CN101799555A - 光纤海底地震仪 - Google Patents

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张文涛
马睿
李芳�
刘育梁
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Abstract

本发明公开了一种光纤海底地震仪，包括：球型壳(10)，用于光纤海底地震仪的内部结构保护；安装于球型壳(10)内部的支座(30)；安装于支座(30)上的至少一支光纤加速度计(21)，用于测量地震波信号，其尾纤通过光缆(22)引出；安装于球型壳(10)内部的支撑件(31)，用于安装支座(30)；耦合架(50)，用于将地震波信号耦合至光纤海底地震仪内部，并支撑和固定球型壳(10)。利用本发明，解决了现有海底地震仪的系统复杂、信号无法实时传输、可靠性差等问题。

Description

光纤海底地震仪
技术领域
本发明涉及地震勘探技术领域，尤其涉及一种光纤海底地震仪。
背景技术
海底地震仪是进行海洋地球物理勘探的重要装备，在地球物理研究、石油勘探、地震研究和预报方面发挥着重要的作用。美国、英国、日本等国家已纷纷投入大量人力物力进行海底地震仪的研制和应用研究。
现有的海底地震仪大多采用在一高强度玻璃仓内安装检波器、数据记录装备、电源等实现的。例如游庆瑜等人申请的专利“高频海底数字地震仪”(ZL200410101868.7)中公开了一种海底地震仪的设计方案，即是采用一个高强度玻璃仓内安装磁罗盘、数据座、信标机、数字采集器、电源、检波器等实现的，高强度玻璃仓安装于高强耦合架上。由于电磁波信号不能在海水中长距离传输，而采用电缆传输信号的信噪比将急剧恶化，所以只有将采集的信号存储于海底地震仪内部，然后通过释放海底地震仪，打捞出海底地震仪后再进行信号分析。
目前国际上的海底地震仪大都采用类似的技术方案。然而，该技术方案的系统复杂、造价高昂、不能实时进行信号传输和处理、需要安装电池不能长时间应用、打捞风险大。
而光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，尤其是信号可以通过光缆长距离传输，从而不必在传感器的探测端安装复杂的系统。
光纤海底地震仪则是利用光纤的传光特性以及它与地震波相互作用产生的种种调制效应，探测地震波信号的仪器。它与传统的海底地震仪相比，有以下主要优势：频带宽、灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可长距离传输信号等优点。目前尚未见有关光纤海底地震仪的报道。
鉴于光纤海底地震仪的如上技术优势，本发明提出一种光纤海底地震仪，用于在地球物理研究、军事领域和石油勘探等领域的地震探测，重点解决现有海底地震仪的系统复杂、信号无法实时传输、可靠性差等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光纤海底地震仪，以解决现有海底地震仪的系统复杂、信号无法实时传输、可靠性差等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种光纤海底地震仪，该光纤海底地震仪包括：
球型壳10，用于光纤海底地震仪的内部结构保护；
安装于球型壳10内部的支座30；
安装于支座30上的至少一支光纤加速度计21，用于测量地震波信号，其尾纤通过光缆22引出；
安装于球型壳10内部的支撑件31，用于安装支座30；
耦合架50，用于将地震波信号耦合至光纤海底地震仪内部，并支撑和固定球型壳10。
上述方案中，所述光纤加速度计21为干涉式光纤加速度计或者光栅式光纤加速度计。
上述方案中，所述光纤加速度计21为光栅式光纤加速度计时，是分布布拉格反射型(DBR)光纤激光器加速度计、分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光器加速度计或者无源光纤光栅加速度计，用于感受地震波信号并转变为其输出波长的变化。
上述方案中，所述光纤海底地震仪可以进一步分别在支座30的上下、左右、前后两侧、同一径向上分别安装两支光纤加速度计21，从而形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。
上述方案中，所述光纤加速度计21的尾纤引出光缆22与球型壳10连接，用于回收时从海底提升出光纤海底地震仪。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种光纤海底地震仪，解决了现有海底地震仪的系统复杂、信号无法实时传输、可靠性差等问题。
2、本发明提供的这种光纤海底地震仪，在其内部使用光纤加速度计代替电学检波器，而光纤加速度计不需供电、信号可长距离传输，从而很大限度的减小了海底地震仪的系统复杂度。
3、本发明提供的这种光纤海底地震仪，不必在海底地震仪内部封装电池、数字采集仪等，从而提高了系统的可靠性。
4、本发明提供的这种光纤海底地震仪，信号可通过光缆实时传输，从而不必等待海底地震仪回收后再进行信号处理。
附图说明
图1为依照本发明第一个实施例的光纤海底地震仪的结构示意图；
图2为依照本发明第二个实施例的光纤海底地震仪的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为依照本发明第一个实施例的光纤海底地震仪的结构示意图。该光纤海底地震仪的工作原理为，光纤海底地震仪的置于水下，并通过耦合架50与海底接触。当有地震波信号时，耦合架50会随地震波信号一起振动。该振动传至球型壳10并由支撑件31和支座30传至光纤加速度计21，从而引起光纤加速度计21的输出光的特性发生变化。对于干涉式光纤加速度计，其输出相位发生变化；对于光栅式光纤加速度计，其输出光波长发生变化。通过后续采用相应的解调算法(例如相位产生载波算法)即可解调出地震波信号。
请参照图1，该光纤海底地震仪包括：球型壳10，用于光纤海底地震仪的内部结构保护；安装于球型壳10内部的支座30；安装于支座30上的至少一支光纤加速度计21，用于测量地震波信号，其尾纤通过光缆22引出；安装于球型壳10内部的支撑件31，用于安装支座30；耦合架50，用于将地震波信号耦合至光纤海底地震仪内部，并支撑和固定球型壳10。
