相位检波器测相位噪声

动圈式模拟检波器20dx与MEMS数字检波器DSU3主要在跟踪物理量、频率响应、绝对动态范围、相对动态范围、对于电磁干扰的响应、组合方式、耦合效应、矢量保真度等8个方面存在可能导致数据表现不同的性能指标方面的差异。当然，其中有些差异并没有在图3-9中形成直观的表现，但是他们仍然是对数据质量有影响的。

（一）跟踪物理量

在很多文献中直接将动圈式模拟检波器与MEMS数字检波器的野外监视记录进行对比，如图3-10所示，进而得出后者高频更加丰富的结论。但是这种做法忽略了一个事实：两种检波器跟踪的物理量是不同的。

图3-10　直接将数字、模拟两种检波器接收到的数据进行比较是不合理的

20dx动圈式检波器输出的是模拟电信号，模拟电信号经数字化以后与检波器外壳振动速度在一定频带范围内具有线性关系，即速度型检波器。DSU3数字检波器输出的是数字信号，并与检波器振动加速度在一定频带内具有线性关系，为加速度型检波器。因为跟踪的物理量（位移、速度、加速度）不同，所以不同类型检波器得到的地震数据具有不同的数据特征（图3-11，由左至右依次为位移，速度，加速度）。因为加速度振幅谱与速度振幅谱存在线性关系（a＝2πfv，a为加速度，v为速度，f为频率，图3-12），所以加速度振幅谱的高频成分更为丰富，表现为加速度检波器接收到的数据频率更高（表3-3）。因此直接将跟踪不同物理量的两种检波器（20dx、DSU3）产生的记录或者剖面进行对比，并且断定DSU3高频更加丰富是不合理的。对于同一个脉冲振动而言，位移、速度、加速度的波形、振幅、主频均不同，主频依次提高，但是这种主频的提高仍然反映的是同一个振动，是同一振动的不同表现形式，并没有本质的不同。所以，将MEMS数字检波器接收到的数据积分为速度，频率自然会下降（图3-13）；或者将动圈式检波器接收到的数据微分为加速度，频率自然会提高（图3-14）。比如对于同一段环境噪音而言，仅仅进行微分，就会使得其频率提高（图3-15），但是这种提高是没有实质意义的。如果要将20dx、DSU3数据进行相互比较的话，应该放到同一个域（速度域或者加速度域）进行。即使DSU3生产商提供的《用户手册》中也是这么做的（图3-16）。

图3-11　同一个振动在不同域内的表现（从左至右依次为位移、速度、加速度）

图3-12　同一振动在速度域与加速度领域不同幅频曲线

表3-3　图3-11中3个波形在速度域与加速度域主频的差异

图3-13　动圈式检波器20dx的速度与加速度监视记录

图3-14　数字检波器DSU3的速度与加速度监视记录

图3-15　环境噪音分别用速度（红）、加速度（蓝）表示时的归一化振幅谱与波形（小图）

图3-16　两种检波器同在速度域的比较（据舍赛尔公司《428XL用户手册》，2006年）

所以，从视觉来讲，频率越高，加速度的优势越明显；频率越低，加速度的优势越弱。但是，从振动的角度而言，只要检波器忠实地记录大地振动，位移、速度、加速度都可以互相转换，是一个问题的不同表现形式而已（当然，这里没有考虑机电转换过程中电噪声的影响）。

同时，应该认识到，加速度接收与加速度显示不同。两种检波器都可以用速度或者加速度显示（图3-17）。将动圈式检波器20dx的单炮与数字检波器DSU3的单炮直接比较的错误在于速度显示与加速度显示的比较。因为加速度显示相当于进行了“高频提升”，所以主频会相对较高。加速度显示相对于速度显示是否会有较大优势主要取决于信号与噪音频带的“相对态势”，看信号被提升的程度大还是噪音被提升的程度大。

图3-17　两种检波器都可以显示为速度或者加速度

（二）频率响应

20dx与DSU3对接收到的机械信号具有不同的滤波响应（图3-18）。从图3-18可见，20dx检波器在低频端具有12dB/oct的衰减；同时虽然20dx检波器的自然频率为10Hz，但是低频衰减直到30～40Hz才能结束。在此频段以下，不考虑电噪声的情况下，磁带数据较检波器外壳机械振动的低频部分要弱得多。

图3-18　DSU3（红）与20dx（蓝）的振幅响应

DSU3在800Hz以内是“全通”的，低频部分没有衰减，所以表现在记录上就是DSU3的低频较为丰富。比如，图3-19、3-20分别为相邻10cm的、20dx与DSU3检波器接收到的同一炮数据，上、中、下分别为加速度、速度、位移波形。从图3-19（20dx）可见，面波的主频约为10Hz，但是同一面波在图3-20（DSU3）中却表现为3Hz左右，这正是图3-18中DSU3低频端没有衰减所导致的。但是，图3-20中DSU3在位移上表现出的极低频是真实信号的反应、还是由噪声因素导致的，有待于进一步研究。

