速度型与加速度型检波器的信噪比比较_徐雷良.pdf

在石油勘探中，动圈式速度型检波器以及MEMS 加速度型检波器是当前野外采集施工中应用最为广泛的两类检波器 两类检波器采集数据的信噪比存在差异，往往前者较后者稍高 作者在分析了两种典型检波器工作原理、野外采集阶段有效信号与噪声的比较特征以及不同信噪比计算方法的基础上，模拟、分析了两种典型检波器数据信噪比存在较大差异的表现以及原因 认为地震数据用加速度表征后，时域的视觉信噪比降低了，但是数据所代表机械振动中信号与噪声的物理能量对比并没有随着表征量纲的差异而改变;也就是说，数据背后的“物理信噪比”并没有改变-无论采用何种量纲进行表征 加速度表征地震数据的视觉信噪比降低是由于地震信号的低频端较高频端具有更高的“物理信噪比”导致的 速度、加速度两种类型检波器的信噪比比较应该在同一个域内进行关键词动圈式检波器;MEMS 数字检波器;速度;加速度;信噪比中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0319AbstractTwotypicalgeophonesareemployedingeophysical exploration:moving coil velocity geophonesand MEMS acceleration geophones(such as Sercels DSUseries)The Signal-to-Noise atio(SN)of the datapicked by the above two sensors seem different，usually theSN of the former is slightly higher than that of the latterThe author simulates and analyzes the factors causing thedifference of signal-to-noise ratio of the above two sensors，by analyzing the working principles of two sensors，relativecharacteristics of effective signal and noise during seismicacquisition and the algorithm of SN computation Andthen consider that when the seismic data is represented byacceleration other than velocity，the temporal visual SNdecreases，while the SN based on physical energycomparison between signal and noise doesnt change Inother words，the“signal-to-noise ratio”of acceleration andvelocity，in which the seismic data being represented，areequivalent physically，along with their datas visual SNdiffers a bitKeywordsMoving coil geophone;MEMS accelerometer;Velocity;Acceleration;Signal-to-Noise atio(SN)地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)0引言在石油地震勘探中，由震源激发的地震信号经不同物性地层分界面反射后返回地面，与地表各种振动噪声叠合后被检波器、地震仪记录，根据此数字记录可以对地下油气储集层的空间和物性参数进行计算、反演 在以上过程中，地震仪器(检波器+地震仪)接收到的面波、折射波等源生干扰，由于地表附着物、近地表不均一性产生的次生干扰波，地层间往复传播的层间多次波，同样表现为地表振动的环境噪声以及检波系统在机电转换、模数转换过程中产生的、表现为随机的低水平电干扰，都会不可避免地被地震仪器接收并与有效反射信号一起被转换为数字信号 