CN110703316A - 一种光纤地面地震检波方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤地面地震检波方法及系统，包括：将若干个光纤地震检波器间隔固定在传感光缆上形成一路传感单元，将若干路传感单元组合形成光纤地震检波器网络；激光器发出激光进入光分路器分为若干路脉冲光信号，分别进入若干个环形器中，每路脉冲光在环形器中由I端口单向传输至II端口进入每一路传感单元；脉冲光信号在检波器上传输产生瑞利散射光，与背向瑞利散射光传输至环形器的II端口，并由环形器的III端口输出，经光电探测器探测后转换为电信号后进入信号处理模块，信号处理模块根据解调出的振动信号来进行矢量或者三维地震信号的提取；本方法和系统可实现检波器的复用成网，可实现大范围的准分布式的矢量或者三维地震信号检测。
Description
技术领域
本发明涉及检测地震波信号的传感器技术领域，具体地，涉及一种光纤地面地震检波系统及方法。
背景技术
在石油天然气勘探领域，随着国内陆上油气勘探程度的不断提高，勘探目标越来越复杂，对地震勘探的分辨率和成像精度要求越来越高，“高密度、宽频带、宽方向、超大道数”采集成为物探技术的主要发展方向。目前地震监测方式主要有两种：井中监测和地面监测。与地面监测相比，井中监测的优势在于数据信噪比高，且能够避免地面噪声干扰。但是井中监测对设备要求较高，且施工条件复杂，在没有检测井的情况下无法开展。而地面监测不受现场井网条件和施工难度制约，将是未来的主要发展方向之一。
光纤传感器与传统的电子检波器相比，不受电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、且具有极高的信噪比，易于大面积组网和长距离传输可实现准分布式测量。由于其具有以上的优点，所以得到了越来越广泛的研究和应用。
目前已经有光纤地震检波器应用于油气勘探领域，主要有干涉型、光纤光栅型。
其中，干涉型光纤地震检波器利用传感臂光纤和参考臂光纤的反射光相互干涉的原理，通过提取光强或者相位变化信号实现对扰动点的定位以及相位信息的还原。但该技术需要对参考光纤进行有效的屏蔽，若受外界干扰，将影响系统内传感光纤的信息有效性和灵敏度。
虽然光纤光栅型地震检波器优点是抗干扰能力强，具有大规模组网能力，然而其灵敏度不高，背景噪声较大，对微弱信号探测能力不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤地面地震检波方法及系统，本方法及系统能够实现大范围的准分布式的地震波测量。
为实现上述发明目的，本申请一方面提供了一种光纤地面地震检波方法：
将传感光纤缠绕在单分量或者三分量加速度结构上，作为光纤地震检波器，若干个光纤地震检波器按照一定的间隔固定在传感光缆上，形成一路传感单元，将若干路传感单元按照一定方式组合起来形成光纤地震检波器网络；
光纤振动解调仪中的窄带宽脉冲激光器发出脉冲激光经过光放大器后进入光分路器，使光分为若干路脉冲光信号，分别进入若干个环形器中，每路脉冲光在环形器中由I端口单向传输至II端口进入每一路传感单元；
每路传感单元中均包含有若干个检波器，脉冲光信号在各个检波器上传输会产生传播方向向着各个方向的瑞利散射光，其中，与脉冲光信号传输方向相反的背向瑞利散射光传输至环形器的II端口，并由环形器的III端口输出，经光电探测器探测后转换为电信号后进入信号处理模块，信号处理模块解调出各个检波器的振动信号，根据解调出的振动信号来进行矢量或者三维地震信号的提取。
所述光纤地震检波器采用单分量或者三分量结构；
所述光纤地震检波器的间隔应大于或等于光纤振动解调仪的空间分辨率，且每路传感单元在设置若干个检波器后若光衰减较大，还可加光放大器进行中继达到现场作业要求。
所述光纤地震检波器应与地面良好耦合；
所述光纤地面地震检波系统包括：光纤振动解调仪和光纤地震检波器网络，光纤振动解调仪包括窄带宽脉冲激光器、光放大器、光分路器、三端口光环形器、若干光电探测器以及若干信号处理模块；所述光放大器与光分路器连接，所述光分路器的若干个端口与若干个光环形器的I端口连接，所述光纤地震检波器网络的若干路传感单元与若干个光环形器的II端口连接，所述若干个光电探测器与若干个光环形器的III端口连接；
所述光纤地震检波器采用弹片式结构或者顺变柱体式结构；
所述弹片式光纤地震检波器包括弹性片和金属外壳，所述传感光缆缠绕在弹性片上呈螺线型；
所述顺变柱体式光纤地震检波器包括单分量结构和三分量结构；
所述单分量结构包括垂直向顺变柱体、质量块和金属外壳，所述传感光缆缠绕在垂直向顺变柱体上；
