CN108646287A - 差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，涉及光纤传感技术领域，其包括窄线宽激光器、第一光电探测器、第二光电探测器、1X2耦合器、第一2X2耦合器和第二2X2耦合器，还包括支撑轴、质量体、第一光纤环、第二光纤环、第一法拉第光纤反射镜、第二法拉第光纤反射镜、第三法拉第光纤反射镜和第四法拉第光纤反射镜。本发明不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在超前预报、石油勘测等方面应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体来讲是一种差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器。
背景技术
随着地震勘探技术的发展，特别是高分辨率勘探的深入，对地震勘探数据采集的精度和质量要求也越来越高，要求采集数据具有宽频、高保真、高信噪比、高动态，以便更好地识别地质结构、岩性、流体、裂缝油藏，改进油藏定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等。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，将直接关系到采集数据质量和地质分析的效果。
在常规反射地震勘探中，接收地震有效波的频率范围一般在3Hz～300Hz之间，并要求传感器在此频率范围内对振动的相位和振幅响应是线性的、稳定的。在目前地震勘探领域使用的检波器中，从工作原理来讲可分为电磁感应式检波器、压敏检波器和数字传感器或叫数字检波器，目前，用量最大的是电磁感应式检波器，这其中还可分常规检波器和超级检波器等。
电磁感应原理是利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，随着检波器外壳振动的大小变化，感应电动势也随之变化，速度越大，感应电势也大，检波器震动时，在检波器的输出端输出相应的电信号，传输给地震仪器。两个线圈的接法应满足：在绕制线圈时，一个线圈正绕另一线圈反绕，并把上线圈的终端与下线圈的起端联在一起(反向连接)，把上下线圈的另外两个端头做为输出端。当线圈相对磁钢运动时，由于两线圈的磁场方向相反，所以连接的两线圈的感应电势是同向相加的。对于外界磁场干扰，反向连接的两线圈的感应电势是反向抵消的，这样就提高了抗干扰能力。
电磁感应式检波器的永磁体由于受温度、地磁影响大、易氧化且磁场不稳定，地震检波器的灵敏度低、稳定性及重复性差。现场工作量大，自然频率选择较多、需要大量的检波器组合，排列复杂，强度大。实际的探测工作中,地质勘探人员需要携带大量的测量器材，特别是布设探测器阵列时，沉重的电缆和众多的探测器令人不堪负荷。而探测地点又常在深山大林之中，工作量大，同时,检波器电缆易受外界电磁场的干扰，影响数据的可靠性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在超前预报、石油勘测等方面应用前景十分广阔。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，包括窄线宽激光器、第一光电探测器、第二光电探测器、1X2耦合器、第一2X2耦合器和第二2X2耦合器，其中，1X2耦合器的输入端通过第一光纤与窄线宽激光器连接；第一2X2耦合器的一输入端通过第二光纤与1X2耦合器的一输出端连接，第一2X2耦合器的一输出端通过第四光纤与第一光电探测器连接；第二2X2耦合器的一输入端通过第三光纤与1X2耦合器的另一输出端连接，第二2X2耦合器的一输出端通过第五光纤与第二光电探测器连接；还包括支撑轴、质量体、第一光纤环、第二光纤环、第一法拉第光纤反射镜、第二法拉第光纤反射镜、第三法拉第光纤反射镜和第四法拉第光纤反射镜；所述第一光纤环和第二光纤环分别均匀环绕在支撑轴外侧靠近两端的位置；所述第一光纤环的一端通过第六光纤与第一2X2耦合器的另一输入端连接，第一光纤环的另一端通过第七光纤与第一2X2耦合器的另一输出端连接；所述第二光纤环的一端通过第八光纤与第二2X2耦合器的另一输入端连接，第二光纤环的另一端通过第九光纤与第二2X2耦合器的另一输出端连接；所述质量体滑动设置于支撑轴；所述第一法拉第光纤反射镜和第四法拉第光纤反射镜组成一组反射镜，设置在质量体的一侧；所述第一法拉第光纤反射镜通过第十光纤与第一光纤环相连，所述第四法拉第光纤反射镜通过第十三光纤与第一光纤环相连；所述第二法拉第光纤反射镜和第三法拉第光纤反射镜组成一组反射镜，设置在质量体的另一侧；所述第二法拉第光纤反射镜通过第十一光纤与第二光纤环相连，所述第三法拉第光纤反射镜通过第十二光纤与第二光纤环相连。
