摘要：本文采用实验室测试与野外试验相结合的方法，系统研究检波器倾斜角度对地震数据采集质量的影响机制。通过高精度检波器测试仪开展室内受控实验，同时结合典型地质条件下的现场对比观测，定量分析了检波器埋置不同倾斜范围内的幅频响应、相位特性及频谱畸变规律。研究结果表明，检波器摆放倾斜度小于5°范围内，获取资料与垂直状态下基本一致；倾斜范围6-15°，其信号强度有所减弱，但整体变化不大；当倾斜度超过40°临界值，则波形失真，频谱特性变化显著，严重影响数据精度，对采集数据极为不利。为保障资料品质，得到高分辨率、高保真度的数据，在施工过程中检波器摆放必须要做到平、稳、正、直、紧达到体耦合，倾斜角度应严格控制在5度以内。

关键词：检波器倾斜度；地震数据采集；信号保真；体耦合；油气勘探

1 引言

地震勘探过程中，资料品质的优劣受多种因素影响，除地质条件和技术因素外，施工过程中的人为因素也不容忽视。检波器作为地震勘探专用传感器，与地震仪连接接收地震信号，其性能、摆放状态等直接关系到采集数据的质量与效果。在高分辨率地震勘探中，采集环节的重要性愈发凸显。

得到准确、精细的采集数据对于地震勘探学了解地下地质构造、预测油气分布至关重要。以往同行业研究主要集中在优化检波器设计、提高灵敏度以及改善采集数据处理算法等方面。虽有关于检波器摆放位置、图形、组合方式与地面状况关系的研究，但检波器倾斜角度对地震数据质量影响的研究相对较少。

在传统串列式检波器组合使用时，个别检波器的一定倾斜对资料品质影响较小。然而，随着节点时代的到来，单个检波器的性能优劣表现更为关键。检波器倾斜对资料质量的具体影响程度及其临界倾角值，成为亟待研究解决的重要问题。特别是高精度地震探测需求不断增长，探讨检波器在不同倾斜角度下对地震勘探采集数据效果的影响愈发重要。

本文将聚焦于检波器在安装过程中，因地表平整度或操作人员责任心等因素导致不同倾斜角度的摆放，对接收信号质量的影响进行评价。通过理论及野外现场一系列试验结果分析，精确评估了检波器在不同倾斜角度条件下的信号强度变化、噪音比以及最终解析地质信息的准确性。同时，探讨了消除这些影响因素以提高采集质量的方法，为后续的数据处理及解释结果提供保障。

本研究不仅有助于完善地震勘探学中的采集技术，还为野外一线实地作业提供了宝贵的技术指导。了解检波器倾斜角度对地震数据采集效果的影响，可更科学地设计地震监测方式，优化检波器摆放部署方案，提高采集数据的质量和可靠性，对提升地震勘探精度、描述地下地质构造及改进地下油气资源分布认识的勘探方法具有直接应用价值。

目前，研究检波器倾斜度对地震数据采集效果的影响面临诸多挑战。野外实际环境复杂多变，难以精确模拟所有可能情况；自然界的不可预见性使实验室数据可能无法完全代表实际情况；量化倾斜角度对信号振幅、相位等参数的具体影响并建立通用模型，也是尚未解决的问题。此外，不同类型检波器之间的差异增加了研究的复杂性和难度。

综上所述，本论文旨在填补现有文献中关于检波器倾斜度对地震数据采集效果影响的空白，为今后的相关研究提供参考，并为实际应用提供技术支持。

2 检波器工作原理

2.1 检波器结构

检波器是一种高灵敏度传感器，专门用于将地表振动转换为电信号。其结构主要包括尾椎、外壳、线圈、磁钢及弹簧五部分。其中，磁钢与外壳固定连接，而线圈则通过弹簧悬挂于外壳内部，确保了对地面运动的响应性。

在实际应用中，检波器需垂直埋设并紧密贴合地表，以优化信号采集效果。当地震波等振动发生时，振动传递至检波器，促使磁钢相对于静止的线圈移动，依据电磁感应定律，在线圈内产生感应电动势，从而实现机械振动向电信号的转化。弹簧的设计在于提供适当的恢复力，保证磁钢能够高效、稳定地响应振动，生成高质量电信号。此过程精确捕捉地表微弱振动，基于电磁感应原理，广泛应用于地震监测等领域。通过这种机制，检波器能够有效提高数据采集的准确性与可靠性。在高分辨率地震勘探中，检波器的性能直接影响数据质量和勘探效果，因此对检波器的埋置和维护提出了严格要求。

