一种分布式光纤三分量地震动测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种分布式光纤三分量地震动测量装置，包括与计算机连接的DAS调制解调仪，还包括在各个测点设置的光纤测量单元，各个测点对应的光纤测量单元串联后通过首端光纤连接段与DAS调制解调仪连接，光纤测量单元包括串联的南分量光纤绕环段、东分量光纤绕环段和上分量光纤绕环段，本发明还公开了一种分布式光纤三分量地震动测量方法，本发明对地震动信号的计算实时、准确，依靠分布式光纤技术的高空间采样特性，得到空间上密集的三分量地震动信号采集能力，对地下结构的精细成像性分析非常有利。观测速度快，并能够提供大量测点，得到高空间密度、高时间密度的信号数据。

说明书

技术领域

本发明属于震动测量领域，更具体涉及一种分布式光纤三分量地震动测量装置，还涉及一种分布式光纤三分量地震动测量方法，适用于地铁隧道等地下工程和城市道路等地面工程的震动观测。

背景技术

地球表面接收到的震动信号，可以带来地球内部介质的有用信息。工程上应用地震动信号，可以计算得到地下结构的三维估算模型。地质模型的准确程度，与震动信号的质量和空间位置相关。若要得到精细结构的成像，就需要高空间密度的震动信号采集网络。

地震动的测量一般采用动圈式或压电式地震仪。利用线圈切割磁力线原理和压电效应，测量传导到仪器壳体结构上的震动/运动。传统的三分量地震仪往往适合稀疏型的野外布设和观测，数据需取回室内再进行分析。由于单个传感器的价格高，在许多需要高空间密度测量和实时分析的场合，比如交通隧道、矿山巷道等长线型小尺度的工程监测中，难以组建密集台阵开展长期实时监测。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种分布式光纤三分量地震动测量装置，还提供一种分布式光纤三分量地震动测量方法，便于数据采集与实时分析，有利于地下工程围岩高密度测量和实时分析研究。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种分布式光纤三分量地震动测量装置，包括与计算机连接的DAS调制解调仪，还包括在各个测点设置的光纤测量单元，各个测点对应的光纤测量单元串联后通过首端光纤连接段与DAS调制解调仪连接，

光纤测量单元包括串联的南分量光纤绕环段、东分量光纤绕环段和上分量光纤绕环段，

南分量光纤绕环段、东分量光纤绕环段和上分量光纤绕环段均为非闭合的正圆环形，南分量光纤绕环段的中心垂直线平行于南北方向、东分量光纤绕环段的中心垂直线平行于东西方向、上分量光纤绕环段的中心垂直线位于垂直方向，

首端光纤连接段的长度为DAS调制解调仪2的DAS积分值读取段长度ΔL的整数倍，

南分量光纤绕环段、东分量光纤绕环段、上分量光纤绕环段的长度均为DAS调制解调仪2的DAS积分值读取段长度ΔL。

一种分布式光纤三分量地震动测量方法，包括以下步骤：

步骤1、建立XYZ坐标系，其中，X轴的正轴指向正东方，Y轴的正轴指向正南方、Z轴的正轴指向垂直向上方向；

步骤2、在计算机1控制下，在同一记录时刻，通过DAS调制解调仪2读取测点的光纤测量单元的南分量光纤绕环段对应的XZ平面上的震动信号幅度值A_s-xz，东分量光纤绕环段对应的YZ平面震动信号幅度值A_e-yz，上分量光纤绕环段对应XY平面震动信号幅度值A_u-xy，

步骤3、设定测点对应的实际X方向震动信号幅度值为AX，实际Y方向震动信号幅度值为AY，实际Z方向震动信号幅度值为AZ，南分量光纤绕环段、东分量光纤绕环段、上分量光纤绕环段上均设置有N个等分点，N为大于1的自然数，设定Sθ_i为南分量光纤绕环段上第i个等分点的切线与X轴的夹角，Eθ_i为东分量光纤绕环段上第i个等分点的切线与Y轴的夹角，Uθ_i为上分量光纤绕环段上第i个等分点的切线与X轴的夹角，i∈{1～N}，根据如下公式获得测点对应的实际X方向震动信号幅度值AX，实际Y方向震动信号幅度值AY，实际Z方向震动信号幅度值AZ，

本发明具有以下的优点和效果：

对地震动信号的计算实时、准确，依靠分布式光纤技术的高空间采样特性，得到空间上密集的三分量地震动信号采集能力，对地下结构的精细成像性分析非常有利。得到的三分量震动数据，为P波、SH波、SV波的分析提供必要数据，对震源机制分析很有帮助。由于整个系统观测速度快，并能够提供大量测点，得到高空间密度、高时间密度的信号数据，有助于实时分析工程围岩介质的快速变化与快速定位岩土体中的突发事件。

附图说明

图1为一种分布式光纤三分量地震动测量装置连接示意图；

图2为光纤测量单元的布置示意图；

图3为南分量光纤绕环段的计算示意图；

图4为东分量光纤绕环段的计算示意图；

图5为上分量光纤绕环段的计算示意图。

图中，1-计算机；2-DAS调制解调仪；3-首端光纤连接段；4-南分量光纤绕环段；5-东分量光纤绕环段；6-上分量光纤绕环段；7-末端光纤连接段。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种分布式光纤三分量地震动测量装置，包括计算机1、DAS调制解调仪(DAS为Distributed Acoustic Sensor的缩写)2、首端光纤连接段3、南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6和末端光纤连接段7。

