CN110244348B - 一种光电复合式地震检波器及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地震检测技术领域，具体公开了一种光电复合式地震检波器，包括外壳以及光纤检波组件、压电检波组件，光纤检波组件包括同轴线设置的第一顺变柱体、第二顺变柱体，以及顺时针固定缠绕在第一顺变柱体上的第一光纤，逆时针固定缠绕在第二顺变柱体上的第二光纤；压电检波组件位于第一顺变柱体下端面与第二顺变柱体上端面之间，包括检测基体，固定设置在检测基体上表面的第一压电片，固定设置在检测基体下表面的第二压电片，与第一压电片、第二压电片电连接的电信号传输线。本发明的光电复合式地震检波器，通过结合光纤检波组件和压电检波组件对地震波的同时测量，能够更加准确地得出振动信号的实际参数，具有更高的精确度和可信度。

Description

一种光电复合式地震检波器及检测系统

技术领域

本发明涉及地震检测技术领域，尤其涉及一种光电复合式地震检波器及检测系统。

背景技术

地震勘探是目前最常用的石油勘探和煤矿井下物理探测方法之一，它主要是利用人工震源在地层中产生的振动信号，在距离震源不同位置放置地震检波器采集振动信号，然后对信号进行相应的数据处理。

地震检波器是地震勘探常用的振动传感器，作为信号接收和采集的最前端设备，其特性参数直接影响地震数据采集结果的精度。现有的地震检波器多为电磁式，电磁式检波器具有抗外界干扰强，响应时间短，线性能力强等属性，现有电学检波器或地震计的加速度等效噪声一般在μg·Hz^-1/2甚至ng·Hz^-1/2量级以下，电磁式检波器的缺点在于测量时需要连续供电，且在恶劣的监测环境下难以应用。现有的地震检波器还有光纤式，光纤式可以弥补电磁式的缺点，但光纤类检波器的测量范围为5-800Hz，对于岩爆(频率0-10Hz)类的振动是无法测量的。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种光电复合式地震检波器。

一种光电复合式地震检波器，包括外壳，安装在外壳内部的光纤检波组件以及压电检波组件，其中：

光纤检波组件包括同轴线设置的第一顺变柱体、第二顺变柱体，以及顺时针固定缠绕在第一顺变柱体上的第一光纤，逆时针固定缠绕在第二顺变柱体上的第二光纤；第一光纤与第二光纤的一端均与外部光源连接，另一端均设有反射镜；

压电检波组件位于第一顺变柱体下端面与第二顺变柱体上端面之间，且压电检波组件包括检测基体，固定设置在检测基体上表面的第一压电片，固定设置在检测基体下表面的第二压电片，与第一压电片、第二压电片电连接的电信号传输线；

光纤检波组件检测地震信号并将对应光信号通过第一光纤和第二光纤向外传输，压电检波组件检测地震信号并将对应电信号通过电信号传输线向外传输。

进一步的，第一顺变柱体与第二顺变柱体均为圆柱形硅胶柱体。

进一步的，还包括用于限制第一顺变柱体和第二顺变柱体活动幅度的第一基座和第二基座，其中：

第一基座安装在第一顺变柱体上端面与外壳之间；

第二基座安装在第二顺变柱体下端面与外壳之间。

进一步的，还包括第一弹簧与第二弹簧，其中：

第一弹簧安装于第一基座与第一顺变柱体之间；

第二弹簧安装于第二基座与第二顺变柱体之间。

进一步的，还包括填充在外壳与第一顺变柱体侧面、第二顺变柱体侧面之间的保护填充物。

进一步的，第一顺变柱体、压电检波组件、第二顺变柱体在轴线方向设有等半径信号传输通道，第一光纤、第二光纤、电信号传输线经信号传输通道向外传输光信号或电信号。

进一步的，第一光纤与第二光纤均为单模光纤。

一种地震检测系统，包括光电复合式地震检波器，激光光源，连接在激光光源和光电复合式地震检波器之间的耦合器，与耦合器连接的光信号处理单元，与光电复合式地震检波器电连接的信号转换单元，与信号转换单元电连接的上位机，其中：