图3-19　模拟检波器20dx接收到的加速度、速度、位移波形

图3-20　数字检波器DSU3接收到的加速度、速度、位移

对于模拟检波器，振幅响应及相位响应都存在畸变，但是因为频率（振幅与相位）响应是已知的，所以经过“检波器反褶积”（详见第三章第三节）、对振幅与相位进行补偿后，不同主频检波器的资料面貌不会出现太大的差别。但是“检波器反褶积”难以弥补“极低频”部分（比如1～3Hz及以下）的损失。

动圈式检波器的寄生震荡对其频率响应也会有影响，但是因为陆上石油勘探的兴趣频段在200Hz以下，所以只有在某些特殊情况，比如检波器歪斜的时候，才会表现出来。

DSU3制造商舍赛尔公司为了与模拟检波器相比较，提供了一个相当于10Hz模拟检波器低频滤波效应的低截滤波器供客户选择［42］。但是，因为10Hz低截滤波的频率响应与模拟检波器的频率响应不同（图3-21），10Hz低切滤波较动圈式模拟检波器的滤波效应保留了更多的低频成分。表现在数据上，即经过10Hz低切滤波器后的数据较经过动圈式检波器滤波后的数据振幅要强，提高了同相轴的连续性（图3-22）。所以，在实践中不宜用低切滤波来代替“检波器自身的滤波效应”进行检波器比较，而应该编写专门的与检波器滤波效应相同的滤波器。

图3-21　检波器滤波效应与10Hz低切滤波不同（振幅响应）

图3-22　检波器滤波效应与10Hz低切滤波不同（波形）

（三）绝对动态范围

当地震波在非完全弹性介质中传播时，其振幅按以下公式变化：

式中，A0——震源发出的地震波的初始振幅；

　A1——地震波传播时间t后的振幅；

　Q——与介质吸收特性有关的无量纲参数；

　f——地震波的频率。

由上式可得到地层的对数传输函数E（f）为

令β＝-8.69t

由上式可见，同样的地层对地震波衰减的分贝数与频率成正比，与传播的时间成正比。这表明频率越高，深度越深，地层对地震波的衰减越大。［43］

李庆忠院士曾经对一典型的新生界沉积盆地不同旅行时地震波的大地吸收衰减进行过计算。在3s处地震反射波波的吸收率为0.91dB/Hz，那么10Hz与120Hz地震波的吸收衰减就会相差近100dB，相应地深层低频信号的能量就会比高频信号大几个数量级。［44］同时，由震源激发的震源子波在远离主频的低频端，其能量也相对较弱。而这些低频弱信号对于识别某些特定的地质现象也具有重要意义。所以，无论低频信号还是高频信号都存在弱的成分，都是我们追求的目标。而反射弱信号能否被记录下来的一个重要决定因素是地震采集设备——主要是地震仪与检波器——的动态范围。

数字地震仪曾经采用瞬时浮点放大器（IFP）与普通A/D转换器配合提高仪器的动态范围，它的理论动态范围可达168dB。但IFP由复杂的模拟电路构成，电路本身噪声的影响使之与15位A/D转换器配合后的实际动态范围低于110dB；同时，因为这种地震仪在体系结构、多通道、智能化等方面能力不足，难以满足高分辨率地震勘探的要求。因此，20世纪90年代末研制出了新一代高分辨率数字地震仪，其记录地震信号的频率范围可达0～400Hz，幅值动态范围可达130dB左右。因为地震仪的动态范围是由组成地震仪的各个硬件的性能参数决定的，并不随着输入信号的改变而改变，为了与检波器线性畸变所定义的动态范围相区别，笔者将由地震仪所定义的动态范围称为“绝对动态范围”。因为这个动态范围对于确定的仪器、参数来讲是固定的，由前置放大器、A/D转换器、电噪声等因素决定，不会随着输入信号的改变而改变。

1.绝对动态范围的影响因素

绝对动态范围主要与前置放大器、A/D转换器等元器件有关。

（1）前置放大器。

地震仪前置放大器的作用主要有3个：①阻抗匹配作用；②消除或抑制由检波器串引入的共模干扰；③对检波器的差模信号进行增益放大。对于不同的前放增益，其电路允许输入的最大不失真信号以及入口噪声是不同的，因此对应于不同的前放增益有着不同的动态范围。选用增益的大小主要依据反射波振幅的强弱，强振幅用小增益，反之用大增益。

