CN110488346A - 一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，包括浮体部分、垂直缆、密封舱和配重，所述垂直缆连接浮体部分和密封舱，所述配重位于密封舱底部，所述垂直缆包括首部弹性段、数据采集段和尾部连接段，所述数据采集段包含多个并联的光纤水听器，所述密封舱内设置有与光纤水听器通过光纤连接的激光器和光路调制解调器，本发明所公开的垂直缆系统体积小、重量轻、布放施工简单，勘探精确度和灵敏度高，使用周期长，非常适合于远海地震勘探，具有很好的应用前景。

Description

一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统
技术领域
本发明涉及海洋勘探技术领域，特别涉及一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统。
背景技术
海洋地震勘探是当今世界最有效的海洋勘探技术，海洋地震勘探接收缆主要分为以下几个部分：地震水平拖缆、海底地震节点、海底地震仪以及海洋垂直缆。近些年，地震电缆的研发已经突破深度自动锁定的限制，实现大水深范围的布放。
目前，已有的地震电缆均为基于压电水听器而组装，但是受到水听器以及电缆结构等影响，无论在电缆外部直径或者内部结构上，均存在一定的缺陷。光纤水听器基于光纤光栅原理，比传统压电水听器在体积、灵敏度、频带响应、抗电磁干扰以及耐恶劣环境等方面具有明显优势。如何将该优势与现有的地震垂直缆相结合是目前研究的重点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，以达到减小垂直缆的直径，减轻重量，使得海洋地震垂直缆的布放施工更为简单的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，包括浮体部分、垂直缆、密封舱和配重，所述垂直缆连接浮体部分和密封舱，所述配重位于密封舱底部，所述垂直缆包括首部弹性段、数据采集段和尾部连接段，所述数据采集段包含多个并联的光纤水听器，所述密封舱内设置有与光纤水听器通过光纤连接的激光器和光路调制解调器。
上述方案中，所述光纤水听器设置600个，相邻的两个光纤水听器之间的距离为12.5cm。
上述方案中，所述浮体部分包括外壳，设置于外壳内的耐压玻璃球，所述耐压玻璃球内设置有GPS定位信标、夜间闪灯和24V直流供电电源。
进一步的技术方案中，所述外壳底部设有与垂直缆通过绳索连接的旋转卸扣。
更进一步的技术方案中，所述首部弹性段一端设有与浮体部分通过绳索连接的旋转卸扣，另一端为螺纹连接头，所述首部弹性段内部为凯夫拉连接绳，外部为聚酯填充层。
更进一步的技术方案中，所述尾部连接段内部包括凯夫拉连接绳以及数据传输回路和光回路，外部为聚酯填充层，所述尾部连接段的两端为密闭连接头，所述密闭连接头内分布电源触点、接地触点、光路触点和备用线触点。
进一步的技术方案中，所述数据采集段与首部弹性段相连接的一端为螺纹连接头，与尾部连接段相连接的一端为密闭连接头，所述数据采集段中部由凯夫拉连接绳和聚酯材料填充而成。
上述方案中，所述密封舱内还设有水下应答器、数据存储器和24V直流供电电源，所述激光器、光路调制解调器、数据存储器和24V直流供电电源位于独立的密封壳体内，所述密封壳体与密封舱之间通过减震弹簧连接。
上述方案中，所述配重为钢制配重架，配重架四角设有安装环，安装环与密封舱之间通过钢丝和可熔断的连接丝连接，配重架中间为弹射板，与密封舱底部接触。
上述方案中，所述密封舱顶部设有与尾部连接段相连接的密闭连接头。
通过上述技术方案，本发明提供的基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统具有以下优点：
1.光纤水听器颠覆了传统的压电水听器的工作原理，能够实现更好的信号分辨率、信号动态范围以及信号保真。
2.光纤水听器工作时不需要供电，使得整个垂直缆的电能功耗很小，使用寿命延长，有利于远海使用。
3.相比传统垂直缆，不需要数字包在固定地震道上进行数模转换，光路调制解调器在密封舱中实现数据的转化与存储，数据更为安全。
4.小间距的光纤水听器，能够实现室内自由组合，不受空间限制，数据处理方面更为灵活，有利于采集到的地震道数据的处理效果。
5.光纤水听器的外部直径非常小，构造成的垂直缆直径最小能够达到传统垂直缆的1/5。这样可以实现拖曳力的大幅减小，施工方式更为简便，甚至能够实现无人化施工，不需要大马力绞车释放，真正从根本解决传统垂直缆的施工困难，大大提高工作效率。
6.垂直缆中的数据储存器实现了采集数据的自我储存，垂直缆落在海底指定位置，能够进行大规模布设在海底远景区域，实时采集数据。回收过程中将配重留在海底，垂直缆其余部分回收方便，有利于采集数据的保护与及时处理，能够实现海洋立体全方位探测。
