檢波器大地耦合響應的野外規模測量與衰減方法

摘 要：在地震檢波系統中，地表測量的主要目的在于接收地表的振動，而不是檢波器外殼的振動，但受到技術條件的限制，目前應用的檢波器都因耦合響應而影響了地震數據的保真度。本研究參考了國內外大量的研究文獻，簡要介紹了一種檢波技術的設計思路、振動力學以及測量結果的模態參數，并通過分析耦合響應對地震數據的影響，探討了相應的衰竭方法，即解耦反褶積。

關鍵詞：檢波器；耦合響應；野外規模測量；反褶積

中圖分類號：P631.436 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0097-02

Abstract：In the seismic detection system，the main purpose of the surface measurement is to receive the vibration of the earth’s surface rather than the vibration of the geophone shell，but the current geophone has affected the fidelity of the seismic data due to the restriction of the technical conditions. This study refers to a large number of research documents at home and abroad. The design idea of the detection technique，the vibration mechanics and the modal parameters of the measurement result are introduced，and the corresponding failure method，that is，the decoupling deconvolution，is discussed by analyzing the influence of the coupling response on the seismic data.

Keywords：geophone；coupling response；field scale measurement；deconvolution

1 檢波器——大地耦合響應的野外規模測量

本文介紹的測量系統可對每個單點檢波器耦合響應進行測量，目前在測量行業應用較為廣泛的檢波器有動圈式和MEMS數字式，這些檢波器與本文介紹的裝置結合起來可獨立對耦合響應進行測量。本文將簡單說明該檢波器的設計思路、振動力學以及測量結果的模態參數。

1.1 設計思路

檢波器的技術水平和性能質量與地震數據的保真度直接相關，因此其可為地震數據質量提供基礎保障，同時也在實現地震波的電信號傳感中起著核心作用。本文介紹的測量系統是一個線性時不變振動系統，當工作人員輸入機械“脈沖”并測量輸出后即可得到“脈沖響應”。然而脈沖激振這一瞬態激振的頻譜無法實現在-∞～+∞范圍內的連續恒定，通常只能利用振動臺、激振器、起振機以及力錘等設備模擬脈沖激振。在對地震數據勘探工作進行模擬時，上述設備無法滿足檢波器對“脈沖”接收的要求。此外，在野外規模測量中，單個檢波器振動參數的實際測量需求高達成千上萬個檢波點，振動臺、力錘等實驗室設備根本無法完成這些工作量。綜合現有激振裝置的不足之處以及地震勘探實際需求來看，自制激振裝置應滿足以下兩個要求：（1）激振裝置的體積與質量不應過大，以免對檢波器——大地耦合系統的振動特性造成影響，最好可以附著在檢波器上或與檢波器結合為一體。此外，與檢波器之間的耦合主頻應遠遠大于400Hz；（2）施加給檢波器——大地耦合系統的激勵應是遠大于400Hz的高頻。自然界里環境噪聲的高頻成分比較微弱，耦合響應的主要工作頻段卻在高頻，因此，輸入高頻信號可得到較高的信噪比，進而可達到提高系統識別精度的目的。

本文介紹的檢波器激振裝置可自行產生一種高頻的、已知的且穩定的機械激勵信號，在這種激勵下，檢波器自身的輸出數據可得出系統的頻率響應和脈沖響應。

1.2 振動力學分析

我們可使用下列公式表示線性非時變單自由度振動系統的速度頻響，即：

上述公式中，系統脈沖輸入是力信號，輸出則是速度信號。根據公式（1），我們通過已知輸入的力信號即可求得系統的頻率響應。也就是說，“測耦檢波器”自身產生一個力信號后，我們就可以利用檢波器自身所具備的機電轉換功能以及質量和輸出速度信號，將其自身產生的力信號計算出來。然而上述公式需在“不受其他外力”的情況下才可以實現，但這一情況在現實中是不可能存在的。針對這一問題，國內研究者采用“懸吊試驗”對輸入力信號進行了大致地估測[1]。試驗結果表明，在單自由度振動系統中，在激勵裝置的激勵下，系統輸出信號的傅里葉變換為：