（2）A/D转换器［39］。

①A/D转换器的量化误差。

设A/D转换器转换结果的误差为ε，则

式中，εq——量化产生的误差；

　εe——地震仪各种电子元件产生的热噪声。

A/D转换器的相对误差δ为

式中，E为A/D转换器的满标值。

若A/D转换器的量化电平为q，A/D转换器位数为n，则εq＝±q/2，因此，δq＝εq/E＝E/2n＋1。

由上式可见，当n达到一定值时，δq将小于δe。此时，再增大n已经没有实际意义。实际上，当A/D转换器的分辨率要求在18位以上时，积分型、逐次逼近型和直接比较型A/D转换器的电路结构本身的噪声影响很难克服。

② ∑-Δ转换器的特点

∑-Δ转换器又称为过采样转换器，它根据∑-Δ调制总和增量调制的原理，将转换器的动态范围提高到120dB以上，采用∑-Δ转换器采集站的框图如图3-23所示。

图3-23　以∑-ΔA/D转换器为核心的采集站框图

24位∑-Δ转换器与“15位A/D＋瞬时浮点放大器”的采集站相比，省去了模拟高切滤波器、多路开关、采样保持器及瞬时浮点放大器，使电路大大简化，体积小、重量轻。其性能具有3个重要特点。①瞬时动态范围大，一般可达130dB以上。②畸变小，因为模拟电路已减至非常少，畸变水平在百万分之五以下。③高切滤波器截止频率高；传统采集站抗混叠高切滤波器放在A/D之前，为模拟滤波器。由于大陡度模拟滤波器制造困难，因而一般将截频选在1/4采样频率以下，例如1ms采样时，3dB截频选在250Hz以下。但对于∑-Δ转换器来说，高切滤波在数字化之后进行，数字滤波器滤波特性可做得很陡、接近矩形，因而截频一般取在0.4～0.41采样频率。例如，对于2ms采样的∑-ΔA/D转换器，高截频可取206Hz左右；从206～250Hz，衰减可大于120dB，因而采集到的频率范围已相当于以往的IFP A/D转换器1ms采样的频率范围。数字滤波器的另一个优点是，可以做到严格的线性相位，因而减少了系统的相位畸变。［43］

2.几个与绝对动态范围有关的概念

在与地震采集设备有关的动态范围中，以下几个经常被提及，比如系统动态范围、瞬时动态范围等，但是却一直没有被清晰地区分。下面以目前广泛采用的428XL仪器以及动圈式模拟检波器20dx、MEMS数字检波器DSU3为例，详细讨论几个与绝对动态范围有关的概念及其对地震数据的影响。

（1）系统动态范围。

对于系统动态范围的概念不尽统一，笔者认为，系统动态范围就是A/D转换器最小量化噪音～AD转换器的最大量程，是由A/D转换器的位数定义。目前，广泛采用的24位定点模数转换器的动态范围是138dB（23×6），不是144dB（24×6）。因为

以往曾经采用的14位浮点记录格式的构成是

所以，对于定点24位模数转换器而言，138dB是能够记录到磁带上的样点值的最大范围：1～8388607（223-1）。

（2）瞬时动态范围。

地震仪中由各种电子元件产生的、换算至入口处的热噪声一般为数微伏，低于此幅度的信号将不能被地震仪准确地记录下来，所以入口噪声一般被称为地震信号的绝对死亡线。“换算到仪器入口的电噪音均方值～A/D转换器的最大量程”可以称为地震仪的瞬时动态范围。

以舍赛尔公司生产的428XL系列仪器为例，对于20dx模拟检波器而言，完成数字化的器件是A/D转换器；对于DSU3数字检波器来说，则是ASIC。无论哪种器件，只要转换位数是24位，理论上的系统动态范围就是138dB。但是因为电噪声的水平不同，在不同采样率下，其实际可以利用的瞬时动态范围也就有所不同（表3-4）。在同等采样率下，采用模拟检波器采集较采用DSU3数字检波器的电噪声稍小而动态范围稍大。但应该注意的是，因为两种检波器的追踪物理量（20dx-速度型检波器、DSU3-加速度型检波器）不同，所以其电噪声的比较，也应该放到同一个运动域——速度域或者加速度域——进行（图3-24）。因为对于不同检波器地震数据的比较，也是在同一个运动域内进行的。

表3-4　428XL在不同检波器以及不同采样率时的瞬时动态范围

从图3-24可见，在27Hz以下，电噪声20dx＜DSU3；但是在27Hz以上，电噪声DSU3 ＞20dx。也就是说，DSU3较20dx更适于高频信号（＞27Hz）的拾取。

