 0 w o w 三个频率处 不同阻尼的电动式检波器均有相同的相移 而在其它频率上 不同阻尼的r 电动式柃波器的相移是不同的 i 2 4 性能参数 1 阻尼 1 2 1 从上面的讨论可见 电动式检波器的固有振动 幅频特性 相频特性都与阻尼系 数有关 不难看出阻尼系数是电动式检波器的一个很重要的参数 1 2 由式 卜1 1 式 卜1 2 可知 电动式检波器的阴尼d 可分为开路阻尼d 0 和线 圈电流阻尼d o 两部分 即 d d o d d o u 2 m w o d s 2 r 2 m w o s 2 4 兀 m f o l r 式 卜3 0 中s 单位为v m s m 睢位为k g 1 2 8 卜2 9 卜3 0 由于电动式检波器是通过大线电缆与常规地震仪相连接的 因此 检波器线圈的负载 电阻r 为大线电阻r 与仪器输入电阻r 之和 如图1 6 a 所示 此时式 1 3 0 中 线圈回路的总电阻为 r r o r i r o 检波点离仪器远近不一 大线电阻r 也不同 由上式和式 1 3 0 可知 这将使各道 检波器的阻尼系数相差很大 为了解决这个问题 国外电动式检波器大多给检波器线 圈并联一个内阻尼电阻r w o 时 电动式检波器输出电压是 v r r o 木s 木z 1 3 1 由上式可见 机电转换系数s 越高 则检波器输出电压也越大 因此 机电转换 系数s 也称为固有灵敏度 1 3涡流检波器与常规检波器的异同点 从检波器运动方程和原理比较可以得出这两种检波器的异同 1 3 1 涡流检波器不是速度型检波器 而是加速度型检波器 常规检波器通常是将漆包线绕在一个铝质的线圈架上 当线圈架在磁场中运动 时 就地铝质线圈架中产生涡流 对运动形成阻尼作用 在涡流检波器中 涡流不仅 用来提供阻尼 主要来产生磁场 该磁场用于产生信号源 由于涡流的强度以及涡流 产生的磁场强度与惯性2 体的永久磁场的相对运动速度成j 下比 因此测量涡流的强度 就成为对相对速度的测量 如果测出的涡流的强度 其输出诈比于速度 它的响应曲 线和通常的速度型检波器完全一样 然而 在涡流检波器中 用来检测涡流所产生的 磁场强度和方向变化的接收线圈 相对于永久磁场是固定不动的 由于在紫铜环中的 涡流所产生的磁场的变化与紫铜环的运动变化是一致的 因此 这个磁场与固定线圈 之间就一个相对运动 由此可见 涡流的强度是铜环和永欠磁场之间的相对运动的函 数 也就是穿过固定线圈的磁场强度是铜环相对于永欠磁场运动速度的函数 从这个 事实出发可导出一个附加的效应 即由于涡流而产生出来的磁场对固定线圈也有一个 1 4 相对运动 而在固定的检皮器线圈中所产生出来的信号正比于加速度 所以 涡流检 波器不是速度型检波器 而是加速度型检波器 1 3 2 涡流检波器的接线柱与线圈之间具有可靠的连通性 由于常规动圈式检波器的输出是由可动线圈产生的 因此必须对可动线圈进行电 路连接 目前 国内外的检波器用两种不同的方式来完成这种连接 种是让线圈沿 轴线悬挂在两个弹簧片上可作3 6 0 旋转 簧片内装有弹性导电滑环 用弹簧片和导电 滑环作为可动线圈电路连接的一部分 称炎转芯结构 另一种方法是在可动线圈和检 波器的顶盖接线柱之间连接两根小的螺旋形引线簧 使线圈架不能旋转 称为不转芯 结构 在检波器的制造中这两种连接方式都被国内外广泛采用 在涡流检波器中 检波器线圈固定于磁回路的外壳上 就像马达的定子一样 其 顶盖也固定在外壳上 因此 检波器线圈与顶盖的接线柱之问没有相对运动 这样 线圈的接线端就可以直接焊接在检波器的接线柱上 