地震電纜特性探討

羅福龍

(東方地球物理勘探有限責(zé)任公司裝備服務(wù)處 河北 涿州 072751)

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·綜 述·

地震電纜特性探討

羅福龍

(東方地球物理勘探有限責(zé)任公司裝備服務(wù)處 河北 涿州 072751)

地震電纜是有線地震儀器的重要組成部分，地震電纜的技術(shù)特性不僅直接關(guān)系到地震儀器的綜合性能和應(yīng)用效果，而且還直接關(guān)系到地震勘探生產(chǎn)的綜合效益，有時甚至還關(guān)系到地震資料的品質(zhì)。文章以通用對稱通信電纜技術(shù)為基礎(chǔ)，以地震勘探和地震儀器實際需求為目標(biāo)，系統(tǒng)地討論了地震電纜的傳輸技術(shù)特性和野外操作特性，明確了關(guān)鍵技術(shù)特性的物理意義、主要作用和計算方法，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗提出了增強(qiáng)地震電纜技術(shù)特性和改進(jìn)地震電纜應(yīng)用效果的建議。

地震儀器；地震電纜；技術(shù)特性；一次傳輸參數(shù)；二次傳輸參數(shù)；回路串音

0 引 言

根據(jù)工作模式和傳輸介質(zhì)的不同，通?？蓪⒌卣饍x器劃分為節(jié)點儀器、無線儀器、有線儀器三類，其中有線地震儀器一般都是通過電纜來聯(lián)接地面采集設(shè)備并承載信息傳輸。地震電纜是有線地震儀器的重要組成，其特性品質(zhì)直接關(guān)系到地震儀器的應(yīng)用效果，有時甚至成為地震儀器品質(zhì)優(yōu)劣的決定因素。目前，有線地震儀器在總量上占全球份額多于70%，因此有效地掌握和應(yīng)用有線地震儀器技術(shù)及其配套地震電纜技術(shù)，便是開發(fā)設(shè)計和創(chuàng)新應(yīng)用現(xiàn)代地震儀器的一項重要工作。

有線地震儀器一般通過地震電纜將各個地面工作單元有機(jī)地聯(lián)接為特定通信路徑結(jié)構(gòu)的整體，并通過地震電纜來承載地震儀器命令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)的傳輸。地震電纜實質(zhì)上是一種特殊結(jié)構(gòu)的通信電纜[1]，在組成、結(jié)構(gòu)、工藝[2]、功用等方面都具有常規(guī)對稱通信電纜的一般屬性，所不同的是地震電纜在傳輸數(shù)字信號的同時，一般還要傳輸直流電源和檢波器輸出等模擬信號，并要有適合野外作業(yè)的操作特性。所以，地震電纜在具備一般通信電纜技術(shù)特性基礎(chǔ)上，同時還應(yīng)具備適應(yīng)地震儀器工作特點的其它技術(shù)特性。

無論是數(shù)量還是重量，當(dāng)代有線地震儀器的主體都是地面電子設(shè)備和相應(yīng)的地震電纜，而且實際工作還證明，除檢波器外，地震儀器用于檢查和建立排列的時間主要消耗在地震電纜上，有可能影響地震信號質(zhì)量的環(huán)節(jié)主要也是地震電纜。此外，地震儀器的實時采集能力、數(shù)據(jù)傳輸速度、工作效率、穩(wěn)定程度等也都與地震電纜息息相關(guān)。所有這些都充分說明，地震電纜是地震儀器的關(guān)鍵組成，其綜合技術(shù)性能和工作質(zhì)量直接關(guān)系到地震儀器整體性能和應(yīng)用效果。

雖然有線地震儀器由來已久，而且其開發(fā)設(shè)計和創(chuàng)新應(yīng)用的經(jīng)驗、技術(shù)也日趨豐富，但對地震電纜特性重要性的認(rèn)識，尤其是對地震電纜的設(shè)計制造和使用維護(hù)技術(shù)卻沒有引起足夠的重視。多數(shù)情況，都會簡單地看待地震電纜的特性和作用，以為設(shè)計制造和使用維護(hù)地震電纜不需要高端的技術(shù)，這就為生產(chǎn)高性能品質(zhì)的地震電纜，以及在使用維護(hù)中保持其應(yīng)有的技術(shù)特性帶來困難，進(jìn)而影響地震儀器的性能品質(zhì)和應(yīng)用效果。

