CN101349761A - 使用多芯光缆实现的多道fbg检波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在地球物理地震勘探应用中的使用多芯光缆实现的多道FBG检波器。其技术方案是：一种使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，由光电采集站、多芯铠装光缆、若干个光纤光栅的检波器S1、S2、S3、…Sn组成。其中，光电采集站包括：CPU模块、光源模块、光路分配－光电转换模块、锁相放大－A/D转换模块，数据存储－通讯模块以及同步或时间服务模块。其有益效果是：为各个光纤光栅检波器S1、S2、S3、…Sn建立了互不干扰的独立通道，检波器可以具有完全相同的机械结构和传感光栅，这样为生产的标准化和使用维护中的替换带来了方便。

Description

使用多芯光缆实现的多道FBG检波器

一、技术领域：

本发明涉及一种检波器，特别涉及一种在地球物理地震勘探应用中的使用多芯光缆实现的多道FBG检波器。

二、背景技术：

地震勘探使用检波器采集地震波信号，这些资料处理后能够反演出地下的地质结构，广泛应用于石油、煤炭和矿山等行业。过去几十年通常采用电磁式检波器，但随着地震勘探面临：目的层更深、地表条件更复杂、资料要求更精细以及人类活动带来的电磁干扰更多等因素的影响，原有技术已经不能适应越来越高的要求。

新型检波器的发展动向主要体现在微电子机械(MEMS)，新型压电材料以及光纤传感技术等几个领域。其中光纤技术以其独特的优点吸引着研究人员的目光，在光纤振动传感器，光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器等题目下，涌现出许多的科研论文、实验报告和专利申请，如中国专利公开号CN1862239A的中国专利公开了“分布式光纤振动传感方法及装置”，该发明是一种基于双环马赫一泽德干涉的分布式光纤振动传感方法及装置；公开号CN1995934A的中国专利公开了“分布式光纤振动传感器”，该发明中采用的是萨格奈克干涉仪和马赫一泽德干涉仪，以上二项发明采用的技术路线与本发明申请采用的布拉格光栅技术路线显著不同。授权公告号为CN1614359A的中国专利公开了一个发明名称为“实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法”，但该专利公开的创新和权利要求主要体现在：多通道的光路结构用一种调谐滤波器对各个通道进行逐次扫描解调的方法来实现；本发明涉及的使用多芯光缆实现的多道FBG地震检波器是一种产品发明，描述了机械结构、光路结构、电路结构和数字化实现等；在二者具有可比性的多通道光路实现部分，本发明采用的是使用多芯光缆光路隔离，每个通道都有其自己的匹配光栅，所有地震通道同步解调。二者具有极其明显的实质区别。

地震检波器，尤其作为更新换代的新型检波器，不仅要求具有全面优良的技术指标，而且必须解决工程应用所面临的巨大困难。检波器的使用人员通常是临时雇佣非熟练劳务人员，工作时间常常是人体极度疲惫的深夜(满足低环境噪音要求)，工作环境必须面对风霜雨雪、沙尘泥泞等各种恶劣条件。在上述情况下，即使最简单的光纤连接工作也存在极大困难。所以，基于光纤技术的各种检波器方案，除性能和价格因素外，能否在野外恶劣条件下正常使用，决定了所提出的发明是仅仅停留在图纸构思，还是能够真正走向应用并创造财富于社会。

三、发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，为各个光纤光栅检波器S1、S2、S3、…Sn建立了互不干扰的独立通道，检波器可以具有完全相同的机械结构和传感光栅，这样为生产的标准化和使用维护中的替换带来了方便。

其技术方案是：一种使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，由光电采集站、多芯铠装光缆、若干个光纤光栅的检波器S1、S2、S3、…Sn组成。其中，光电采集站包括：CPU模块、光源模块、光路分配-光电转换模块、锁相放大-A/D转换模块，数据存储-通讯模块以及同步或时间服务模块。

