李 猛，曹建明，韩学义，王 博，万法伟

(1. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司海洋物探处 天津 300270； 2. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司新区作业部 河北 涿州 072750)

0 引 言

地震检波器是一种用于寻找油气资源、煤炭资源、矿产资源的专用传感器装置。它是能够将震源激励的微小振动信号转化为可接收、采集的电信号的机电转换装置。地震检波器包括机械接收部分和电学转换部分，只有它输出的幅频特性曲线和相频特性曲线在有效频带内是线性的，才能保证采集地震资料的可靠性和准确性。在地震勘探中，地震检波器作为野外勘探资料采集的第一个环节，决定着我们能否得到良好的地质剖面、精确的地质解释、准确的地质构造。

在滩浅海和过渡带的地震勘探中，主要使用压电检波器[1]。根据内部结构，压电检波器的性能是由具有电容性质的陶瓷片和具有电感性质的变压器共同影响的。依据电路推导，压电检波器中阻尼电阻的位置对其响应特性、道间一致性和漏电都有不同的影响，因此对采集资料的品质有着重要的作用。

1 压电检波器的构成及内部结构

在地震勘探中，国内外使用的压电检波器主要是压电压敏型检波器[2]。在滩浅海过渡带使用海底电缆进行地震勘探时，把压电检波器放置于海底，拾取震源激发导致的水压变化，转化为所需要的电信号，获得地震信息。压电地震检波器由一行压电元件制成的，与传统的动圈式结构地震检波器相比，压电检波器具有结构简单、质量轻、测量范围广、成本低，性能稳定等特点[3]，可广泛用于浅水(35 m内)、深水(100 m内)地震勘探。压电检波器主要包括压电传感器和阻抗匹配器两部分。

1.1 压电传感器

压电传感器由具有压电效应的材料制成，主要使用压电陶瓷片拾取地震信号。其作用是接收气枪震源激发的地震波振动，并转化为电信号传送给地震仪器进行采集[4]。压电陶瓷片成容性C，在受到外力作用时，极化面会产生电荷Q，所以压电陶瓷片可以等效成电容与电压源串联的电路，所产生的电压Vc=Q/C。

1.2 阻抗匹配器

构成压电检波器中压电传感器的输出信号非常微弱且内阻高，所以严重影响它的输出特性。通常在压电传感器的输出后面接入一个阻抗匹配器，然后再接入采集站电路。阻抗匹配器的作用有两个，一个是对压电传感器采集到的信号进行放大，另一个是匹配压电传感器的高阻抗输出和仪器低阻抗输入。

阻抗匹配器目前分为两种，一种是有源的，使用电荷放大器作为阻抗匹配器[5]；还有一种是无源的，使用变压器作为阻抗匹配器。

使用两种阻抗匹配器的海上检波器各有其优缺点。使用电荷放大器的压电检波器容易受到串音干扰，但噪音相对较小；使用变压器的压电检波器容易受到电磁干扰，噪音较大。由于压电传感器采集的信号要传送给采集站的信号放大器上，信号放大器的输入电阻要非常小，压电传感器的电阻非常大，这样就需要阻抗匹配器对电阻进行变换。在海上地震勘探中压电检波器要求使用方便，放大器型阻抗匹配器需要更换电源，给施工和检测带来不便，所以选择使用变压器作为阻抗匹配器，它是无源的匹配方式，更加贴近生产实用。

1.3 压电检波器的内部结构

根据实际生产需要和对现有压电检波器结构对比，最终选定压电传感器与变压器组成压电检波器。变压器型阻抗匹配器起到压电传感器与地震仪器之间的阻抗变换作用。同时为了减少导线间的漏电，变压器位置一般靠近压电陶瓷原件。因此，在单独的检波器中，变压器就放在检波器内[6]，如图1所示。

图1 压电检波器内部结构

1.4 等效电路

根据压电检波器的内部结构图，压电陶瓷相当于电容，变压器相当于电感，可以得出等效电路图如图2所示。变压器的初级Ls1(输入端)连接压电陶瓷Vc，变压器次级Ls2(输出端)连接地震仪器的输入端V0[7]。压电陶瓷片的电容C和变压器的初级电感Ls1决定了压电检波器的谐振频率。