作為提升地震電纜技術(shù)特性和應(yīng)用效果的嘗試，這里將以一般對稱通信電纜技術(shù)特性為基礎(chǔ)，突出地震勘探和地震儀器對地震電纜特性的個性化要求，從設(shè)計制造和使用維護(hù)角度來系統(tǒng)地討論地震電纜，目的在于為更有效地認(rèn)識、研制、應(yīng)用地震電纜提供參考。

1 地震電纜的一般屬性

就信息傳輸技術(shù)特性和主要功能而言，地震電纜就是適用地震儀器的特殊通信電纜。從理想設(shè)計模型上看，組成地震電纜的傳輸線芯是均勻的，也即沿著傳輸線延展方向任意橫斷面的材料[3]性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀等完全一致，進(jìn)而使得傳輸線的電阻、電感、電容、電導(dǎo)總是按長度比例均勻分布。所以，地震電纜滿足均勻電纜傳輸線遵循的一般理論和規(guī)則，那么在波阻抗上便滿足：

(1)

式中：Zc為波阻抗(又稱特性阻抗)，單位是Ω；

R為單位長度電纜回路電阻，單位是Ω/km；

L為單位長度電纜回路電感，單位是H/km；

G為單位長度電纜回路絕緣電導(dǎo)，單位是S/km；

C為單位長度電纜回路電容，單位是F/km。

考慮到地震電纜通常由偶數(shù)根相同外徑和結(jié)構(gòu)的絕緣線芯，經(jīng)過對稱排列和絞合成纜芯后再包以保護(hù)層組成，所以地震電纜實質(zhì)上屬于一種對稱通信電纜，自然就具有對稱通信電纜的一般屬性。也就是說，對稱通信電纜適用的數(shù)學(xué)、物理模型，以及有關(guān)技術(shù)特性的計算方法和公式，同樣適用于地震電纜。

此外，地震電纜為適應(yīng)地震勘探作業(yè)特點和地震儀器的技術(shù)要求，還需具備不同于一般對稱通信電纜的屬性。這些屬性主要反映在野外環(huán)境適應(yīng)能力、直流電源傳輸能力、模擬信號保真能力等方面。通常，這些個性化屬性主要包括下述量化指標(biāo)：

工作溫度范圍一般滿足-40 ℃～+70 ℃；

抗拉拽力一般≥100 kg；

接插件拔插次數(shù)一般≥3 000次；

單根電纜重量一般≤25 kg；

野外連續(xù)使用的壽命一般≥4年；

單根電纜長度一般應(yīng)在55 m～330 m之間；

波阻抗一般應(yīng)在110 Ω～130 Ω之間；

電纜線芯對間的串音一般≤-40 dB；

電纜線芯對的共模抑制比一般≥80 dB；

傳輸頻率一般應(yīng)在5 MHz～50 MHz之間；

電纜體內(nèi)的絕緣線芯數(shù)一般應(yīng)在2芯～20芯之間；

傳輸?shù)闹绷麟娫措妷阂话銘?yīng)在20 V～72 V之間。

2 地震電纜關(guān)鍵特性

地震電纜是地震儀器的重要組成部分，地震電纜的技術(shù)特性直接關(guān)系到地震儀器的整體性能和應(yīng)用效果。同樣，只有設(shè)計制造出技術(shù)特性先進(jìn)的地震電纜，并在使用維護(hù)中充分保護(hù)和利用地震電纜的關(guān)鍵特性，才能有效發(fā)揮先進(jìn)地震儀器的作用。為此，下面將從地震勘探和地震儀器對地震電纜提出的技術(shù)要求出發(fā)，以提升地震電纜綜合技術(shù)特性和應(yīng)用效果為目標(biāo)，針對性地討論地震電纜關(guān)鍵技術(shù)特性。

