地震儀器檢測技術(shù)探討*

羅福龍，藺大祿

(東方地球物理勘探有限責(zé)任公司裝備服務(wù)處 河北 涿州 072751)

0 引 言

地震儀器[1]是油氣勘探中必不可少的地震資料采集裝備，其技術(shù)特性和工作狀態(tài)不僅直接關(guān)系到野外作業(yè)的綜合效益，而且還直接關(guān)系到地震資料品質(zhì)。為確保地震資料質(zhì)量和野外作業(yè)成效，就必須確保地震儀器的技術(shù)性能和運行環(huán)境始終處于合適的狀態(tài)，由此便誕生了地震儀器檢測技術(shù)[2]。就功效而言早期的檢測技術(shù)實質(zhì)上就是地震資料質(zhì)量控制手段，其基本做法是通過調(diào)節(jié)特定元件的工作參數(shù)，使地震儀器的地震信號響應(yīng)特性處在設(shè)定的指標(biāo)之內(nèi)。經(jīng)過近百年的發(fā)展變遷，現(xiàn)已形成以日、月、年檢驗為核心的檢測技術(shù)體系。

檢測技術(shù)起源于早期的模擬地震儀器。最早的地震儀器屬于電子管系統(tǒng)，突出的特點是工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)(如放大倍數(shù)、濾波頻率等)會隨時間、地點等的變化而變化。為及時修正環(huán)境變化導(dǎo)致的技術(shù)性能變化，就在相關(guān)電路中設(shè)置取值可調(diào)的電阻、電感、電容等元件，并通過調(diào)節(jié)這些元件使地震儀器工作在合適(技術(shù)指標(biāo)[3]合格)的狀態(tài)，這便是早期檢測技術(shù)的由來。實際應(yīng)用效果證明，不同的性能指標(biāo)隨環(huán)境變化的敏感程度有明顯差異，為保證系統(tǒng)工作質(zhì)量和地震資料品質(zhì)，自然要重點且頻繁檢測變化相對劇烈的技術(shù)特性。經(jīng)過長期的實踐經(jīng)驗總結(jié)，對于敏感性強的技術(shù)特性每天都應(yīng)檢測和調(diào)校，習(xí)慣上稱日檢驗；對于敏感性弱的技術(shù)特性一般僅需按月測試和調(diào)校，習(xí)慣上稱月檢驗。這種以控制地震儀器響應(yīng)特性質(zhì)量為主要目標(biāo)的檢測技術(shù)一直以檢驗標(biāo)準(zhǔn)形式沿用到今天。

近百年來，地震儀器技術(shù)經(jīng)歷了電子管、晶體管、邏輯電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路等跨越式發(fā)展，相應(yīng)的功能特性和參數(shù)指標(biāo)也發(fā)生了質(zhì)的變化。當(dāng)今以計算機技術(shù)為核心的網(wǎng)絡(luò)遙測地震儀器，不僅擁有各種先進高效的獨特功能，而且穩(wěn)定可靠性也得到空前提高，更重要是擁有相對健全完備的智能化自診、自測、自警質(zhì)量控制能力，不需要設(shè)置任何取值可調(diào)的元器件來支撐技術(shù)檢測。換言之，當(dāng)代地震儀器的響應(yīng)特性的技術(shù)檢測都是在程序控制下自動完成，無需任何人工調(diào)校。

雖然當(dāng)今先進地震儀器在技術(shù)指標(biāo)和工作能力等方面，較早期的模擬系統(tǒng)發(fā)生了本質(zhì)的變化，但一直沿用下來的檢測技術(shù)，尤其是檢測的項目和方法卻基本沒變。由此導(dǎo)致的結(jié)果是，一方面地震儀器擁有智能化自診、自測、自警的功能沒有得到充分利用；另一方面反映地震儀器先進水平的獨特功能(如多級排列管理、源驅(qū)動、高速傳輸?shù)裙δ?，又不能得到有效測試和量化標(biāo)定。由此可見，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)已經(jīng)不能全面客觀控制先進地震儀器的綜合質(zhì)量，也不能滿足和適應(yīng)物探技術(shù)發(fā)展的需求。

為更有效地保障地震資料品質(zhì)，全方位地做好系統(tǒng)質(zhì)量控制，進而更好地發(fā)揮當(dāng)代先進地震儀器的作用，以物探技術(shù)發(fā)展需求為導(dǎo)向，以地震儀器綜合技術(shù)特性為對象，以高效的質(zhì)量控制為目標(biāo)，充分地探討當(dāng)前檢測技術(shù)的不足，并與時俱進地探索如何發(fā)展和創(chuàng)建新型檢測技術(shù)就顯得十分重要和必要。