在上述技术方案的基础上，还包括不锈钢桶形外壳，该不锈钢桶形外壳的内部为真空，所述支撑轴、质量体、第一光纤环、第二光纤环、第一法拉第光纤反射镜、第二法拉第光纤反射镜、第三法拉第光纤反射镜和第四法拉第光纤反射镜均封装于不锈钢桶形外壳内。
在上述技术方案的基础上，所述不锈钢桶形外壳的两端分别设置有第一保护套管和第二保护套管，所述第一光纤环的两端均穿入第一保护套管，分别与第六光纤和第七光纤相连；所述第二光纤环的两端均穿入第二保护套管，分别与第八光纤和第九光纤相连。
在上述技术方案的基础上，所述不锈钢桶形外壳的两端内侧分别设置有第一传感器底座和第二传感器底座，且第一传感器底座通过密封胶与第一光纤环连接，第二传感器底座通过密封胶与第二光纤环连接。
在上述技术方案的基础上，所述质量体为具有中心空腔的球体。
在上述技术方案的基础上，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤、第九光纤、第十光纤、第十一光纤、第十二光纤和第十三光纤均为单模光纤。
在上述技术方案的基础上，所述窄线宽激光器用于发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光。
在上述技术方案的基础上，所述第二光纤和第三光纤的内部光功率均是20毫瓦。
在上述技术方案的基础上，第六光纤通过第一光纤环连接到第十光纤的一端，第十光纤的另一端与第一法拉第光纤反射镜连接；
第七光纤通过第一光纤环连接到第十三光纤的一端，第十三光纤的另一端与第四法拉第光纤反射镜连接。
在上述技术方案的基础上，第八光纤通过第二光纤环连接到第十一光纤的一端，第十一光纤的另一端与第二法拉第光纤反射镜连接；
第九光纤通过第二光纤环连接到第十二光纤的一端，第十二光纤的另一端与第三法拉第光纤反射镜连接。
本发明的有益效果在于：
本发明采用迈克尔逊干涉仪原理，设计地震波加速度传感器，传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。随着光电科技的飞速发展，光纤干涉地震传感器己成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。光电传感器工作时，光电器件负责将光能(红外辐射、可见光及紫外辐射)信号转换为电学信号。这种传感器不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在超前预报、石油勘测等方面应用前景十分广阔。
附图说明
图1为本发明实施例中差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器的结构示意图。
附图标记：
1-窄线宽激光器；2-第一光纤；3-1X2耦合器；4-第二光纤；5-第一2X2耦合器；6-第六光纤；7-第一保护套管；8-第一传感器底座；9-不锈钢桶形外壳；10-第十光纤；11-质量体；12-第十一光纤；13-第二光纤环；14-第二传感器底座；15-第二保护套管；16-第八光纤；17-第九光纤；18-第十二光纤；19-第十三光纤；20-支撑轴；21-第一光纤环；22-第二2X2耦合器；23-第三光纤；24-第五光纤；25-第七光纤；26-第四光纤；27-第一光电探测器；28-第二光电探测器；10a-第一法拉第光纤反射镜；10b-第二法拉第光纤反射镜；10c-第三法拉第光纤反射镜；10d-第四法拉第光纤反射镜。