附图说明
为了更清楚地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地介绍。
图1为本发明所公开的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统整体结构示意图；
图2为本发明所公开的基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统的布放施工示意图；
图3为本发明所公开的浮体部分结构示意图；
图4为本发明所公开的首部弹性段外部示意图；
图5为本发明所公开的首部弹性段横截面示意图；
图6为本发明所公开的数据采集段结构示意图；
图7为本发明所公开的尾部连接段结构示意图；
图8为本发明所公开的密封舱内部结构示意图；
图9为本发明所公开的配重结构示意图。
图中，1、浮体部分，2、首部弹性段，3、尾部连接段，4、数据采集段，5、水下应答器，6、密封舱，7、配重，8、耐压玻璃球、9、GPS定位信标、10、24V直流供电电源、11、夜间闪灯、12、旋转卸扣，13、外壳，14、螺纹连接头，15、聚酯填充层，16、凯夫拉绳子，17、密闭连接头，18、光纤水听器，19、数据存储器，20、激光器，21、光路调制解调器，22、减振弹簧，23、弹射板，24、安装环，25、密封壳体，26、钢丝，27、拖船。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，如图1所示，该系统重量轻，施工方便，探测灵敏度高，具有很好的应用前景。
如图1所示的基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，包括浮体部分1、垂直缆、密封舱6和配重，垂直缆连接浮体部分1和密封舱6，配重位于密封舱6底部，垂直缆包括首部弹性段2、数据采集段4和尾部连接段3。
如图6所示，数据采集段4包含600个并联的光纤水听器18，在某些光纤水听器18出现故障时，其余的光纤水听器18不受到影响，能够正常使用。垂直缆的每一个地震道只包含一个光纤水听器18，而且每一地震道数据单独记录。相邻的光纤水听器18的间距为12.5cm，这样设计的目的在于实现高精度采集，能够在室内不受空间限制的进行地震道数据自由组合，例如将4个地震道数据通过数学方法合并为1个地震道数据，这样每个地震道的间距，即道间距就是12.5cm*4＝1m，如果将25个地震道数据合并为1个地震道数据，这样道间距就是3.125m。道间距是地震道数据的后续处理的一个重要参数，这样就实现道间距参数的灵活变化，有利于采集到的地震道数据的处理效果。
数据采集段4与首部弹性段2相连接的一端为螺纹连接头14，与尾部连接段3相连接的一端为密闭连接头17，数据采集段4中部由凯夫拉连接绳16和聚酯填充层15构成。
如图3所示，浮体部分1包括耐压聚酯外壳13，设置于外壳13内的耐压玻璃球8，耐压玻璃球8内设置有GPS定位信标9、夜间闪灯11和24V直流供电电源10。外壳13与耐压玻璃球8之间空隙、以及耐压玻璃球8内部空间为空气，提供向上的浮力。24V直流供电电源10给GPS定位信标9与夜间闪灯11提供电能。GPS定位信标9在浮体部分1上升至海面时，不断发出位置信息，为母船定位浮体部分1。夜间闪灯可以提供灯光，方便在较暗的天气情况及时发现浮体部分1。外壳13底部设有与垂直缆通过绳索连接的旋转卸扣12。旋转卸扣12为不锈钛钢材质，耐海水腐蚀，用于拴系绳索，可旋转的作用在于避免绳索打结。
如图4和图5所示，首部弹性段一端设有与浮体部分1通过绳索连接的旋转卸扣12，另一端为螺纹连接头14，用于与数据采集段4连接。旋转卸扣12为不锈钛钢材质，耐海水腐蚀，用于拴系绳索，作用在于避免绳索打结。首部弹性段2内部为凯夫拉连接绳16，外部为聚酯填充层15。首部弹性段2内部不存在通讯连接线路。首部弹性段2其作用是缓解其余部分对数据采集段4的拉力。
如图7所示，尾部连接段3内部包括凯夫拉连接绳16以及数据传输回路和光回路，这些线路以凯夫拉连接绳16为中心，分布在外侧，利用聚酯填充层15塑形成150m的尾部连接段3。尾部连接段3的两端为密闭连接头17，密闭连接头17内分布电源触点、接地触点、光路触点和备用线触点。尾部连接段3的作用不仅是缓解其余部分的拉力，更重要是实现数据采集段4与密封舱6中各个部分的连接。
密封舱6内设置有激光器20、光路调制解调器21、水下应答器5、数据存储器19和24V直流供电电源10。水下应答器5是声学应答器，当准备回收该系统时，通过在海面利用专用设备发出释放信号，该信号被水下应答器5接收，水下应答器5能够识别为脱离配重的指令，利用电流熔断配重7与密封舱6之间的连接丝，实现连接丝与密封舱6断开连接，从而脱离配重7。配重7在设备回收之后，留在原处不进行回收。