检波器工作原理：

弹簧重力拉力：F=-∙

其中：为弹簧的弹性系数；为弹簧形变量

根据法拉第定律，线圈相对于磁铁运动时，在线圈中产生感应电动势，从而将地面振动转化为电信号输出：

其中：∅为线圈磁通；为线圈匝数；

引入机电转换系数S：则量纲分析输出电压为：

检波器等效电路由线圈内阻Rc与负载电阻R0串联构成，输出电压为：

2.2 检波器现场测试

使用检波器测试仪对三芯DS-5检波器在不同倾斜角度下的性能进行了评估，以探究其对资料的影响。理论结果显示当倾斜角度超过30度时，检波器灵敏度偏差较大。通过对测试所得数据中灵敏度、频率、阻尼系数等参数的详细分析，发现随着倾斜角度的增大，这些关键参数偏离正常范围的程度亦增加。此实验表明，为确保数据准确性，检波器应尽量保持垂直状态埋置，避免因倾斜导致的数据失真问题。（图1）。

3 检波器不同倾斜度对资料影响

3.1 厂家提供检波器工作参数

厂家根据不同区域、环境及地表条件，提供了关于DS-5检波器的具体工作参数。基于此，我们进行了实际资料分析，以评估不同倾斜角度对检波器性能的影响。

3.2试验方案设计

位置选择：优选地形较平坦的区域进行试验，目的消除地形的影响。

试验方案：①南北方向倾斜测试

向南倾斜：在0°到90°范围内，每5度设置一组检波器（共19组），重复一次。在0°到20°范围内，每2度设置一组检波器（共11组），重复一次。

向北倾斜：同向南倾斜设置，即在0°到90°范围内，每5度设置一组检波器（共19组），重复一次；在0°到20°范围内，每2度设置一组检波器（共11组），重复一次。

②弧形布局调整：为了消除传播距离对实验结果的影响，将所有检波器按照弧形排列，以确保各接收点的信号到达时间一致。

精度验证重点：在0°至20°倾角区间内，进行精度检验。此区间内，每隔1度布置一组检波器，共计20组，每组重复一次，总计40组。

布置策略为：第1至第45个位置面向南方倾斜，第46至第90个位置面向北方倾斜。

为进一步分析不同倾斜角度对数据收集的影响，在标准设置外增加四个特殊角度（25°、30°、35°、40°）进行测试，每个角度均独立设置一组检波器。

接收因素：eSeis节点仪（GT-5Hz/一体式），4条线接收，线距：5m，点距0.3m；

激发因素：方案1接收点南北侧各20米处采用10发雷管激发，各2炮。方案2激发点位于圆弧中心距各个检波器的距离均20m处。图2

3.3试验资料分析

a不同倾斜方向及角度波形对比

地震采集过程中，我们分析了检波器不同方向倾斜对数据质量的影响。首先，激发点位于测线北部的情况下，为确保单一变量控制，所有检波器统一向北倾斜，并按从小到大的顺序分析倾斜角度对接收信号的影响。实验结果显示，随着检波器倾斜角度增加，接收到的波形变得杂乱且能量显著下降，假频数量也相应增加。

对采集资料放大分析可以看到，当倾斜角度大于25度时，资料波形比较凌乱，能量变弱。

b不同倾斜方向及角度能量分析

为全面的分析检波器在不同倾斜度下采集资料效果及其状态响应能量的强弱，对不同倾斜状态下采集的数据进行详细的量化对比。首先将各种倾斜状态下采集的数据与检波器垂直（0°）状态下接收的数据进行对比分析，结果表明，能量主要集中在倾角20°以内。

为进一步详细能量分析显示，当倾斜角度在0°～15°之间时，采集数据能量差异相对较小，表明这一范围内的倾斜角度对信号影响有限。然而，随着倾斜角度增加至40°及以上，能量变化较大但随着角度增加趋于平稳，即倾斜角度超过40°后，能量差异的比例变化不再显著。

为了更加准确并量化地比较检波器在各种倾斜角度下采集的数据能量差异，现对各种倾斜状态下的采集数据与检波器垂直（0°）状态下接收的数据进行了相减处理，并对相减结果沿时间轴计算均方根振幅值（RMS），以进行能量量化分析。