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，包括窄线宽激光器1、第一光电探测器27、第二光电探测器28、1X2耦合器3、第一2X2耦合器5和第二2X2耦合器22，其中，1X2耦合器3的输入端通过第一光纤2与窄线宽激光器1连接；第一2X2耦合器5的一输入端通过第二光纤4与1X2耦合器3的一输出端连接，第一2X2耦合器5的一输出端通过第四光纤26与第一光电探测器27连接；第二2X2耦合器22的一输入端通过第三光纤23与1X2耦合器3的另一输出端连接，第二2X2耦合器22的一输出端通过第五光纤24与第二光电探测器28连接；还包括支撑轴20、质量体11、第一光纤环21、第二光纤环13、第一法拉第光纤反射镜10a、第二法拉第光纤反射镜10b、第三法拉第光纤反射镜10c和第四法拉第光纤反射镜10d；
第一光纤环21和第二光纤环13分别均匀环绕在支撑轴20外侧靠近两端的位置；第一光纤环21的一端通过第六光纤6与第一2X2耦合器5的另一输入端连接，第一光纤环21的另一端通过第七光纤25与第一2X2耦合器5的另一输出端连接；第二光纤环13的一端通过第八光纤16与第二2X2耦合器22的另一输入端连接，第二光纤环13的另一端通过第九光纤17与第二2X2耦合器22的另一输出端连接；
质量体11滑动设置于支撑轴20；具体的，质量体11为具有中心空腔的球体，可以沿支撑轴20往复运动。
传感器设计采用差动赛格奈克干涉仪结构，第一光纤环21和第二光纤环13构成差动光臂，分别感知压缩和拉伸的地震波幅度和频率。
第一法拉第光纤反射镜10a和第四法拉第光纤反射镜10d组成一组反射镜，设置在质量体11的一侧；第一法拉第光纤反射镜10a通过第十光纤10与第一光纤环21相连，第四法拉第光纤反射镜10d通过第十三光纤19与第一光纤环21相连；具体的，第六光纤6通过第一光纤环21连接到第十光纤10的一端，第十光纤10的另一端与第一法拉第光纤反射镜10a连接；第七光纤25通过第一光纤环21连接到第十三光纤19的一端，第十三光纤19的另一端与第四法拉第光纤反射镜10d连接。迈克尔逊干涉仪由第一2X2耦合器5、第六光纤6和第七光纤25、第一光纤环21、第一法拉第光纤反射镜10a和第四法拉第光纤反射镜10d组成。第一光纤环21的微弱振动会在第一2X2耦合器5产生干涉光，反射到第四光纤26，第四光纤26与第一光电探测器27连接，将光信号转换成电信号。
第二法拉第光纤反射镜10b和第三法拉第光纤反射镜10c组成一组反射镜，设置在质量体11的另一侧；第二法拉第光纤反射镜10b通过第十一光纤12与第二光纤环13相连，第三法拉第光纤反射镜10c通过第十二光纤18与第二光纤环13相连。具体的，第八光纤16通过第二光纤环13连接到第十一光纤12的一端，第十一光纤12的另一端与第二法拉第光纤反射镜10b连接；第九光纤17通过第二光纤环13连接到第十二光纤18的一端，第十二光纤18的另一端与第三法拉第光纤反射镜10c连接。迈克尔逊干涉仪由第二2X2耦合器22、第八光纤16和第九光纤17、第二光纤环13、第二法拉第光纤反射镜10b和第三法拉第光纤反射镜10c组成。第二光纤环13的微弱振动会在第二2X2耦合器22产生干涉光，反射到第五光纤24，第五光纤24与第二光电探测器28连接，将光信号转换成电信号。
具体的，差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器还包括不锈钢桶形外壳9，该不锈钢桶形外壳9的内部为真空，支撑轴20、质量体11、第一光纤环21、第二光纤环13、第一法拉第光纤反射镜10a、第二法拉第光纤反射镜10b、第三法拉第光纤反射镜10c和第四法拉第光纤反射镜10d均封装于不锈钢桶形外壳9内。支撑轴20是一个通轴，贯穿整个传感器内部中心。第一光纤环21、第二光纤环13和质量块11构成赛格奈克干涉仪传感器，微弱振动信号会使质量块11产生滑移运动，拉伸或压缩第一光纤环21、第二光纤环13，产生往复微运动，赛格奈克干涉仪会产生干涉信号。
具体的，不锈钢桶形外壳9的两端分别设置有第一保护套管7和第二保护套管15，第一光纤环21的两端均穿入第一保护套管7，分别与第六光纤6和第七光纤25相连；第二光纤环13的两端均穿入第二保护套管15，分别与第八光纤16和第九光纤17相连。
