作品展示▏黄逸凡：电火花震源技术的特征、现状与发展
【摘要】
本文从地震勘探的人工震源谈起，描述了电火花震源的基本原理，比较了两种水下脉冲放电技术的优缺点，对电火花震源的发展历史进行了简单回顾，并对现在的产品现状进行了综述，最后介绍了电火花震源技术的发展趋势。
一、前言
地球物理调查的一个重要内容是地震勘探。地震勘探需要用到人工震源，人工震源的基本原理是利用各种能量压缩（如图1所示）的方法产生一个脉冲声波，同时利用声波在不同阻抗地层内传播规律来勘探地下的地质情况。TNT等烈性炸药是早期最为常见的人工震源，是以化学储能在短时间释放得到脉冲声波。这种方法的优点是储能密度高，但存在不安全性和不稳定性。随着技术进步，上个世纪50年代末期开始，炸药逐步被其它储能方法替代，如压缩空气、电储能等，产生了诸如电火花、气枪、水枪、套筒枪和Boomer等稳定可靠的人工震源。
图1 能量压缩产生脉冲压力波示意图
不同的人工震源工作频段不同，适用的地层穿透深度和分辨率也有很大区别。一般来说，两者是相互矛盾的。波长（λ）决定了分辨率。最高纵向分辨率取决于λ/4，横向分辨率取决于菲涅尔半径，由波长和水深（h）共同决定，可以用公式（λh/2）^0.5进行估算，而地层对声波能量的吸收也取决于波长（0.2dB/λ），因此震源工作频率低，穿透深度深、分辨率相应较低，反之工作频率高，穿透深度浅，分辨率相应较高。
图2 震源工作频率、地层穿透深度和分辨率的关系比较
图2是震源工作频率、地层穿透深度和分辨率的关系比较。由图2可知，电火花震源的主频在几十Hz至几百Hz，最大穿透深度可以到数百米，最高分辨率可以到达1m以下。工作主频主要取决于放电能量，也受作业条件，如海上作业时的水深、海底地质状况、海况等因素影响。
二、工作原理
如前所述，人工震源的主要原理是压缩能量，电火花震源通过压缩电能的方式，即将电容器储能在短时间（微秒至毫秒量级）内通过放电开关释放到水中放电电极，得到脉冲声波，是一种将电能转化为声能的装置，其系统基本结构见图3。
图3 电火花震源基本结构
不同于普通的压电换能器，电火花震源作用原理是水中高压脉冲放电的机械效应。1955年，前苏联科学家Yutkin首先将此种效应命名为“液电效应”。目前，产生液电效应的放电技术主要有两种：脉冲电弧放电和脉冲电晕放电，如图4所示。前者在电极对（高压极和低压极）距离较近的情况下产生，一般以单组电极对作为负载，特点是能量效率高，但也存在电极寿命短，电流震荡严重，气泡脉冲明显等缺陷。早期所有的电火花震源和现在部分陆地电火花震源都采用这种技术；后者是在电极尖端产生放电，需要水体具有较高的电导率（如海水），其本质是水体作为低压极参与到放电回路，因此负载阻抗相对稳定，可以通过多个放电电极并联而组成阵列，无明显气泡脉冲，虽然能量效率不及电弧放电，但目前海洋电火花震源，尤其是高分辨率浅地层勘探用的电火花震源都采用此技术。同时，随着大功率半导体技术的快速发展，放电开关摒弃了原有电弧放电中的火花隙开关，采用大功率晶闸管，大大提升了放电的稳定性和设备寿命。
图4 脉冲电弧放电和脉冲电晕放电比较
这里对单电极条件下脉冲电晕放电的过程用高速摄影的方法进行描述，如图5所示。当电脉冲释放到负载，电极尖端在焦耳热的作用下产生气泡，气泡中随之发生放电，产生等离子体，高温高压的等离子体驱动气泡作用于水体从而产生声脉冲。高压脉冲放电可以是正极性，也可以是负极性。由于正极性的起晕电压低于负极性，因此前者的能量效率略高于后者，但海水氯离子的腐蚀性强，一般正极性放电的电极寿命低于负极性。
图5 单电极放电的液电效应基本过程示意图
三、发展历史