1 傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足

傳統(tǒng)檢測技術(shù)源于早期的模擬地震儀器，基本內(nèi)涵是根據(jù)模擬電路性能不穩(wěn)定規(guī)律，設(shè)置取值可調(diào)的補償元件，并通過調(diào)節(jié)補償元件來保證地震信號響應(yīng)性能的質(zhì)量。對于主要由分離元器件構(gòu)成且功能相對單一的模擬地震儀器，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)起到了質(zhì)量控制作用，并能較客觀地反映系統(tǒng)的綜合技術(shù)水平。

以計算機技術(shù)為核心的網(wǎng)絡(luò)遙測地震儀器，不僅具有諸多作用獨特的先進功能，而且所用分離元器件極少，主體電路都是由超大規(guī)模集成的數(shù)字芯片構(gòu)成，也沒有任何可供調(diào)節(jié)的性能補償元器件。在地震信號響應(yīng)特性質(zhì)控方面，依靠自配的信號源、測試分析模型、運算與輸出程序等自動完成所有項目的測試并提供量化結(jié)果。但對于諸如高速數(shù)據(jù)傳輸、復(fù)雜排列管理、源驅(qū)動等先進功能特性，目前還沒有統(tǒng)一規(guī)范的質(zhì)量控制手段。由此可見，雖然當(dāng)代先進地震儀器與模擬地震儀器在性能品質(zhì)方面存在顯著差異，但是質(zhì)量控制內(nèi)容和形式并無明顯不同，進而導(dǎo)致傳統(tǒng)檢測技術(shù)起不到全方位質(zhì)量控制的作用。為說明傳統(tǒng)檢測技術(shù)與當(dāng)代地震儀器技術(shù)的不匹配，表1以對比方式列出了傳統(tǒng)地震儀器與當(dāng)代先進地震儀器在技術(shù)性能上的主要差異。

表1 傳統(tǒng)地震儀器與當(dāng)代先進地震儀器性能對比

根據(jù)傳統(tǒng)檢測技術(shù)的內(nèi)涵可知，傳統(tǒng)檢測技術(shù)僅適合地震信號響應(yīng)性能的質(zhì)量檢驗，但不適合表1所列當(dāng)代地震儀器普遍擁有的先進功能和技術(shù)特性的量化測試。通過深入比較分析可知，在技術(shù)性能量化測試方面?zhèn)鹘y(tǒng)檢測技術(shù)存在如下幾個問題：

1)對常規(guī)物理性能無法進行量化測試；

2)對多級排列等先進功能無法進行量化測試；

3)對軟件和固件性能無法進行量化測試；

4)對特定功能或作用的局部硬件電路性能無法進行量化測試。

因此，為更有效地做好先進地震儀器的全面質(zhì)量控制，實現(xiàn)所有性能的量化測試，也應(yīng)該針對性地創(chuàng)建新的檢測技術(shù)。

另一方面，雖然當(dāng)代先進地震儀器的地震信號響應(yīng)性能仍然可用傳統(tǒng)檢測技術(shù)進行量化測試和評估，但是傳統(tǒng)檢測技術(shù)所達到的功效卻遠沒有模擬地震儀器那時的好，因為當(dāng)代地震儀器的地震信號響應(yīng)性能不僅穩(wěn)定而且免調(diào)校。為進一步說明創(chuàng)建新型檢測技術(shù)的必要性，下面以某種先進地震儀器技術(shù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵項目和指標(biāo)(見表2)為例，來展示傳統(tǒng)檢測技術(shù)不適用當(dāng)代先進地震儀器地震信號響應(yīng)性能檢驗的具體內(nèi)容。

表2 《XX系統(tǒng)檢驗項目及技術(shù)指標(biāo)》摘要

根據(jù)表2給出的測試項目和技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合當(dāng)代地震儀器實施技術(shù)檢驗的普遍方法，可以初步得到如下結(jié)論：

1)所有測試項目和技術(shù)指標(biāo)均由系統(tǒng)(地震儀器)給定；

2)測試結(jié)果僅反映地震信號響應(yīng)性能；

3)所有測試都在系統(tǒng)軟件支持下自動完成；

4)測試結(jié)果與系統(tǒng)內(nèi)置信號源精度、數(shù)學(xué)運算模型、執(zhí)行程序等相關(guān)；

5)僅從測試結(jié)果很難反映系統(tǒng)的先進程度；

6)不同型號地震儀器定義的測試項目和技術(shù)指標(biāo)沒有直接可比性。

根據(jù)表1和表2內(nèi)容所反映的傳統(tǒng)檢測技術(shù)不足可知，當(dāng)代技術(shù)先進的網(wǎng)絡(luò)遙測地震儀器的許多技術(shù)性能，尤其是個性化的獨特功能還沒有科學(xué)規(guī)范的量化檢測方法和評價手段。由此可見，當(dāng)前一直沿用的傳統(tǒng)檢測技術(shù)，既不能全面客觀地反映當(dāng)代先進地震儀器的綜合技術(shù)性能，也不能作為衡量和評價系統(tǒng)先進程度的有效手段。所以，與時俱進地探索和創(chuàng)新適用當(dāng)今先進地震儀器的新型檢測技術(shù)不僅意義重大而且勢在必行。