具体的，不锈钢桶形外壳9的两端内侧分别设置有第一传感器底座8和第二传感器底座14，且第一传感器底座8通过密封胶与第一光纤环21连接，第二传感器底座14通过密封胶与第二光纤环13连接。
具体的，第一光纤2、第二光纤4、第三光纤23、第四光纤26、第五光纤24、第六光纤6、第七光纤25、第八光纤16、第九光纤17、第十光纤10、第十一光纤12、第十二光纤18和第十三光纤19均为单模光纤。
具体的，窄线宽激光器1用于发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光。第二光纤4和第三光纤23的内部光功率均是20毫瓦。
本发明的工作过程：
窄线宽激光器1发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光进入第一光纤2，第一光纤2内部的连续激光进入1X2耦合器3以后产生分束，分出功率各50％的激光，进入第二光纤4和第三光纤23，第二光纤4和第三光纤23内部光功率是20毫瓦。
窄线宽激光输入第二光纤4，进入第一2X2耦合器5的输入端，激光经过第一2X2耦合器5，分别在第六光纤6和第七光纤25端输出，光在第六光纤6和第七光纤25内部是相向传输，第六光纤6和第七光纤25在传感器内部组成第一光纤环21，第一光纤环21和第一法拉第光纤反射镜10a和第四法拉第光纤反射镜10d构成一个环形结构的迈克尔逊干涉仪，微弱的拉伸或压缩会使第一光纤环21内部的激光信号产生迈克尔逊干涉效应，干涉光经过第四光纤26输出到第一光电探测器27，将光学信号转换成电信号输出。
另一路光是1X2耦合器3的另一路窄线宽激光输入第三光纤23，进入第二2X2耦合器22的输入端，激光经过第二2X2耦合器22，分别在第八光纤16和第九光纤17端输出，光在第八光纤16和第九光纤17内部是相向传输，第八光纤16和第九光纤17在传感器内部组成第二光纤环13，第二光纤环13和第二法拉第光纤反射镜10b和第三法拉第光纤反射镜10c构成一个环形结构的迈克尔逊干涉仪，微弱的拉伸或压缩会使第二光纤环13内部的激光信号产生迈克尔逊干涉效应，干涉光经过第五光纤24输出到第二光电探测器28，将光学信号转换成电信号输出。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“优选地”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点，包含于本发明的至少一个实施例或示例中，在本说明书中对于上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或者示例中以合适方式结合。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，包括窄线宽激光器(1)、第一光电探测器(27)、第二光电探测器(28)、1X2耦合器(3)、第一2X2耦合器(5)和第二2X2耦合器(22)，其中，1X2耦合器(3)的输入端通过第一光纤(2)与窄线宽激光器(1)连接；第一2X2耦合器(5)的一输入端通过第二光纤(4)与1X2耦合器(3)的一输出端连接，第一2X2耦合器(5)的一输出端通过第四光纤(26)与第一光电探测器(27)连接；第二2X2耦合器(22)的一输入端通过第三光纤(23)与1X2耦合器(3)的另一输出端连接，第二2X2耦合器(22)的一输出端通过第五光纤(24)与第二光电探测器(28)连接；其特征在于：还包括支撑轴(20)、质量体(11)、第一光纤环(21)、第二光纤环(13)、第一法拉第光纤反射镜(10a)、第二法拉第光纤反射镜(10b)、第三法拉第光纤反射镜(10c)和第四法拉第光纤反射镜(10d)；
所述第一光纤环(21)和第二光纤环(13)分别均匀环绕在支撑轴(20)外侧靠近两端的位置；所述第一光纤环(21)的一端通过第六光纤(6)与第一2X2耦合器(5)的另一输入端连接，第一光纤环(21)的另一端通过第七光纤(25)与第一2X2耦合器(5)的另一输出端连接；所述第二光纤环(13)的一端通过第八光纤(16)与第二2X2耦合器(22)的另一输入端连接，第二光纤环(13)的另一端通过第九光纤(17)与第二2X2耦合器(22)的另一输出端连接；