图3-24　三种情况下电噪声的比较（加速度域）

如果将20dx的灵敏度提高6倍，或者将6个20dx检波器串联，则两条曲线的交点可以上升到大约162Hz（当然，这并不说明此时A/D转换器的电噪声会降低）。只是因为20dx与DSU3要转换为速度或者加速度才能进行比较，20dx灵敏度的提高会使得相同电压的电噪声被转换为速度或者加速度时变得更小，所以与DSU3比较时“交点”的数值就会增大。也就是说，在162Hz以下（石油勘探的主要目标频段），20dx较DSU3的电噪声更小，信噪比更高，动态范围更大。所以，提高灵敏度有利于扩大20dx较DSU3在低频端的瞬时动态范围优势。

（3）有效动态范围。

有效动态范围指的是可以保真地记录波形的动态范围。因为我们从A/D转换器中得到的数据需要连缀成波形才有地球物理意义，而非着眼于孤立单点，基于这个要求，对于地震仪所记录的地震数据而言，应该做到以下几点。

①至少记录4位，才能保证波形不至于产生较大的畸变（图3-25）。

图3-25　增加记录位数有助于减小采样噪音［（a）、（b）、（c）分别为2位、4位、8位记录时的波形与频谱；蓝色为采样后，红色为采样前］

②计算波形的动态范围，要根据有效值（RMS）而不是最大值。

对于428XL而言，可以记录的最大有效值1　600mV是信号动态范围的上限。如果超过这个上限，室内就无法恢复其真实波形。所以，基于记录波形而非孤立单点的需要，A/D转换器的有效动态范围应该掐头去尾，即

6×23（系统动态范围）-6×4（至少记录4位）

-20×lg（2　262/1　600）（有效值而非最大值）＝111dB

由上可见，系统动态范围与瞬时动态范围是由点定义的，而有效动态范围则是由线定义的。3种动态范围之间的关系是系统动态范围＞瞬时动态范围＞有效动态范围，对信号保真起主要作用的是有效动态范围。

3.前放增益对绝对动态范围的影响

由图3-23可知，数字地震仪数据采集站主要由前置放大器与A/D转换器两部分组成，下面以∑-ΔA/D转换器CS5321为例说明前放增益及输入噪声对地震仪瞬时动态范围的影响。CS5321为调制器，CS5322为抽取滤波器，它们共同完成A/D转换工作。在1ms采样时，其最大动态范围在满刻度信号Amax＝10V（有效值）时为-121dB，由此可求得其量化噪声为VA＝8.91μV（有效值）。在实际使用时，为了防止过载失真，最大输入模拟信号Vmax限制在8.91V（峰值），即5.792　6V（有效值），这样其实际使用的动态范围为-116.2dB。目前仪器广泛采用的输入噪声是一种等效输入噪声，定义为在不同前放增益的条件下输入短路时，由A/D输出端测得的电压值折合到前放输入端的数值。该等效噪声经前放放大后输入到A/D，因而可求得仪器的瞬时动态范围DR，前放增益K。A/D使用的最大输入信号Vmax与等效输入噪声Ve之间的关系为

若定义A/D的实际动态范围为DA（dB），则

等效噪声增益为

则有

定义仪器的动态范围D为前放增益与瞬时动态范围之和（注意定义前放增益为正值，动态范围为负值），则

表3-5给出了某仪器在1ms采样时，前放增益、输入等效噪声以及仪器的瞬时动态范围与动态范围。由表3-5及以上公式可以看到，当前放增益较小时，前放输出噪声较小，这时前放的等效噪声增益接近前放增益，仪器的瞬时动态范围主要由A/D的动态范围决定。当前放增益较大时，前放输出噪声增大，等效噪声增益小于前放增益，仪器的瞬时动态范围小于A/D的动态范围。从表面上看，增加前放增益可增加仪器的动态范围和减少等效输入噪声，实际上这是牺牲仪器的瞬时动态范围换来的，因而过高的前放增益是不可取的。［43］

表3-5　某仪器在采样间隔1ms时输入噪声与瞬时动态范围（带宽3～412Hz）

对于前放增益与“系统动态范围”、“有效动态范围”的关系与其跟“瞬时动态范围”的关系是一样的，或者可以将考虑前放增益在内的这种动态范围分别称为“总系统动态范围”、“总瞬时动态范围”、“总有效动态范围”。

以上讨论是基于地震仪整体硬件而言的，但是对于某一次具体的数据采集过程而言，只能采用某一个确定的增益，那么这时候对数据记录质量起主要作用的，仍然是“有效动态范围”。