地震勘探的直接目標(biāo)是獲取高品質(zhì)的地震數(shù)據(jù)，反映到地震儀器上就是按設(shè)計的觀測方式保真地將動態(tài)地震波轉(zhuǎn)換為靜態(tài)的地震數(shù)據(jù)，其中對應(yīng)到地震電纜就是能充分滿足地震儀器的工作要求并保真地傳輸?shù)卣鹦畔ⅰτ谑┕そM織，就要求地震電纜盡量做到體積小、重量輕、強(qiáng)度高、性能好、易操作等。另外，地震儀器為優(yōu)質(zhì)高效地轉(zhuǎn)換動態(tài)地震波為靜態(tài)地震數(shù)據(jù)，就要求配套工作的地震電纜技術(shù)特性先進(jìn)、連接牢固可靠、信號傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、電源損耗小等。以上幾點，便是地震勘探和地震儀器對地震電纜提出的總要求。

根據(jù)通信電纜一般理論可知，同樣適用地震電纜的對稱通信電纜傳輸性能參數(shù)有：一次傳輸參數(shù)、二次傳輸參數(shù)。如式(1)所給出的物理量，一次傳輸參數(shù)主要由電阻(R)、電感(L)、絕緣電導(dǎo)(G)、電容(C)構(gòu)成，這些參數(shù)主要由電纜本身的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝決定；二次傳輸參數(shù)主要由波阻抗、傳播常數(shù)、傳播速度構(gòu)成，這些參數(shù)都是一次傳輸參數(shù)和傳輸信號頻率的函數(shù)。除此以外，地震電纜為滿足地震勘探和地震儀器的技術(shù)要求，還特別設(shè)置有共模抑制比、回路串音、尺寸、重量等重要電氣和物理性能指標(biāo)。為有效地掌握和應(yīng)用這些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，下面將分別加以詳細(xì)討論。

2.1 一次傳輸參數(shù)

如前所述，地震電纜的一次傳輸參數(shù)主要由R、L、G、C組成。根據(jù)均勻電纜傳輸線理論，一次傳輸參數(shù)與傳輸信號的電壓和電流大小無關(guān)，但與電纜的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、尺寸等密切相關(guān)。由此可見，地震電纜的均勻性是取得穩(wěn)定一次傳輸參數(shù)的前提，也即電纜的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、尺寸的一致性是保證傳輸特性穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。雖然一次傳輸參數(shù)的物理意義和測量方法都比較簡單，但其對電纜特性的作用卻是第一位的，因為一次傳輸參數(shù)是電纜特性品質(zhì)和傳輸信號品質(zhì)的決定因素，也是引起傳輸信號損耗和衰減的直接原因。所以，設(shè)計制造地震電纜時要高度重視一次傳輸參數(shù)，尤其要做好材質(zhì)的選擇和結(jié)構(gòu)、工藝、尺寸一致性的控制，只有這樣才能保證地震電纜的電氣特性品質(zhì)和信號傳輸能力。

2.2 二次傳輸參數(shù)

實際上電纜的信號傳輸效果還與傳輸信號頻率息息相關(guān)，這就使得一次傳輸參數(shù)不能直接反映特定頻率傳輸信號的傳輸效果，為此特別設(shè)置了二次傳輸參數(shù)。與對稱通信電纜一樣，地震電纜的二次傳輸參數(shù)主要有波阻抗、傳播常數(shù)和傳播速度等。

波阻抗。在數(shù)值上，波阻抗是指電磁波沿均勻線芯傳播且沒有反射時所遇到的阻抗，就是線芯終端負(fù)載匹配時線芯任意一點的電壓波與電流波之比。各種均勻通信線路都有一定的波阻抗，其數(shù)值僅與線路的一次傳輸參數(shù)和傳輸信號頻率相關(guān)，與線路的長度無關(guān)，也與傳輸信號的電壓和電流大小及負(fù)載阻抗無關(guān)。波阻抗的一般運算公式如式(1)?？紤]到地震電纜傳輸信號頻率一般都在5 MHz以上，此時式(1)便可近似為：

