CN112161692A - 一种三维矢量光纤激光微震传感器、微震监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维矢量光纤激光微震传感器、微震监测系统及方法，其技术方案为：包括传感器基座和设置于传感器基座内部且依次连接的第一横向传感器、第二横向传感器、轴向传感器；轴向传感器与第一横向传感器、第二横向传感器所在平面垂直，形成三维矢量传感器结构。本发明的传感器灵敏度高、直径小，适用于隧道的超细孔洞安装，能有效对隧道突涌水等各类灾害进行实时监测。

Description

一种三维矢量光纤激光微震传感器、微震监测系统及方法

技术领域

本发明涉及微震监测技术领域，尤其涉及一种三维矢量光纤激光微震传感器、微震监测系统及方法。

背景技术

微震监测技术作为一种远程无损实时监测方法，能够监测岩体灾变中微小破裂前兆特征，为重大灾害提供前兆预警信息。传统电子微震传感器存在灵敏度低、易受电磁干扰、组网困难、防水防潮性差、测点存活率低等缺点。基于光纤激光传感技术的微震传感器，可有效解决上述难题。

在进行隧道开挖过程中，由于开挖卸荷导致围岩应力状态发生改变，岩石在应力作用下发生破坏，并产生微小震动，通过钻凿多个钻孔并在孔内安装微震传感器可实时监测岩石破裂的微弱信号。现有的光纤激光微震传感器以单分量为主，三分量微震传感器可以满足对微震信号进行三维空间的定位，然而常见的三分量传感器体积大、不便于在隧道等狭小空间安装，且横向交叉灵敏度降低，指向性变差，不利于微震源的定位。

现有技术中公开了一种光纤光栅三维加速度传感器，还公开了一种三分量光纤光栅震动传感器，由于光纤光栅尺寸较短，可以通过相同结构三个方向的正交安装，构成小直径的三分量加速度计。但是，光纤激光器一般长度较长，利用上述现有技术无法实现较小直径。

另外，对于微震事件的定位计算须要对区域进行空间“包络式”监测，同时在传感器安装时尾部光缆不便于引出，不便于采用串联的复用组阵方案，这需要多分量微震传感器的组网成阵。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种三维矢量光纤激光微震传感器、微震监测系统及方法，传感器灵敏度高、直径小，适用于隧道的超细孔洞安装，能有效对隧道突涌水等各类灾害进行实时监测。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种三维矢量光纤激光微震传感器，包括传感器基座和设置于传感器基座内部且依次连接的第一横向传感器、第二横向传感器、轴向传感器；轴向传感器与第一横向传感器、第二横向传感器所在平面垂直，形成三维矢量传感器结构。

作为进一步的实现方式，所述第一横向传感器、第二横向传感器分别包括横向加速度敏感元件、横向光纤激光器、横向外壳，横向加速度敏感元件设于横向外壳内部，横向加速度敏感元件与横向光纤激光器相连。

作为进一步的实现方式，所述轴向传感器包括轴向外壳、轴向光纤激光器、轴向加速度敏感元件，轴向加速度敏感元件设于轴向外壳内部，且轴向加速度敏感元件与轴向光纤激光器相连。

作为进一步的实现方式，所述传感器基座采用双弹性膜片结构。

作为进一步的实现方式，所述第一横向传感器与连接光缆相连。

第二方面，本发明实施例还提供了一种微震监测系统，包括所述的三维矢量光纤激光微震传感器。

作为进一步的实现方式，还包括若干分路盒，分路盒依次串联，且每个分路盒连接至少一个三维矢量光纤激光微震传感器；所述分路盒通过传输光缆连接光纤激光解调模块。

作为进一步的实现方式，所述分路盒包括波分复用器、分路盒外壳、光缆接口，波分复用器设置于分路盒外壳内部，光缆接口安装于分路盒外壳一侧；且光缆接口与波分复用器相连。

第三方面，本发明实施例还提供了一种微震监测系统的使用方法，包括：

钻凿钻孔，在钻孔中布置三维矢量光纤激光微震传感器；

将三维矢量光纤激光微震传感器通过传输光缆与分路盒相连，多个分路盒通过主线缆与解调仪器相连；

安装完成后，实时采集微地震信号；

进行滤波降噪处理，并将震源信息进行全波形反演；之后进行三维成像，得到到岩体内部应力状态和地质构造。

作为进一步的实现方式，将三维矢量光纤激光微震传感器固定与套筒中，然后将套筒放置于钻孔中。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式的三维矢量光纤激光微震传感器灵敏度≤50ng/√Hz(100Hz～1250Hz)，频率响应1～1250Hz，直径小于40mm，能有效对隧道突涌水等各类灾害进行实时监测；

