一种基于微结构光纤分布式声波传感的地震波测量系统

摘要

本发明涉及一种基于微结构光纤分布式声波传感的地震波测量系统，该系统包括窄线宽激光源、耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、平衡光电探测器、微结构传感光缆、信号控制和处理模块。窄线宽激光器产生信号光由环形器注入微结构传感光缆，通过该光缆对外界地震波信号进行测量，携带地震波信息的反射光信号与参考光形成外差信号送入平衡光电探测器，其输出的电信号最终由信号控制处理模块进行解调处理，实现对地震波信号的有效测量。本发明具有测量灵敏度高、空间分辨率高的优势，相比于传统电学检波器，结构简单，体积小重量轻易安装，且不受电磁干扰。本发明可用于测量地下传播的地震波信号、资源探测以及地质勘探等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微结构光纤分布式声波传感系统，具体地，涉及一种基于微结构光纤分布式声波传感的地震波测量系统。

背景技术

光纤传感技术可用于测量井下压力、温度、声波、振动等参数，得知地质情况、流体特性和资源分布等信息。在石油勘探以及地质测试领域中，光纤传感测井以及测量地震波是一个非常重要的技术。目前光纤分布式声波传感广泛应用于垂直地震剖面(VSP)检测、压裂实时监测、油气管道泄漏监测以及地面地震波传播测量等领域。因此高灵敏高精度的光纤分布式声波传感技术对资源勘探和地震检测有着重要意义。

目前的地震勘探主要手段为利用电学地震检波器来进行测量，其目前是地震勘探重要的地震传感部件，技术水平和性能质量直接关系到地震数据检测的保真效果。相比于其他探测手段，电学地震检波器测量精度以及灵敏度较高，但由于其基于电域测量、机电一体化的内部结构使得其易受电磁干扰。同时，由于地震勘探一般都在复杂的野外环境，这样使得检波器不可避免的会出现较高的故障率。此外，每一个检波器分布在不同位置，来检测不同位置处一段时间内的地震波传输情况，这样每一个检波器都需要连接电缆线到终端，由于检波器只能单点检测某个位置的地震波信号，测量长距离地面排列时需要大量的检波器串，庞大的检波器数量使得安装过程复杂且繁琐。

发明内容

本发明提出一种基于微结构光纤分布式声波传感的地震波检测系统，目的在于对井下或地面排列的地震波，实现不受电磁干扰，同时达到较高的精度和灵敏度检测，解决现有技术电学检波器存在的安装规模庞大、易受电磁干扰以及易受环境影响而损坏等技术问题。

一种基于微结构光纤分布式声波传感的地震波测量系统，其特征在于，包括窄线宽激光器(1)、第一光耦合器(2)和第二光耦合器(8)、光环形器(5)、声光调制器(3)、掺饵光纤放大器(4)、平衡光电探测器(7)、微结构传感光缆(6)以及控制处理模块(9)；其中：

所述窄线宽激光器(1)输出与第一耦合器(2)相连，用于提供窄线宽激光信号；激光线宽尽可能窄，1MHz以下；线宽越窄，探测信号底噪越小；

所述第一耦合器(2)包括光源输入端、本振光输出端和信号光输出端；所述光源输入端用于接收窄线宽激光，本振光输出端与第二耦合器(8)本振光输入端相连，向其提供参考光；信号光输出端与声光调制器(3)输入端相连，向其提供信号光；

所述声光调制器(3)包含输入、输出和驱动三个端口，用于将激光调制成脉冲并产生一定的频移；频移使信号光相对于本振光产生一个频率差，形成外差探测，用于将地震波引起的相位改变量解调出来，实现对地震波的测量；频移大小由声光调制器外加的射频信号决定；所述声光调制器工作需要外加射频信号，同时正常工作还需要驱动信号；所述脉冲为矩形脉冲，脉冲周期与声光调制器驱动信号有关，驱动控制端信号占空比越大光脉冲能量越大；

所述掺饵光纤放大器(4)包含光输入和光输出两个端口，用于放大输入光信号；

所述光环形器(5)的第一端口与掺饵光纤放大器(4)输出端相连，第二端口与传感光缆(6)相连，第三端口接第二耦合器(8)输入端；所述光环形器(8)用于将第一端口的光输送至第二端口输出，将从第二端口进入的光即光纤中微结构点反射回的光，输送至第三端口，经该端口送出至第二耦合器(8)；所述第二耦合器(8)用于将参考光和信号光合为一路，送入平衡光电探测器(7)输入端；