光电复合式地震检波器为上述的光电复合式地震检波器；

第一光纤、第二光纤与耦合器连接，并将光信号发送至光信号处理单元进行计算处理；

电信号传输线与信号转换单元电连接，信号转换单元将电信号转化后发送至上位机进行计算处理。

进一步的，检测系统包括至少两个光电复合式地震检波器。

进一步的，光信号处理单元与上位机均通过小波包去噪处理光信号和电信号。

本实施例的光电复合式地震检波器，通过结合光纤检波组件和压电检波组件对地震波的同时测量，能够更加准确地得出振动信号的实际参数，具有更高的精确度和可信度；一方面，光纤检波组件中顺时针缠绕在第一顺变柱体上的第一光纤和逆时针缠绕在第二顺变柱体上的第二光纤形成差分式的测量关系，其分别产生的光信号做差就可消除大部分干扰信号，所以光纤检波组件的结构设计合理，所测结果准确度高；另一方面，压电检波组件是在已设计的光纤检波组件的基础上，利用压电效应的原理将第一顺变柱体和第二顺变柱体所在环境的振动信息转化为电信号进行采集，作为振动信息的另一种测量方式，压电检波组件能够测量到微小的形变信息，所以响应速度快且对高频信号的接收能力强。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例的一种光电复合式地震检波器内部结构示意图；

图2为本发明实施例的一种光电复合式地震检波器截面示意图；

图3为本发明实施例的一种地震检测系统的结构组成图；

其中：1-光电复合式地震检波器、101-外壳、102-光纤检波组件、1021-第一顺变柱体、1022-第二顺变柱体、1023-第一光纤、1024-第二光纤、103-压电检波组件、1031-检测基体、1032-第一压电片、1033-第二压电片、1034-电信号传输线、104-第一基座、105-第二基座、106-第一弹簧、107-第二弹簧、108-保护填充物、109-信号传输通道、2-激光光源、3-耦合器、4-光信号处理单元、5-信号转换单元、6-上位机。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1与图2所示，本发明实施例的一种光电复合式地震检波器1，包括外壳101，安装在外壳101内部的光纤检波组件102以及压电检波组件103，其中：

光纤检波组件102包括同轴线设置的第一顺变柱体1021、第二顺变柱体1022，以及顺时针固定缠绕在第一顺变柱体1021上的第一光纤1023，逆时针固定缠绕在第二顺变柱体1022上的第二光纤1024；第一光纤1023与第二光纤1024的一端均与外部光源连接，另一端均设有反射镜；压电检波组件103位于第一顺变柱体1021下端面与第二顺变柱体1022上端面之间，且压电检波组件103包括检测基体1031，固定设置在检测基体1031上表面的第一压电片1032，固定设置在检测基体1031下表面的第二压电片1033，与第一压电片1032、第二压电片1033电连接的电信号传输线1034；光纤检波组件102检测地震信号并将对应光信号通过第一光纤1023和第二光纤1024向外传输，压电检波组件103检测地震信号并将对应电信号通过电信号传输线1034向外传输。

本实施例的光纤检波组件102中，用于检测的光信号经第一光纤1023以及第二光纤1024的一端输入，并通过设在第一光纤1023和第二光纤1024另一端的反射镜将光信号返回，被返回的光信号作为测量信号进行下一步处理分析。当第一顺变柱体1021与第二顺变柱体1022在地震波的作用下发生相对位移时，本实施例的光纤检波组件102将物理场的变化转换为光纤的径向应变和纵向应变，所以第一光纤1023和第二光纤1024向外传输的光信号中包含与应变效果相对应的测量信息，对该测量信息进行分析计算继而得出测量结果。本实施例中第一光纤1023、第二光纤1024的缠绕方向相反，在某一检测时间段，第一顺变柱体1021和第二顺变柱体1022所受的力相同，但转化为光纤应变的过程中，对应产生的光信号并不相同，将第一光纤1023和第二光纤1024的光信号输出后通过差分运算，能够得到更为准确的测量结果，同时也增加了光纤检波组件102的传感灵敏度。