(2)

根據(jù)波阻抗匹配原則可知，當(dāng)線芯終端負(fù)載阻抗與線路的波阻抗相等時，終端的反射波就為零，即全部能量被負(fù)載接收。理想的信號傳輸不允許在線路終端產(chǎn)生反射，所以在設(shè)計制造地震電纜時總是要使線芯的阻抗盡量等于負(fù)載(地面站輸入)阻抗。

傳播常數(shù)。傳播常數(shù)是電磁波沿均勻且阻抗匹配線路傳輸時，單位長度回路內(nèi)信號幅值減小和相位滯后的量值。傳播常數(shù)是一個復(fù)數(shù)值，包括衰減常數(shù)和相移常數(shù)，根據(jù)均勻電纜傳輸線理論可知，傳播常數(shù)的一般運算公式為：

(3)

式中:r為傳播常數(shù)；

α為衰減常數(shù)，單位為db/8.686·km；

β為相位常數(shù),單位為rad/km。

對于地震電纜，因傳輸信號頻率一般高于5 MHz，此時式(3)便可近似為：

(4)

(5)

實際工作中，一般通過測量電纜的傳輸信號衰減和時間延遲來獲取傳播常數(shù)。由于地震電纜一般小于300 m，且傳輸信號頻率都小于50 MHz，傳輸信號的延遲量一般都很小，所以實際操作中可以將關(guān)注重點放到傳輸信號的振幅衰減上。

傳播速度。傳播速度是電磁波沿均勻線路輸送時，所旅行距離與旅行時間之比。根據(jù)電工學(xué)原理，電磁波的傳播速度與傳輸信號頻率、波長關(guān)系為：

v=f×λ

(6)

式中：v為傳播速度，單位是m/s；

f為傳輸信號頻率，單位是Hz；

λ為傳輸信號波長，單位是m。

(7)

2.3 回路串音

通常地震電纜是多線芯對結(jié)構(gòu)，那么傳輸電磁信號時線芯對之間就不可避免地會存在相互感應(yīng)——串音干擾。為減少信號傳輸失真就應(yīng)消除或減弱串音干擾，因此回路串音便成為地震電纜的又一重要電氣指標(biāo)。

串音分為近端和遠(yuǎn)端兩類。近端串音是指受干擾信號道和主信號道在電纜的同一端時，所測得受干擾信號道的串音；遠(yuǎn)端串音便是受干擾信號道與主信號道在不同端時，所測得受干擾信號道的串音。一般情況下近端串音更能反映地震電纜的特性，所以實際工作時通常只關(guān)注近端串音。由于串音的測量方法和原理與地震儀器[4]一致，且物理意義簡單明了，這里就不做更多描述。

2.4 共模抑制比

由于地震電纜通常還要傳輸檢波器輸出等模擬信號，加之野外的工作環(huán)境，所以共模抑制能力也是地震電纜的一項重要技術(shù)特性。由于共模抑制比的測量方法和原理與地震儀器一致，且物理意義簡單明了，這里也不做更多描述。

2.5 野外操作特性

除以上電氣特性指標(biāo)外，地震電纜還應(yīng)具備不同于一般通信電纜的野外操作特性，這是因為地震電纜必須適應(yīng)野外作業(yè)環(huán)境和勘探方法的獨特需求。根據(jù)地震勘探作業(yè)的特點可知，地震電纜的操作特性主要反映在環(huán)境適應(yīng)性、操作便利性、連接可靠性、產(chǎn)品耐用性、工作穩(wěn)定性等，可量化的指標(biāo)主要包括：抗拉強(qiáng)度、拔插次數(shù)、抗碾壓能力、抗老化能力、工作溫度范圍，以及重量、尺寸、顏色等。由于這些特性的物理意義簡單直接，且不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)和物理模型來表達(dá)，所以就不對其進(jìn)行詳述。但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，對地震電纜而言，這些操作特性極為重要，甚至直接決定地震儀器的實用價值，因此在設(shè)計制造和使用維護(hù)中務(wù)必高度重視并有充分的保障措施。