所述微结构传感光缆(6)用作传感单元，用于感知地震波的传播，通过解调光缆中反射回的光信号来探测地震波；其内部包含若干反射率高于瑞利散射5-20dB的微结构点，个数可达几百个，每两个微结构点间区域都为一个检测单元，其反射光携带所探测的地震波信号；反射太强会使得前向传输的光插入损耗过大，即很大一部分光都反射回终端，不利于传感距离的增长；

所述平衡光电探测器(7)包含两个输入端口和一个差分输出端口；该探测器输出是两个输入的差,即其内部两个探测器转换后的电流之差；第二耦合器(8)输出的光进入平衡光电探测器(7)输入端；所述光电探测器的输入端两个端口与第二耦合器两个输出端口分别相连；平衡光电探测器(7)输出端接控制处理模块(9)的输入端；平衡光电探测器(7)用于将光缆反射回的光与本振光干涉后的光信号即在第二耦合器形成的拍频信号，转化为电信号，送入控制处理模块(9)；

所述控制处理模块(9)包含输入端、驱动端口和PC连接数据端口；控制处理模块(9)输入端连接平衡光电探测器(7)的输出端，驱动端连接声光调制器(3)用于驱动声光调制器正常工作；PC连接数据端口用于外接计算机，实现实时结果显示和数据存储；控制处理模块(9)用于解调探测器(7)输出的电信号，解调恢复光缆所探测的外界地震波信号，并产生驱动信号以控制声光调制器的工作。控制处理模块(9)主要作用概括为参考信号的产生、变换、相乘、滤波和幅值寻峰，目的是将外界地震波信号引起的光相位改变情况解调出来，得到相位改变量。

进一步的，所述微结构光纤(11)封装于耐磨皮线外缆(13)之内，光纤与外层缆皮间填充弹性介质(12)，从而实现保护微结构光纤和增强对外界地震波探测的灵敏度；所述微结构光纤是通过紫外刻写技术，以相同间距将若干个散射增强微结构点(10)刻写在普通单模光纤上，用于反射光纤中的光信号。

进一步的，所述第一光耦合器分光比为1：99(参考光：信号光)，第二光耦合器分光比为1：1。

进一步的，所述弹性介质在光纤与外界环境之间有较好的传导力，优选凯夫拉纤维。弹性介质应有较好的传导力特性，即能将外界力较好的传导到内部光纤上；同时具备高强度、抗腐蚀、抗拉等特性；凯夫拉纤维由于其具有高强度、耐高温、耐腐蚀等特性，能保证光缆在恶劣环境下正常工作，适合做光纤外层的填充介质；

进一步的，所述微结构传感光缆(6)的光纤上刻写的每个散射增强微结构点具备全波段反射特性，且反射率高于瑞利散射5-20dB；

进一步的，所述控制处理模块包含嵌入式处理模块(15)、D/A模块(16)、A/D模块(18)、带通滤波器(17)；所述A/D模块(18)用于采集信号并转化为数字信号，送入带通滤波器(17)；所述带通滤波器(17)用于实现中频带通，取得外差中频信号，滤除噪声，其输出接所述嵌入式处理模块(15)；所述嵌入式处理模块(15)用于对采集到的信号进行解调，并产生驱动信号，经D/A转化后送入声光调制器(7)，以驱动声光调制器正常工作。地震波沿光纤布设方向传播，不同时刻到达不同光纤段，解调之后可以得到每一段光纤在对应时刻的地震波波形；

进一步的，所述控制处理模块中解调，目的是将地震波引起的光相位改变量提取出来，即求地震波传输时与没有地震波时的相位差，包括如下步骤：

将采集到的微结构点反射回的光与本振光形成的拍频信号(19)作带通滤波(20)滤除噪声，取得外差信号，作相位提取处理(24)：分别与参考信号1(23)和参考信号2(25)相乘，分别再经低通滤波，由此得到的两个信号进行除法运算，得到关于相位量的正切值，经反正切运算后取得相位值，其中，参考信号1和参考信号2是相位差为π/2的正弦信号，其频率等于声光调制器所产生的频移大小；

同时对信号幅值进行自动寻峰(21)过程，实现定位每段光纤的微结构点反射峰，通过上述过程提取其相应相位改变量，再计算两相邻微结构点间相位差(22)，得到两点间连接光缆上的相位变化，根据变化得出此段光纤上的地震波信息，从而实现对地震波信号的解调。