分析结果显示：

在0°～80°和0°～70°范围内，剩余能量最高，差异最为显著。随着倾斜角度减小，能量差异逐渐减小，依次为60°、50°、40°、30°、20°和10°。

当倾斜角度在0°～5°范围内时，剩余能量最低，表明这一范围内的倾斜状态与垂直检波器接收的数据最为接近。

具体而言，通过均方根振幅值的能量分析，可以得出以下结论：

大角度倾斜（如80°和70°）导致的数据能量差异最大，说明这些倾斜角度对信号质量的影响最为显著。

中等角度倾斜（如60°、50°、40°、30°和20°）虽然也会影响能量分布，但其影响程度逐步减弱。

小角度倾斜（如5°以内）对能量的影响最小，采集的数据与垂直状态下接收的数据最为接近。

优化检波器的安装精度提供了科学依据，尤其是在高分辨率地震勘探中，确保检波器的垂直安装至关重要，以保证数据质量和勘探效果。

通过互相关分析，验证检波器在不同倾斜状态下采集的数据与垂直状态采集数据的相似度。其方法是将其它倾斜状态下采集的数据分别与垂直状态接收的数据进行互相关。

c不同倾斜方向子波对比分析

当检波器倾斜角度在0-15°范围内，初至波的起跳时间差异相对较小。然而，在此区间内，较小的倾斜角度有助于维持子波的一致性和稳定性。在相同的激发和接收条件下，不同倾斜状态下的浅层能量表现出一定的差异，并且随着倾斜角度的增加，这种能量差异变得更加显著。此外，不同倾斜方向上的子波一致性显示出明显的区别：北向倾斜的检波器所记录的数据呈现出相对较宽的频带范围，而随着倾斜角度的增大，能量变化的幅度也相应增加，导致各倾斜状态下数据间的差异性更加突出。但当检波器倾斜角度小于5°时，通过所采集的资料分析，其浅、深层频谱、能量等差异性较小，皆与垂直状态下采集的效果相似。

4 施工过程强化作业流程

依据《Q/SY BGP.K2876-2020 eSeis节点地震数据采集系统检验项目及技术指标》的规定，我们将严格执行年度设备检测和上线前的参数功能测试。在整个过程中，我们采用严格的质量控制措施，对于任何未能达到标准的节点设备，将立即予以识别并从操作序列中剔除，确保所有投入使用的节点均处于最佳工作状态。

在施工环节，我们强化了作业流程管理，以保证检波器的埋置质量。为此，特制定了标准化的“八步法”埋置程序，旨在优化节点仪器与地面之间的物理耦合效果（即“体耦合”），从而提高数据采集的精确度。同时，现场工作人员分工明确、协同合作，每个人员都严格按照既定的技术规范履行职责，以确保检波器的安装完全符合技术要求，并为后续的数据采集提供可靠保障。

通过上述严格的管理和操作流程，我们可以有效地提升地震勘探工作的效率和质量，确保所获得的数据具有高保真性和可靠性。

5 结论及建议

通过对以上检波器不同倾斜角度及方向所采集资料效果分析得到了如下结论：

a随着检波器倾斜角度的增加，所得资料的浅、中、深层，其波形存在一定的差异性；

b当检波器倾斜方向不同时，所得资料的频宽、能量随倾斜角度增加而差异变大；

c当检波器倾斜角度较小时（小于15°），所得资料品质差异性相对较小，当倾斜角度小于5°时，所得资料与垂直摆放所接收的资料差异性最小；

d在施工过程中为保障资料品质，得到高分辨率、高保真度的数据，检波器摆放必须要做到平、稳、正、直、紧达到体耦合，倾斜角度应严格控制在5度以内。

e后期将进一步探索自动校正算法或设计具有自适应调节功能新型检波器装置，以便更好适应复杂地形条件下高精度地震勘探的需求。

参考文献：

[1]廖声刚，杨继春，晁西峰.倾斜度测试并非测试检波器的倾斜程度[J].物探装备，2011，21（6）：368-370

[2]齐永飞，张慕刚，李国发.检波器倾斜值对地震数据采集的影响分析[J].物探装备，2022，32（5）：281-286

[3]于富文，魏继东，冯玉苹.检波器地耦合响应对地震数据的影响[J].地球物理学进展，2017，32（1）：339-343

[4]董世学，张春雨.地震检波器的性能与精确地震勘探[J].石油物探，2000，39（2）124-130

[5]王萌，荆涛，马俊欣.地震采集仪器倾斜测试（Tilt）指标与建模温度关系分析.石油仪器，2013，27（6）：46-47

[6] 朴金山，杨小瑞，高丰婉等. Ix1-SL11数字系统工作原理与检波器测试原理[J].物探装备， 2019，29（4）：211-213，222

[7] 韩晓泉. MEMS数字检波器简介及指标分析[J].物探装备，2013，23（6）：351-355

王振宇 （ 1982 -） ，男，本科，高级工程师，主要从事地震采集方法研究方向