本实施例中第一顺变柱体1021、第二顺变柱体1022作为换能元件，其具有弹性系数低的特性，因此光纤检波组件102的固有频率较低，更适合对低频地震波的检测。本实施例中的第一顺变柱体1021、第二顺变柱体1022可选用硅胶材质制成，外部形状设计为圆柱体，本实施例中的第一光纤1023、第二光纤1024采用小曲率半径的单模光纤。本实施例中，第一光纤1023顺时针缠绕在第一顺变柱体1021上，相对应的，第二光纤1024逆时针缠绕在第二顺变柱体1022上，此处并没有具体限定第一光纤1023或者第二光纤1024的首端与尾端，只是说明第一光纤1023和第二光纤1024的缠绕方向相反，能够实现差分测量即可，具体的缠绕方式由本领域技术人员在实践中自行设计即可，除缠绕方向不同之外应尽可能的选用相同的工作参数，以保证测量误差最小化。

本实施例中的压电检波组件103，位于第一顺变柱体1021下端面与第二顺变柱体1022上端面之间，将第一顺变柱体1021和第二顺变柱体1022分隔在两个腔体内分别进行检测。本实施例的检测基体1031的上表面和下表面分别固定设置有第一压电片1032和第二压电片1033，第一顺变柱体1021受地震波发生位移时对第一压电片1032产生压力，第二顺变柱体1022受地震波发生位移时对第二压电片1033产生压力；第一压电片1032与第二压电片1033通过电信号传输线1034将检测信号向外输出。本实施例不限定第一压电片1032和第二压电片1033的具体产品型号，可选用一组或者多组压电陶瓷片实现本方案的设计目的。

本实施例的光电复合式地震检波器，通过结合光纤检波组件和压电检波组件对地震波的同时测量，能够更加准确地得出振动信号的实际参数，具有更高的精确度和可信度；一方面，光纤检波组件中顺时针缠绕在第一顺变柱体上的第一光纤和逆时针缠绕在第二顺变柱体上的第二光纤形成差分式的测量关系，其分别产生的光信号做差就可消除大部分干扰信号，所以光纤检波组件的结构设计合理，所测结果准确度高；另一方面，压电检波组件是在已设计的光纤检波组件的基础上，利用压电效应的原理将第一顺变柱体和第二顺变柱体所在环境的振动信息转化为电信号进行采集，作为振动信息的另一种测量方式，压电检波组件能够测量到微小的形变信息，所以响应速度快且对高频信号的接收能力强。

具体的，本实施例的光电复合式地震检波器1在上一实施例的基础上，还包括用于限制第一顺变柱体1021和第二顺变柱体1022活动幅度的第一基座104和第二基座105，其中：第一基座104安装在第一顺变柱体1021上端面与外壳101之间；第二基座105安装在第二顺变柱体1022下端面与外壳101之间。如图1所示，第一基座104与第二基座105的设计目的在于限定第一顺变柱体1021和第二顺变柱体1022活动幅度。由于第一光纤1023和第二光纤1024通过其径向或者纵向的形变使其传输的光信号发生光相位变化，所以为保证第一光纤1023和第二光纤1024的测量能够在正常测量范围之内，需要限定第一顺变柱体1021和第二顺变柱体1022的振动幅度。本实施例的第一基座104、第二基座105可采用金属制成，例如铝；将第一基座104和第二基座105均固定在外壳101上，壳体101与第一基座104、第二基座105之间可设置密封圈，进而保证外壳内部器件的密封性。

具体的，如图1与图2所示，本实施例的光电复合式地震检波器1还包括第一弹簧106与第二弹簧107，其中：第一弹簧106安装于第一基座104与第一顺变柱体1021之间；第二弹簧107安装于第二基座105与第二顺变柱体1022之间。为保证第一顺变柱体1021和第二顺变柱体1022因振动发生位移后，因本实施例中的第一弹簧106和第二弹簧107分别与第一顺变柱体1021和第二顺变柱体1022之间存在弹力，所以第一弹簧106使第一顺变柱体1021恢复到原始位置，第二弹簧107使第二顺变柱体1022恢复到原始位置，提高后续检测准确度。

