三分量數字檢波器電磁干擾產生的機理研究＊

張懷榜 于 靜 陳吳金 徐維秀

(勝利石油管理局地球物理勘探開發公司地震勘探研究所 山東東營)

三分量數字檢波器電磁干擾產生的機理研究＊

張懷榜 于 靜 陳吳金 徐維秀

(勝利石油管理局地球物理勘探開發公司地震勘探研究所 山東東營)

數字地震檢波器由于采用MEMS為核心的數字傳感器技術,一般認為,已不存在傳統地震模擬檢波器所固有的50 Hz干擾,但是,實際應用卻得出了不同的結論,而是在高壓輸電線附近存在電磁干擾,并且在強電場區此現象較嚴重。文章從取得的地震資料著手,展開系統研究,從信號的角度,分析形成的原因,并結合數字檢波器的核心技術,從硬件系統的構成成分進行原理分析,在此基礎上,進行野外試驗。結果表明:MEMS技術并不能徹底消除電磁干擾影響,在電磁場較強或有漏電現象條件下仍然會引入電磁干擾,只是其干擾能量比動圈式檢波器減弱。該研究為目前正在興起的高密度地震資料采集中數字檢波器的正確應用提供了參考。

電磁干擾;高密度地震采集;三分量數字檢波器;漏電;電磁感應

0 引 言

地震數據采集過程中,因受環境、技術、裝備、方法等多方面的限制,獲取的地震資料總是存在這樣或那樣的干擾信號[1、2],其中,電磁干擾是對有效波影響較大的一類干擾波,雖然電磁干擾和介質振動信號有著截然不同的屬性,但它們混雜在一起卻成了一樣屬性的二進制數據,有效地剔除電磁干擾是地震勘探的一項重要工作。

近年來,以MEMS技術為核心的數字傳感器(檢波器)的出現,使電磁干擾現象得到了有效抑制,電磁干擾問題似乎得到了徹底解決[3、4]。但是,在2009年度勝利探區做的羅家高密度三維地震資料采集中,仍然出現了電磁干擾現象,并且在高壓輸電線路附近這種干擾較嚴重,按照數字檢波器不受電磁干擾的結論無法進行解釋。為此,本文對此現象進行了原理剖析,野外試驗資料處理,查明了其變化規律和產生原因,為今后三分量數字地震采集工作積累了經驗。

1 電磁干擾現象分析

目前,引進的三分量數字檢波器均沒做特殊的防水處理,不能用在水中,容易漏電。但因為一直以來認為三分量數字檢波器輸出的是二進制數,不會產生電磁干擾,對檢波器的防水性能就沒做特殊要求。但在本次采集過程中,卻在許多炮集記錄上見到了50 Hz干擾,生產過程中錄制的噪聲記錄上,三分量檢波器接收到的50 Hz干擾與模擬檢波器接收到的50 Hz干擾相比,其能量較弱,三分量檢波器約是模擬檢波器的1/10。

為了進一步分析電磁干擾波特征,在工區內進行了電磁干擾調查試驗。

布設了十字排列,一條在高壓線正下方并沿高壓線方向,一條垂直于高壓線方向。

南北排列錄制的電磁干擾記錄上電線桿附近電磁干擾最強,東西排列三個分量相差不明顯。

對電磁干擾記錄進行頻譜分析,在頻譜分析圖上如圖1所示,看到干擾波包含3Hz～35Hz的低頻干擾、50 Hz信號及50 Hz的整倍數諧頻信號,其中,電磁干擾能量最強。

圖1 電磁干擾記錄頻譜圖

對干擾記錄上每一道分別做頻譜分析所圖2所示,從由每道頻譜曲線組成的頻譜圖上可以看出,在距離電線桿較近的范圍內,隨著離開電線桿的距離增大,50 Hz能量逐漸減弱,在40 m以外,振幅相差不大,也就是說,能量趨于平衡。這種變化趨勢從能量分析圖上可以明顯看出,如圖3所示。

圖2 三分量檢波器電磁干擾記錄單道頻譜圖

圖3 50 Hz濾波前電磁干擾能量分析圖

為了更清楚地分析50 Hz電磁干擾波的變化規律,用50 Hz濾波檔對電磁干擾記錄做了掃描,這樣消除了50 Hz以外干擾波的影響,直接觀察其能量變化規律,可以看出隨著離開電線桿的距離增大,50 Hz能量逐漸減弱,在40 m以外,振幅減弱變緩,能量相差不大。且X、Y、Z三個分量變化趨勢相似。