并且，检波器本身无法对信号还是噪声进行区分 在反射波法石油勘探中，信号一般指有利于目标地质体空间、物性特征辨别的“有效反射信号”，是信噪比公式中的“分子”;而噪声则是除此之外的“非有效信号”，是信噪比公式中的“分母”，会干扰对有效反射信号的接收与分辨 但是，在某些情况下，“噪声”可以转换为“信号”，比如折射波可以用来确定近地表的某些参数 有效信号的能量或者振幅与同一时刻其余噪声的比例通常被被称为信噪比(Signal-to-Noise atio，SN)(Sheriff，1973)无论信号还是噪声，除电噪声以外，都表现为地表的振动 受目前收技术、装备条件的限制，无法直接测量携带有效反射信号的各类地表振动，因此必须在地面上置入具有机电转换能力的检波装置，间接测量大地振动，从中读取地震波所携带的地下地质信息 符合上述要求的装置就是地震检波器 当前，地震勘探中大多采用速度型或者加速度型检波器来拾取振动信息，位移型检波器在石油勘探中应用较少 从野外实际数据来看，加速度检波器拾取的地震数据具有视主频稍高、视信噪比稍低的特点，而速度检波器数据则往往视主频稍低、视信噪比偏高(魏继东，2013a，b，2017，2018，2019;Wei，2013)作者在分析野外采集阶段信号与噪声特征的基础上，结合两种类型检波器的工作原理，分析了产生上述现象的原因1两种典型的检波器在石油地球物理勘探中，检波器的主要作用是以电信号进而数字信号的方式来模拟地表振动(单分量或者多分量)，以尽可能保真的方式完整地反映地震波的动力学特性 近几十年来，石油勘探中大量采用的模拟动圈式检波器是一种符合单自由度振动模型的速度型检波器，如 20dx、SG5 等;加速度型检波器中使用较多的是 MEMS 数字型检波器，比如DSU(Sercel 公司生产)(1)动圈式速度型模拟检波器动圈式模拟速度检波器由一个质量块、一个弹簧和一个阻尼线圈组成，铝制线圈架被上、下两个线圈围绕，组合的惯性体由弹簧片悬挂，在永久磁铁产生的磁场中切割磁力线进而产生电流 永久性磁铁和波检器外壳之间是刚性连接 检波器近刚性外壳一般通过锥形或者螺旋形铁质尾锥与大地进行连接、耦合 因为检波器-大地之间有尾椎连接，地面振动时会引起检波器外壳、进而引起线圈惯性体相对磁铁运动，当两线圈的感应电动势因电磁效应而变化的时候，就会在输出端输出与地表振动之间存在一定函数关系的电信号 速度型检波器的主要数据特征是在主要频带中的输出电压与速度成正比，其振幅响应曲线在自然频率以上相对平稳，不随地震波频率的变化而变化(灵敏度保持一致)(孙传友和潘正良，1996)(2)MEMS 数字加速度检波器MEMS 数字检波器作为一种“加速度型”检波器，其物理结构、力学模型以及等效电路与普通动圈式速度检波器存在较大不同 MEMS 数字检波器输出电压与地表振动的加速度成正比、在自然频率以下与地表振动呈线性关系;普通的动圈式检波器输出电压与地表振动的速度成正比、在自然频率以上与地表振动呈线性关系 由于不同的物理结构、工作原理等差异，这两种类型的检波器的性能、外形、尺寸有很大不同 MEMS 检波器感知振动的质量块为一个非常小的硅片，大约长 1 cm、重 1 g，其振动模式也可以用“单自由度振动系统”来进行数学描述(魏继东，2013a，b)以上两种典型检波器(速度、加速度)的部分主要参数见表 1 表 1 中的性能参数对地震数据的影响是多方面的 比如从响应频带来看，DSU3 检波器没有低频衰减，20dx 检波器存在低频衰减，所以前者在低频端的保真度“应该”更高但是，从表中信噪比的差异来看，20dx+FDU 在低频端的保真度更高，其原因是因为 DSU3 是加速度检波器，其低频信号强度较高频大大减弱的原因导致的(图 1)(Tellier and Lain，2017)2982023，38(2)徐雷良，等:速度型与加速度型检波器的信噪比比较(www progeophys cn)表 1两种典型速度(20DX)、加速度(DSU3)检波器的性能指标对比(张丙和等，2005)Table 1Specifications of two typical sensors(20DX，DSU3)(Zhang et al，2005)检波器性能DSU3 数字检波器20 dx 模拟检波器频率和相位响应/Hz0 80010 250畸变/dB9070动态范围/dB12070信噪比高频响应好低频响应好埋置倾斜度/()2710幅度校准精度/%0 