由于“懸吊試驗”時的環境噪聲為低頻段，而激勵裝置產生的信號以高頻為主，本文介紹的系統發生耦合響應時所起的作用也主要在高頻段，因此，應用公式（2）可在高頻段有更高的信噪比，參數識別精度由此可得到提高。

1.3 測量結果的模態參數識別

大多數情況下，頻率域是進行振動系統試驗模態參數識別的主要角度。對于模態耦合不大的情況，通過實測數據經傅里葉變換得到的頻響函數曲線即可將模態頻率、阻尼比和振型粗略識別出來。導納園擬合法、頻域最小二乘法等多種模態參數頻域識別法均可進行多階模態參數識別，這些識別法算法不同，因而也具有不同的精度。本文中介紹的檢波器經過普通泥質地表測得，振幅響應只有一個尖峰，證明此類地表下的耦合響應使用“單自由度有阻尼的振動系統”即可對其進行描述，采用上一章節的公式（2）進行振動系統參數識別無疑具有較高的可信度[2]。

2 耦合響應的衰減——解耦反褶積

2.1 耦合響應對地震數據的影響

在接受地震信號的過程中，檢波器——大地耦合響應會使檢波器產生畸變，其對地震數據的直觀影響主要表現在兩個方面，一是使地震子波因波形畸變而出現相位增加、子波振動時間延長且信號幅度與分辨率降低等問題；二是信噪比降低，尤其是在有效信號頻率低、噪聲頻率高的情況下，往往會導致噪聲強度的進一步提高。此外，耦合響應還會對檢波器諧波畸變指標以及檢波器振幅/相位畸變指標產生影響，這將大大降低地震數據的保真度[3]。

2.2 解耦反褶積

基于上文耦合響應對地震數據的影響，我們必須采取一定的方法來衰減乃至消除檢波器——大地響應，以提高地震數據的精細度。本研究介紹的“解耦反褶積”法可有效消除耦合響應對地震數據的影響[4]。檢波器——大地耦合系統由震源激發，輸入信號施加到大地上，相當于施加到單自由度振動系統中的基座上，將大地振動視為輸入，檢波器的振動視為輸出，二者之間的關系可用下列公式表示：

（3）

當我們利用測耦檢波器測得每個檢波器的耦合響應后，即可通過反褶積或反濾波的方式對接受到的數據進行“解耦反褶積”，并最終達到消除耦合響應對地震數據的影響和提高信號精準度的目的。值得注意的是，由于地面振動信號中既有低頻反射信號，也有諸如環境干擾、面波、次生噪聲等低頻噪聲，因此當我們利用反褶積進行“低頻補償”后，還需進行有針對性的去噪，以提高低頻端的信噪比[5]。

3 結 論

本文研究介紹的新型檢波器可實現“檢波器——大地耦合響應”的大規模野外測量，不僅可記錄耦合效果好的單道相關參數，還可依據測量結果改進耦合效果不好的單道。解耦反褶積的衰減方法可有效解決耦合響應，減少信噪比與分辨率的問題。

參考文獻：

[1] 于富文，魏繼東，馮玉蘋，等.檢波器耦合響應定量分析方法及應用 [J].石油地球物理勘探，2016，51（1）：27-31.

[2] 于富文，魏繼東，馮玉蘋.檢波器——大地耦合響應對地震數據的影響 [J].地球物理學進展，2017，32（1）：339-343.

[3] 鄒志輝，張翊孟，卞愛飛，等.常規檢波器低頻數據的評價與恢復及其在地震成像中的應用 [J].石油地球物理勘探，2016，51（5）：841-849.

[4] 羅福龍，夏穎.地震檢波器檢測技術探討 [J].石油物探，2013，52（6）：617-622.

[5] 呂公河.地震勘探檢波器原理和特性及有關問題分析 [J].石油物探，2009，48（6）：531-543.

作者簡介：宋威（1986-），男，漢族，河南鄭州人，助理工程師，本科。研究方向：地震儀器研發與數據采集。