(2)本发明的一个或多个实施方式的每组传感器与同一个分路盒相连接，使传感器挂载主线缆，与主线缆一体化成缆；每个传感器中的三个分量波长不同，并且由于在空间上串联复用，传感器之间波长也不同，因此，空间上采用空分复用，在主机端通过不同波长区分不同传感器和传感器的不同分量；实现对区域进行空间“包络式”监测，增大监测距离的同时满足了监测的准确性；

(3)本发明的一个或多个实施方式的传感器安装时，使用锚固剂将传感器固定在套筒中，然后将套筒放置钻孔中，使套筒外侧和钻孔紧密贴合；拆卸时只需拿下套筒，不会对传感器造成磨损，传感器可循环使用，从而节省了成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的微震监测系统连接示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的光缆分路盒结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的三维矢量光纤激光微震传感器结构示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的横向传感器结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的轴向传感器结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的测网布置示意图；

其中，1、掌子面，2、水平钻孔，3、扇形孔，4、三维矢量光纤激光微震传感器，41、第一横向传感器，411、横向光纤激光器，412、横向外壳，413、横向加速度敏感元件，42、第二横向传感器，43、轴向传感器，431、轴向外壳，432、轴向光纤激光器，433、轴向加速度敏感元件，44、连接光缆，5、传输光缆，6、分路盒，61、光缆续接点，62、波分复用器，63光缆接口，7、主机，71、光纤激光解调模块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种三维矢量光纤激光微震传感器，如图3所示，包括传感器基座(一般为圆筒形的传感器外壳)和设置于传感器基座内部且依次连接的第一横向传感器41、第二横向传感器42、轴向传感器43，第一横向传感器41和第二横向传感器42的敏感方向沿基座径向，且相互垂直，轴向传感器43敏感方向沿基座轴向，与第一横向传感器41、第二横向传感器42的敏感方向垂直，形成三维矢量结构。

所述第一横向传感器41与连接光缆44相连，连接光缆44伸出传感器基座外侧，用于连接分路盒6。

第一横向传感器41和第二横向传感器42的结构相同，如图4所示，包括横向加速度敏感元件413、横向光纤激光器411、横向外壳412，横向加速度敏感元件413设于横向外壳412内部，横向加速度敏感元件413与横向光纤激光器411相连。

如图5所示，轴向传感器43包括轴向外壳431、轴向光纤激光器432、轴向加速度敏感元件433，轴向加速度敏感元件433设于轴向外壳431内部，且轴向加速度敏感元件433与轴向光纤激光器432相连。

传感器基座采用具有极低的热膨胀系数的Invar合金加工而成，以降低温度膨胀效应对光纤激光器的影响。采用双弹性膜片结构控制交叉灵敏度，弹性膜片作为弹性元件和限位元件，控制检波器的灵敏度和频率特性，并限制质量块的横向位移，减小横向灵敏度。

本实施例传感器中的三个分量波长不同，并且由于在空间上串联复用，传感器之间波长也不同，因此，空间上采用空分复用，在主机端通过不同波长区分不同传感器和传感器的不同分量；实现对区域进行空间“包络式”监测，增大监测距离的同时满足了监测的准确性。

实施例二：

本实施例提供了一种微震监测系统，如图1和图6所示，包括光纤激光解调模块71、传输光缆5、至少一个分路盒6，光纤激光解调模块71通过传输光缆5与分路盒6相连；光纤激光解调模块71与主机7集成在一起。分路盒6为多个时，多个分路盒6串联；每个分路盒6连接一个或多个实施例一所述的三维矢量光纤激光微震传感器4。

如图2所示，分路盒6包括波分复用器62、分路盒外壳、光缆接口63，波分复用器62设置于分路盒外壳内部，光缆接口63安装于分路盒外壳一侧；且光缆接口63与波分复用器62相连。

所述波分复用器62与传输光缆5相连，其与传输光缆5的连接点为光缆续接点61。

实施例三：

本实施例提供了一种微震监测系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1：按照要求钻凿钻孔。

在掌子面1的中心钻凿1个水平钻孔2，从掌子面1后方5-10m的位置沿径向钻凿多组扇形孔3，每组2-3个钻孔，孔深为3-5m。

步骤S2：布置三维矢量光纤激光微震传感器4。

使用锚固剂将三维矢量光纤激光微震传感器4固定在套筒中，然后将套筒放置于钻孔中，使套筒外侧和钻孔紧密贴合。拆卸时只需拿下套筒，不会对三维矢量光纤激光微震传感器4造成磨损；使三维矢量光纤激光微震传感器4可循环使用，从而节省了成本。

