地震儀器檢測技術探討*

羅福龍，藺大祿

(東方地球物理勘探有限責任公司裝備服務處 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，其技術特性和工作狀態不僅直接關系到野外作業的綜合效益，而且還直接關系到地震資料品質。為確保地震資料質量和野外作業成效，就必須確保地震儀器的技術性能和運行環境始終處于合適的狀態，由此便誕生了地震儀器檢測技術[2]。就功效而言早期的檢測技術實質上就是地震資料質量控制手段，其基本做法是通過調節特定元件的工作參數，使地震儀器的地震信號響應特性處在設定的指標之內。經過近百年的發展變遷，現已形成以日、月、年檢驗為核心的檢測技術體系。

檢測技術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，突出的特點是工作狀態和技術參數(如放大倍數、濾波頻率等)會隨時間、地點等的變化而變化。為及時修正環境變化導致的技術性能變化，就在相關電路中設置取值可調的電阻、電感、電容等元件，并通過調節這些元件使地震儀器工作在合適(技術指標[3]合格)的狀態，這便是早期檢測技術的由來。實際應用效果證明，不同的性能指標隨環境變化的敏感程度有明顯差異，為保證系統工作質量和地震資料品質，自然要重點且頻繁檢測變化相對劇烈的技術特性。經過長期的實踐經驗總結，對于敏感性強的技術特性每天都應檢測和調校，習慣上稱日檢驗；對于敏感性弱的技術特性一般僅需按月測試和調校，習慣上稱月檢驗。這種以控制地震儀器響應特性質量為主要目標的檢測技術一直以檢驗標準形式沿用到今天。

近百年來，地震儀器技術經歷了電子管、晶體管、邏輯電路、大規模集成電路、超大規模集成電路等跨越式發展，相應的功能特性和參數指標也發生了質的變化。當今以計算機技術為核心的網絡遙測地震儀器，不僅擁有各種先進高效的獨特功能，而且穩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、自警質量控制能力，不需要設置任何取值可調的元器件來支撐技術檢測。換言之，當代地震儀器的響應特性的技術檢測都是在程序控制下自動完成，無需任何人工調校。

雖然當今先進地震儀器在技術指標和工作能力等方面，較早期的模擬系統發生了本質的變化，但一直沿用下來的檢測技術，尤其是檢測的項目和方法卻基本沒變。由此導致的結果是，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、源驅動、高速傳輸等功能)，又不能得到有效測試和量化標定。由此可見，傳統的檢測技術已經不能全面客觀控制先進地震儀器的綜合質量，也不能滿足和適應物探技術發展的需求。

為更有效地保障地震資料品質，全方位地做好系統質量控制，進而更好地發揮當代先進地震儀器的作用，以物探技術發展需求為導向，以地震儀器綜合技術特性為對象，以高效的質量控制為目標，充分地探討當前檢測技術的不足，并與時俱進地探索如何發展和創建新型檢測技術就顯得十分重要和必要。

1 傳統檢測技術的不足

傳統檢測技術源于早期的模擬地震儀器，基本內涵是根據模擬電路性能不穩定規律，設置取值可調的補償元件，并通過調節補償元件來保證地震信號響應性能的質量。對于主要由分離元器件構成且功能相對單一的模擬地震儀器，傳統的檢測技術起到了質量控制作用，并能較客觀地反映系統的綜合技術水平。

以計算機技術為核心的網絡遙測地震儀器，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模集成的數字芯片構成，也沒有任何可供調節的性能補償元器件。在地震信號響應特性質控方面，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果。但對于諸如高速數據傳輸、復雜排列管理、源驅動等先進功能特性，目前還沒有統一規范的質量控制手段。由此可見，雖然當代先進地震儀器與模擬地震儀器在性能品質方面存在顯著差異，但是質量控制內容和形式并無明顯不同，進而導致傳統檢測技術起不到全方位質量控制的作用。為說明傳統檢測技術與當代地震儀器技術的不匹配，表1以對比方式列出了傳統地震儀器與當代先進地震儀器在技術性能上的主要差異。