4.检波器的灵敏度确定以充分利用A/D转换器的动态范围为原则

DSU3数字检波器与20dx模拟检波器的灵敏度不同，分别是452mV/m/s、20.1V/m/s，这种差异可以从初至波的幅度上看到（图3-26）。但是无论灵敏度是多少，接收最强地震波时都应该达到或者略小于24位A/D转换器的最大量程［图3-27（a）］，以便使得弱信号尽量多地进入A/D转换器而不被电噪声及采样噪声所淹没。就单个20dx与单个DSU3对比而言，在东营HJ地区，DSU3只浪费了大约4.5dB的量程［图3-27（b）］，20dx的因为灵敏度较低（单个不组合），所以浪费了约29dB的动态范围［图3-27（c）］；经过6个20dx串联后，这种情况会有所改善，浪费了大约13dB［图3-27（d）］。所以，在不超过A/D转换器动态范围（超调）的情况下，提高模拟检波器的灵敏度有利于增加A/D转换器的可用动态范围，提高数据的信噪比，但是应以充分利用A/D转换的最大量程为原则（不超调）。

图3-26　两种检波器初至波电压的比较

图3-27　不同检波器利用的A/D转换器动态范围（以东营HJ地区为例）

DSU3、20dx两种检波器灵敏度不同导致的另外一个比较直观的现象：下雪的时候，DSU3可以从仪器噪音监视器上看到明显的响应（红色，代表输出电压高），而20dx的反应则远没有那么强烈（绿色为主，代表输出电压低）。这也被认为是数字检波器更有利于拾取弱信号的最直接而感性的证据。但事实并非如此，这种现象仍然主要是由于两者的灵敏度不同导致的（图3-28）。

图3-28　同等激励下，DSU3输出的电压更高（红：DSU3，蓝：20dx）

尽管两者的灵敏度不同，利用的动态范围不同，但是如果输入机械信号比较强的话，将两种检波器接收到的数据转换为同一个运动域（速度或者加速度），并进行频率响应校正后，其时域波形（图3-29）与振幅谱（图3-30）均无太大差异。但是如果输入的机械信号较弱，由灵敏度导致的差异就会显现出来。

图3-29　归一化以后（加速度），二者波形基本一致（DSU3：黑，20dx：蓝）

图3-30　归一化以后（加速度），二者频谱基本一致

（DSU3：黑，20dx：蓝；150Hz以上的差异主要是耦合响应不同导致的）

5.24位A/D转换对当前地震勘探是适用的

从理论上讲，采用A/D转换位数越多，可采集数据的动态范围（强弱信号幅度之比的分贝数）越大。但是因为地震检波器拾取的信号既包含有效信号，又包含噪声（环境噪声、次生噪声、电噪声等），如果增加A/D转换器的动态范围后，接收到的数据中含有太多的噪声并且难以被有效衰减，那么采用更多的A/D转换位数、更精确地记录振动波形，对于提高信噪比、增强信号识别能力仍然不会有太大帮助。所以，采用多少位的A/D转换与所采集数据的信噪比有密切的关系，决定于后续压噪措施可以在多大程度上将信号识别、凸显出来。对于当前地震勘探去噪技术水平而言，24位A/D转换是适用的，32位A/D转换并无助于地震数据信噪比的提高。在这里，“信”指的是有助于识别地质现象的有效反射信号，“噪”则指除有效反射信号以外的全部。

图3-31为作者调查的东营HJ地区不同强度有效波与干扰波所占据A/D转换的位数。从图中可见，环境噪声可以占据到第9位；通过后续处理，如果可以将噪声的水平降低大约20dB，即相当于噪音占据到9-（20/6）≈6位（每一个二进位对应6dB），那么在6位以下仍然被噪音所占据；而在强噪声地区，噪声占据的数据位数更多。所以，增加A/D转换的位数，比如增加到32位，其主要作用是更加精确地记录了噪音，对于信号的识别并没有太大帮助。

图3-31　不同强度信号与噪声占据的A/D转换位数（23位数据位）

图3-32是一个模拟的结果。由图3-32可见，当只有信号、没有噪音的时候，32位A/D转换较24位A/D转换的确有利于提高信号的保真度（采样噪声小）。但是当加入随机噪声（A/D转换器最大量程的-80dB，信噪比非常高），两种A/D转换方式对于有效波频谱的影响并无明显差异；并且在某些复杂地区，噪音强度可以达到A/D转换器最大量程的-40dB。在这种噪音水平下，两种转换方式的差异就更小了。提高A/D转换位数的作用只是更加精确地记录了噪音（23位＝1/8388607，32位＝1/2147483647）。

所以，目前广泛采用的24位定点A/D转换对于当前石油勘探是适用的。它在处理技术方面取得较大进步，可以将噪音幅度极大衰减（30～40dB）的前提下，采用更高的A/D转换位数，扩大A/D转换器的动态范围，不会显著提高对有效信号的识别能力。