电火花震源是最早的爆炸源替代品。在海洋电火花震源方面，1956年Knott和Hersey通过简单的电容储能向水中电极放电，发现产生的脉冲声波可以穿透海底数百米地层，同时通过拖曳形式得到了连续的地层剖面。1957年，Alpine Geophysical开发了第一套电火花震源系统。此后的数十年，电火花震源发展迅猛，先后有EG&G、Fairfield、Aquatronics等公司开发不同能量等级的系统。如EG&G的230系列，其放电能量从1kJ至8kJ（kJ : 千焦）不等。图6左所示为EG&G电火花震源232A供电模块（下）和231高压放电模块（上），图6右是配合使用的放电电极。
图6 EG&G电火花震源和放电电极
图片来自《高压强脉冲放电及其应用》（秦曾衍等，北京工业大学出版社，2000）
图7 LDZ200/10电火花震源
在国内，中科院电工所自上世纪七十年代开始研制电火花震源，对陆地、海洋和深井激发的电火花震源都有研究。秦曾衍、左公宁等老一辈科研工作者开展了大量的实验研究和设备开发，并撰写专著《高压强脉冲放电及其应用》（北京工业大学出版社），系统介绍了他们的工作。在海洋方面，七、八十年代电工所与石油工业部及国家地质局合作研制成功“滨海505”、“滨海506”及“海洋二号”等多条电火花震源地震勘探船，其中滨海505的电火花震源最大能量达到263kJ，为开发渤海油田、珠江口盆地油田及北部湾油田作出了贡献。在陆地方面，九十年代电工所与大庆物探公司合作研发LDZ型系列电火花震源，其中最大能量达到400kJ，图7是LDZ200/10电火花震源。
电工所早期研制的电火花震源都采用电弧放电技术，放电开关为火花隙开关，放电电极为单组电极对，其中海洋电火花震源多采用平行电极对，陆地电火花震源多采用同轴电极对，如图8所示。
图片来自《高压强脉冲放电及其应用》（秦曾衍等, 北京工业大学出版社，2000）
图8 平行放电电极（上）和同轴放电电极（下）
四、发展现状
如前所示，部分陆地电火花震源仍采用脉冲电弧技术。国内形成产品并销售的如北京同度物探研发的TD-Sparker系列，其中能量最大的TD-Sparker800最高储能达到300kJ，主要用于陆地资源调查。此外，中铁西南科学研究院研制的ZDF-3型电火花震源，最大能量10kJ，主要用于隧道工程勘探。
图9 北京同度物探TD-Sparker系列
和中铁西南科学研究院ZDF-3型电火花震源
目前，海洋电火花震源基本采用脉冲电晕技术，使用大功率半导体作为放电开关和多电极发射阵作为放电电极。国外的产品如荷兰的GEO-Sparker、法国的SIG、英国的Applied Acoustic等，具体如下图所示。其中，GEO-Sparker采用负极性放电和框架结构的平面发射阵，电极寿命长，由改变储能电容器的充电电压调节放电能量；SIG采用正极性放电和鱼骨刺状放电电极，小巧方便，通过改变储能电容器的容值调节放电能量；而Applied Acoustic采用的是刷子状电极，也是正极性放电。目前，这三种产品在国内都有应用，用户主要集中于海洋科考机构，且多用在高分辨率浅地层地震勘探，包括工程勘探和海底资源调查。
图10 GEO-Sparker（上）、SIG（中）和Applied Acoustic（下）三款电火花震源产品
国内此类海洋电火花震源的研发起步于十五期间。在863计划支持下，国家海洋局第一海洋研究所联合浙江大学、金华荣华电气科技有限公司成功研发了第一台500J电火花震源，又称为等离子体震源，如下图所示。十一五期间，在863计划持续资助下，又研发了一套10kJ电火花震源，并在后续工作中得到中国海洋大学、国家海洋局第二海洋研究所、中科院南海所、广州海洋地质调查局、中船重工第726研究所、760研究所等单位的支持，成功研发能量从30J至50kJ不等的电火花震源（如图12所示），在东海调查、南海调查、南北极科考、水声对抗等方面得到了应用。