步骤S3：每组三维矢量光纤激光微震传感器4末端通过传输光缆5与同一个分路盒6相连接。其中，传输光缆5长度为10-15m，分路盒6之间最大间隔20m。从而使三维矢量光纤激光微震传感器4挂载主线缆，与主线缆一体化成缆。

每个三维矢量光纤激光微震传感器4中的三个分量波长不同，并且由于在空间上串联复用，传感器之间波长也不同，因此，空间上采用空分复用，在主机7端通过不同波长区分不同传感器和传感器的不同分量。

步骤S4：多个分路盒6通过主线缆与解调仪器相连。采用980nm泵浦光对三维矢量光纤激光微震传感器4进行泵浦，三维矢量光纤激光微震传感器4发出的信号光返回解调仪器后经波分复用器62分离，进入光纤干涉仪形成干涉。

干涉信号输出后通过密集波分复用器解复用，每个波长通道对应的输出由光电探测器探测，并经过数据采集卡采集，转换成数字信号，通过FPGA模块进行处理解调。

步骤S5：安装完成后，实时采集微地震信号。

步骤S6：进行基于变分模态分解的滤波降噪处理，实现突涌水信号高频成分的有效提取。利用自相关计算，识别具有周期性特征的工程扰动(钻机、工程车等)模态成分；针对隐含的无规则噪声，利用去趋势波动分析方法，对模态分量进行波动趋势分析。

步骤S7：将震源信息进行全波形反演。利用正演计算得到合成地震波场，通过构造目标函数建立合成地震波场与实际观测地震记录的走时、震幅等信息差异，使用迭代优化算法对目标函数进行最优求解以得到模型更新量，最后基于模型更新量获得更高精度的介质模型。

步骤S8：使用三维可视化软件来进行三维成像，以此来观察岩体变形和破坏的演化过程和破坏形态，得到岩体内部应力状态和地质构造。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维矢量光纤激光微震传感器，其特征在于，包括传感器基座和设置于传感器基座内部且依次连接的第一横向传感器、第二横向传感器、轴向传感器；轴向传感器与第一横向传感器、第二横向传感器所在平面垂直，形成三维矢量传感器结构。

2.根据权利要求1所述的一种三维矢量光纤激光微震传感器，其特征在于，所述第一横向传感器、第二横向传感器分别包括横向加速度敏感元件、横向光纤激光器、横向外壳，横向加速度敏感元件设于横向外壳内部，横向加速度敏感元件与横向光纤激光器相连。

3.根据权利要求1所述的一种三维矢量光纤激光微震传感器，其特征在于，所述轴向传感器包括轴向外壳、轴向光纤激光器、轴向加速度敏感元件，轴向加速度敏感元件设于轴向外壳内部，且轴向加速度敏感元件与轴向光纤激光器相连。

4.根据权利要求1所述的一种三维矢量光纤激光微震传感器，其特征在于，所述传感器基座采用双弹性膜片结构。

5.根据权利要求1所述的一种三维矢量光纤激光微震传感器，其特征在于，所述第一横向传感器与连接光缆相连。

6.一种微震监测系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的三维矢量光纤激光微震传感器。

7.根据权利要求6所述的一种微震监测系统，其特征在于，还包括若干分路盒，分路盒依次串联，且每个分路盒连接至少一个三维矢量光纤激光微震传感器；所述分路盒通过传输光缆连接光纤激光解调模块。

8.根据权利要求7所述的一种微震监测系统，其特征在于，所述分路盒包括波分复用器、分路盒外壳、光缆接口，波分复用器设置于分路盒外壳内部，光缆接口安装于分路盒外壳一侧；且光缆接口与波分复用器相连。

9.根据权利要求6-8任一所述的一种微震监测系统的使用方法，其特征在于，包括：

钻凿钻孔，在钻孔中布置三维矢量光纤激光微震传感器；

将三维矢量光纤激光微震传感器通过传输光缆与分路盒相连，多个分路盒通过主线缆与解调仪器相连；

安装完成后，实时采集微地震信号；

进行滤波降噪处理，并将震源信息进行全波形反演；之后进行三维成像，得到到岩体内部应力状态和地质构造。

10.根据权利要求9所述的一种微震监测系统的使用方法，其特征在于，将三维矢量光纤激光微震传感器固定与套筒中，然后将套筒放置于钻孔中。

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