CN102707311B - 相移光栅地震检波器和检波器光路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相移光栅地震检波器和检波器光路。该相移光栅地震检波器包括：检波器探头、检波器光路、数据采集器和数据处理器四部分。在检波器光路中，宽带光源与相移Bragg光栅相连接后，相移Bragg光栅末端与光环行器第一接口相连接，Bragg光栅与光环行器第二接口相连接；相移Bragg光栅和Bragg光栅沿中线对称的粘贴在检波器探头的等强度悬臂梁上，且两光栅粘贴的位置尽可能靠近悬臂梁的中线；光环行器第三接口与边缘滤波器、光电探测器顺次连接，光电探测器的输出端与数据采集器输入端相连。本发明的效果是，相较于当前的光纤地震检波器而言，分辨率高、成本低、光损耗小、无啁啾、测量范围大、线性度好。

Description

相移光栅地震检波器和检波器光路

技术领域

本发明涉及地震检波技术领域，尤其涉及一种地震检波器，具体的讲，是涉及一种以相移光栅为核心元件的高性能的地震检波器。

背景技术

在勘探石油的各种探测方法中，地震勘探已成为一种最有效的方法了。所谓地震勘探，就是通过人工方法激发地震波，以查明地下的地质构造，为寻找油气田或其它勘探目的服务的一种物探方法。目前，油气勘探正在从寻找构造油气藏转向岩性油气藏，从间接找油气向直接预测油气的方向发展，因而利用地震属性对油气藏进行检测的要求越来越高。因此，对地震勘探仪器的要求也越来越高，需要使用具有高分辨率、高抗干扰能力、高信噪比、高保真度和大动态范围的地震检波器。作为野外数据采集关键的部件之一的地震检波器，其性能的好与坏、优与差将直接关系到地震数据采集的质量和地质分析的效果。

传统检波器采用电磁感应的原理，动态范围小、分辨率低、抗电磁干扰能力差，在可获得更高分辨率的井下垂直地震剖面法中，传统检波器更突显出体积笨重、操作复杂、系统可靠性低的缺点。普通的光纤地震检波器，虽然克服了传统检波器的部分缺点，但是其需要昂贵的光源设备，故成本高，且光损耗大、易啁啾、分辨率低、测量范围小、线性度差、解调复杂，这些缺点限制了其产业化发展。

相移光栅是在常规的光纤光栅反射谱中打开一个或者多个线宽极窄的透射窗口，所以它对某一波长或多个波长具有很高的选择度，从而使得它在光纤传感系统中有重要的应用。通过调整相移光栅的折射率调制深度、相移量、相移位置、光栅长度、以及相移的数量可以得到不同的透射光谱。这些优良的性能，使得相移光栅在窄线宽单频光纤激光器、波分复用系统、滤波器、以及掺铒光纤增益平坦等领域有着广阔的应用前景。

因此，如何设计一种利用相移光栅上述优良特性的地震检波器成为了业内亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于，利用相移光栅上述优良特性将包含目标信息的振动信号精确的转化为可识别的数据，传递给操作者。克服了当前光纤地震检波器中成本高、光损耗大、易啁啾、分辨率低、测量范围小、线性度差等缺陷。在本发明中，所用的光路中应用了相移光栅，从而不需要昂贵的光源，从而大大降低了地震检波器的成本。专门设计的光路，使得光的插入损耗小，光谱线宽窄且无啁啾。光谱透射峰的宽度只有几个pm，甚至更小，但光功率却很高。采用边沿滤波法解调，使得本发明的分辨率高、测量范围大，线性度好。

通过大量检索表明，迄今为止尚没有与本发明完全一致的相移光栅地震检波器的报道。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供一种高分辨率相移光栅地震检波器，整体结构包括：检波器探头、检波器光路、数据采集器和数据处理器。其中检波器光路中的相移Bragg光栅和Bragg光栅对称的粘贴在检波器探头上，检波器光路、数据采集器和数据处理器依次相连。

当检波器探头检测到振动，检波器探头将振动信号转化为光信号；检波器光路，与所述的检波器探头局部粘贴在一起，用于将所述光信号转化为电信号；数据采集器，用于采集所述检波器光路输出的所述电信号；数据处理器，用于对所述数据采集器采集到的所述电信号进行数据处理，将数据处理结果输出（例如：将结果可视化并输出给操作者）。在各种信号转换的过程中，彼此之间保持着线性关系。

优选的是，所述数据采集器由放大滤波电路和A/D转换电路组成，所述数据采集器为数据采集卡。

优选的是，所述数据处理器为单片机、ARM或者PC机。

本发明所提供的检波器探头的结构包括：承重支架、等强度悬臂梁和质量块。将承重支架固定在地面上；等强度悬臂梁则固定在承重支架上，且检波器光路中的相移Bragg光栅和Bragg光栅沿着悬臂梁的中线对称的粘贴在其上表面上；质量块焊接在等强度悬臂梁的顶端。