表1 傳統地震儀器與當代先進地震儀器性能對比

根據傳統檢測技術的內涵可知，傳統檢測技術僅適合地震信號響應性能的質量檢驗，但不適合表1所列當代地震儀器普遍擁有的先進功能和技術特性的量化測試。通過深入比較分析可知，在技術性能量化測試方面傳統檢測技術存在如下幾個問題：

1)對常規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量控制，實現所有性能的量化測試，也應該針對性地創建新的檢測技術。

另一方面，雖然當代先進地震儀器的地震信號響應性能仍然可用傳統檢測技術進行量化測試和評估，但是傳統檢測技術所達到的功效卻遠沒有模擬地震儀器那時的好，因為當代地震儀器的地震信號響應性能不僅穩定而且免調校。為進一步說明創建新型檢測技術的必要性，下面以某種先進地震儀器技術檢驗標準的關鍵項目和指標(見表2)為例，來展示傳統檢測技術不適用當代先進地震儀器地震信號響應性能檢驗的具體內容。

表2 《XX系統檢驗項目及技術指標》摘要

根據表2給出的測試項目和技術指標，結合當代地震儀器實施技術檢驗的普遍方法，可以初步得到如下結論：

1)所有測試項目和技術指標均由系統(地震儀器)給定；

2)測試結果僅反映地震信號響應性能；

3)所有測試都在系統軟件支持下自動完成；

4)測試結果與系統內置信號源精度、數學運算模型、執行程序等相關；

5)僅從測試結果很難反映系統的先進程度；

6)不同型號地震儀器定義的測試項目和技術指標沒有直接可比性。

根據表1和表2內容所反映的傳統檢測技術不足可知，當代技術先進的網絡遙測地震儀器的許多技術性能，尤其是個性化的獨特功能還沒有科學規范的量化檢測方法和評價手段。由此可見，當前一直沿用的傳統檢測技術，既不能全面客觀地反映當代先進地震儀器的綜合技術性能，也不能作為衡量和評價系統先進程度的有效手段。所以，與時俱進地探索和創新適用當今先進地震儀器的新型檢測技術不僅意義重大而且勢在必行。

2 新型檢測技術探討

檢測技術沒能與地震儀器主體技術同步發展有主觀和客觀兩重因素。客觀上可能是因為檢測技術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，一是用戶的傳統觀念和習慣做法根深蒂固，沒有充分考慮技術進步給技術檢測帶來的新需要；二是廠商一般以經濟利益為引擎，不重視無明顯經濟利益的檢測技術開發。所以，傳統檢測技術的創新首先是觀念上的轉換和突破，然后是針對當前檢測技術不足，開發先進實用的新型檢測技術。由于當今地震儀器的綜合技術性能主要包括獨特功能、軟件特性、常規物理特性、地震信號響應能力等內容，所以探索如何發展新型檢測技術也應圍繞這些內容進行。

在地震信號響應能力的質量控制方面，雖然現行的檢測技術基本滿足要求，也能總體保障所采集地震資料品質，但是一直沿用的習慣做法(如按標準錄制日、月、年檢驗)卻是形式多于作用。實際工作效果證明，數字電路極少影響地震信號響應性能，只有常規檢波器[5]、地震電纜、接插件等模擬部件常會因技術性能變差而影響地震資料質量。所以，在技術檢驗方面應突出對檢波器、地震電纜、接插件等模擬部件的測試，對數字電路可少測或略測。另外，日、月、年檢驗的這種形式也應該變革，根據近十年定時技術檢驗所發揮的作用，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性能的質量。