本发明从光电采集站→铠装光缆→检波器1→铠装光缆→检波器2→铠装光缆→检波器3…→铠装光缆→检波器n之间，只在采集站和检波器内部进行光纤焊接并进行良好的机械封装，没有任何需要进行野外现场连接的光路连接端子或适配器。每段光缆长度为常规道距+适当(长度)冗余量。

光电采集站是本发明的关键部件之一。从外部应用看，光电采集站与现有地震勘探使用的数据采集站完全相同；但其内部结构由CPU模块、光源模块、光路分配-光电转换模块、锁相放大-A/D转换模块，数据存储-通讯模块以及同步或时间服务模块，其中光学测量为光源模块、光路分配-光电转换模块、铠装光缆以及检波器的振动敏感光栅。

由于多芯光缆为每个传感器都分配单独的光路，本发明能够采用一个激光光源LD实现多道地震信号检测。与宽带光源相比，激光具有更好的信噪比和分辨率。

本发明使用一个1×N耦合器、N个1×2耦合器、一根N芯光缆以及N个独立的检波器，建立相互独立的光学N通道(以上N为本发明的通道数)，各通道在时间上严格同步，相互之间由于激光在不同的光通道中传输而互不干扰。

本发明中各个检波器的机械结构和传感光栅波长均完全一致，各传感器可以简单替换，一种合理的结构由实用新型专利申请“一种光纤光栅地震检波器”描述。

本发明的下限是2通道，上限受制于多芯光缆的缆芯数量，一般小于12通道，但最佳数量是4通道。一方面与现有的地震仪器系统容易兼容，另一方面4通道系统将光电采集站-铠装光缆-4个检波器融为一体，其重量和体积既便于单人背负野外使用，也便于生产、检测和维护。

本发明的有益效果是：使用多芯光缆实现的多道FBG检波器除具有灵敏度高、非线性失真低，抗电磁干扰等优点外，由于采用光缆取代传统检波器连接的大线，本发明还具有如下系统优势：

(1)目前由检波器到数据采集站之间的常用连接方式是多芯电缆(大线)，在使用过程中大线难免弯折导致绝缘破坏，各通道之间信号串扰经常发生，本发明能够从根本上消除大线中各信号之间发生的道间干扰；

(2)由于连接头生锈、污损、松动、大线断根等原因，接触电阻经常发生变化，信号在从每个检波器到采集站之间的传递存在着随机的误差，本发明能够大大降低线路损耗带来的误差；

(3)在当前地震勘探中，除检波器能引入电磁干扰外，数据传输大线相当于一根外接天线，很容易引进各种电磁干扰，光纤技术能彻底改变这一情况；

(4)简化野外操作，减少不确定的随机误差，提高勘探质量；

(5)由于光缆的重量只有对应多芯铜缆(大线)重量的大约1/5，本发明降低了地震勘探对放线工人数量需求和劳动强度。本发明所需要的铠装光缆目前价格只有对应大线价格的2/3，并且具有长期降低确定趋势。所以，使用多芯光缆实现的多道FBG检波器系统有利于推广应用。

四、附图说明：

附图1是本发明的原理框图；

附图2是本发明的一种实施例的实施方法；

附图3是布拉格光栅振动信号检测原理图。

上图中：光电采集站1、CPU模块2、光源模块3、光路分配-光电转换模块4、锁相放大-A/D转换模块5，数据存储-通讯模块6以及同步或时间服务模块7、铠装光缆8、以及若干个机械结构相同但传感光栅中心波长不同的检波器S1、S2、…Sn组成。

五、具体实施方式：

以下结合附图1、附图2、使用4芯光缆实现的4通道FBG检波器为例，描述本发明的详细的工作过程。(由于整个光程长度小于500米，传输过程中忽略光的传输延迟)使用4芯光缆实现的4通道FBG检波器，由光电采集站1、铠装光缆8以及4个检波器S1、S2、S3、S4组成。采集站到S1检波器采用10米4芯铠装光缆连接、各检波器S1、S2、S3、S4之间采用3根55米4芯铠装光缆连接，光纤焊接只在采集站和检波器内部进行，检波器和采集站经过良好封装，没有任何需要进行野外现场连接的光路连接端子或适配器。