253 5直角校准精度/%0 251抗电磁干扰能力强弱2采集阶段的信号与噪声对于陆上地球物理勘探来说，地震信号首先由炸药或者可控震源等激发，产生的扰动经地下介质反射、折射后再返回到地面，然后被检波器拾取、转换为数字信号，被记录到存储介质中 在此过程中，影响研究地震信号振幅、相位、频率等动力学特征的物理因素主要包括:(1)震源信号 陆地勘探中产生震源信号的方式包括井内爆炸震源、大脉冲量地面震源、小型地面震源和可控震源等(魏继东，2016)震源信号的能量、频谱等特性对于地震数据分辨率和信噪比具有非常重要的决定作用(2)大地吸收 地下岩层是非完全弹性的不均匀介质，当震源激发的地震波扰动在具有不同物性、不同空间特征的地下岩层中传播的时候，地震波所携带的部分弹性波能量会因为地下介质的非完全弹性转换为热能而逸散，抵达检波器的地震波能量较震源激发的最初能量衰减非常严重，并且频率越高吸收衰减越严重，这种振幅衰减现象称为大地吸收，其根本原因是由于地下岩层的非完全弹性性质导致的，越是疏松的介质吸收作用越强 比如十几米低降速带的吸收量，就相当于地震波在深层致密岩层中传播几千米的吸收量(3)检波器-大地耦合 地表机械振动信号的拾取由植入地表的检波器完成，检波器与大地二者构成的系统可以被等效为“单自由度振动系统”(与检波器震荡线圈与外壳之间的互动关系类似)，被称为检波器-大地耦合系统 检波器接收并输出的是检波器大地耦合系统改造后被畸变的振动信号，与地表振动并不等同，类似于低通滤波系统 输入地震波的频率越高，其被改造的程度往往越大(4)组合作用 检波器组合是地震勘探野外采集过程中经常使用的、既可以压制相干干扰、又可以压制随机干扰的物理压噪方法 检波器组合一方面会有效压制沿地表传播干扰波，但另一方面会对高频反射信号产生一定的衰减作用，所以当前高密度采集施工中多采用单点或者小组合接收(5)组内时间差异 如果采用组合式接收，则野外组合中的时间差会影响反射信号的同相性进而给高频信号带来衰减;可控震源之间的空间分布差异也具有类似的作用，所以近年来多采用单个可控震源进行激发 更小的组合时差带来的高频衰减越小，越有利于提高高频信号的机电比、保真度(魏继东和李建军，2011)噪声是与信号共同影响地震数据信噪比的另外一个重要因素一般来说，有效反射信号是空间相干的，这是识别噪声的重要特征 但是，部分噪声也具有相干特征，此类噪声是地震数据处理噪声衰减的主要目标;面波、折射波、声波等原生噪声源自炮点，是最典型的“相干噪声”，被视为提高信噪比的主要障碍，野外采集阶段主要采取沿排列组合的方式进行衰减除“源于炮点”的噪声外，还有其他“非源于炮点”的噪声也表现为相干噪声，主要有两类:由震源引起的次生噪声;具有“相干特性”的环境噪声随机噪声是另外一种典型的噪声 地震记录中随机噪声主要有三个来源(1)自然风等具有随机特征、由环境扰动形成的干扰，这一类噪声在强度范围、频带分布等方面因不同地区、气候、地表环境条件差异而呈现不同的特征(2)本底噪声 检波器和地震仪在机电转换、模数转换过程中产生的电噪声被称为本底噪声或者自噪声 本底噪声呈现1/f 规律:在主要频带(比如3 200 Hz)范围内基本保持平直，但是接近极低频的时候迅速抬升(3)脱藕噪声 检波器-大地之间耦合不良的时候，尾椎与大地之间会存在缝隙-特别是检波器重量大、重心高的时候，在风以及地表振动的带动下会产生不符合“单自由度振动系统”振动规律的、看似随机的高频噪声，是地震记录上高频噪声的一种 一种噪声表现为相干还是随机的另外一个因素是道距398地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)某些在大道距看似随机的噪声，在小道距情况下会呈现较强的相干性Davis(1988)认为，“对噪声的研究决定了地震接收系统所应该采用的主要参数”检波器拾取的振动应该归类为信号还是噪声，本质上是由勘探目的来定义的 无论是震源激发、接收设备的硬件性能指标以及地面检波参数的选择，还是观测系统设计，都决定于人们对石油勘探中信号和噪声比较特性的认识与判定3信噪比的计算方法张军华等对信噪比的定量计算、评价及其常用计算方法进行了归纳、比较、分析 目前地震勘探中常用的信噪比定量计算分析方法主要包括:能量叠加法、频谱估算法、相关法、功率谱法和特征值法 