将承重支架固定在地面上，当地面发生震动时，由于质量块处于绝对惯性空间中，所以等强度悬臂梁会跟随震动，且等强度梁上因振动产生的应变处处相等，从而使得相移Bragg光栅和Bragg光栅产生均匀的应变。通过检测以上两光栅的应变信号，结合等强度悬臂梁和质量块的尺寸、材料特性，可以计算出振动的幅度和频率。

本发明所提供的检波器光路的结构包括：宽带光源、相移Bragg光栅、光环行器、Bragg光栅、边沿滤波器和光电探测器。宽带光源与相移Bragg光栅相连接后，相移Bragg光栅末端与光环行器第一接口相连接，Bragg光栅与光环行器第二接口相连接；相移Bragg光栅和Bragg光栅沿中线对称的粘贴在检波器探头的等强度悬臂梁上，且两光栅粘贴的位置尽可能靠近悬臂梁的中线；光环行器第三接口与边缘滤波器、光电探测器顺次连接，光电探测器的输出端与数据采集器输入端相连。

相移Bragg光栅和Bragg光栅随等强度悬臂梁的振动产生应变，从而导致两者的光谱发生变化，振动信号转变为光谱中心波长变化，且两光栅的中心波长变化相同。其中相移Bragg光栅的透射光谱中心波长处存在一个线宽极窄的透射峰；透射光经过光环行器进入Bragg光栅，其反射光谱仅仅留下先前光谱中线宽极窄的透射峰；反射光再经过光环形器进入边沿滤波器，光谱中心波长变化转变为光强度变化；最后透射光进入光电探测器中，光强信号转化为电信号。

本发明的优点：

本发明中，基于相移Bragg光栅搭建的光路结构简单，光的插入损耗小，光谱线宽窄且无啁啾。光谱透射峰的宽度只有几个pm，甚至可以更小，但光功率却很高。在该光路中，采用边沿滤波法解调，使得本发明的分辨率高、测量范围大，线性度好的。

在本发明中，普通的宽带光源就可以满足使用要求，不需要使用昂贵的激光器光源，从而大大降低了光纤地震检波器的成本。

附图说明

图1是本发明利的整体结构图。

图2是本发明的检波器探头的结构图。

图3是本发明的检波器光路的结构图。

图4是本发明实施例的检波器光路中相移Bragg光栅的透射光谱。

图5是本发明实施例的检波器光路中Bragg光栅的反射光谱。

图6是本发明实施例的检波器光路中最终进入边沿滤波器的光谱。

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，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例一：

本发明提供一种高分辨率相移光栅地震检波器，整体结构如图1所示，包括：检波器探头101、检波器光路102、数据采集器103和数据处理器104，上述的器件依次连接。其中：检波器光路102中的相移Bragg光栅粘贴在检波器探头102上，检波器光路102、数据采集器103和数据处理器104顺次相连。

在具体实施时，当检波器探头101检测到振动，将振动信号转化为检波器光路102中的光信号，光信号再转化为电信号被数据采集器103采集，最终数据处理器104对数据进行处理，将可视的结果传递给操作者。在各种信号转换的过程中，彼此之间保持着线性关系。

在上述技术方案中，数据采集器103由放大滤波电路和A/D转换电路组成，也可采用商业的A/D转换芯片或数据采集卡。

在上述技术方案中，数据处理器104可以采用单片机、ARM或者PC机等，数据处理的过程通过编程来实现。

实施例二：

检波器探头结构如图2所示，包括：承重支架201、等强度悬臂量202和质量块203，上述的器件依次连接。其中：将承重支架201固定在地面上，等强度悬臂梁202则固定在承重支架201上，质量块203焊接在等强度梁202的顶端。

在具体实施时，将承重支架201固定在地面上，当地面发生震动时，由于质量块203处于绝对惯性空间中，所以等强度悬臂梁202会跟随震动，且等强度梁上因振动产生的应变处处相等，从而使得相移Bragg光栅和Bragg光栅产生均匀的应变。通过检测以上两光栅的应变信号，结合等强度悬臂量202和质量块203的尺寸、材料特性，可以计算出振动的幅度和频率。

在上述技术方案中，承重支架201采用杨氏模量较大的金属材料，如45#钢。

在上述技术方案中，等强度悬臂量202采用杨氏模量较小的金属材料，如磷青铜。

在上述技术方案中，质量块203采用密度较大的金属材料，如铜。

实施例三：

检波器光路结构如图3所示，包括宽带光源301、相移Bragg光栅302、光环行器303、Bragg光栅304、边沿滤波器305和光电探测器306，上述的器件依次连接。其中：宽带光源301与相移Bragg光栅302相连接后，相移Bragg光栅302末端与光环行器303第一接口相连接，Bragg光栅304与光环行器303第二接口相连接；相移Bragg光栅302和Bragg光栅304沿中线对称的粘贴在检波器探头的等强度悬臂梁上，且两光栅粘贴的位置尽可能靠近悬臂梁的中线；光环行器303第三接口与边缘滤波器305、光电探测器306顺次连接，光电探测器306的输出端与数据采集器输入端相连。