所述三分量结构包括沿x、y、z三个方向正交分布的顺变柱体、质量块和金属外壳，所述传感光缆分别缠绕在x向顺变柱体、y向顺变柱体、z向顺变柱体；
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中基于光时域反射技术的光纤地面地震检波方法，通过将传感光纤缠绕在单分量或者三分量加速度结构上，作为光纤地震检波器，每个光纤地震检波器按照一定的间隔固定在传感光缆上，形成一路传感单元，将若干路传感单元按照一定方式组合起来形成光纤地震检波器网络；再通过使用窄带宽的脉冲激光器以及光分路器，将脉冲光分成多份进入到不同路传感单元中；当传感器受到地面振动作用时，传感器上的光纤便会产生应变，外界信息会加载到瑞利散射光信号上，最终不同检波器的后向瑞利散射光信号能在不同时间内传回信号处理模块，形成一个时分复用系统；这样便可用一台仪器实现光纤地面地震传感器大面积串联，由点而线再到网，从而实现准分布式地面地震波的测量。相比目前的电子检波器，所述光纤地面地震检波系统具有结构简单、传感器成本低、性能稳定、能在电磁干扰情况下稳定工作的特点，并且可实现检波器的复用成网，可实现大范围的准分布式的地震波测量。通过采用单分量或者三分量的光纤地震检波器来实现矢量的或者三维的地震信号检测，通过改变质量块或者弹性片提高振动信号的强度，从而保证光纤地震检波器可以检测到每个方向上的微弱信号。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是基于光时域反射技术的地面地震波传感系统示意图；
其中，1为窄带宽脉冲光源，2为光放大器，3为光分路器，4、5、6、7为三端口光环形器，n+1、n+2、n+3一直到n+k为第一路传感单元，2n+1、2n+2、2n+3一直到2n+k为第二路传感单元，3n+1、3n+2、3n+3一直到3n+k为第三路传感单元，4n+1、4n+2、4n+3一直到4n+k为第四路传感单元，m+1、m+2、m+3、m+4为光电探测器，p+1、p+2、p+3、p+4为信号处理模块；
图2是弹片式传感器结构示意图；
其中，8为圆形金属片上顶面，10为圆形金属片下底面，12为空心金属圆柱管，13为传感光纤，9、11为光纤护线圈；
图3是单分量顺变柱体式传感器结构示意图；
其中，14为外壳，17、18为垂直向顺变柱体，15为质量块，16为传感光纤；
图4是三分量顺变柱体式传感器结构示意图；
其中，19为外壳，20、21为x向顺变柱体，22、23为y向顺变柱体，24、25为z向顺变柱体，27为质量块，26为传感光纤。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明提供的光纤地面地震检波方法,包括以下步骤：
将传感光纤缠绕在单分量或者三分量的加速度结构上，作为光纤地震检波器，分别用于拾取单方向或者三维的地震信号，将每个光纤地震检波器按照一定的间隔设置在传感光缆上，形成一路传感单元，若每路传感单元在设置若干个检波器后光衰减较大，还可加光放大器进行中继达到现场作业要求。将若干路传感单元按照一定方式组合起来形成光纤地震检波器网络，将光纤地震检波器网络设置在需要进行地震勘探的区域，其中每个检波器需要与地层良好耦合，以便于良好探测地震信号。
光纤振动解调仪中的窄带宽脉冲激光器发出脉冲激光经过光放大器后进入光分路器，使光分为若干路脉冲光信号，且光分路器每个输出端口输出的光功率大小一致，分别进入若干个环形器中，每路脉冲光在环形器中由I端口单向传输至II端口进入每一路传感单元；
每一路传感单元中的各个检波器上所缠绕的传感光纤中的杂志粒子产生向着各个方向传播的瑞利散射光，当外界地震信号作用于检波器，缠绕在检波器上的传感光纤便会产生应变，外界信号便加载到瑞利散射光上，其中后向传输的瑞利散射光进入环形器的II端口，从III端口进入光电探测器后转化为电信号，由信号处理模块进行解调。信号处理模块解调出各个检波器的振动信号，根据解调出的振动信号来进行矢量或者三维地震信号的提取，解调方式可包括强度解调和相位解调等多种方式。
在本实施例中，光纤地震检波器采用三分量顺变柱体式光纤地震检波器，检波器中缠绕传感光纤长度大于等于10cm，检波器在传感光缆上设置距离大于1m，传感光缆一般采用铠装光缆，如图1所示光纤地震检波器网络的组合方式可以采用平行排列组合方式。
实际操作时按照具体实施方案的实施步骤窄带宽脉冲激光器产生的脉冲激光经光放大器进入光分路器进入若干路传感单元，当在光纤地震检波器网络所在区域进行地震勘探时，外界地震信号会作用在各个检波器上，检波器中的顺变柱体发生弹性形变使得缠绕在顺变柱体上的传感光纤发生应变，外界地震信号便加载到光纤中的瑞利散射光上，携带着地震信号的后向瑞利散射光信号进入所采用的相位信号解调模块后，相位信号解调模块根据解调后的相位信息来进行检波器的定位以及地震信号强度的判定。
