地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (11): 3690-3698   PDF    
引用本文
赵春蕾, 卢川, 郝天珧 等. 高精度组合式轻便小型可控震源的研究. 地球物理学报, 2013, 56(11): 3690-3698, doi: 10.6038/cjg20131110.  
Zhao C L, Lu C, Hao T Y, et al. A study of the high-precision modular lightweight small vibrator. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 2013, 56(11): 3690-3698, doi: 10.6038/cjg20131110.  
高精度组合式轻便小型可控震源的研究
赵春蕾 , 卢川 , 郝天珧 , 张妍     
中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
收稿日期 2013-04-06, 2013-10-28 收修定稿
基金项目: 国家自然科学基金(41210005)、863计划(2012AA09A202)联合资助、国家重大科研装备研制项目"深部资源探测核心装备研发"(ZDYZ2012-1)-08子项目"组合式海底地震探测装备"-01课题"组合式海底地震采集节点研制与海上应用试验"、国家重大科学仪器设备开发专项项目"海底地震监测仪器开发和应用"(2013YQ120357)联合资助
作者简介: 赵春蕾, 女, 1980年生, 工程师.2003年毕业于北京工业大学机械设计制造及其自动化专业, 主要从事海底地球物理仪器的机械结构设计与测试工作.E-mail:zcl@mail.iggcas.ac.cn
通讯作者: 郝天珧，女，1957年生，研究员，博士生导师.主要从事海陆油气盆地综合地球物理研究.E-mail：tyhao@mail.iggcas.ac.cn
摘要: 由于自动控制、信号叠加等技术的不断发展, 使得可控震源不断完善, 成为我国地震勘探的重要手段之一.高精度组合式轻便小型可控震源是地震勘探中用于浅层地震勘探的一种高精度的激振设备, 其组合安装模式适合于特殊复杂的野外环境, 可以实现流动野外地震观测, 能够产生高重复性, 高精度的叠加信号, 弥补了炸药震源在地表条件差及城市环保区无法施工的缺陷, 在中浅层勘探中取得了较好的效果.发展适用于中浅层地震勘测的高精度轻便小型可控震源应用于地震野外勘探, 也适应了当前技术及市场的需求.本文从工作原理、系统构成和结构特点等角度对高精度组合式轻便小型可控震源进行了初步的研究, 并针对野外的数据验证其可靠性和实用性.
关键词: 可控震源      地震勘探      组合式震源      结构设计     
A study of the high-precision modular lightweight small vibrator
ZHAO Chun-Lei, LU Chuan, HAO Tian-Yao, ZHANG Yan     
Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: Due to the steady development of automatic control and signal superimposed technology, the vibrator is becoming one of the most important methods in seismic exploration. The high-precision modular lightweight small vibrator is a kind of high precision excitation equipment used for seismic exploration in the shallow subsurface. Its combination mode is suitable for complex environments, generating reproducible and high precision superposed signals. Under poor surface conditions or in environmental protection areas, this lightweight vibrator can take the place of explosion sources and achieve good results in shallow exploration. Therefore, developing the high-precision lightweight vibrator for shallow seismic exploration is adapted to the needs of current technology and market. This paper presents a preliminary research from the perspective of working principle, system composition and structural features of the high-precision modular lightweight vibrator. Field tests have verified its reliability and practicality..
Key words: Vibrator      Seismic exploration      Modular vibrator      Structural design     
1 引言

近年来，可控震源在我国地震勘探中的应用越来越广泛，已经逐渐成为地震勘探中重要的激发震源之一，与其他类型的震源相比具有频率可控、高精度相位控制等优势，更有针对性地进行地震数据采集，能极大提高工作效率.

夯击震源是20世纪80年代就出现的一种早期的可控震源，它是一种以建筑工地上的打夯机为基础，通过控制其振动频率和微震动次数的工作方式而设计的一种小型可控震源.美国Geometrics公司和芬兰VIBROMETRIC公司以及德国等都先后研制了不同型号的夯击式可控震源[1].夯击式可控震源体积小，易携带，但是价格昂贵，信号输出精度不高，输出功率较小，在国内没有得到广泛使用[2-4].

非炸药震源中使用最多的是电火花震源，它利用脉冲电容器组存储电能，通过高压放电开关使放电电极快速在水中释放产生强大的压力脉冲，对大地作用形成地震波，可以在深、浅井和水域中激发.中科院电工所研制的电火花震源和湖北荆州长大物探仪器研发团队研制的电火花震源[5-6]，其能量等级为50J-400KJ[7]，在海上地震勘探中应用比较广泛，但操作繁琐，信号重复性较差[8-9].