其中，能量叠加法和功率谱法的方法原理相对简单，特征值法在实践中应用较少;从信噪比定量分析方法和野外地震采集软件信噪比分析模块的使用频度来看，频谱估算法和互相关法应用最为广泛(1)频谱估算法频谱估算法假定某一频段范围内的数据为地震信号，这一频段范围内的频率可称为优势频率，过高、过低频率则假定为噪声;随机噪声一般假设其振动幅度较小、且比较均匀地分布在主要频带内 因此，如果给定信号频带范围的话，信号与噪声的对应能量可以分别估算，进而计算出大概的信噪比(张军华等，2009)首先通过阈值确定信号与噪声的范围(图 2)，然后对信号的功率谱和能量进行计算，然后得到信噪比(有效频带中的噪声在此过程中不予考虑)其计算公式如下:SN=fHfLX(f)2(/fC0X(f)2fHfLX(f)2(1)(2)互相关法从地震信号相关性的角度来说，一般认为相邻地震道的信号具有相关性，则噪声则具有随机特征对于 N 道记录而言，Xi(t)=si(t)+ni(t)i=1，2，N，(2)以*为相关计算符号，对第 i 和 i+1 道的地震数据做互相关计算，其互相关结果为:xi(t)*xi+1(t)=si(t)+ni(t)*si+1(t)+ni+1(t)=si(t)*si+1(t)，(3)互相关法计算信噪比的公式经过多道统计计算后即可以得到:SN=ESEN=NN1i=1Qi，i+1(N 1)Ni=1Qi，i(0)NN1i=1Qi，i+1，(4)其中:Qi，i+1为考虑时移量时互相关结果的最大值;Qi，i(0)为自相关最大值由以上信噪比计算公式可知，无论哪种计算方式，其基本依据都是检波器接收的地震数据中所呈现的动力学(振幅、相位、频率)以及空间特征(相干、随机)，且必须满足一定假设条件(比如随机噪声接近白噪)如果地震数据由不同类型检波器(速度/加速度)接收的话，其动力学特征和相干性都会发生变化4速度、加速度数据的信噪比差异及原因分析当前多数施工企业采用动圈式速度型检波器进行施工，也有少量采用加速度型(DSU，VectorSeis，陆地压电)在处理加速度检波器采集数据的时候，有的将其转换为速度后再处理，有的则直接进行处理为了比较两种检波器的物理参数等对信噪比的影响，笔者分析了两种典型检波器的性能指标差异以及由此带来的信噪比变化无论是震源激发的有效反射信号还是环境噪声等干扰信号，都表现为地表的振动;相应地，机械振动既可以用速度、又可以用加速度来表征，二者是等效的(不考虑直流分量的话);由振动经机电转换而来的电信号本质上是机械振动的“代表”本底噪声为电噪声，是一种“纯粹的噪声”;机械振动转换后的电信号与本底噪声叠加后经模数转换变为可以被施加数据运算的数字离散信号 一般来说，如果将速度型检波器和加速型检波器并列放置(如间距20 cm)来接收地震波，加速度地震记录的信噪比低于速度记录(图 3)为了查明以上差异的原因，进行了数值模拟，图 4 为数值模拟的结果 其中，蓝色为三个目的层的反射信号(三个雷克子波，依次代表浅、中、深三层反射，频率和振幅逐渐降低)，红色为随机环境(机械)噪声，绿色为本底噪声 图 4a 为速度域，图 4b 为加速度域 由图 4a、b 对比可见，在速度域可见(信噪比 1)的深层反射，在加速域表征时4982023，38(2)徐雷良，等:速度型与加速度型检波器的信噪比比较(www progeophys cn)图 1DSU 与 FDU(+模拟检波器)本底噪声比较(Tellier and Lain，2017)Fig 1Comparison of floor noise between DSUand FDU(Tellier and Lain，2017)图 2信号和噪声频带的范围Fig 2The spreading range of signal and noise图 3加速度型(a)、速度型(b)检波器地震记录信噪比对比(c)Fig 3Comparison of the SN(c)between accelerometer(a)and velocimeter(b)图 4加速度域较速度域地震信号的信噪比更低Fig 4Lower SN of acceleration than that of velocity598地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 5速度域高信噪比(100)在加速度域为低信噪比(1)Fig 