可控震源作为一种高效、环保、安全的勘探装备,已广泛应用于石油天然气勘探。随着油气勘探目标向深层、超深层油气资源以及非常规油气资源发展,对可控震源的激发精度和频宽提出了更高的要求。而现有可控震源存在激发信号低频成分不足、高频出力失准的问题,导致信号能量微弱、信噪比低,可控震源的激发精度和频宽必须得到进一步提高。为此,本文紧密围绕油气勘探的关键装备可控震源,针对振动器-大地耦合振动和频宽限制问题,采用理论分析和现场试验研究相结合的方法,开展了可控震源振动器-大地耦合振动与频宽拓展研究,研究成果为掌握振动器-大地响应规律和拓展振动器频宽提供了理论依据,对于改善振动器的激振效果、减小信号畸变、提高可控震源勘探性能具有重要意义。本论文的主要研究工作和成果如下:（1）综合可控震源技术和振动器-大地耦合振动的国内外发展现状和趋势,基于弹性半空间理论,构建了平板-大地耦合振动模型和振动器-大地有限元模型,分析了平板底面的压力分布规律为抛物线分布,提出了采用动阻尼和动刚度描述平板-大地相互作用、将运动方程的系数考虑为频率的函数,建立了振动器-大地耦合振动模型,为后续的研究工作奠定了基础。（2）开展了振动器-大地耦合振动动力学响应研究,分析了在扫描频率下,耦合振动系统的动刚度动阻尼、模态、结构响应以及能量传递。动刚度动阻尼的分析表明,平板和大地之间的相互作用随着频率的增加而减小。通过振动器-大地耦合系统模态分析,找到了结构的共振频率和振型:结构的一阶共振的振型是重锤和平板同向共振,结构的响应以重锤为主;二阶共振的振型是重锤与平板反向共振,平板的响应占据主导地位。采用Newmark法开展结构响应分析,得到了扫描信号下结构的响应（位移、加速度、速度）规律、振动出力规律以及能量传递规律。在低频段,重锤的响应是远大于平板的响应,随着频率的增加,平板的响应迅速增加并超过重锤的响应。指出振动出力与频率的变化关系分为三个阶段,在不同的频段受到不同因素的主导。提出了一种计算能量传递的方法,得到了系统的能量传递规律:在低频阶段能量主要对重锤做功,而高频阶段能量主要转变为平板的动能,系统的有效做功（即对大地的）的比例是非常小的,系统的大部分能量都消耗给了重锤、平板的动能以及阻尼。（3）从单频扫描和线性扫描两方面,开展振动器-大地耦合振动试验研究,并与理论研究对比分析。研究表明随着扫描频率的升高,重锤加速度信号的频率成分与扫描信号越来越接近,而重锤的位移越来越小,重锤在惯性力的作用下存在一定的失控状态,且重锤的加速度相位差也在增大。对比三种不同方法得到的响应结果,表明加权和法过高估计了振动出力且在高频段出现了明显的相位差,而本模型与Load Cell之间测得的振动出力数据在整个扫描周期基本保持一致,验证了本论文提出的振动器-大地耦合振动模型具有较好的准确度和可靠性。（4）开展耦合系统参数对振动器-大地耦合振动动力学响应影响规律研究,从动刚度动阻尼、固有频率、相位、振动出力和能量传递五个方面横向展开,对各个方面以等比例从平板质量、重锤质量、平板底面积、大地弹性模量以及土壤密度五个角度深入。耦合系统参数对振动器-大地耦合振动动力学响应影响分为两个阶段,在低频段重锤质量对动力学响应起着决定性作用,而在中高频段平板质量、平板底面积、大地弹性模量以及土壤密度共同作用,其中以平板质量和大地弹性模量的影响最大。通过该研究掌握了不同参数、不同工况下系统的响应规律,为振动器频宽拓展和现场作业提供了参考。（5）开展振动器低频和高频频宽拓展的限制因素分析,找到重锤行程和泵排量是限制振动器低频拓展的主要因素,伺服阀和高频出力失准是限制振动器高频拓展的主要因素,并分析了现有主力震源的振动性能,掌握了震源振动器优化的需求和方向。开展振动器-大地共振频宽蒙特卡罗模拟分析,表明一阶和二阶共振频宽都近似服从正态分布,一阶共振频率主要是由重锤决定,二阶共振由多种因素共同作用。二阶共振频宽分析表明振动器向高频拓展时必然会出现高频出力失准。基于粒子群算法开展了振动器频宽拓展多目标优化,优化后低频负载能力有了进一步提升,从优化前的19.38%提高到了21.96%,也增加了部分出力;振动器的高频段出力有了显著提升,特别是120Hz时的振动出力提高了 34.07%,但中频段的出力有小幅降低。