电磁式可控震源是为了研究浅层地震勘探设计的一种轻便高频可控震源，由电流线圈和磁铁线圈组成，当电流通过时产生交变信号，振动器起振，其工作频率范围可达上千Hz.荷兰、日本和美国都相继研制了这种电磁驱动方式的轻便可控震源[10].在我国，吉林大学国家地球物理探测仪器工程技术研究中心自行设计了国内的第一台电磁驱动的轻便可控震源，输出频率范围为5~1400 Hz，最大输出力为1000 N[11].但受其机械结构和工作方式的限制，提高有效的输出力比较困难.

液压驱动式可控震源也是陆上可控震源的一种，它是采用高压液压油驱动振动器做往复运动，从而使活塞杆驱动锤体落在地面平板上的振动方式[12].在国内，中国石油东方地球物理公司自主研发了KZ系列液压式可控震源，频带范围为6~180 Hz，输出力在几十KN[13].液压式可控震源由震源车托载进行作业施工，易形成噪声污染与植被破坏等问题，其应用范围受到了一定的限制.

精密机械可控震源的发展源自俄罗斯和日本，是陆地上使用的一种主动式可控震源.其以偏心轮为主要旋转体作为动力源，向地面施加垂直向下的作用力，从而使地面产生振动.其最显著的特点就是长时间运行条件下可以保持较高的振动相位精度，产生高度可重复的激发信号.同时，其对周围的环境造成的影响小.俄罗斯的可控震源主要有40 T和100 T两种级别，振动频率为5~15 Hz.日本的精密可控震源是5 T级别的，最高频率为25 Hz.在国内主要有北京港震机电技术有限公司最早研究这项技术，相继研制过5 T和40 T级的精密可控震源.精密可控震源具有良好的可控性，振动稳定性和重复性，接收端数据经过多次叠加和相关性处理，有效传输距离可达数百里.但由于其质量大，自重均在数吨以上，不便于运输，同时对架设环境提出了更高的要求，无法满足对复杂地形的施工要求[14-15].

可控震源在地震勘探中表现出的技术优势主要在于：

1）激发频率的可控性和高的相位精度.

2）在野外复杂工作环境下，具有长时间工作可靠、稳定和便利的特点.高精度组合式轻便小型可控震源采用了模块化设计，单一模块重量均不超过30 KG，并能够实现快速拆卸安装，易于实现野外流动地震观测.

利用GPS模块提供的高精度时钟控制伺服电机驱动偏心轮振动，可以实现长时间连续激发和接收端多次信号叠加.

2 高精度组合式轻便小型可控震源的系统设计

高精度组合式轻便小型可控震源的整体结构见图 1.它是由两个完全相同的震源单体组装在一块耦合板上，其中每个震源单体由伺服控制器、电机、传动轴和激振箱体组成.激振箱体内的激振体是偏心轮式结构，由伺服控制器驱动两个偏心轮反向旋转，产生对地的合力.编码器安装在电机轴上，与伺服控制器组成了精密可控的闭环系统.

图 1 高精度组合式轻便小型可控震源整体结构 Fig. 1 Structure of the high-precision modular lightweight small vibrator
2.1 偏心轮的设计

偏心轮是精密可控震源的激振体，其工作原理见图 2.高精度组合式轻便小型可控震源的激振体是由两个旋转的偏心质量体组成，在旋转过程中质量体的离心力的垂向方向对地作用产生振动[17]，旋转体产生的力可用公式表达为

图 2 可控震源激振器原理示意图 Fig. 2 Schematic diagram of vibrator shaker

(1)

其中F为离心力，M为偏心激振体的旋转质量，R为旋转体的质心距，ω为角速度.一般情况下，精密可控震源对地的作用力是幅度与角速度的平方成正比的变频余弦信号，因此可控震源产生的信号形态取决于角频率的时间函数.

偏心轮是由多个矩形块通过螺栓串接在主轴的中心位置上，矩形块的数量可调.这种结构可以使激振体在尽可能小的质量前提下，达到最大的冲击力.同时可以通过调节偏心轮的重心和质量来改变输出力的大小.激振箱体内部结构图见图 3.此结构已获得发明专利（专利号：201110122287.1）.