图3-32　无噪音时定点23位（a）、31位（b）采样与有-80dB噪音时定点23位（c）、31位（d）采样的振幅谱比较

基于同样的原因，瞬时浮点记录14位对于深层信号的记录也没有明显的优势。

24位定点A/D转换器记录浅层强反射时，记录的位数多、动态范围大，但是对于深层反射而言，因信号强度小，所以记录的位数也较少。在这种情况下，如果采用瞬时浮点A/D转换方式的话，其可以记录到14位，那么是否意味着对于深层反射，浮点记录更有利于提高深层弱信号的动态范围呢？下面进行分析。图3-33、图3-34分别为浮点A/D转换与定点A/D转换的原理示意图。

图3-33　瞬时浮点A/D转换（14位）原理示意图

假设某个深层信号反射强度可以达到定点记录的8位，同样反射强度如果用浮点记录的话，可以记录到14位，看似扩大了动态范围，有利于深层弱信号的记录（图3-35）。

图3-34　定点A/D转换原理示意图

图3-35　对于深层弱信号而言，定点与瞬时浮点A/D转换方式的差异

通过一个模拟（图3-36～图3-41）可以看到真实的情形。这里假设三种强度的地震波，分别可以达到定点A/D转换器的23位（满量程）、14位（大致相当于浅中层反射）、8位（相当于深层反射），分为无噪音与-80dB噪音（满量程为0dB）两种情况。相对实际资料而言，-80dB的噪音量级非常小，在野外环境中根本不存在，但可以定性地说明问题。

图3-36　满量程信号时，23位定点记录（左二图）比14位浮点记录（右二图）好（无噪声）

图3-37　相当于浅中层反射强度时，23位定点记录（左二图）与14位浮点记录（右二图）基本相当（无噪声）

图3-38　相当于深层反射强度时，定点23位记录（左二图）较14位浮点记录（右二图）差（无噪声）

图3-39　满量程信号、-80dB噪声情况下，两种记录方式基本相当（左二图：定点23位，右二图：浮点14位）

图3-40　相当于浅中层反射信号强度、-80dB噪声情况下，两种记录方式基本相当

（左二图：定点23位，右二图：浮点14位）

图3-41　相当于深层反射强度、-80dB噪声情况下，两种记录方式基本相当

（左二图：定点23位，右二图：浮点14位）

所以，由图3-36～图3-41可见，当存在机械噪音（-80dB）的时候，两种记录方式基本相当，瞬时浮点记录方式在记录深层弱信号方面并无优势。原因是对于深层信号而言，机械噪声太强了，通过现有的去噪手段很难去除干净，进而将由于采样位数提高而接收到的更多弱信号识别出来。在这种情况下，对于弱信号的识别而言，主要矛盾是“地面的机械振动噪音”，而不是由电子元器件带来的热噪声或者由A/D转换器带来的采样噪声。

（四）相对动态范围

检波器的谐波畸变指标决定了检波器的动态范围。包括20dx在内的多数模拟动圈式检波器的谐波失真在-60dB左右，而数字检波器DSU3的谐波失真则只有-90dB；相应地，20dx的动态范围为60dB，DSU3的动态范围为90dB（均指检波器自身的动态范围）。但是应该看到，尽管与前述绝对动态范围都属动态范围的范畴，并且单位都是dB，但是由谐波失真定义的检波器自身的动态范围与由前置放大器、A/D转换器所决定的绝对动态范围有着很大的差异，其计算公式、决定因素、物理含义均完全不同。如果根据检波器60dB的动态范围远远小于地震仪138dB的动态范围就认为前者动态范围小限制了后者大动态范围发挥作用，是片面的。

所以，为了与由前置放大器、A/D转换器共同决定的绝对动态范围相区别，笔者将由谐波失真定义的动态范围称为“相对动态范围”，因为这个动态范围是随着输入信号的强度而浮动的，不是固定不变的。

如果只是比较20dx与DSU3检波器的相对动态范围，显然后者更有利于提高信号的保真度。图3-42～图3-45分别为不同信号强度时，谐波畸变与A/D转换后的波形与频谱。其中，红色为原始信号＋谐波畸变，蓝色为原始信号＋谐波畸变＋A/D转换，左二图为畸变为-60dB时的波形与频谱，右二图为畸变为-90dB时的波形与频谱。由图3-42、图3-43可见，在信号比较强（初至波，浅层反射）时，相应的谐波畸变也比较强，但是-90dB的谐波畸变较-60dB谐波畸变在更大程度上保留了弱信号的成分；对于中层（图3-44）以及深层（图3-45）信号而言，由于输入信号比较弱，相应的谐波畸变也比较弱，此时采样噪声的影响就会先显现出来。中层反射线性畸变与采样噪声的量级基本相当（图3-44），深层反射线性畸变的影响更小于采样噪声，此时主要的矛盾就是采样噪声了（图3-45）。