2 新型檢測技術(shù)探討

檢測技術(shù)沒能與地震儀器主體技術(shù)同步發(fā)展有主觀和客觀兩重因素。客觀上可能是因為檢測技術(shù)先進完備與否不直接影響地震儀器工作效果。主觀上可能有兩方面的原因，一是用戶的傳統(tǒng)觀念和習(xí)慣做法根深蒂固，沒有充分考慮技術(shù)進步給技術(shù)檢測帶來的新需要；二是廠商一般以經(jīng)濟利益為引擎，不重視無明顯經(jīng)濟利益的檢測技術(shù)開發(fā)。所以，傳統(tǒng)檢測技術(shù)的創(chuàng)新首先是觀念上的轉(zhuǎn)換和突破，然后是針對當(dāng)前檢測技術(shù)不足，開發(fā)先進實用的新型檢測技術(shù)。由于當(dāng)今地震儀器的綜合技術(shù)性能主要包括獨特功能、軟件特性、常規(guī)物理特性、地震信號響應(yīng)能力等內(nèi)容，所以探索如何發(fā)展新型檢測技術(shù)也應(yīng)圍繞這些內(nèi)容進行。

在地震信號響應(yīng)能力的質(zhì)量控制方面，雖然現(xiàn)行的檢測技術(shù)基本滿足要求，也能總體保障所采集地震資料品質(zhì)，但是一直沿用的習(xí)慣做法(如按標(biāo)準(zhǔn)錄制日、月、年檢驗)卻是形式多于作用。實際工作效果證明，數(shù)字電路極少影響地震信號響應(yīng)性能，只有常規(guī)檢波器[5]、地震電纜、接插件等模擬部件常會因技術(shù)性能變差而影響地震資料質(zhì)量。所以，在技術(shù)檢驗方面應(yīng)突出對檢波器、地震電纜、接插件等模擬部件的測試，對數(shù)字電路可少測或略測。另外，日、月、年檢驗的這種形式也應(yīng)該變革，根據(jù)近十年定時技術(shù)檢驗所發(fā)揮的作用，月檢驗基本上沒有貢獻，有貢獻的是日檢驗和項目開工檢驗(相當(dāng)于年檢驗)，所以保留日檢驗和項目開工檢驗就能保證地震信號響應(yīng)性能的質(zhì)量。

在軟件特性和先進功能方面的質(zhì)量控制，目前還沒有統(tǒng)一規(guī)范的檢測技術(shù)和方法，實際工作中一般都是通過運行效果來驗證。這樣做不僅不能全面客觀量化反映系統(tǒng)的固有能力，而且還可能忽視系統(tǒng)存在的質(zhì)量缺陷。為確保系統(tǒng)的工作質(zhì)量并及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患，也應(yīng)該仿照地震信號響應(yīng)性能檢測方式來測試先進功能和軟件特性。測試項目主要應(yīng)包括：數(shù)據(jù)傳輸率、誤碼率、同步精度[6]、多級排列管理能力、蛇形排列管理能力、超級排列管理能力、可實時采集通道數(shù)及各個應(yīng)用軟件的健壯性等所有涉及系統(tǒng)軟件特性和先進功能的內(nèi)容。在檢驗周期方面，因為軟件特性和系統(tǒng)功能不易發(fā)生變化，所以只需在項目開工時實施一次性技術(shù)檢驗。目前的網(wǎng)絡(luò)遙測地震儀器大多沒有開發(fā)檢測軟件特性和先進功能的技術(shù)，所以需要制造商針對性地開發(fā)軟件特性和系統(tǒng)功能的測試和分析程序。

在常規(guī)物理特性方面的質(zhì)量控制，目前也沒有統(tǒng)一規(guī)范的檢驗技術(shù)和方法，大多在設(shè)備交接和驗收過程中通過目測或簡單的計量進行質(zhì)量控制。實際工作中，常規(guī)物理特性，如防水能力、功耗、體積、重量等經(jīng)常直接影響生產(chǎn)速度和效益，所以控制好這些特性的質(zhì)量具有較強的實用價值。因此，新型檢測技術(shù)的又一創(chuàng)新點便是實現(xiàn)對常規(guī)物理特性的規(guī)范測試。因為除功耗、防水性能、接觸電阻外，其它常規(guī)物理特性基本不變，所以只需在項目開工時對功耗、接觸電阻、防水能力等實施一次性技術(shù)檢驗。