图 3 激振箱体内部结构图 Fig. 3 Diagram showing structure of excitation cabinet
2.2 传动轴连接方式

高精度组合式轻便小型可控震源与传统的精密可控震源在结构上的明显不同是采用了传动轴作为力的传输部件，传动轴由橡胶阻尼的联轴器、连接轴和万向节组成.可控震源在工作中因负荷变化或者电机与激振箱体两端的安装位置不同，都会使得输出轴与输入轴之间的夹角和距离产生变化，从而使整套系统产生跳动和扭转.而利用传动轴两端的万向节连接法兰盘来固接三相伺服异步电机输出轴与激震箱体内激振体输入主轴，则在一定程度上减少了两者的互相干扰.传动轴两端通过螺栓固接，可以实现可控震源的快速安装和拆卸[19-20]，利于实现野外流动观测.高精度组合式轻便小型可控震源实物图见图 4.此结构已获得发明专利（专利号：201110122287.1）.

图 4 高精度组合式轻便小型可控震源实物图 Fig. 4 Photograph showing real high-precision modular lightweight small vibrator
2.3 耦合板的设计

为讨论精密可控震源的输出功率与机械系统的响应关系，需要做组合式轻便可控震源与大地的耦合系统分析，从而为耦合板的设计提供理论依据.

可控震源的耦合板作用于地表面，可以理解为将已知扫描信号作用于弹性地基支撑的薄板上[20].利用弹性动力学的理论来分析其作用过程，并确定参数，即系统对地的作用力Fgr，系统消耗的功率Wgr，以及地面下移的距离Ugr.整个系统的图形描述见图 5a.

图 5 可控震源与大地耦合系统分析图 Fig. 5 Vibrator device and the earth-coupled system analysis

把质量为Mi偏心锤产生的力记作F0 0，施加给质量为Mpl的耦合板.耦合板有可能受到质量为Mpr的负载的力.负载Mpr与耦合板的关系通过弹性系数Kpr关联且相对耦合板是对称的.

假设大地的弹性系数为Kgr，阻尼系数为Rgr，关联质量为Mgr，且耦合板从不与地面托耦（Ugr=Upl）.这种结构可以用机械（震源装置与大地）和电路互换法来考虑问题.首先确定机械结构的基本参数（Mpr，Kpr，Mgr，Kgr，Rgr等），在电路系统中，用电感替换质量，电阻替换阻尼系数，电容替换弹性系数，电压替换力，电流替换速率.这样可以建立一个循环，如图 5（b，c）.

由于

所以对地的力为

(2)

阻抗可写为

其中

根据欧姆定律，有

(3)

所以对地面的作用力Fgr可以表示为

(4)

(5)

(6)

如何合理的选择Zgr，Zpr，Zpl.把大地看作一个质量块，计算它的阻抗为Zgr=Fgr/Jgr=Fgr/（pUgr）.震源装置放在面积为Sgl地面上，且深度z=0.那么Ugr的值就是均布在面积为Sgl地面上产生的垂直位移.同样Zgr可以根据下列能量关系式表示：

(7)

式中系数C0为地面阻抗（C0=Kgr），系数C1为阻尼系数（C1=Rgr），C2是地面参与系统中的质量（C2=Mgr）.

理想半空间比拟法中Fgr与r0共同作用于这个系统，根据

(8)

(9)

(10)

（8）式中γ=Vs/Vp，Vp为纵波速度，Vs为横波速度，（7）式中的系数C3，C4，…的数值小到可以忽略.而地面参数C0C1，C2在深度z=r0的时候对结果有重要影响.

例如在z=2r0的深度上，有个刚性介质层，那么此时Kgr可以被忽略.

当设计一个频率为10 Hz的震源时，负载的共振频率fpr一般为2~3 Hz，很大程度上衰减了震源的工作频率，因此取Zpr=0，这时可以得到以下的关系式：

(11)

(12)

(13)

(14)

综上所述可以推出：

(15)

(16)

(17)

由此，可以认定可控震源的耦合板与其选用的材料、面积、重量息息相关，对于整个闭环系统信号输出的稳定性也起着至关重要的作用.

高精度组合式轻便小型可控震源耦合板在结构上与激震箱体的底面通过固定螺栓连接，激振箱体位于耦合板中部，耦合板四周安装若干螺柱，将等重量的几块配重板固定在耦合板四周的螺柱上，根据系统需要调整配重板的数量，以使耦合板的参数满足稳定系统的要求.

2.4 可控震源伺服系统设计

可控震源伺服系统如图 6所示，包括GPS模块、单片机控制器以及人机交互显示模块.GPS模块采用北京泰福特电子科技有限公司生产的HJ5441 GPS时钟模块，其技术指标为：

图 6 可控震源伺服系统 Fig. 6 Servo system of vibrator

1）准确度：＜1×10-12（24小时平均）；

2）稳定度：5×10-10/s（优选）；

3）1 pps授时精度：＜50 ns（1δ）.