本发明还提供了一种光纤地面地震检波系统包括：光纤振动解调仪和光纤地震检波器网络，光纤振动解调仪包括窄带宽脉冲激光器、光放大器、光分路器、三端口光环形器、若干光电探测器以及若干信号处理模块；光放大器与光分路器连接，光分路器的若干个端口与若干个光环形器的I端口连接，光纤地震检波器网络的若干路传感单元与若干个光环形器的II端口连接，若干个光电探测器与若干个光环形器的III端口连接；
如图2所示，弹片式光纤地震检波器是在弹性片上缠绕一段长度的传感光纤呈螺线型，缠绕长度可任意调节，缠绕长度通常大于10cm，当外界地震信号作用于弹性片时，形成一定程度的弹性形变，进而使传感光纤发生形变。通过选择弹性片的材料可以调节对地震信号的响应灵敏度。
如图3、4所示，顺变柱体式光纤地震检波器是将顺变柱体对称的设置在质量块两侧，并将传感光纤缠绕在顺变柱体上，同样的缠绕长度可任意调节，当外界信号作用于质量块时，质量块的运动引起顺便柱体的弹性形变，进而使传感光纤发生形变。通过选择质量块的质量可以调节对地震信号的响应灵敏度。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种光纤地面地震检波方法，其特征在于，所述方法包括：
将若干个光纤地震检波器按照一定的间隔固定在传感光缆上，形成一路传感单元，将若干路传感单元按照一定方式组合起来形成光纤地震检波器网络；
激光器发出激光进入光分路器分为若干路脉冲光信号，分别进入若干个环形器中，每路脉冲光在环形器中由I端口单向传输至II端口进入每一路传感单元；
每路传感单元中均包含有若干个光纤地震检波器，脉冲光信号在各个光纤地震检波器上传输产生瑞利散射光，其中，与脉冲光信号传输方向相反的背向瑞利散射光传输至环形器的II端口，并由环形器的III端口输出，经光电探测器探测后转换为电信号后进入信号处理模块，信号处理模块解调出各个检波器的振动信号，根据解调出的振动信号来进行矢量或者三维地震信号的提取。
2.根据权利要求1所述的光纤地面地震检波方法，其特征在于，将传感光纤缠绕在单分量或者三分量加速度结构上，作为光纤地震检波器。
3.根据权利要求1所述的光纤地面地震检波方法，其特征在于，相邻检波器的间隔大于或等于光纤振动解调仪的空间分辨率，光纤振动解调仪中的窄带宽脉冲激光器发出脉冲激光经过光放大器或放大器进行中继后进入光分路器。
4.根据权利要求1所述的光纤地面地震检波方法，其特征在于，所述光纤地震检波器与地面耦合。
5.一种光纤地面地震检波系统，其特征在于，所述系统包括：
光纤振动解调仪、光纤地震检波器网络、信号处理模块；
光纤振动解调仪包括窄带宽脉冲激光器、光放大器、光分路器、三端口光环形器、若干光电探测器以及若干信号处理模块；若干个光纤地震检波器按照一定的间隔固定在传感光缆上，形成一路传感单元，若干路传感单元按照一定方式组合起来形成光纤地震检波器网络；所述光放大器与光分路器连接，所述光分路器的若干个端口与若干个光环形器的I端口连接，所述光纤地震检波器网络的若干路传感单元与若干个光环形器的II端口连接，所述若干个光电探测器与若干个光环形器的III端口连接；脉冲光信号在各个光纤地震检波器上传输产生瑞利散射光，其中，与脉冲光信号传输方向相反的背向瑞利散射光传输至环形器的II端口，并由环形器的III端口输出，经光电探测器探测后转换为电信号后进入信号处理模块，信号处理模块解调出各个检波器的振动信号，根据解调出的振动信号来进行矢量或者三维地震信号的提取。
6.根据权利要求5所述的光纤地面地震检波系统，其特征在于，所述光纤地震检波器采用弹片式结构或者顺变柱体式结构。
7.根据权利要求6所述的光纤地面地震检波系统，其特征在于，所述弹片式光纤地震检波器包括弹性片和金属外壳，所述传感光缆缠绕在弹性片上呈螺线型。
8.根据权利要求6所述的光纤地面地震检波系统，其特征在于，所述顺变柱体式光纤地震检波器包括单分量结构和三分量结构。
9.根据权利要求8所述的光纤地面地震检波系统，其特征在于，所述单分量结构包括垂直向顺变柱体、质量块和金属外壳，所述传感光缆缠绕在垂直向顺变柱体上。
10.根据权利要求8所述的光纤地面地震检波系统，其特征在于，所述三分量结构包括沿x、y、z三个方向正交分布的顺变柱体、质量块和金属外壳，所述传感光缆分别缠绕在x向顺变柱体、y向顺变柱体、z向顺变柱体。
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