因此 电路有极可靠的连通性 1 3 3 频率响应曲线不同 x 幽 觯 幽卜1 0涡流与刎幽式检披裕拟u i 叫曲线 从上图可以看出涡流检波器的频率响应曲线与常规速度型检波器的频响曲线是 不相同的 它们的自然频率f 0 都为1 6 h z 阻尼系数b 为0 6 0 7 涡流检波器的电压 输出灵敏度是随着激振频率的增高而线性增加的 频率响应曲线在自然频率f 0 处形成 拐点 在拐点左边以1 8 d b o c t 的陡度下降 对低频干扰的抑制能力比常规的动圈式检 波器要强5 0 9 6 在拐点左边以6d b o c t 的陡度上升 高频信号的电压灵敏度随着激振 频率的升高呈线性上升特性 这一优点对大地衰减吸收地震波的高频信号是一个很重 要的补偿 涡流检波器与常规速度型检波器比较除上述不同之处外 在自然频率范围 阻尼系数 线圈绕法和其它结构方面与常规检波器是非常相似的 除体积小之外 与 常规检波器的外形相同 涡流检波器同样可用于串并组合连接 因此我们采用了自然 频率为l8h z 的西安产的s w j 型涡流式机芯作为新检波器的机芯 j 6 第二章抗干扰检波器的研制 2 1 研究思路 抗干扰检波器的研究主要是提高检波器抗射频干扰和5oh z 工业电干扰 风吹草 动等产生的微振干扰以及耦合谐振干扰的性能 从而达到提升有效信号的目的 根据 这一思路 主要从以下二个方面着手进行研究 研究检波器结构及形状 尽量减少组合 压制 消除随机高低频干扰和耦合谐 波干扰 研究部分电子线路 并对小线不同结构 不同末端电阻进行实验和改进 达到 提高抗射频干扰及工频5 0 h z 干扰的能力 2 2 随机干扰分析及实施方案 2 2 1 随机高低频干扰和耦合谐波干扰产生的原因 随机高低频干扰和耦合谐波干扰受地质条件 自然环境及检波器的埋置影响较 大 图中所示为检波器在不同士壤成分 不同耦合条件下的频率特性和幅频关系 曲线 图中l 为尾椎长1 4 c m 挖坑后插入地下 耦合良好 2 为尾椎长5c m 挖坑后插 入地下 耦合较好 3 为尾椎长5c m 未挖坑 耦合较差 4 为尾椎长14c m 插入 浮土中 耦合最差 从图中可以看出2 3 有高频谐振现象 4 的频响曲线为钟形 导致高频成分严重衰减 耦合不好时 检波器输出的相角随频率变化 相位有畸变会 图2 1 检波器耦合条件与频率特性曲线 使振幅减弱 使地震子波波形加长 这显然是不需要的 经分析认为产生检波器耦合 不好的原因如下 刮风引起地表的树皮草根和检波器电缆的小辫子抖动 产生微震干扰 检波器存在寄生震荡 也就是当地表作上下运动时 检波器存在一个 水平旋转分量的自振频率 检波器与地的耦合条件不好 检波器插在松沙土上根容易产生微震 幅 度比其它埋置较好的检波器强3 0 5 0 倍的高频干扰 频率为1 4 0 1 6 0 h z 仪器入口处的强度高达1 2 0 1 5 0 微伏0 1 地表表层的低速带是促使耦合谐振频率降低 振幅增大的主要因素 埋 置在低速带的检波嚣产生的微震占据8 0 2 0 0 hz 的有效频带 1 22 2 实施方案 对于野外记录卜出现高频微振的原因 我们觉得风吹草动等都是次要原因 主要 原因是检波器与地面的耦合 各种土壤与检波器组成了一个谐振系统 激励它的是风 但m 是外因 内因是检波器本身 除在施工中深埋检波器外 我们可从改变检波器的 外壳上着手试验 方法有 对检波器尾锥进行改造 将圆锥型尾椎改为内槽型尾椎 对检波器外壳进行改造 做成仿锤形 小线穿检波器位置下移 适当改变检波器的重量 达到抗耦舍谐振的目的 