该时钟模块10 MHz频率输出与单片机时钟源连接，持续为其提供高精度时钟信号，保证激发信号的高相位精度.使用触摸屏作为人机交互界面，可通过触摸方式对可控震源的扫频时间、扫频带宽及扫频方式等参数进行设置.单片机控制器通过输出端口与电机伺服驱动器连接，将已输入的参数转换为电机正交编码器能够识别的控制脉冲及方向信号，控制电机的运行方式.电机的运行状态由正交编码器输出，通过正交编码接口解码与可控震源控制器保持通信，实时反馈其工作状态.震源伺服系统可确保多台可控震源单体同步运转，实时控制其运转精度，由于其使用GPS时钟信号进行同步，激振单元运转过程中不产生相位累积误差，其输出信号相位瞬时精度小于0.1°.

3 野外技术测试结果分析

研制的高精度组合式轻便小型可控震源，本项目组于2011年8月1日至2011年8月2日在贵州省安顺市贞丰县者相镇尾洒村进行了野外测试.为测试该装置在野外条件下多模式扫频工作的可靠性，设计了对应实验，具体实验参数：

1）扫频模式：1~10 Hz，5~20 Hz，20~40 Hz，1~30 Hz，1~40 Hz，其扫频信号频带宽度由窄到宽，分别为9 Hz，15 Hz，20 Hz，29 Hz，39 Hz.

2）扫频顺序：1~30 Hz-＞1~40 Hz-＞5~20 Hz-＞20~40 Hz-＞1~10 Hz，在此扫频顺序下，频带宽度依次为29 Hz，39 Hz，15 Hz，20 Hz，9Hz.以输出信号扫频模式的无规律频繁变换检验便携式可控震源输出信号的精确性.

3）扫频时间：为了与实验车检波器的记录时间保持一致，单次扫频时间为48 s.为了检验可控震源长时间工作情况下性能的可靠性，预计工作时间为4 h不间断工作.

4）可控震源及检波器布置：选取硬质地面作为震源工作点，在其延长线方向以10 m为间距等距离布置1-6号检波器，7号检波器作为6号检波器的备份.

按照预先设计的多种扫频模式进行变换的实验程序，震源持续工作四个小时.在实验中，添加了10~40 Hz，30~40 Hz两种扫频模式，增加了可控震源扫频模式的随机性，实际扫频工作顺序为：

1~30 Hz-＞1~40 Hz-＞5~20 Hz-＞10~40 Hz-＞20~40 Hz-＞30~40 Hz-＞1~10 Hz.

在此扫频顺序下，不同扫频模式下的输出信号波形见图 7.

图 7 不同扫频模式输出信号波形 Fig. 7 Signal waveforms output by different sweep modes

图 8为四种扫频模式下的信号波形，选取扫频模式中波形分辨较好1~30 Hz的扫频信号进行时-频变换并进行多次叠加[15-16]，得到结果见图 9，可以见到不同距离检波器接收到的扫频信号经时-频变换后出现较为明显的多重震相[22-24].

图 8 从上到下分别为5~20 Hz、1~30 Hz、10~40 Hz、20~40 Hz四种扫频模式的信号波形 Fig. 8 From upper to lower:signal waveforms of four sweep modes 5~20 Hz, 1~30 Hz, 10~40 Hz, and 20~40 Hz
图 9 多次叠加后的时-频变换波形 Fig. 9 Multiply superimposed time-frequency transform waveforms

高精度组合式轻便小型可控震源的组合安装模式也在野外试验中得到验证，由三人进行组装调试.各机械组件均使用螺栓固定，野外条件下进行组装也较为方便，组装过程约20分钟.

4 结论与讨论

研制的高精度组合式轻便小型可控震源野外测试结果表明：激发信号重复性好、适合叠加，能有效增强信号.不同频率其激发的波形幅值有所变化，值得进一步研究.

随着地震勘探技术的发展和环境保护的要求，可控震源所表现出的优势越加明显.高精度组合式轻便小型可控震源在浅层地震勘探中存在着巨大的潜力，其优点不仅在于其模块化的安装方式，易于实现流动地震观测，并且可以灵活的实现震源组合功能，通过激发精确的相位控制实现多台激发，信号同步叠加，大大提高了施工效率，且对周围环境及植被影响较小.

目前，高精度组合式轻便小型可控震源已在很多地震勘探环境中得到成功的应用.其广泛的实用价值正日渐表现.

致 谢

江苏省华东有色地质勘察局项目“金属矿地震成像系统研制”在仪器研制中给予了支持，刘光鼎院士和游庆瑜研究员在研制过程中一直给予支持与指导，胡忠义工程师和博士研究生王肃静同学、硕士研究生徐锡强同学在本文撰写过程中提出的宝贵意见，在此一并深深感谢！

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