具体的，如图1与图2所示，本实施例的光电复合式地震检波器1还包括填充在外壳101与第一顺变柱体1021侧面、第二顺变柱体1022侧面之间的保护填充物108。本实施例的保护填充物108可以对第一顺变柱体1021、第二顺变柱体1022的移动空间有一定的限定和缓冲作用，一般可选用聚氨酯材质实现。

具体的，如图1与图2所示，本实施例中的第一顺变柱体1021、压电检波组件103、第二顺变柱体1022在轴线方向设有等半径的信号传输通道109，第一光纤1023、第二光纤1024、电信号传输线1034经信号传输通道109向外传输光信号或电信号。光信号的传输依靠于第一光纤1023和第二光纤1024，电信号的传输依靠于电信号传输线1034，为使整个光电复合式地震检波器1的结构更加紧凑美观，本实施例在轴线方向开设有信号传输通道109，第一光纤、1023第二光纤1024以及电信号传输线1034通过信号传输通道109实现测量信息的传送。

具体的，本发明实施例中的第一光纤1023与第二光纤1024均为单模光纤。单模光纤与多模光纤相比，具有色散低、损耗小的优点，同时单模光纤对外界的磁场、振动、加速度、温度等极其敏感，应用在本方案中具备较高的灵敏度。

如图3所示，本发明另一种实施例为地震检测系统，包括光电复合式地震检波器1，激光光源2，连接在激光光源2和光电复合式地震检波器1之间的耦合器3，与耦合器3连接的光信号处理单元4，与光电复合式地震检波器1电连接的信号转换单元5，与信号转换单元5电连接的上位机6，其中：光电复合式地震检波器1为上述实施例中的光电复合式地震检波器1；第一光纤1023、第二光纤1024与耦合器3连接，并将光信号发送至光信号处理单元4进行计算处理；电信号传输线1034与信号转换单元5电连接，信号转换单元5将电信号转化后发送至上位机6进行计算处理。

本实施例的地震检测系统具体工作过程为：激光光源2向耦合器3发射激光光束，本实施例中激光光源2与耦合器3之间，以及耦合器3与光信号处理单元4之间的光信号传输采用光纤实现；耦合器3将激光光束分为两束分别由第一光纤1023和第二光纤1024传输测量；光信号传输至第一光纤1023或第二光纤1024的端部时由反射镜进行反射，按照原传输路径射回；在光信号传输的过程中如果外界出现振动使第一光纤1023或者第二光纤1024发生形变，进而影响光信号的光相位；当耦合器3接收到第一光纤1023和第二光纤1024返回的光信号后，将两束测量光进行整合并输送至光信号处理单元4进行分析计算。与此同时，第一压电片1032和第二压电片1033在受到第一顺变柱体1021、第二顺变柱体1022的压力后产生对应的电信号，并通过电信号传输线1034传输至信号转换单元5，信号转换单元5将电信号转化为数字信号后由上位机6进行计算分析。本实施例的光信号处理单元4具备将光信号转化为电信号或者数字信号的功能，并能够对转化后的信号进行进一步的计算分析。优选的，本实施例的光信号处理单元4与上位机6连接，上位机6将光信号对应的测量数据和电信号对应的测量数据进行统一的计算分析，经由多组数据的计算统计将得出这两种测量方式的相互关联，继而得到更加精准的测量结果。

具体的，本实施例中的检测系统包括至少两个光电复合式地震检波器1。为使光电复合式地震检波器1的测量结果更加准确，本实施例设置至少两个光电复合式地震检波器1同时进行测量，所测光信号统一由光信号处理单元4进行分析处理，所测电信号由上位机6进行处理。本实施例的检测系统设置数量越多的光电复合式地震检波器1，则所测结果更趋于真实值，可信度也更高。

具体的，本实施例的光信号处理单元4与上位机6均通过小波包去噪处理光信号和电信号。在信号采集的过程中因周边环境的影响，所采集的数据必定会掺杂噪声，所以对信号分析之前，需对其进行降噪处理以减少干扰还原真实信号，便于真实信号的特征提取。小波包去噪具体步骤如下:

(1)通过“熵”准则确定小波基；

(2)确定信号分解的层数N；

(3)为每一层的分解系数设定阂值；

(4)对处理后的信号重构，得到真实信号。

在对信号进行去噪时，选取的小波基尽量满足如下原则:①对称性，②正则性，可有效地降低分解后的信号产生相位畸变的可能性，使得重构后的信号真实、平滑。通过大量实验，选择sym6小波时，分解后的信号经过重构得到的波形能整体反映原始信号；同时小波包分解的层数是另一个重要的参数，它决定着分解时系统的计算量，随着分解层数的增加，去噪的效果由强趋于不变，同时计算量会随着分解层数的增加而指数倍的增加，这需要通过试验获取到最佳的分解层数。小波包去噪对信号有更强的分解能力，分解时能够同时得到信号的高频和低频信息，使得重构信号更加贴近原始信号。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种光电复合式地震检波器，其特征在于，包括外壳，安装在所述外壳内部的光纤检波组件以及压电检波组件，其中：

所述光纤检波组件包括同轴线设置的第一顺变柱体、第二顺变柱体，以及顺时针固定缠绕在所述第一顺变柱体上的第一光纤，逆时针固定缠绕在所述第二顺变柱体上的第二光纤；所述第一光纤与所述第二光纤的一端均与外部光源连接，另一端均设有反射镜；所述第一顺变柱体与所述第二顺变柱体均为圆柱形硅胶柱体；

所述压电检波组件位于所述第一顺变柱体下端面与所述第二顺变柱体上端面之间，且所述压电检波组件包括检测基体，固定设置在所述检测基体上表面的第一压电片，固定设置在所述检测基体下表面的第二压电片，与所述第一压电片、所述第二压电片电连接的电信号传输线；

所述光纤检波组件检测地震信号并将对应光信号通过所述第一光纤和所述第二光纤向外传输，所述压电检波组件检测地震信号并将对应电信号通过所述电信号传输线向外传输；

还包括用于限制所述第一顺变柱体和所述第二顺变柱体活动幅度的第一基座和第二基座，其中：所述第一基座安装在所述第一顺变柱体上端面与所述外壳之间；所述第二基座安装在所述第二顺变柱体下端面与所述外壳之间；

还包括第一弹簧与第二弹簧，其中：所述第一弹簧安装于所述第一基座与所述第一顺变柱体之间；所述第二弹簧安装于所述第二基座与所述第二顺变柱体之间。

2.如权利要求1所述的一种光电复合式地震检波器，其特征在于，还包括填充在所述外壳与所述第一顺变柱体侧面、所述第二顺变柱体侧面之间的保护填充物。

3.如权利要求2所述的一种光电复合式地震检波器，其特征在于，所述第一顺变柱体、所述压电检波组件、所述第二顺变柱体在轴线方向设有等半径信号传输通道，所述第一光纤、所述第二光纤、所述电信号传输线经所述信号传输通道向外传输光信号或电信号。

4.如权利要求1所述的一种光电复合式地震检波器，其特征在于，所述第一光纤与所述第二光纤均为单模光纤。

5.一种地震检测系统，其特征在于，包括光电复合式地震检波器，激光光源，连接在所述激光光源和所述光电复合式地震检波器之间的耦合器，与所述耦合器连接的光信号处理单元，与所述光电复合式地震检波器电连接的信号转换单元，与所述信号转换单元电连接的上位机，其中：

所述光电复合式地震检波器为权利要求1-4中任一项所述的光电复合式地震检波器；

所述第一光纤、所述第二光纤与所述耦合器连接，并将光信号发送至所述光信号处理单元进行计算处理；

所述电信号传输线与所述信号转换单元电连接，所述信号转换单元将电信号转化后发送至所述上位机进行计算处理。

6.如权利要求5所述的一种地震检测系统，其特征在于，所述检测系统包括至少两个所述光电复合式地震检波器。

7.如权利要求6所述的一种地震检测系统，其特征在于，所述光信号处理单元与所述上位机均通过小波包去噪处理光信号和电信号。

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