增加塑料防水圈 223 野外试验效果分析 加长尾锥 硬介质 i l j 51 一 n 图2 2 不同检波器尾锥长度记录解编分析 图23 不同检波器尾锥长度记录滤波对比 5 0 一1 2 0 h z 醺 i 臻缮鬻戳麓嚣0 溱裂 蒙罐掣 薹警 卜 1 1 卜一 一 霪 j 山盛 彳 图24 不同检波器尾锥长度记录频谱分析 从解编资料看 l o o m 尾锥效果角差 2 0 c m 尾锥效果较差 1 0 0 m 2 0 c m 尾锥高频干扰背 景强 信噪比较差 而3 0 c m 5 0 c m 1 0 0 c m 尾锥较好 表现在信噪比高 在5 0 1 2 0 h z 频扫记录上2 0 c m l o o c m 尾锥滤波效果变差了 波组连续性短 分辨率降低 而3 0 c m 5 0 c m 尾锥连续性好 波组明显 信噪比高 分辨率高 从频谱上看 3 0 c m 2 0 c m 尾锥 频带较宽 而1 0 0 c m 5 0 c m 尾锥在8 0 h z 以上的频率较3 0 c m 2 0 c m 尾锥受较大的压制 频带变窄 导致分辨率降低 从试验大的总体看 尾锥长度大于5 0c m 反而不好 长 尾锥检波器效果不如短尾锥效果好 尾锥很短也不好 尾锥越长 高频成分越弱 高 频成分受到的压制越大 造成分辨率低 因此检波器尾锥长度选择在3 0 5 0 c m 左右较 好 加长尾锥 疏松介质 图2 5 短尾锥地震记录 图2 6长尾锥地震记录 图2 7 加大耦合面积的长尾锥地震记录 三 i 五 品 f l 图2 8短尾锥频谱分析 f n c y 图2 9 长尾锥频谱分析 2 l 一 一一一 一 一 一 一 一 一 1 l 5 一 一置i r 菇 2 li i i 图2 1 0 加大耦合面积的长尾锥频谱分析 图21 1 不同质量检波器地震记录对比 8 0 一 b 1 i6 0 一 巴 u 4 0 一 f r e q u e n c y h z 铁质壳体检波器塑料质壳体检波器 图2 一1 2不同重量检波器频谱分析 这个试验是在滩海的疏松土壤中进行的 它介质的特点是表面有一层很薄的硬土 但 下面是非常疏松的淤泥 将短尾椎 长尾椎和增大接触面积的长尾椎并排放置在一起 用同 个震源进行激发而得到的地震资料 从地震记录上看短尾椎信噪比差 同相轴 连续 不好 分辨出的层次较少 且能量较弱 两种长尾椎从信噪比 同相轴的连续性 及 能量上均好于短尾椎 能分辨出的层次也较多 但增大接触面积的长尾椎在各项壁较 中又更好于只加长尾椎的捡波器 从频谱上分析增大接触面积的长尾椎在中高频区域 的能量强于前面两种 这说明加长尾锥井增大接触面积对地震记录的质量和记录面貌 都有积极的影响 从不同质量的同种机芯检波器记录对比发现它们在记录的信噪比 同相轴的连续性 及能分辨出的层次上均有一定差别 从这张记录上并不能说明孰优 孰劣 但有 点可以看出不同的检波器质量对接收地震信号是有一定影响的 从它们 的频谱上分析可看出质量较轻的检波器在c p 高频部分效果较好 2 24 检波器耦台的理论分析 检波器尾椎的接收机制 地震波在地层中传播到达地面时 一般情况下时我们将检波器看成一个点来接收 但如果尾锥很长 就不能看成一个点接收 如下图所示 当射线到达尾锥末端a 时 a 的震动以一定速度由尾锥底部向e 部传播 然后对线圈产生震动 同时波场仍然以 地层的速度在地层中传播 并不断作用于尾锥 再通过尾锥向线圈传播 到达地面a 时 在a n 产生震动f 由于波在尾锥中的传播速度大于在地层中的传播速度 因此二 