激光器20、光路调制解调器21、数据存储器19和24V直流供电电源10位于独立的密封壳体25内，密封壳体25与密封舱6之间通过减震弹簧22连接，可以减小密封舱6中的核心部件在释放过程中的振荡。
配重7为钢制配重架，配重架四角设有安装环24，安装环24与密封舱6之间通过钢丝26连接，钢丝26通过可熔断的连接丝连接密封舱6。配重架中间为弹射板23，与密封舱6底部接触，在系统脱离配重架时，弹射板23可以给系统置一个向上的初速度，便于上浮。
该系统的工作过程如下：
如图2所示，利用拖船27将该系统布放到指定的海域，在配重作用下，沉入海底，由于上端浮体部分1的浮力作用，使得垂直缆在水中处于竖直状态。
光纤水听器18依托光纤光栅作为敏感元件，在掺铒或铒镱共掺光纤上刻写具λ/4相移的光纤布拉格光栅形成分布反馈光纤激光器。激光器发射某一频率的光通过光纤进入到光纤水听器18中，对于光纤水听器18内部的分布反馈光纤激光器，当光栅中间的相移为π时，分布反馈光纤激光器产生单纵模的输出激光，并且输出激光波长为：
λ＝2neΛ (1)
式中，ne为光纤的有效折射率，Λ为光栅周期。
当声压信号作用到分布反馈光纤激光器谐振腔时引起谐振腔长度的改变，同时由于弹光效应引起谐振腔折射率的改变。这两种效应导致分布反馈光纤激光器产生单纵模的输出激光波长和激光器20发出的激光相比发生偏移，偏移量为
Δλ＝2neΔΛ+2ΛΔne (2)
式中，ne为光纤的有效折射率，Λ为光栅周期，Δne为光纤的有效折射率变化量，ΔΛ为光栅周期变化量。
利用光路调制解调器21即可将(2)式中含有的声学数据解析出来，声学数据以二进制格式连续记录在数据存储器中。数据存储单元利用连续记录的二进制格式存储声学数据，根据数据采集段4的光纤水听器18的个数，记录时间长度以及记录频率的大小，决定数据存储器的容量大小。
本发明的垂直缆与传统的垂直缆相比，参数如下：
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，包括浮体部分、垂直缆、密封舱和配重，所述垂直缆连接浮体部分和密封舱，所述配重位于密封舱底部，其特征在于，所述垂直缆包括首部弹性段、数据采集段和尾部连接段，所述数据采集段包含多个并联的光纤水听器，所述密封舱内设置有与光纤水听器通过光纤连接的激光器和光路调制解调器。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述光纤水听器设置600个，相邻的两个光纤水听器之间的距离为12.5cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述浮体部分包括外壳，设置于外壳内的耐压玻璃球，所述耐压玻璃球内设置有GPS定位信标、夜间闪灯和24V直流供电电源。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述外壳底部设有与垂直缆通过绳索连接的旋转卸扣。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述首部弹性段一端设有与浮体部分通过绳索连接的旋转卸扣，另一端为螺纹连接头，所述首部弹性段内部为凯夫拉连接绳，外部为聚酯填充层。
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述尾部连接段内部包括凯夫拉连接绳以及数据传输回路和光回路，外部为聚酯填充层，所述尾部连接段的两端为密闭连接头，所述密闭连接头内分布电源触点、接地触点、光路触点和备用线触点。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述数据采集段与首部弹性段相连接的一端为螺纹连接头，与尾部连接段相连接的一端为密闭连接头，所述数据采集段中部由凯夫拉连接绳和聚酯材料填充而成。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述密封舱内还设有水下应答器、数据存储器和24V直流供电电源，所述激光器、光路调制解调器、数据存储器和24V直流供电电源位于独立的密封壳体内，所述密封壳体与密封舱之间通过减震弹簧连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述配重为钢制配重架，配重架四角设有安装环，安装环与密封舱之间通过钢丝和可熔断的连接丝连接，配重架中间为弹射板，与密封舱底部接触。
10.根据权利要求8所述的一种基于光纤水听器的海洋地震勘探垂直缆系统，其特征在于，所述密封舱顶部设有与尾部连接段相连接的密闭连接头。
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