在軟件特性和先進功能方面的質量控制，目前還沒有統一規范的檢測技術和方法，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的固有能力，而且還可能忽視系統存在的質量缺陷。為確保系統的工作質量并及時發現存在的隱患，也應該仿照地震信號響應性能檢測方式來測試先進功能和軟件特性。測試項目主要應包括：數據傳輸率、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、可實時采集通道數及各個應用軟件的健壯性等所有涉及系統軟件特性和先進功能的內容。在檢驗周期方面，因為軟件特性和系統功能不易發生變化，所以只需在項目開工時實施一次性技術檢驗。目前的網絡遙測地震儀器大多沒有開發檢測軟件特性和先進功能的技術，所以需要制造商針對性地開發軟件特性和系統功能的測試和分析程序。

在常規物理特性方面的質量控制，目前也沒有統一規范的檢驗技術和方法，大多在設備交接和驗收過程中通過目測或簡單的計量進行質量控制。實際工作中，常規物理特性，如防水能力、功耗、體積、重量等經常直接影響生產速度和效益，所以控制好這些特性的質量具有較強的實用價值。因此，新型檢測技術的又一創新點便是實現對常規物理特性的規范測試。因為除功耗、防水性能、接觸電阻外，其它常規物理特性基本不變，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檢驗。

此外，與檢測技術相配套的技術檢驗標準也應適時調整。當前，與產品對應的地震儀器技術檢驗標準都沒有直接涵蓋軟件特性檢測、先進功能檢測和常規物理特性檢測等質量控制內容。因此，為對當代先進地震儀器實施全面質量控制，應在行業范圍內制訂能夠涵蓋地震儀器綜合技術性能質量控制的技術檢驗標準，以適應地震儀器技術發展和物探技術進步帶來的新需求。

總而言之，創新和發展新型檢測技術的宗旨在于減化工作程序、降低勞動強度、提高客觀控制系統整體工作質量能力，并在確保地震數據質量和系統工作質量的同時，最大限度地發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檢測技術升級操作對象，通過建立相應的規則、模型以及開發相應的程序形成全新的檢測技術體系。

3 認識與建議

通過對地震儀器檢測技術的探討，結合長期從事地震資料采集裝備應用和開發技術研究的切身感受，作為工作經驗分享和創新探索嘗試，特提出如下認識和建議。

1)應以物探技術發展需求為導向，規范地震儀器綜合技術性能項目和指標的定義。當前地震儀器的技術指標均由生產廠家給出，內容項目不統一，定義內涵也不一致，用戶很難依據給出的技術指標去量化比較或評價不同的地震儀器技術。為提高效率、節約資源、規范表述，建議在全球范圍內制訂統一的適合設計制造和生產應用的地震儀器技術指標體系。

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

3)除檢波器的耦合效果外，可能影響地震信號響應效果的環節主要是模擬部件技術性能，所以實際工作除應做好檢波器的埋置，還應把檢波器、地震電纜、接插件等模擬部件的技術性能作為質量控制的關鍵內容。

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

5)應建立第三方檢測機構作為量化評價地震儀器技術性能的平臺。當前的地震儀器都有自主檢測功能，但其檢測結果因受信號源精度、數學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，致使測試結果沒有橫向可比性。為公平、公正、全面地反映系統的先進性和技術特點，應通過更高級別精度的第三方檢測機構來檢測地震儀器的綜合技術性能，以便得到客觀、真實、可比的量化技術指標，并由此指導用戶的選型和應用。

這里對地震儀器檢測技術的探討主要基于當前地球物理技術發展需求和地震資料采集裝備技術現狀而展開的，所做的調查研究和科學認證工作有限，所提及的個別技術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。

[1] 孫傳友,高光貴.遙測地震儀器原理[M].北京:石油工業出版社,1992：12-113.

[2] 易碧金.地震數據采集站原理與測試[M].北京:電子工業出版社,2010：140-175.

[3] 王喜雙.物探監督[M] .北京:石油工業出版社,2012：116-161.

[4] 劉益成.信號處理與過抽樣轉換器[M].北京:電子工業出版社,1997：59-148.

[5] 蘇振華.地震數據采集系統基礎[M] .北京:電子工業出版社,2012：183-200.

[6] 陸基孟.地震勘探原理(下冊)[M].東營:石油大學出版社,2005：123-193.