浅海四分量勘探之第四分量检波器的研究

　　随着海洋石油勘探工作的深入，对地形水情复杂的地质普查日益引起重视.海上四分量地震勘探(M4C)又称为多波地震、多波多分量地震勘探或矢量地震勘探.海上四分量地震检波器是将由1个水听器及相互正交的3个地震检波器组成的四分量检波器单元放在海底[1]，用来记录应力的压力波和切变波.对M4C数据可进行充分的数据处理，使许多地质解释成为可能[2]，解决了检测过程中的海水交互混响问题，能够提供对包括储层边界在内的更完全的储层性质的解释.近些年来，许多国家都投入大量人力、物力来研究高灵敏度，噪声小，分辨率高的检波器.但是，目前市场上的检波器在灵敏度方面还没有满足现代海洋石油勘探的数据采集要求.因此，对四分量检波器的研究具有一定的实用价值.作为第四分量的水听器，用来接收海水中传播的纵波，是一种具有高内阻而输出信号又很弱的双向有源传感器[3]，是应用于海洋地质勘探以及工程测量领域的专用传感器.本文对水听器理论进行了研究，设计了水听器结构，并进行了实验研究.

　　1 水听器数学模型

　　根据能量守恒，对利用压电原理的水听器建立功率平衡方程.根据网络概念，能量可逆的理想传感器可视为一个双向网络，如图1所示[4].其输入端(机械端)的输入量为力Ft和速度vt，输出端(电气端)的输出量为电压et和电流it，图1中各量的流向使机械功率PM和电功率PE均为正，分别为

　　式中：tF∗、tv∗、ti∗、te∗分别为Ft、vt、it、et所对应的共轭量.水听器电气端是基于电流源工作模式，则et为自变量，于是有

　　式中：N为理想传感器作为电流源时的传感常数;N*为N的共轭量.将式(1)、式(2)用矩阵表示，有

　　式中：为理想传感器作为电流源时的连接矩阵.

　　实际传感器的两端分别存在机械阻抗和电阻抗，如图2所示.

　　机械端：

　　电气端：

　　式中：ZM为传感器机械系统的机械阻抗;Ye为传感器电气部分的电导纳.

　　将机械端和电气端关系式分别写成矩阵形式，有式(4)和式(5).

　　将式(3)、(4)、(5)三个矩阵联级，即传感器作为电流源时的矩阵方程为

　　也可写成

　　对于水听器，传感器常数N=C/d，*N=−C /d，代入式(6)有

　　式中：d为压电常数;C为传感器固有电容.因为Li=+Y e，其中LY为水听器负载导纳，式(7)可写成

　　将代入式(8)，得到压电传感器的传递函数为