者之间由一个时间差 如下列公式所示 尾椎长度与检波器输出关系式 地震波到达a l 点时问为 f t 到达线圈的时间为 f t l v 则a n 点时间为 f t l n 1 a x v 设f i t 频谱为g w 由频谱延时定理可得 到达某点的频谱为 g w e j w l 一 n 1 a x v 设检波器输出合振动为f t 则取傅立叶变换后得它的振幅特性为 l k j w l s i n 3 l f l v j i f v 相位特性为 0 w w l v 也就是说地震子波被上述两个函数改造了 旧1 图2 1 3长尾锥柃波器接收射线图 检波器与大地的耦合参数为 m 是检波器的质量 pr 3 m 其中p 是地表岩石密度 r 是检波器的直径 检波器与大地谐振频3 1f l 2 2 4 2 3 射频和工频干扰分析 实验及实施方案 2 3 1 射频干扰及工频5 0 h z 干扰的理论分析 1 我们认为检波器所产生的射频和工频干扰是导线间的相互耦合所造成的 导线间 的相互干扰主要是通过以下三种耦合产 的 一是电容性耦合 这是两回路的电场相 互作用的结果 二是电感性耦合 是两回路磁场相互作用的结果 三是由电场和磁场 组合而产生的电磁耦合 野外施工中 各种电磁干扰主要是电感性耦合产生的 研究 表明 当回路1 对回路2 形成磁场耦合干扰时 在回路2 产生的串联干扰电压u n 为 u n jqbac os0式 1 式 1 中 为干扰源的角频率 b 为干扰源回路形成磁场链接至回路2 处的 磁通密度 a 为回路2 承受磁场感应的闭合回路面积 0 为b 和a 两矢量的夹角 可 以看出在干扰源频率不变的条件下 降低u n 有以下方法 消除或削弱b 减少a 增 大0 引要想抑制导线问的电磁干扰可采取以下措施 将干扰源远离易受干扰的信号 线 尽量避免平行走线 将干扰源的周围加上屏蔽层 将屏蔽体一点接地 将干扰终 止于屏蔽体内 为了验证上述理论分析 我们做了以下实验 2 3 2 实验分析 不同线长的对比实验 线型 电缆 t e ls e i s 电缆长3 0 米 1 5 米 电缆末端同接5kq 的电阻 观察结果 3 0 米线峰峰值v p p 2 9 3 7 m y 图2 0 米线峰峰值v p p 2 0 4 7 m v 频率同为5 0 h z 图2 14长3 0 米的电缆受干扰图 2 5 图2 1 5 结论 电缆长度越大 长1 5 米的电缆受干扰图 50hz 干扰电压越强 同一电缆绕成不同直径的线圈对比实验 图2 1 6 直径为2 0 厘米线圈受干扰图 线型 t e l s e i s 电缆 直径 p 2 0 厘米 3 0 厘米 电缆末端开路 观察结果 o 2 0 厘米的峰峰值v p p 1 1 3 v 3 0 v p p 7 6 2 5 m y 频率同为50h z 图2 1 7 直径为3 0 厘米的线圈受干扰图 结论 同长度电缆 绕成不同直径线圈 直径越小 5 0 h z 干扰电压越强 同一电缆 末端接不同韵电阻对比实验 线型 t e l s e i s 电缆 线长3 0 米 绕成线圈直径 2 0 厘米 电缆末端的电阻值 i o kq 1 kq 图2 1 8 阻值为o o 的电缆受干扰图 图2 2 0 阻值为l kq 的电缆受干扰图 观察结果 峰峰值分别为v p p 1 1 3 7 v 峰峰值v p p 2 0 0 0 m y 峰峰值v p p 9 8 0 m y 频 牢同为50h7 结论 同长度电缆 电缆末端接阻值不同 阻值越小 5 0 h z 干扰电压越小 屏蔽电缆与非屏蔽电缆的对比实验 