5SN becoming lower when converting velocity into acceleration(from 100 to 1)图 6微分前(a)后(b)信号 S 与噪声 N 的相对态势变化Fig 6The change of SN before(a)andafter(b)differentiating消失了 这个结果说明，以上信噪比的降低，是由于地震信号的表征量纲由速度转换为加速度造成的，与检波器无关之所以出现以上现象，是因为地震信号一般为“钟型谱”且主频偏低(几十 Hz)，而环境噪声往往频带较宽 因此随着频率的增加，地震信号单个频率的信噪比逐渐降低 如果用加速度表示地震数据，低图 7“微型盒子波”观测系统Fig 7Geometry of“Micro Box Wave Test”信噪比的高频端被放大的幅度更大，所以时域的视觉信噪比会有所降低，但信号与噪声的物理能量对6982023，38(2)徐雷良，等:速度型与加速度型检波器的信噪比比较(www progeophys cn)图 8动圈式 5 Hz 检波器(a)、加速度检波器 LP 积分为速度(b)及其原始加速度(c)数据信噪比依次降低Fig 8The SN of geophone 5 Hz(a)、velocity of LP(b)、acceleration of LP(c)decreasing one by one图 9低频依次衰减导致了视觉信噪比的依次降低Fig 9SN decreasing with the low frequencies attenuating比并未随表征量纲的不同而发生变化 也就是说，振动信号中信号与噪声的比例 即物理信噪比并没有改变，但是代表振动的数字信号中的信噪比 即视觉信噪比会随着数据表征方式(速度/加速度)而改变图 5 可以更直观地说明加速度表征地震数据对信噪比的影响 炸药、可控震源等激发地震子波的高频端由于大地吸收、组合效应、耦合效应的众多因素的影响而大大衰减、主频大大降低，同时高频环境噪声一般较强，所以高频端的信噪比较低 所以可以用10 Hz 谐波代表低频信号、100 Hz 谐波代表高频噪声，如果在速度域二者能量比为 100 的话，在加速度域能量比就变为 1，即用加速度表征地震数据后，信噪比大大下降了 从全频带的振幅谱来看，图 6 图示了微分计算(把速度信号转换为加速度信号)对地震数据信噪比的降低作用 之所以微分后信号 S 的占比降低了，原因在于微分(反褶积的一种)具有高频提升作用，而地震信号占绝低频端(低频端信噪798地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 10图 9 中图检波器的理论振幅谱(红)、左图较中图所做检波器反褶积后的理论振幅谱(蓝)以及右图较中图所做微分的振幅谱(绿)Fig 10The amplitude response of geophone(red)，degeophone(blue)and differentiating(green)in fig.9比高，而高频端信噪比低)，并且反褶积(微分也可以看做一种反褶积)不改变单个频率的信噪比(信号与噪声的相对比例)，所以将微分前后的数据显示在时域，就表现为加速度数据的信噪比降低(图3、图 4)图 7、图 8 为微型盒子波模式下的一个速度信号、加速度信号的比较 由图可见，加速度检波器(LP)拾取的地震信号(c)经过积分后(b)，其信噪比提高了 所以图 8b、c 中两种地震记录信噪比的差异与检波器无关，是由于微积分计算改变了时域的视觉信噪比导致的 图 8 同时展示了 5 Hz 动圈式速度检波器数据(a)，可见即使将 LP 进行积分后(b)，其信噪比、一致性仍然较 5 Hz 动圈式检波器低，这是由于处于试验期的 LP 检波器自身一致性较差导致的 这种由于检波器性能不一致导致的数据不一致会降低地震信号、特别是高频弱信号的识别能力，进而误导处理、解释人员除积分以外，其他强化低频的方法比如采用低频检波器或者检波器反褶积(Degeophone)都可以提高视觉信噪比，图 9 为强化低频提高信噪比的一个实例 从脉冲响应的角度来说，图 9(红)所用速度检波器脉冲响应相当于图 10 中红色曲线，即存在低频衰减，但高频端保持不变;经过检波器反褶积后图 9(蓝)，高频端没有被改变，但低频端被提升、强化了(对应于图 