如图1、图2所示，计算机1、DAS调制解调仪2、首端光纤连接段3、南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6、末端光纤连接段依次相连。

为了测量岩土体中的震动信号，南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6均埋设在岩土体内部的待测点处。首端光纤连接段3为数据传输的部分，没有特别指定的埋设方式，而在需要监测的指定地点，南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6分别盘成半径为r的非闭合的正圆环形，南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6的为非闭合的正圆环形，南分量光纤绕环段4的中心垂直线平行于南北方向、东分量光纤绕环段5的中心垂直线平行于东西方向、上分量光纤绕环段6的中心垂直线位于垂直方向。首端光纤连接段3的长度为DAS调制解调仪2的DAS积分值读取段长度ΔL的整数倍，南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6的长度均为DAS调制解调仪2的DAS积分值读取段长度ΔL。这样就使得南分量光纤绕环段4与首端光纤连接段3连接处正好开始于一个DAS积分值读取段起点；调节南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6，使之与一个DAS调制解调仪2的DAS积分值读取段长度ΔL相同，使得DAS调制解调仪2读取的是一个绕环段整体的震动幅度值。

串联的一个南分量光纤绕环段4、一个东分量光纤绕环段5、一个上分量光纤绕环段6构成一个光纤测量单元，根据工程测量需要，各个测点设置一个光纤测量单元，各个光纤测量单元串联，用以测量多个测点处的介质震动。各个光纤测量单元之间的光纤连接段长度应为DAS积分值读取段长度ΔL的整数倍，位于首端的光纤测量单元通过首端光纤连接段3与DAS调制解调仪2连接，位于末端的光纤测量单元与末端光纤连接段7串联，末端光纤连接段7的长度优选DAS积分值读取段长度ΔL的整数倍。

一种分布式光纤三分量地震动测量方法，可以实时处理和计算预定测点的地震动信号。具体步骤为：

步骤1、计算机1、DAS调制解调仪2、光纤连接段3、南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6、末端光纤连接段7依次连接。建立XYZ坐标系，其中，X轴的正轴指向正东方，Y轴的正轴指向正南方、Z轴的正轴指向垂直向上方向；

步骤2、在计算机1控制下，在同一记录时刻，通过DAS调制解调仪2读取测点的光纤测量单元的南分量光纤绕环段4对应的XZ平面上的震动信号幅度值A_s-xz，东分量光纤绕环段5对应的YZ平面震动信号幅度值A_e-yz，上分量光纤绕环段6对应的XY平面震动信号幅度值A_u-xy。

步骤3、设定测点对应的实际X方向动信号方向震动信号幅度值为AX，实际Y方向动信号方向震动信号幅度值为AY，实际Z方向动信号方向震动信号幅度值为AZ，南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6上均设置有N个等分点，N为大于1的自然数，设定Sθ_i为南分量光纤绕环段4上第i个等分点的切线与X轴的夹角，Eθ_i为东分量光纤绕环段5上第i个等分点的切线与Y轴的夹角，Uθ_i为上分量光纤绕环段6上第i个等分点的切线与X轴的夹角，i∈{1～N}，根据公式(1)，公式(1)为三元三次方程组，通过求解，既可以获得测点对应的实际X方向动信号方向震动信号幅度值AX，实际Y方向动信号方向震动信号幅度值AY，实际Z方向动信号方向震动信号幅度值AZ。

通过步骤2～3可以获得所有测点在同一记录时刻下，各个测点对应的实际X方向动信号方向震动信号幅度值AX，实际Y方向动信号方向震动信号幅度值AY，实际Z方向动信号方向震动信号幅度值AZ。

步骤4、在采样间隔为Δt的记录时刻下，重复步骤2～3形成采样间隔为Δt的各个测点对应的实际X方向震动信号幅度值AX，实际Y方向震动信号幅度值AY，实际Z方向震动信号幅度值AZ。

具体实施时，计算机1采用具备USB口的便携机或台式机，可与DAS调制解调仪2通信交换信息，获取震动数据，并进行分析计算。DAS调制解调仪2采用声波震动型光纤调制解调器，可选用的型号有SILIXA的iDAS系列、中欣DAS-50等，能以采样间隔为Δt稳定地记录沿着光纤轴线的震动信号，其空间准确度即为DAS积分值读取段长度ΔL。首端光纤连接段3、南分量光纤绕环段4、东分量光纤绕环段5、上分量光纤绕环段6、末端光纤连接段均为同一种光纤，采用普通的单模通信光纤光缆即可。以SILIXA的iDAS系列为例，N取值可选10～20，DAS积分值读取段长度ΔL为2米，ΔL/N即为调制解调仪的最高空间分辨率，采样间隔Δt为1毫秒。

如果需要布设多个测点，则多个测点对应的光纤测量单元之间的光纤连接段7长度，需调整为DAS积分值读取段ΔL的整数倍(至少1倍以上)，使得每一个光纤测量单元都正好开始于一个DAS积分值读取段的起点处；从而使得DAS调制解调仪2读取的是每一个绕环段整体的震动幅度值。

按照上述步骤，即可实现多个测点三分量地震动的实时监测。

以SILIXA的iDAS光纤调制解调器为例，它有效处理的光纤可以长至10km，N取为10～20，ΔL为2米，ΔL/N即为调制解调仪的最高空间分辨率，采样间隔Δt为1毫秒。空间上每2米即可布置成一个测点，得到该测点的三分量震动值。利用总长10km的光纤，最多可以构成1250个三分量的地震动传感器。这就为组成高密度、低成本的震动监测网提供了可行的方案。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。