线型 西安市庆华石油电缆厂生产 线长同为1 5 米 屏蔽与非屏蔽电缆的末端开路 图2 2 l 非屏蔽电缆 电缆末端开路受干扰图 图2 2 2 屏蔽电缆 屏蔽层悬空受干扰 图2 2 3 屏蔽电缆 屏蔽层接输入负端受干扰图 观察结果 峰峰值分别为v p p 1 0 3 1 2 v v p p 4 0 9 4 v v p p 4 6 8 8 m y 频率同为50h z 结论 同长度电缆 屏蔽电缆比非屏蔽电缆抗干扰性强 屏蔽层接输入负端抗干扰效 果最好 由实验可以看出 要想减少检波器串受电磁干扰 有两个方法 使用带屏蔽层的电缆 像进口的g d a p s3 电缆 减小检波器串的电阻 越小越好 2 3 3 实施方案 由以上理论分析和实验情况 解决方案分两步 同时进行 屏蔽 即组串用的电缆要使用带屏蔽层的 并且检波器串中的每只机芯也要用 铜做的隔离套屏蔽 有源阻抗变换 即每串检波器带一有源阻抗交换器 使每串检波器的直流电阻 从输出端量进去为0q 这样 每串检波器可看成是内阻为0 的理想电压源 电阻值小 甚至为o 外界对它的干扰就小 2 3 3 1 检波器串的原理框图 j li 有源阻抗变换器l 检波器串 i 图2 2 4 检波器串的框图 几点说明 直流电池采用高容量可冲电电池 为防水 电池与变换器放在一个壳体内 壳 体两端出夹子 端为检波器输入 另一端为输出 以往各种检波器在排列上用万用表量其直流电阻值即可初步判定检波器串的好 坏 加上此有源阻抗变换器后 就不能使用此方法 阻抗变换器所选用的元器件要在环境温度为一1 5 c 一8 0 的情况下能正常工作 2 3 3 2 阻抗变换器的 作原理 2 2 5 阻抗变换器的工作原理图 阻抗变换器的技术指标 增益 1 3 d b 带宽 20k hz 失调电压 0 0 0 1 m v 温漂 1 0uv 静态功耗 6m w 阻抗变换器的工作原理 i ct l 0 6 1i p 是一个负反馈集成运算放大器 2 3 脚 是输入 3 6 脚输出 w 1 是反馈电位器 调节负反馈放大倍数 w 2 调节失调电压 阻 抗变换器的作用是 使每串检波器的直流电阻从外部量进去为0q 每串检波器可看 成足内阻为u 的埋怨电址源 电阻值小县全为0 外界埘它的十扰就小 2 3 3 3 检波器串的屏蔽 组串小线使用带屏蔽层的电缆 屏蔽层与阻抗变换器的地线连接 每只检波器机芯的屏蔽 每只检波器用铜箔包起来 铜箔与机芯之间还有一绝 缘层 铜箔与组串电缆的屏蔽层焊接在一起 然后屏蔽层与有源阻抗变换器地线连接 起来 2 4实施效果分析 2 4 1 室内实验 用h i t a c h i 型示波器观察 实验一组是新屏蔽检波器串 一组是非屏蔽检波器串 两组检波器的组合形式是 l0 个检波器串联 串联电阻为1 9 k q 1 两组检波器在都不接 且抗变换器的情况下 对比图如下 图2 2 6 非屏蔽和屏蔽检波器串对比图 观察结果 屏蔽检波器受5 0 h z 干扰幅度vp p 5 5 6 3 m v 非屏蔽检波器受5 0 h z 干扰幅度v p p 1 0 3 4 v 2 屏蔽检波器串与非屏蔽检波器都接阻抗变换器的对比实验 观察结果 屏蔽检波器受5 0 h z 干扰幅度v p p 4 0 6 2 m v 非屏蔽检波器受5 0 h z 干扰幅度v p p 4 1 2 5 m y 结论 图2 14 同图2 15 比较看出带阻抗变换器的屏蔽检波器明显压制了5 0 h z 干扰 图2 2 7 接阻抗变换器对比图 3 2 2 4 2 野外实验 t e l s e i