图2 压电式海上检波器等效电路

2 阻尼电阻不同位置对压电检波器的影响

阻尼电阻作用是对电感和电容组合而成的震荡电路起到整流作用，消耗一部分引起震荡的能量，使输出信号更加平滑，另外阻尼电阻还起到匹配仪器的输入阻抗的作用[8]。阻尼电阻的位置有两个，一般是并联在变压器的次级(阻尼后置)或者变压器的初级(阻尼前置)。

2.1 阻尼电阻后置

当压电检波器输出端与地震记录仪输入端连接起来时，负载电阻R便为导线电阻RL与仪器输入电阻Rin之和，即R=RL+Rin。

由于各道检波器与地震仪的距离不一样，检波器导线长度的电阻RL也就不一样，使得各道检波器负载电阻R不同，从而使各道检波器的自然频率、阻尼系数和传输常数均不一样，造成道间的不一致问题。阻尼电阻后置是把阻尼电阻Rd接入在变压器次级，这样可以增强道间一致性，如图3所示。阻尼电阻阻Rd值远小于连线电阻RL与仪器输入电阻Rin之和，这样就使得各道检波器的负载电阻R基本上是由阻尼电阻Rd确定，即R=Rd。

图3 阻尼电阻在变压器次级(阻尼后置)

2.2 阻尼电阻前置

阻尼电阻前置是把阻尼电阻Rd接在变压器初级，如图4所示。阻尼电阻前置对压电检波器谐振频率曲线的影响只在谐振频率点衰减，其他各点没有衰减。而阻尼电阻在变压器次级会使谐振频率曲线各个点都衰减。

如果压电陶瓷片进水漏电，会影响到检波器的灵敏度。阻尼电阻并联在变压器的初级，即接在压电陶瓷片的一端，可以减少漏电对灵敏度的影响。如果阻尼电阻在变压器的次级，则对压电陶瓷片漏电产生的对灵敏度的影响没有改变。

图4 阻尼电阻在变压器初级(阻尼前置)

综上所述，阻尼电阻在初级可以调高谐振峰以外的灵敏度，并且可以减少漏电对灵敏度的影响。

3 阻尼电阻位置不同的两种检波器性能实验分析

3.1 实验产品

根据不同阻尼电阻位置的压电检波器的电路分析，设计了阻尼电阻前置(a型)和阻尼电阻后置(b型)两种类型检波器，并小批量生产了两种型号压电检波器进行野外采集对比实验。通过地震资料采集结果，验证哪种检波器类型更加适用于野外生产。

3.2 布设方案

依托野外生产项目进行实验，地震资料的采集参数与野外生产相同。在两条相邻排列1004线和1003线上从相同桩号100-170点分别布设80道a型和b型两种不同类型的检波器进行采集接收，如图5所示，震源船在距两条排列1003线和1004线相等距离进行激发，接收仪器为Sercel428XL，采样频率为1 ms，记录长度为6 s。

图5 布设方案

3.3 资料对比

针对a型和b型两种不同型号的压电检波器，从采集资料进行对比。

1)炮线中间炮点初至前噪音能量对比

炮线中间炮点初至前噪音能量对比如图6所示。从图6可以看出,b型检波器接收的能量整体趋势强于a型检波器，说明在同等条件下b型检波器灵敏度更高。

2)炮线中间炮点采集资料对比

炮线中间炮点采集资料对比如图7所示。从图7中可以看出，a型和b型的整体频带的综合频谱和响应效果差不多，但是b型同向轴更加清晰，有利于目的层成像。从单炮上看，b型检波器接收的反射层能量比a型检波器稍微好一点，有利于后期叠加成像。

图6 噪声能量对比

图7 共炮集扫频

4 结束语

采用变压器做阻抗匹配器的压电检波器，阻尼电阻后置更加方便加工制作,各道间的一致性更好，响应特性和容差更好。但是阻尼电阻前置可以减小漏电对采集的影响，稳定性更好。从勘探的目的出发，综合分析，全面考虑，认为压电检波器阻尼电阻后置方案更佳，更适于野外生产施工。