通過以上討論可知，一次傳輸參數(shù)、二次傳輸參數(shù)、回路串音、共模抑制比等是衡量地震電纜電氣特性的關(guān)鍵指標(biāo)。電纜的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、工藝、尺寸等與這些指標(biāo)密切相關(guān)，特別是電纜體的均勻性和一致性是這些指標(biāo)模型建立的前提，所以全過程地把握電纜的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、工藝、尺寸、均勻性、一致性便是設(shè)計制造高品質(zhì)地震電纜的關(guān)鍵。地震電纜的野外操作特性指標(biāo)主要反映在地震勘探的適應(yīng)能力方面，這些指標(biāo)雖然不直接影響地震電纜的信號傳輸效果，但卻直接影響地震儀器的綜合性能和野外作業(yè)效果。所以，野外操作特性同樣是設(shè)計制造和使用維護(hù)地震電纜應(yīng)該把握的關(guān)鍵特性。

3 設(shè)計制造與使用維護(hù)注意事項

地震電纜的功用特點決定，它不僅要具備一般對稱通信電纜的電氣特性，以滿足地震信號傳輸?shù)男枨?，而且還要具備適應(yīng)地震勘探作業(yè)特點的操作特性，以滿足野外工作環(huán)境和方便實用的需要。實際工作中，設(shè)計制造地震電纜時往往重視電氣特性有余，而重視野外操作特性不足，進(jìn)而導(dǎo)致有良好通信性能的電纜經(jīng)不住用或不實用。另一方面，在使用維護(hù)過程中又過多地追求地震電纜的操作特性，而有所忽略傳輸特性的重要性，結(jié)果導(dǎo)致地震電纜的電氣特性不能得到有效地保護(hù)和保持，進(jìn)而影響地震電纜的使用效果和壽命。為此，下面將從實際情況出發(fā)，討論設(shè)計制造和使用維護(hù)地震電纜時應(yīng)重點注意的事項。

3.1 設(shè)計制造注意事項

設(shè)計制造地震電纜的目標(biāo)，就是在充分保證信號傳輸特性的前提下，最大限度地滿足地震勘探特點所要求的操作特性。也是在保證一次傳輸參數(shù)、二次傳輸參數(shù)、回路串音、共模抑制比等電氣特性指標(biāo)充分先進(jìn)的條件下，還要確保有足夠好的實用性和適應(yīng)性。此外，考慮地震電纜還需要傳輸直流電源、檢波器輸出等模擬信號，所以還需要電纜有足夠小的線路輸電損耗和足夠強(qiáng)的抗干擾能力。除這些原則目標(biāo)外，在設(shè)計制造地震電纜時還應(yīng)特別關(guān)注以下具體事項：

保證電纜的電氣特性與配套地震儀器特性一致；

避免模擬線對和數(shù)字線對之間的相互干涉；

盡量減少輸送直流電源的線路損耗；

精細(xì)設(shè)計接插件，確保足夠好的接插效果和足夠多的拔插次數(shù)；

確保-40℃～+70℃的工作溫度范圍；

設(shè)計足夠的抗碾壓和抗拖曳強(qiáng)度；

設(shè)計足夠的抗老化、抗龜裂能力；

設(shè)計足夠的防銹、防水、防塵能力；

設(shè)計時充分考慮人體力學(xué)特點和野外操作特點；

設(shè)計盡量小的尺寸和盡量輕的重量。

3.2 使用維護(hù)注意事項

使用維護(hù)地震電纜追求的是在保護(hù)技術(shù)特性前提下，充分發(fā)揮電纜的作用并延長電纜的壽命。以往的實際應(yīng)用效果證明，得當(dāng)?shù)氖褂镁S護(hù)方法不僅有利于地震電纜應(yīng)用效果的提升，而且還利于生產(chǎn)效率的提高，甚至還有助于地震資料品質(zhì)的保真。所以，全過程地做好地震電纜的使用維護(hù)就顯得十分重要和必要。為此，針對以往使用維護(hù)中存在的突出問題，特提出以下重點注意事項：