此外，與檢測技術(shù)相配套的技術(shù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)適時調(diào)整。當(dāng)前，與產(chǎn)品對應(yīng)的地震儀器技術(shù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)都沒有直接涵蓋軟件特性檢測、先進功能檢測和常規(guī)物理特性檢測等質(zhì)量控制內(nèi)容。因此，為對當(dāng)代先進地震儀器實施全面質(zhì)量控制，應(yīng)在行業(yè)范圍內(nèi)制訂能夠涵蓋地震儀器綜合技術(shù)性能質(zhì)量控制的技術(shù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)地震儀器技術(shù)發(fā)展和物探技術(shù)進步帶來的新需求。

總而言之，創(chuàng)新和發(fā)展新型檢測技術(shù)的宗旨在于減化工作程序、降低勞動強度、提高客觀控制系統(tǒng)整體工作質(zhì)量能力，并在確保地震數(shù)據(jù)質(zhì)量和系統(tǒng)工作質(zhì)量的同時，最大限度地發(fā)揮先進地震儀器的作用。實施路線是以先進地震儀器的獨特性能作為傳統(tǒng)檢測技術(shù)升級操作對象，通過建立相應(yīng)的規(guī)則、模型以及開發(fā)相應(yīng)的程序形成全新的檢測技術(shù)體系。

3 認識與建議

通過對地震儀器檢測技術(shù)的探討，結(jié)合長期從事地震資料采集裝備應(yīng)用和開發(fā)技術(shù)研究的切身感受，作為工作經(jīng)驗分享和創(chuàng)新探索嘗試，特提出如下認識和建議。

1)應(yīng)以物探技術(shù)發(fā)展需求為導(dǎo)向，規(guī)范地震儀器綜合技術(shù)性能項目和指標(biāo)的定義。當(dāng)前地震儀器的技術(shù)指標(biāo)均由生產(chǎn)廠家給出，內(nèi)容項目不統(tǒng)一，定義內(nèi)涵也不一致，用戶很難依據(jù)給出的技術(shù)指標(biāo)去量化比較或評價不同的地震儀器技術(shù)。為提高效率、節(jié)約資源、規(guī)范表述，建議在全球范圍內(nèi)制訂統(tǒng)一的適合設(shè)計制造和生產(chǎn)應(yīng)用的地震儀器技術(shù)指標(biāo)體系。

2)就保證地震資料品質(zhì)而言，操作的正確性和設(shè)備的技術(shù)性能同等重要。實際應(yīng)用效果證明，因地震儀器導(dǎo)致地震資料質(zhì)量出現(xiàn)事故或運行效率低下的原因，多數(shù)不是技術(shù)性能變差而是人為操作不當(dāng)或失誤。所以提高操作地震儀器的工作質(zhì)量，建立智能化的誤操作預(yù)警機制，有利于減少甚至杜絕地震資料質(zhì)量事故。

3)除檢波器的耦合效果外，可能影響地震信號響應(yīng)效果的環(huán)節(jié)主要是模擬部件技術(shù)性能，所以實際工作除應(yīng)做好檢波器的埋置，還應(yīng)把檢波器、地震電纜、接插件等模擬部件的技術(shù)性能作為質(zhì)量控制的關(guān)鍵內(nèi)容。

4)就地震信號保真響應(yīng)的效果而言，各種采用Δ∑技術(shù)的24位地震儀器基本一致，主要技術(shù)差異體現(xiàn)在軟件特性、個性化功能和常規(guī)物理特性等方面。所以，衡量地震儀器的技術(shù)水平主要應(yīng)從軟件特性、獨特功能、地震道管理能力和常規(guī)物理特性等方面考慮。

5)應(yīng)建立第三方檢測機構(gòu)作為量化評價地震儀器技術(shù)性能的平臺。當(dāng)前的地震儀器都有自主檢測功能，但其檢測結(jié)果因受信號源精度、數(shù)學(xué)模型和運算程序等影響不能真實客觀地反映固有特性的品質(zhì)，致使測試結(jié)果沒有橫向可比性。為公平、公正、全面地反映系統(tǒng)的先進性和技術(shù)特點，應(yīng)通過更高級別精度的第三方檢測機構(gòu)來檢測地震儀器的綜合技術(shù)性能，以便得到客觀、真實、可比的量化技術(shù)指標(biāo)，并由此指導(dǎo)用戶的選型和應(yīng)用。

這里對地震儀器檢測技術(shù)的探討主要基于當(dāng)前地球物理技術(shù)發(fā)展需求和地震資料采集裝備技術(shù)現(xiàn)狀而展開的，所做的調(diào)查研究和科學(xué)認證工作有限，所提及的個別技術(shù)和方法也有待在實踐中進一步檢驗和完善。不妥之處，敬請廣大同仁批評指正。

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