10 蓝色曲线);而如果用加速度检波器接收的话(图 9，绿)，其脉冲响应相当于图 10 绿色曲线，高频提升、低频弱化 所以，图 9 中蓝、红、绿三图的低频依次减弱，相应地数据的视觉信噪比也逐步减小 这一点是由于地震信号的物理信噪比(即检波器数据所代表的机械振动中信号与噪声的比例，不同于视觉信噪比)在低频端高、而高频端弱决定的所以，地震数据是由检波器+地震仪组成的机电系统拾取的，地震数据被检波器接收后，由检波器机电性能所定义的每个单个频率的机电比就确定了，无法再被微积分、反褶积等后续处理所改变，因为“反褶积不改变单个频率的信噪比”但是，反褶积会改变不同频率成分在时域波形中的占比，进而改变时域的视觉信噪比，这对于后续成像是有意义的同时，对于计算信噪比的公式来说，一个常用的假设就是将主要频段内全部视为信号，而此频段外全部视为噪声，进行信噪比估算 因为地震数据在速度域和加速度域的信号、噪声的分布态势是不同的，地震信号往往占据低频端，噪声则全频带分布，加速度较速度而言则具有提升高频、压制低频的作用 所以，某些现有的信噪比分析公式不适于加速度数据同时，应该看到，对于某个确定的振动而言，其中的信号与噪声的比例是确定的、不变的，跟数据的量纲表征方式没有关系5认识与结论(1)加速度数据信噪比偏低是由于“信号占据低频、噪声占据高频”以及“加速度具有视觉高频提8982023，38(2)徐雷良，等:速度型与加速度型检波器的信噪比比较(www progeophys cn)升作用”导致的，并不说明加速度检波器接收数据的质量更差或者加速度检波器的性能更差(2)速度型与加速度检波器的信噪比比较应该同在速度域进行;在加速度域应用某些信噪比计算公式不够合理(3)加速度检波器 DSU 在低频端没有相位畸变与低频衰减，20 dx 有相位畸变与低频衰减，所以后者需要进行检波器反褶积、校正低频相位畸变与能量损失后，才能与 DSU 加速度检波器进行信噪比等方面的比较(4)在不超调的情况下，无源检波器灵敏度越高，其拾取信号的保真度越高，相应信号的信噪比也越高(5)对于石油勘探而言，到底是速度表征还是加速度表征更有利于实现提高信噪比、分辨率的目的，需要进行更多的理论研究与试验验证，不能通过直接的信噪比分析得出结论致谢感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!eferencesDavis B K 1988 Expert system for designing geophone and source arraysfor onshore seismic surveys/Proceedings of the SEG TechnicalProgram Expanded Abstracts SEGSheriff E 1973 Encyclopedic Dictionary of Exploration GeophysicsTulsa:Society of Exploration GeophysicistsSun C Y，Pan Z L 1996 Principle of Seismic Exploration Instrument(in Chinese)Dongying:China University of Petroleum PressTellier N，Lain J 2017 Understanding MEMS-based digital seismicsensors First Break，35(1):93-100Wei J D 2013 Comparing the MEMS accelerometer and the analoggeophone The Leading Edge，32(10):1206-1210Wei J D 2013aThe differences between MEMS accelerometer andanalog geophone showed in a field test Progress in Geophysics(inChinese)，28(3):1398-1407，doi:106038/pg20130333Wei J D 2013b An analysis 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