所述质量体(11)滑动设置于支撑轴(20)；
所述第一法拉第光纤反射镜(10a)和第四法拉第光纤反射镜(10d)组成一组反射镜，设置在质量体(11)的一侧；所述第一法拉第光纤反射镜(10a)通过第十光纤(10)与第一光纤环(21)相连，所述第四法拉第光纤反射镜(10d)通过第十三光纤(19)与第一光纤环(21)相连；
所述第二法拉第光纤反射镜(10b)和第三法拉第光纤反射镜(10c)组成一组反射镜，设置在质量体(11)的另一侧；所述第二法拉第光纤反射镜(10b)通过第十一光纤(12)与第二光纤环(13)相连，所述第三法拉第光纤反射镜(10c)通过第十二光纤(18)与第二光纤环(13)相连。
2.如权利要求1所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：还包括不锈钢桶形外壳(9)，该不锈钢桶形外壳(9)的内部为真空，所述支撑轴(20)、质量体(11)、第一光纤环(21)、第二光纤环(13)、第一法拉第光纤反射镜(10a)、第二法拉第光纤反射镜(10b)、第三法拉第光纤反射镜(10c)和第四法拉第光纤反射镜(10d)均封装于不锈钢桶形外壳(9)内。
3.如权利要求2所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：所述不锈钢桶形外壳(9)的两端分别设置有第一保护套管(7)和第二保护套管(15)，所述第一光纤环(21)的两端均穿入第一保护套管(7)，分别与第六光纤(6)和第七光纤(25)相连；所述第二光纤环(13)的两端均穿入第二保护套管(15)，分别与第八光纤(16)和第九光纤(17)相连。
4.如权利要求2所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：所述不锈钢桶形外壳(9)的两端内侧分别设置有第一传感器底座(8)和第二传感器底座(14)，且第一传感器底座(8)通过密封胶与第一光纤环(21)连接，第二传感器底座(14)通过密封胶与第二光纤环(13)连接。
5.如权利要求1所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：所述质量体(11)为具有中心空腔的球体。
6.如权利要求1所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：所述第一光纤(2)、第二光纤(4)、第三光纤(23)、第四光纤(26)、第五光纤(24)、第六光纤(6)、第七光纤(25)、第八光纤(16)、第九光纤(17)、第十光纤(10)、第十一光纤(12)、第十二光纤(18)和第十三光纤(19)均为单模光纤。
7.如权利要求1所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：所述窄线宽激光器(1)用于发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光。
8.如权利要求1所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：所述第二光纤(4)和第三光纤(23)的内部光功率均是20毫瓦。
9.如权利要求1所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：第六光纤(6)通过第一光纤环(21)连接到第十光纤(10)的一端，第十光纤(10)的另一端与第一法拉第光纤反射镜(10a)连接；
第七光纤(25)通过第一光纤环(21)连接到第十三光纤(19)的一端，第十三光纤(19)的另一端与第四法拉第光纤反射镜(10d)连接。
10.如权利要求1所述的差动迈克尔逊光纤干涉传感地震检波器，其特征在于：第八光纤(16)通过第二光纤环(13)连接到第十一光纤(12)的一端，第十一光纤(12)的另一端与第二法拉第光纤反射镜(10b)连接；
第九光纤(17)通过第二光纤环(13)连接到第十二光纤(18)的一端，第十二光纤(18)的另一端与第三法拉第光纤反射镜(10c)连接。
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