CPU模块2产生扫描电信号送往光源模块3，控制该模块中的LD产生从起始波长λ_LDS到截至波长λ_LDE的快速扫描脉冲激光λ_LD，送往光路分配-光电转换模块4，激光从耦合器C5的1端进入，分为4路分别进入耦合器C1、C2、C3、C4的2A，从1端射出，沿着4芯铠装光缆8分别到达光栅检波器S1、S2、S3、S4，传感光栅。传感光栅的布拉格反射光谱中心λ_S将随同检测到的地震波在λ_Sa～λ_Sb之间变化，扫描脉冲激光λ_LD与光栅反射光谱λ_S相互作用，形成一串携带振动信息的反射光脉冲λ_D1…λ_Dn，再次进入光路分配-光电转换模块4，分别从耦合器C1、C2、C3、C4的1反射进入，从2B端射出，进入光电二极管D1 D2 D3 D4，此时，反射光脉冲λ_D1…λ_Dn中包含的振动信息被转换为电信号。4个支路的电信号由光路分配-光电转换模块4进入锁相放大-A/D转换模块5，在该模块中，微弱的振动电信号首先进行锁相放大，锁相信号来自CUP模块2，经过放大后，振动信号将进行A/D转换，同步转换的指令由CPU模块2发出，自此，地震反射波的振动信号已经转化为数字信号，该信号进入数据存储-通讯模块6，在同步或时间服务模块7的控制下发送到地震仪。

最后我们对比地震勘探过程中常规检波器与本发明的使用情况。

假设某地震勘探施工现场共有M个排列，每排列有N个物理点，道距为50米。数据采集站带载能力为4道检波器；共有(M×N)/4个数据采集站通过数传电缆(或无线传输)方式连接到地震仪器车。地震勘探开始时，采集站接收到起爆同步信号，开始同步记录并存储各通道检波器的振动信号，直至预定数据长度(例如6秒)。随后，在仪器车的控制下，将所记录的数据上传至地震仪的工作站。

对于其中某排列的勘探点位K1 K2 K3 K4

传统检波器部署方式为：①纵贯K1-K4铺设一根200米长的多芯电缆(大线)②相应K1、K2、K3、K4位置安插检波器，③各个检波器通过2芯电缆(小线)连接到多芯电缆(大线)④大线连接到采集站

本发明的部署方式为：①纵贯K1-K4铺设铠装光缆，②相应于K1、K2、K3、K4位置安插检波器。

Claims (5)

1、一种使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，主要由光电采集站、多芯铠装光缆以及若干个光纤光栅检波器S1、S2、S3、…Sn组成，其特征是：光电采集站与各个检波器之间使用预先确定长度的多芯铠装光缆连接为一体，光纤焊接或连接全部在光电采集站和光纤光栅检波器内部进行，外部没有相互连接的光纤端子或光纤适配器。

2、根据权利要求1所述的使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，其特征是：所述的光电采集站由CPU模块、光源模块、光路分配-光电转换模块、锁相放大-A/D转换模块，数据存储-通讯模块以及同步或时间服务模块组成。

3、根据权利要求1所述的使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，其特征是：所述的多个光纤光栅检波器S1、S2、S3、…Sn具有完全相同的机械结构和中心波长一致的传感光栅。

4、根据权利要求1所述的使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，其特征是：使用一个1×N耦合器、N个1×2耦合器以及N芯光缆，建立相互独立的光学N通道(N为通道数目)，保证了各个通道在时间上严格同步并且各检波器信号不发生混淆。

5、根据权利要求1或4所述的使用多芯光缆实现的多道FBG检波器，其特征是：多通道N是指2至12之间的任一数字，尤其是指4通道。

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