針對特定地震電纜制訂操作規(guī)程，并嚴(yán)格按規(guī)程使用地震電纜；

電纜操作和維修人員應(yīng)經(jīng)過相應(yīng)的技能培訓(xùn)；

禁止電纜接觸腐蝕性物資(如電瓶液)；

保持電纜線和接插件完整、干凈、干燥；

采用高架或深埋方式保護(hù)電纜免受碾壓和拖拽；

保持維修節(jié)點光滑平整，并以重新注塑方式保護(hù)維修節(jié)點；

維修后的電線要保證應(yīng)有的長度和電氣特性；

選用的維修器件性能應(yīng)與原裝電纜的一致；

定期用地震儀器或?qū)Ｓ迷O(shè)備檢測電纜技術(shù)性能，并及時剔除性能不合格電纜。

4 結(jié)束語

通過對地震電纜特性的探討，結(jié)合多年從事地震儀器實際應(yīng)用和開發(fā)研究工作的體會，有以下幾點不成熟的認(rèn)識和思考。

一是地震電纜特性極為重要。實際工作證明，地震電纜的技術(shù)特性不僅直接關(guān)系到地震儀器的綜合性能和應(yīng)用效果，而且也關(guān)系到地震勘探的效益和資料品質(zhì)。因此，在設(shè)計制造和使用維護(hù)中充分把握和重視地震電纜的特性，便是提升地震儀器技術(shù)性能和應(yīng)用效果的重要基礎(chǔ)保證。

二是地震電纜的信號傳輸特性和野外操作特性同等重要。與一般對稱通信電纜的主要區(qū)別是，地震電纜除應(yīng)確保地震信號傳輸特性外，還要充分適應(yīng)地震勘探的野外作業(yè)特點，所以只有傳輸和操作技術(shù)特性都先進(jìn)時，地震電纜才能滿足地震勘探和地震儀器的需要。

三是地震電纜的技術(shù)特性仍需不斷提高。有線地震儀器正朝著百萬道、低成本、低功耗等方向發(fā)展，這就要求與之配套的地震電纜有更高的傳輸率、更低的線路損耗、更小的尺寸和更輕的重量。目前，地震電纜的技術(shù)特性還不能適應(yīng)地震儀器技術(shù)發(fā)展的需要，所以通過不斷應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新工藝等來創(chuàng)新地震電纜的設(shè)計，進(jìn)而提高其綜合技術(shù)性能才是地震電纜持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

[1] 倪艷榮.通信電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013：1-223.

[2] 王衛(wèi)東.電纜工藝技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013：105-238.

[3] 郭紅霞.電線電纜材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012：49-69.

[4] 易碧金.地震數(shù)據(jù)采集站原理與測試[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010：140-171.

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Discussionon on Seismic Cable’s Technical Characteristics

LUO Fulong

(BGPEquipmentServiceDepartment,CNPC，Zhuozhou, Heobei 072751,China)

Seismic cable is an important component of cable seismic instruments. The technical characteristics of the seismic cables are not only directly related to comprehensive performance and application effect of seismic instruments, but also directly related to overall efficiency of seismic exploration. Sometimes it is even related to the quality of seismic data. Taking the actual demand of seismic exploration and seismic instruments application as the goal, this paper discusses the characteristics of seismic cable’s data transmission and field operating systematically, and clearifies the key technical characteristics’ physical significance, main role and calculation method on the basis of general symmetrical communication cable technique. Combined with practical work experience, it also gives the suggestions to enhance the technical characteristics and improve the application result of the seismic cable.

seismic instrument，seismic cable，technical characteristics，primary transmission parameter，secondary transmission parameter，loop crosstalk

羅福龍，男，1961年生，教授級高工，1984年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院儀器專業(yè)，現(xiàn)在東方地球物理公司裝備服務(wù)處從事地震數(shù)據(jù)采集裝備應(yīng)用技術(shù)研究、支持和管理工作。E-mail:loufulong@cnpc.com.cn

P631.4+3

A

2096-0077(2015)01-0005-04

2014-09-02 編輯：韓德林)