地震勘探儀器前放的作用及增益參數(shù)選擇

韓學(xué)義

（東方地球物理公司大港物探處儀器中心 天津 大港）

0 引言

隨著地震勘探采集的規(guī)模擴大，同一個項目勘探部署的面積也逐漸增加，在同一個工區(qū)內(nèi)往往存在強弱不同的干擾波，甚至同一個工區(qū)的某一個小范圍內(nèi)、或者不同的時間段內(nèi)，都會有強弱不同的干擾。為了得到準(zhǔn)確的地震信號，就需要靈活使用儀器采集技術(shù)，達到裝備、技術(shù)和成本的高度統(tǒng)一，“多、快、好、省”的完成地震采集任務(wù)。

1 前置放大器及作用

由于檢波器輸出的信號中既有有效地震波，又有許多干擾波（如面波、微震等），經(jīng)過電纜后又增加了靜電干擾和工頻干擾。這樣的信號如果直接送到采樣開關(guān)進行采樣，非有效波會嚴(yán)重的破壞地震信號的真實性。為了提高采樣開關(guān)輸出信號的信噪比，設(shè)置了放大地震信號和去除干擾信號的前置放大器（以下簡稱前放）。

1.1 前放原理簡述

通常情況下，前放包括輸入保護（也稱輸入匹配）、放大器、濾波器等三部分，現(xiàn)代24位地震儀器都使用了數(shù)字濾波器，但仍可劃分為三部分：

（1）protection（輸入匹配）：接收檢波器通過電纜送來的信號，提高整個儀器的輸入阻抗，提供阻抗匹配和抑制共模干擾。

（2）pre-amp（增益）：對輸入信號進行可選增益（400系列儀器有兩個增益參數(shù)g1和g2）放大，是整臺儀器噪音指標(biāo)的關(guān)鍵，不同增益有不同的噪音。

（3）filter（濾波）：包括低截止濾波器和高截止濾波器，較早的儀器還包括陷波濾波器（如50Hz陷波器），用于濾除低頻干擾和采樣時將要產(chǎn)生假頻的高頻干擾。最后將放大的地震信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

1.2 前放的作用

（1）起到阻抗匹配的作用。

（2）濾除輸入信號中的低頻和高頻干擾，同時消除或抑制由檢波器串引入的共模干擾。

（3）對輸入信號進行可選固定增益的差模線性放大，使得經(jīng)過前放放大的最小信號達到采樣開關(guān)可采樣的最低電平。對于不同的前放增益，其電路允許輸入的最大不失真信號和入口噪聲是不同的，因此對于不同的前放增益有不同的動態(tài)范圍。

2 前放增益的選擇

以428XL為例說明前放增益的選擇。428XL具有兩個前放增益可供選擇，分別是G1600和G400。兩個增益參數(shù)對應(yīng)的入口噪音、允許的最大不失真輸入信號和動態(tài)范圍如表1所示。

表1 428XL動態(tài)范圍與噪音信號

428XL在選擇增益G1600時，具有前所未有的動態(tài)范圍，高達131dB；而G400盡管動態(tài)范圍較低，但需要檢波器的靈敏度較低（符合并聯(lián)檢波器串組合），拾取的檢波器噪音較低，允許的入口噪音較低。所以在野外噪音較大時選擇增益G1600，保證有較大的動態(tài)范圍；在野外噪音較小時選擇增益G400，盡管損失一點動態(tài)范圍，但可以降低震源能量，節(jié)約成本。

實際上，增益選擇應(yīng)謹(jǐn)慎使用較高的增益，如428XL儀器選擇G400（放大倍數(shù)等于4），因為放大器的最大輸出為1.6V，則允許輸入的最大信號為1.6/4＝0.4V＝400mV。此時如有更大的信號輸入（如近炮點地震道或大噪音），將會使放大器過載。放大器過載則發(fā)生諧波畸變，疊加在正常的地震信號上，使地震數(shù)據(jù)的信噪比（分辨率）降低。因此大增益參數(shù)一定要慎用。

通過以上分析，筆者認(rèn)為，選擇儀器增益參數(shù)的最終目的是保持儀器的動態(tài)范圍、盡可能的壓制噪音干擾，所以儀器增益應(yīng)靈活選擇。

（1）在施工設(shè)計前應(yīng)充分調(diào)查工區(qū)的噪音狀況。因為在不同的工區(qū)，存在不同程度的噪音，在設(shè)計采集參數(shù)時，根據(jù)不同工區(qū)的噪音選擇不同的儀器增益。

（2）同一個工區(qū)內(nèi)，不同測線也具有不同的噪音。根據(jù)噪音所處的位置大小，選擇不同的增益。

（3）在采集過程不同的時間段內(nèi)，排列的噪音也不盡相同。如OBC采集時，漲潮、退潮和平潮狀態(tài)下，噪音大小是不同的；在陸地采集時，天氣忽然風(fēng)起，噪音增加等等。同樣根據(jù)噪音大小的不同，選擇不同的儀器增益參數(shù)。

3 結(jié)論

理論上講，增益參數(shù)的選擇應(yīng)以最大輸入信號不至使放大器輸出畸變?yōu)樵瓌t。同時，前放增益參數(shù)選擇對資料品質(zhì)和生產(chǎn)效益有著密切的關(guān)系。無論何時何地，都應(yīng)該遵循選擇前放增益的基本規(guī)律根據(jù)實際情況來確定前放參數(shù)。

如用428XL儀器采集時，排列噪音較小時，應(yīng)選擇G400，同時在保證目的層反射波的前提下，減少震源能量。這時既保持了信號低噪音，完成了地質(zhì)任務(wù)，同時又降低了生產(chǎn)成本；相反，在排列噪音較大時，選擇G1600，同時適當(dāng)增加震源能量保證目的層反射波，同時壓制干擾，保持較強的信噪比。對于428XL儀器，在不“吝嗇”震源能量的情況下，應(yīng)盡量選擇G1600，因為在此增益參數(shù)下，儀器具有較大的動態(tài)范圍。

[1]1sercel.428XL5.0User'SManual（Vol.1）.2011（資料）

[2]長春地質(zhì)學(xué)院石油物探儀器教研室編.地震勘探儀器原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1985