进一步的，分布在不同位置的每段微结构光纤光缆可视为一个地震波检测单元来实现对地震波信号的探测，其等效位置视为两微结构点间光纤中部，能检测一段时间内此位置处的地震波传播信息，进而得到地震传输波形的时间位置分布图。这里相当于用光缆做地震波检测单元，每两个微结构点之间的光缆就是一个检测单元，所有的地震波检测单元串联在一根缆上，分别检测不同位置处的地震波传输，光缆既是传输信号的介质，又是分布在不同位置的一段段检测单元。

进一步的，所述平衡探测器(9)内置两个特性完全接近的光电探测器，两束光相减后可去掉直流分量，可消除光相干探测中接收机噪声，提升系统信噪比和灵敏度，利于微弱信号的探测；和普通光电探测器不同的是，其内置两路通道，不像单管探测器只含一个探头。

进一步的，所述地震波测量系统，还包括PC(14)，用于显示地震波信号和存储数据。结合PC(14)软件开发，由相应的解调算法对采集到的数据进行处理，恢复的地震波测量结果可在PC(14)上显示出来，同时PC也能对嵌入式处理模块进行相应的控制，这样，PC相当于上位机主要用于软件编程开发、存储。

本发明与现有技术相比，主要有以下几个优点：

1、测量灵敏度高，空间分辨率高，两反射点间的每段光缆分别作为相应区间的检波单元，可检测某段时间内此位置处的地震波传输信息；

2、相比于传统电学检波器，其结构简单，体积小重量轻易安装，且不受电磁干扰。

本发明可测量地下传播的地震波信号，可应用于资源探测和地质勘探等领域。

附图说明

图1为系统装置框图；

图2为光缆具体说明图；

图3为控制和处理模块内部结构；

图4为算法处理流程图；

图5为地震波时间位置分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。本发明提供了一种可用于地震波检测技术的微结构光纤分布式声波测量系统。系统由以下器件构成：窄线宽激光器、1:99和1:1光耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光环形器、微结构传感光缆、平衡光电探测模块以及控制和处理模块中的嵌入式数据处理模块、DA模块、AD模块和滤波模块。

其中，微结构光缆由内部微结构光纤和外层封装组成。微结构光纤指在普通单模光纤上利用紫外刻写技术，以相同间距连续刻写若干个反射率极低且相同的瑞利散射增强点。外层封装指在微结构光纤外封装一层保护皮缆，光纤与皮缆之间填充弹性介质，起传导力的作用，此处举例选择凯夫拉纤维。

窄线宽激光器输出一定波长的窄线宽激光信号，由1:99的光耦合器分成两束，其中1％的光作为本振参考光输出到另一1:1的耦合器输入端，99％的光作为探测信号光传输到下一个器件声光调制器。

声光调制器由控制和处理模块中嵌入式处理模块通过DA模块驱动其正常工作，其作用为将光信号调制为脉冲光并使光信号产生一定频移，此处频移举例为200MHz。

脉冲光再经掺饵光纤放大器进行光放大，输入到环形器的1端口，环形器1端口的光输送到环形器2端口，即传输到连接在2端口的传感光缆。

传感光缆中有一系列的散射增强微结构点，反射率此处举例为高于瑞利散射10dB，可将前向传输光反射回来，外界地震波作用于传感光缆上，由内部弹性介质传导力作用于内部微结构光纤上，引起反射回的光相位的改变。反射回的光进入环形器2端口，环形器2端口的光输送到环形器3端口，3端口的待测光信号输送至1:1耦合器的另一输入端，通过耦合器与本振光耦合进入同一光路中，形成外差探测，两束光合束为拍频信号。

耦合器输出的光信号由平衡光电探测模块接收并转化为电信号，由带通滤波器进行滤波后被AD模块采集，送入嵌入式数据处理模块中。经如图4的算法处理过程，采集到的每个拍频信号都能解调出其相位改变量，通过对相邻两微结构点间相位改变量的差分运算，即可得到两点间连接光纤所产生的相位改变量，而地震波传输到相应区间的光纤段时引起该段光纤的相位变化，这样即可得知该区间此刻的地震波信号，由此类推即可得知整个光缆分布区间在各个时刻的地震波信息。

每两相邻微结构点间光缆为一个地震波检测单元，其既传输光又为感知单元，单根光缆分为不同位置处的地震波检测单元。将其埋入地下，当地震波在地下传输时，即可得到各个位置处不同时刻的信息，图5示出不同位置不同时刻的地震波传输信息。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。