但是，因为地震噪声（包括环境噪声、次生噪声以及电噪声）较有效反射波谐波失真产生的噪声（相对于信号而言，谐波失真产生的也是“噪声”）要大1～3个数量级（图3-46）。如果将输入信号中加入-80dB（最大量程为0dB）随机噪声的话，无论是初至波（图3-47），还是浅层反射（图3-48）、中层反射（图3-49）、深层反射（图3-50），-90dB还是-60dB畸变对于数据的影响都很小，二者采集到的波形、频谱基本相当，因为地震噪声的强度较线性畸变的强度要大几个数量级。左二图为畸变为-60dB时的波形与频谱，右二图为畸变为-90dB时的波形与频谱。所以，在去噪措施没有将地震噪声降低大约2个数量级的情况下，检波器的谐波失真由-60dB降低到-90dB很难表现为数据质量的提高。究其原因，是因为非失真噪声——环境噪声、次生噪声、电噪声——的强度太大了，远远超过了谐波失真所带来的噪声。如果今后去噪手段显著改进，可以大大衰减噪声的时候，检波器谐波失真小（由20dx的-60dB提高到DSU3的-90dB）的优势才会显现出来。同时，检波器失真（-60dB或者-90dB）是在严格的实验室条件下测得的，检波器放置到复杂的野外环境后，由于激发子波、传播路径、吸收介质、地表差异、环境噪声的影响，同一CMP道集内中同一反射层的有效反射信号之间的差异很容易超过检波器的失真噪声的量级（-60dB），使得检波器失真小的优势难以显现。

图3-42　两种检波器畸变量对初至波波形及其频谱的影响（无环境噪音，蓝-采样噪声，红-畸变噪声）

图3-43　两种检波器畸变量对浅层反射波波形及其频谱的影响（无环境噪音）

图3-44　两种检波器畸变量对中层反射波波形及其频谱的影响（无环境噪音）

图3-45　两种检波器畸变量对深层反射波波形及其频谱的影响（无环境噪音）

图3-46　东营HJ地区绝对动态范围、相对动态范围、信号以及噪声之间的相互关系示意图

图3-47　两种检波器畸变量对初至波波形及其频谱的影响（-80dB环境噪音）

图3-48　两种检波器畸变量对浅层反射波波形及其频谱的影响（-80dB环境噪音）

图3-49　两种检波器畸变量对中层反射波波形及其频谱的影响（-80dB环境噪音）

图3-50　两种检波器畸变量对深层反射波波波形及其频谱的影响（-80dB环境噪音）

同时，另外一个需要注意的现象是，检波器自身性能指标（谐波畸变、校准精度、允差等）的提高，往往会受到反射信号本身之间（多次覆盖）的差异以及噪声的影响，而掩盖了性能指标提高带来的好处。

例如，文献［45］指出，因为风化层的差异，在距离炮点距离相同的对称位置（中间发炮，分别为A区、B区），振幅差异明显，B区初至振幅值为A区初至振幅值的4倍，B区目的层T1的反射振幅是A区对应位置的10倍。这种由于外界因素导致的输入检波器的机械信号本身的差异，使得检波器性能指标提高的正面作用降低了。比如DSU3的谐波畸变是-90dB，但是在输入机械信号的10倍（20dB）差异面前，-90dB谐波畸变的保真作用就微乎其微了。因为仅凭室内的处理方法，很难将信号自身之间10倍（20dB）的差异，缩小到-90dB以下。这样DSU3谐波畸变非常小就更加难以发挥作用了。

所以，DSU3数字检波器的“-90dB谐波畸变”主要具有实验室意义，在真实的地震数据中，由于噪音的影响，有效信号自身之间的差异，很难对数据质量的提高起到直接的推动作用。