分析產生這種變化趨勢的原因,認為50 Hz干擾波能量主要包括四部分:(1)漏電引入50 Hz工頻干擾;(2)50 Hz交變電磁場通過空中傳播產生干擾;(3)電線鳴響形成的聲波震動通過空氣傳播到檢波器;(4)電線桿底座振動形成的機械干擾,通過地面傳播到檢波器,其能量一般在40 m以外衰減得較弱。

進一步比對50 Hz干擾波頻譜圖看到50 Hz干擾波具有兩個特征:一是頻率單一;二是諧頻現象明顯。根據不同類型地震干擾波的特征知識[5],知道只有電磁干擾具有這一特征,顯然這是由單頻干擾源引起的。

由地震波理論知道,電線桿底座產生的機械振動特征及電線鳴響產生的聲波震動特征與電磁干擾有著顯著的不同。首先,地面機械振動形成的干擾不是單頻波,其頻譜具有兩個特征:一頻譜有一個斜坡陡度較大的“干擾帶”,頻寬3～5 Hz;二是隨著傳播距離的增大干擾能量逐漸衰減;其次,電線鳴響產生的聲波受風的強弱及風向影響較大,其頻譜也是一個尖陡的“干擾帶”,頻寬30 Hz～80 Hz。

三種不同干擾波的特征總結出來后,通過對比電磁干擾記錄及其頻譜圖,就可以判斷這三種干擾波能量的強弱主次。

通過分析,本文得到以下結論:在前面所述的四條50 Hz干擾產生途徑中,漏電和電磁場感應所產生的干擾范圍最大,能量較強,電線鳴響產生的聲波及電線桿底座產生的機械振動在電線桿附近能量較強,影響較大,干擾半徑約40 m。這也就證實了三分量檢波器在接收地震信號時,的確產生了電磁干擾現象,為此,我們進行了三分量數字檢波器電磁干擾產生機理研究。

2 電磁干擾產生的機理研究

2.1 硬件系統構成

一般地震采集系統都由檢波器、數傳電纜、地面站和主機等組成,而SN428U遙測數字地震采集系統,因為使用的是三分量數字檢波器三分量數字檢波器,檢波器輸出的是經過A/D轉換的數字信號,代替了地面站的功能,所以,該采集系統只由檢波器、數傳電纜和主機等組成,其中檢波器是響應地震波的入口,數傳電纜用來傳輸數字信號。

根據電磁理論知道,無論是電場還是磁場,其作用的對象是模擬電路特別是帶有容抗和感抗的電路,在模擬電路中,信號是以連續變化的電壓或電流來表示,此時若有外部電磁場的作用勢必會改變原始信號的波形。對于數字電路,信息是以高低電平來表示,不會對外部電磁場產生響應。由此可見,整個地震數據采集系統中,模擬電路是引進絕大部分電磁干擾信號到地震信號的入口。對于SN428U遙測數字地震采集系統,有模擬電路的信號通道只有檢波器一個環節,因此,三分量數字檢波器應是引入電磁干擾的入口[6]。

2.2 三分量數字檢波器認識上的誤區

三分量數字檢波器是以MEMS技術為核心的數字檢波器,這種檢波器只響應重力的變化也即勢能到動能的轉換裝置。其簡化的結構包括慣性體、彈簧、控制電路等,而且慣性體是整個裝置的核心。基本工作原理是以質量體為傳媒介質,以介質電容變化為反饋,再以控制介質恒定位置的電壓變化為輸出。當外部振動迫使質量體位移時,通過反饋電容變化而調整的控制電壓就迫使質量體保持原位不動。由于電容變化量線性取決于外力變化量,而控制電壓量線性取決于電容變化量,因此控制電壓的變化曲線就實時跟蹤外力的變化曲線,這便是檢測地震加速度信號的基本原理。由于控制電壓變化直接來自A/D轉換器輸出,也即檢波器的響應輸出直接就是數字信號,所以地震道電路一開始就是數字信號電路。因為應用MEMS技術的數字檢波器不再有任何聯接到地震道的電感線圈,所以也就不再響應任何環境電磁干擾信號。

2.3 三分量數字檢波器產生電磁干擾的理論分析

事實上,采集過程中三分量數字檢波器產生了電磁干擾。因為MEMS本質上是由兩對固定電極和一塊可移動的質量塊電極構成的,雖然傳感器不再有任何聯接到地震道的電感線圈,但MEMS中可變電容是模擬元件,而電容與其閉合回路可形成一個容抗電路,電磁場會對此容抗形成的震蕩電路產生影響。所以,采集過程中在三分量數字檢波器可以引入電磁干擾。另外,本區地表水多、潮濕,容易由漏電引入工頻干擾。電磁場對容抗震蕩電路主要產生以下兩種作用:

①交變電磁場感應產生電磁干擾信號。電磁場會引起容抗電路產生感應電動勢形成干擾信號,這種干擾信號一般能量較弱,但當電容間的空氣介質介電系數變大時,干擾也會增強。

②漏電引入工頻干擾信號。MEMS以介質電容變化反饋為基礎產生地震信號,若漏電影響到可變電容的變化量,就會使控制介質恒定位置的反饋參考電壓變化值受到影響,由此輸出的數字信號也就引入了干擾信號。漏電產生的干擾信號一般能量較強。

3 數字檢波器消除電磁干擾的方法

(1)漏電。對于高密度采集,漏電是引入電磁干擾的一種主要途徑,且一般干擾能量較強。大多可能是線路外皮破損或連接處裸露并直接對地所致。解決漏電的根本措施就是防止接地電阻太小,確保對地絕緣電阻在兆歐級以上。具體來說應當使三分量檢波器具有較強的防水性能,及時修復并有效絕緣外觀破損的設備,定期晾曬或烘干受露水或下雪浸泡的設備,特別要保證檢波器的絕緣性良好。

(2)交變電磁場引入的電磁干擾。這種干擾一般消除難度較大,一方面應盡可能地讓地面三分量數字檢波器遠離高壓線路,另一方面可研發帶屏蔽殼的檢波器來減弱電磁場的影響。

4 結束語

本文通過對三分量檢波器受到的電磁干擾頻率、能量以及能量隨距離的變化進行分析,并從三分量檢波器結構原理上尋找了引入電磁干擾的入口,得出以下結論:

(1)雖然三分量數字檢波器抗電磁干擾能力較常規檢波器強,其干擾能量約是普通檢波器的1/10。但是在電磁場較強或有漏電現象條件下進行地震數據采集時仍然會引入電磁干擾;

(2)目前的三分量檢波器一般不防水,容易引起漏電。今后,應對三分量檢波器進行防水處理;

(3)野外采集時做到定期晾曬或烘干設備,保持檢波器的絕緣性良好。

[1] 羅福龍.地震勘探中的電磁干擾[J].石油儀器,2004,18(2)

[2] 趙 鐘.地震勘探數據采集系統抗干擾技術研究[J].物探裝備,2004,14(4)

[3] 張丙和.新型三分量數字檢波器DSU3[J].石油儀器,2005,19(4)

[4] 郭 建.基于微機電系統的數字檢波器及其應用[J].石油物探,2005,44(4)

[5] 陸基孟.地震勘探原理[M].石油大學出版社,1996

[6] 廖聲剛.地震檢波器接收電磁干擾實驗分析[J].物探裝備,2008,18(3)

PI,2011,25(1):30～32

Because three digital sensor units generally take the MEMS technology as the core,we usually think that the electromagnetic noise has disappeared,and the 50Hz could not appear.However,the actual application data reveal the opposite conclusion,and there are a lot of electromagnetic noises in the seismic records actually.Sometimes it is serious nearby the high-voltage transmission line.This paper started from the seismic data,and from a signal point of view analyzed how to generate the electromagnetic noises.It researched the noise principles from hardware formation combining the core of the three digital sensor units.On this basis,field test were carried out.Results shows MEMS technology can not eliminate the electromagnetic noise thoroughly.If electromagnetic field is strong or the three digital sensor unit leaks current,the electromagnetic noises will appear.But the three digital sensor unit′s energy of noises is weaker than the analog geophone′s.This research can provide us with reference when we use the Three Digital Sensor Units in the harder intensive seismic acquisition.

Key words:Electromagnetic noise,The harder intensive seismic acquisition,Three Digital Sensor Unit,current Leakage,Electromagnetic induction

Chen Wujin and Xu Weixiu.The principle research of the electromagnetic noise generated by three digital sensor units.

Zhang Huaibang,Yu Jing,

P631.4+36

B

1004-9134(2011)01-0030-03

本課題得到國家科技重大專項(2008ZX07005)和中國石化勝利石油管理局地震勘探基礎研究實驗室聯合資助

張懷榜,男,1966年生,工程師,2007年本科畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業,2009年工程碩士畢業于中國石油大學(華東)地質工程專業?，F在勝利油田物探公司地震勘探研究所東部室從事石油地震勘探野外采集方法研究工作。郵編:257100

2010-08-20編輯:梁保江)