光纤加速度计21可以为干涉式光纤加速度计或者光栅式光纤加速度计。光纤加速度计21如果为光栅式光纤加速度计时，即可以为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光器加速度计或者分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光器加速度计，也可以为无源光纤光栅加速度计，用于感受地震波信号并转变为其输出波长的变化。
光纤海底地震仪可以进一步分别在支座30的上下、左右、前后两侧、同一径向上分别安装两支光纤加速度计21，从而形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。光纤加速度计21的尾纤引出光缆22与球型壳10连接，用于回收时从海底提升出光纤海底地震仪。
在本发明中，光纤加速度计21至少为一支，或者为两支，或者为三支，分别安装在三个互相垂直的方向。当安装一支光纤加速度计21时，为单分量光纤海底地震仪，其测试方向为光纤加速度计的轴向；当安装两支光纤加速度计21时，为二分量光纤海底地震仪，其测试平面为两支光纤加速度计21的所构成的平面；当安装三支光纤加速度计21时，为三分量光纤海底地震仪，其测试方向为三维空间。光纤加速度计21的安装方式均为：其一端连接于支座30。
如图2所示，图2为依照本发明第二个实施例的光纤海底地震仪的结构示意图。该光纤海底地震仪的工作原理为，光纤海底地震仪的置于水下，并通过耦合架50与海底接触。当有地震波信号时，耦合架50会随地震波信号一起振动。该振动传至球型壳10并由支撑件31和支座30传至光纤加速度计21，从而引起光纤加速度计21的输出光的特性发生变化。对于干涉式光纤加速度计，其输出相位发生变化；对于光栅式光纤加速度计，其输出光波长发生变化。通过后续采用相应的解调算法(例如相位产生载波算法)即可解调出地震波信号。当在球型壳10的径向，支座30的两侧分别安装两支光纤加速度计21形成差动式结构时，在支座30带动两支光纤加速度计21振动时，两支光纤加速度计21的输出信号相反，在后续信号处理时将这两个信号进行相减，从而可以将灵敏度提高一倍，并消除了由于温度变化引起的光纤加速度计21的波长变化。
请参照图2，该光纤海底地震仪包括：球型壳10，用于光纤海底地震仪的内部结构保护；安装于球型壳10内部的支座30；安装于支座30上的至少一支光纤加速度计21，用于测量地震波信号，其尾纤通过光缆22引出；安装于球型壳10内部的支撑件31，用于安装支座30；耦合架50，用于将地震波信号耦合至光纤海底地震仪内部，并支撑和固定球型壳10。
光纤加速度计21可以为干涉式光纤加速度计或者光栅式光纤加速度计。光纤加速度计21如果为光栅式光纤加速度计时，即可以为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光器加速度计或者分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光器加速度计，也可以为无源光纤光栅加速度计，用于感受地震波信号并转变为其输出波长的变化。
光纤海底地震仪可以进一步分别在支座30的上下、左右、前后两侧、同一径向上分别安装两支光纤加速度计21，从而形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。光纤加速度计21的尾纤引出光缆22与球型壳10连接，用于回收时从海底提升出光纤海底地震仪。
在本发明中，光纤加速度计21至少为一支，或者为两支，或者为三支，分别安装在三个互相垂直的方向。当安装一支光纤加速度计21时，为单分量光纤海底地震仪，其测试方向为光纤加速度计的轴向；当安装两支光纤加速度计21时，为二分量光纤海底地震仪，其测试平面为两支光纤加速度计21的所构成的平面；当安装三支光纤加速度计21时，为三分量光纤海底地震仪，其测试方向为三维空间。光纤加速度计21的安装方式均为：其一端连接于支座30。
本实施例中，通过在支座30的两侧沿球型壳10的径向、相对安装2支光纤加速度计21，形成差动式结构并进行温度补偿。则此时本发明的球型壳10内可以安装两支、四支、六支光纤加速度计21，分别形成单分量、二分量、三分量光纤海底地震仪。而当采用三分量光纤海底地震仪结构时，支撑件31可以用其中的一支光纤加速度计21的刚性外壳替代。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤海底地震仪，其特征在于，该光纤海底地震仪包括：
球型壳(10)，用于光纤海底地震仪的内部结构保护；
安装于球型壳(10)内部的支座(30)；
安装于支座(30)上的至少一支光纤加速度计(21)，用于测量地震波信号，其尾纤通过光缆(22)引出；
安装于球型壳(10)内部的支撑件(31)，用于安装支座(30)；
耦合架(50)，用于将地震波信号耦合至光纤海底地震仪内部，并支撑和固定球型壳(10)。
2.根据权利要求1所述的光纤海底地震仪，其特征在于，所述光纤加速度计(21)为干涉式光纤加速度计或者光栅式光纤加速度计。
3.根据权利要求2所述的光纤海底地震仪，其特征在于，所述光纤加速度计(21)为光栅式光纤加速度计时，是分布布拉格反射型光纤激光器加速度计、分布布拉格反馈型光纤激光器加速度计或者无源光纤光栅加速度计，用于感受地震波信号并转变为其输出波长的变化。
4.根据权利要求1所述的光纤海底地震仪，其特征在于，所述光纤海底地震仪可以进一步分别在支座(30)的上下、左右、前后两侧、同一径向上分别安装两支光纤加速度计(21)，从而形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。
5.根据权利要求1所述的光纤海底地震仪，其特征在于，所述光纤加速度计(21)的尾纤引出光缆(22)与球型壳(10)连接，用于回收时从海底提升出光纤海底地震仪。
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