（五）对电磁干扰的响应

文献［34］认为，应用MEMS技术的数字检波器DSU3不再有任何连接到地震道的电感线圈，所以也就不再受任何电磁干扰信号的影响。但是，实践证明这个结论并不全面。我们曾经在试验中发现，参与对比的36组检波器（每组1个20dx、1个DSU3，相距5cm）中，大部分组内检波器接收到的地震信号是高度一致的（图3-51，高频端的差异主要是耦合响应以及电噪声差异导致的），但是部分DSU3检波器的确存在某种高频干扰，并且这种高频干扰的幅度非常大（图3-52）。在同为总数36个的检波器集合中，数字检波器存在高频干扰的比例要比模拟检波器高得多（DSU3：12～13，20dx：2～3）。我们在另外的时间、地点以同样的方法进行过同样的环境噪音接收试验，在两类检波器仍然存在一些差异的同时，这种高频干扰却没有再出现。所以，我们认为这种高频干扰是外界噪声与检波器内部因素相互作用的结果，并且应该是与电磁干扰而非与机械干扰相关的噪声。同时，部分野外生产的记录中出现的工频干扰，也证明了这个问题。以上现象在一定程度上进一步说明了DSU3检波器难以对电磁干扰完全免疫，并且这种干扰无疑会对地震弱信号的接收产生影响。

图3-51　多数DSU3与20dx接收到的环境噪音符合较好（高频差异是耦合响应及电噪声导致的）（蓝：20dx；黑：DSU3）

（六）组合方式（室内组合或者野外组合）

单点采集具有室内自由组合的优势，但是在有些地区并不能完全摒弃组合——特别是在次生干扰非常严重、信噪比较低的地区，单纯依靠室内手段难以达到有效衰减次生干扰的目的。［41-45］

图3-52　12～13个DSU3数据存在明显的高频干扰（蓝：20dx，黑：DSU3）

（七）耦合响应

根据第二章所介绍的方法，我们测量了DSU3、20dx两种检波器在东营HJ地区普通泥质地表下的耦合响应（图3-53，通过试验测得垂直分量数据，并去噪、拟合后）。由图3-53可见，在低频部分，二类检波器是基本一致的；而在超过160Hz以后，数字检波器DSU3耦合响应的振幅曲线要远高于模拟检波器20dx。也就是说，在输入相同机械振动（环境噪音＋地震信号）时，数字检波器的高频响应会比较强（这是一种高频畸变，而非高频提升，所以是噪音，是有害的）。当检波器输入信号为小炮检距的初至波时，因为频率高、频带宽、能量强，DSU3高频响应强的特征就会表现出来，表现为高频段（超过160Hz）的振幅稍大［图3-54 （a）］；随着地震信号传播距离的增加，频率会逐渐降低，二类检波器接收到的振动数据就不再表现出明显的高频端的差异［图3-54（b）、（c）］。

为了排除其他因素的影响，分析了电噪声（图3-24）与检波器线性畸变（图3-55）的影响，二者都不至于导致图3-53中数量级大约为10dB的差异。这也从另外一个方面证明了耦合效应的影响是客观存在的。

图3-53　二类检波器的耦合响应（振幅，黑：DSU3；蓝：20dx）

图3-54　耦合响应在地震资料上的表现（黑：DSU3；蓝：20dx）

图3-55　分别经过-60dB、-90dB畸变后的频谱（以初至波作为输入）：差别不大

从测量结果来看，DSU3的耦合响应较20dx要强——主要在高频部分，这在很大程度上抵消了DSU3畸变达到-90dB（20dx是-60dB）的优势。

所以，如果综合考虑“绝对动态范围”中的灵敏度因素以及耦合响应因素，在将20dx的灵敏度提高6倍（120.6V/m/s，或者将6个检波器串联）的情况下，可知在160Hz以下20dx的“电噪声”小于DSU3；同时，在160Hz以上，因为耦合效应的影响，DSU3的耦合噪声大于20dx。也就是说，在这种情况下DSU3在整个地震勘探目标频段内都没有信噪比的优势了。

埋置良好的检波器产生的检波器-大地耦合响应可以通过耦合反褶积在一定程度上加以纠正（详见第二章《检波器-大地耦合系统》）。但是，如果检波器埋置很差，在外界振动激励下产生大幅度的不规则次生振动，不能形成稳定的振动模态，这种不良耦合噪音则难以通过耦合反褶积去除。

（八）矢量保真度

DSU3检波器具有非常高的矢量保真度，无论是埋置倾斜度、幅度校准精度还是直角校准精度都较普通动圈式检波器有了比较明显的提高。文献表明，较高的矢量保真度在处理阶段具有优势，但是从应用效果的角度看结论尚不统一。［46-54］笔者认为，产生这种现象的原因仍然是噪音的强度以及检波器-大地水平方向耦合响应的影响。在信噪比比较低的地区，矢量保真度指标提高的优势被噪声的影响淹没了。水平方向的耦合响应迄今为止尚无确定性的结论可供参考，对水平方向耦合振动特性的影响也不明确。

综上所述，以20dx为代表的模拟动圈式检波器以及以DSU3为代表的MEMS数字检波器的性能指标及数据表现差异可以总结为表3-6。

表3-6　20dx与DSU3的性能指标及数据表现差异

续表