在具体实施时，相移Bragg光栅302和Bragg光栅304随等强度悬臂梁的振动产生应变，从而导致两者的光谱发生变化，振动信号转变为光谱中心波长变化，且两光栅的中心波长变化相同。其中相移Bragg光栅302的透射光谱中心波长处存在一个线宽极窄的透射峰；透射光经过光环行器303进入Bragg光栅304，其反射光谱仅仅留下先前光谱中线宽极窄的透射峰；反射光再经过光环形器303进入边沿滤波器305，光谱中心波长变化转变为光强度变化；最后透射光进入光电探测器306中，光强信号转化为电信号。

在上述技术方案中，宽带光源301为普通的光传感光源，如ASE光源。

在上述技术方案中，相移Bragg光栅302可采用相位掩膜板法或者二次曝光法等方法制作，光栅的长度10mm-80mm，相移位置位于光栅正中央，优选的相移量为π，透射窗宽度应控制在pm量级，两个反射峰的各自的宽度在100pm以上，中心波长为1520nm-1570nm，优选的中心波长是1550nm。如图4所示，为本发明实施例的检波器光路中相移Bragg光栅302的透射光谱。

在上述技术方案中，Bragg光栅304的长度10mm-80mm，中心波长必须与相移Bragg光栅302一致，且优选的反射峰的宽度与相移Bragg光栅302单个反射峰的宽度一致。如图5所示，为本发明实施例的检波器光路中Bragg光栅304的反射光谱。

上述技术方案中，边缘滤波器305可以采用长周期光栅、Bragg光栅或相移光栅，将得到不同的灵敏度和测量范围。如图6所示，为本发明实施例的检波器光路中最终进入边沿滤波器305的光谱。

上述技术方案中，光电探测器306可选用光电二极管等。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明探测器电路或制作方法进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种相移光栅地震检波器，其特征在于，所述的相移光栅地震检波器包括检波器探头、检波器光路、数据采集器和数据处理器；所述的检波器探头、检波器光路、数据采集器和数据处理器依次相连，其中：

检波器探头，用于将振动信号转化为光信号；

检波器光路，与所述的检波器探头局部粘贴在一起，用于将所述光信号转化为电信号；

数据采集器，用于采集所述检波器光路输出的所述电信号；

数据处理器，用于对所述数据采集器采集到的所述电信号进行数据处理，将数据处理结果输出；

其中，所述检波器光路包括宽带光源、相移Bragg光栅、光环行器、Bragg光栅、边沿滤波器和光电探测器，其中：

宽带光源，用于给所述检波器光路提供光，所述的宽带光源为：包含ASE光源在内的光传感光源；

相移Bragg光栅，粘贴在检波器探头上，用于将振动信号转化为光信号，即其透射光谱的变化，所述的相移Bragg光栅采用相位掩膜板法或者二次曝光法制作，光栅的长度为10mm-80mm，相移位置位于光栅正中央，透射窗宽度为pm量级，两个反射峰的各自的宽度在100pm以上，中心波长为1520nm-1570nm；

光环行器，用于使光信号按照给定的方向传输；

Bragg光栅，用于反射光谱信号，对原光谱信号进行整形，产生线宽极窄的光谱，所述的Bragg光栅的长度为10mm-80mm，中心波长与相移Bragg光栅一致，反射峰的宽度与相移Bragg光栅单个反射峰的宽度一致；

边沿滤波器，用于将光谱中心波长变化转变为光强度变化；

光电探测器，用于光强信号转化为电信号。

2.如权利要求1所述的高性能相移光栅地震检波器，其特征在于，所述数据采集器由放大滤波电路和A/D转换电路组成，所述数据采集器为数据采集卡。

3.如权利要求1所述的高性能相移光栅地震检波器，其特征在于，所述数据处理器为采用单片机、ARM或者PC机。

4.一种检波器光路，应用于如权利要求1所述的相移光栅地震检波器中，其特征在于，所述的检波器光路包括宽带光源、相移Bragg光栅、光环行器、Bragg光栅、边沿滤波器和光电探测器，其中：

宽带光源，用于给所述检波器光路提供光，所述的宽带光源为：包含ASE光源在内的光传感光源；

相移Bragg光栅，粘贴在检波器探头上，用于将振动信号转化为光信号，即其透射光谱的变化，所述的相移Bragg光栅采用相位掩膜板法或者二次曝光法制作，光栅的长度为10mm-80mm，相移位置位于光栅正中央，透射窗宽度为pm量级，两个反射峰的各自的宽度在100pm以上，中心波长为1520nm-1570nm；

光环行器，用于使光信号按照给定的方向传输；

Bragg光栅，用于反射光谱信号，对原光谱信号进行整形，产生线宽极窄的光谱，所述的Bragg光栅的长度为10mm-80mm，中心波长与相移Bragg光栅一致，反射峰的宽度与相移Bragg光栅单个反射峰的宽度一致；

边沿滤波器，用于将光谱中心波长变化转变为光强度变化；

光电探测器，用于光强信号转化为电信号。

5.如权利要求4所述的检波器光路，其特征在于，所述的边缘滤波器为长周期光栅、Bragg光栅或相移光栅。

6.如权利要求4所述的检波器光路，其特征在于，所述的光电探测器选用光电二极管。