图11 十五期间海洋一所主导研制的500J电火花震源
图12 浙江大学与金华荣华电气科技有限公司
联合研发的系列电火花震源
十一五期间，中科院电工所也在863计划的支持下与广州海洋地质调查局合作研发了一套类似的电火花震源，最大能量20kJ，被命名为“海鳗”，如下图所示。
图片来自《电火花震源激发的声波频谱分析》（黄海等，南海地质研究，2013）
图13 海鳗20kJ电火花震源
五、发展趋势
目前，常规的电火花震源，尤其是海洋高分辨率浅地层勘探用电火花震源的作业方式是主机位于后甲板或实验室，通过发射缆拖曳位于水面的发射阵。随着工作水深的增加，尤其是水深达到数千米时，纵向分辨率和横向分辨率都极大地衰减。解决这个问题的有效技术手段是进行深拖，即把勘探设备置于近海底位置进行拖曳。十三五期间，广州海洋地质调查局牵头，国家海洋局第一海洋研究所、浙江大学等单位参与的重点研发计划项目“近海底高精度水合物探测技术”将研发一套可工作在水深2000m的深拖电火花震源。这是国际上首套突破1000m的电火花震源。同时，广州海洋地质调查局牵头的另外一个重点研发计划项目“高分辨率三维地震勘探技术”也将研发一套双子阵超大能量电火花震源系统，用于天然气水合物的三维精细调查。除了深拖和三维以外，电火花震源的另一个研发方向是声脉冲可调，即脉宽、幅值、主频等参数可通过多路可控输出等方式进行调节，中科院电工所和浙江大学等单位都在进行相关的研究。
从海洋科考的发展趋势来看，无人化是一个重要方向。国内外的无人艇、水下AUV等技术发展迅猛。浅剖、多波束、侧扫、测深等声学探测设备已经搭载到无人系统上进行应用，但还未见高分辨率地震勘探的无人化案例。由于高电压和大功率特性，以及海上设备可靠性要求高等，电火花震源的体积和重量都较大，未来集成化、模块化、高功率密度等方向也将是研发重点，为实现电火花震源的无人搭载奠定基础。
此外，国内的电火花震源虽然在国家支持下取得了技术研发的成功，也有了一定的推广应用，解决了设备稳定性问题，但工业设计、工艺水平等方面与国外进口设备有一定差距，尤其是用户体验方面差距较大。从近几年国内相关的海洋技术展可以看到，国产的浅剖、侧扫等探测设备产业化已经成熟，工业设计已接近国际先进水平，因此电火花震源的工业设计可以参考借鉴，实现从“能用”到“好用”且“好看”的跨越。
谨以此文集纪念已过世的国家海洋局第一海洋研究所王揆洋研究员，他是十一五期间863计划课题“深水高分辨率浅地层探测技术”负责人。下图为作者与王揆洋研究员在2010年夏季“实验1号”科考船上的课题验收航次合影。
【作者简介】黄逸凡，1982年出生，浙江嘉善人，浙江大学博士，中国科学院深圳先进技术研究院，研究员，长期从事脉冲功率与应用等离子体技术研究，主要方向是电火花震源的基础和应用研究，同时开展等离子体技术在环保、医疗和材料制备/处理等方面的研究工作。先后主持国家自然基金面上项目、国家863计划/重点研发计划子课题等各级科研项目10多项，发表SCI论文20多篇，第一及通讯作者代表性论文19篇，合著3本，其中英文合著2本，获授权发明专利6项，欧专利1项。曾获2012年海洋工程科学技术奖一等奖、2013年国防科学技术进步奖一等奖。
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