CN115793040A - 一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统和方法，采用多频时延双脉冲直接探测，获取探测信号，进行移动平均差分确定震动位置；进行外差相干探测，获取多频光脉冲电信号经过带通滤波后，对产生的多个不同频率的信号分别进行I/Q正交解调，根据确定的震动位置处的相位曲线分别进行相位还原，得到最终的震动相位曲线。通过直接探测结构初步确定震动位置，相干探测结构根据获得的震动位置直接进行震动曲线还原，提升了探测效率。提升分布式光纤震动传感系统信噪比和传感距离。

Description

一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统和方法

技术领域

本发明属于地震勘探技术领域，具体为一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统和方法。

背景技术

地震勘探在油气、矿产资源勘探领域起着重要作用，具体原理是地震检波器接受来自主动源(炸药、液压震源、气枪等)或被动源(地震等)在地下介质中产生的反射波或折射波，进一步通过数据反演解释获得地下结构的信息，完成对能源的勘探。但是，随着我国对能源的需求不断攀升，复杂、恶劣环境下的能源开采是至关重要的。因此，对地震勘探仪器提出了更高的要求，传统地震检波器无法同时满足高灵敏度、成本低、大容量、探测距离长等要求。

分布式光纤震动传感技术是传感器领域的一种新兴的传感技术，其无源、成本低、抗电磁干扰、耐高温高压、长期监测的优点已经使其在周界安防、电力线监测、交通运输等领域内受到了广泛的关注。其中，Φ-OTDR系统通过接收在传感光纤中产生的后向瑞利散射光，解调获得其中的幅度信息和相位信息，完成对外界震动事件的精准定位和震动信息还原。

传统的Φ-OTDR系统结构包括直接探测结构、相干探测结构等结构，其中直接探测结构具有结构简单、系统成本低、受激光器噪声干扰小、效率高等优点，但是无法准确直接地获得震动信号，不适合在复杂环境中使用；相干探测结构可以对震动信号进行精确的定量测量、信噪比较高，但是相干衰落噪声等问题影响信噪比和传感距离，并且对光学器件的性能要求较高。

因此，Φ-OTDR系统结构存在的问题限制了其在复杂地震勘探环境中的使用，解决优化系统结构或解决相干衰落噪声等问题将会推进Φ-OTDR系统在地震勘探领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统和方法，解决Φ-OTDR系统结构存在的问题以及探测过程相干衰落噪声的问题。

本发明是这样实现的，

一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，该系统包括：包括：激光器、第一耦合器、调频移频单元、掺铒光纤放大器、第二耦合器、第一光开关、第二光开关、延时光纤、第三耦合器、第四耦合器、环形器、传感光纤、控制单元、光电平衡探测器、高速采集卡以及上位机；

所述激光器输出端连接到所述第一耦合器输入端，第一耦合器输出端分别连接到调频移频单元和第一光开关一输入端；所述调频移频单元输出端连接到掺铒光纤放大器输入端，所述掺铒光纤放大器输出端连接到第二耦合器输入端，所述第二耦合器的输出端分别连接到第三耦合器的输入端和第二光开关的输入端；所述第二光开关输出端连接到延时光纤输入端，所述延时光纤输出端连接到所述第三耦合器输入端；第三耦合器输出端连接到所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接到传感光纤，环形器第三端口连接到所述第四耦合器输入端；所述第二光开关输出端连接到所述第四耦合器输入端；所述第四耦合器输出端连接到光电平衡探测器输入端，所述光电平衡探测器输出端连接到所述高速采集卡输入端，所述高速采集卡输出端连接到所述上位机输入端；所述控制单元输出端分别连接到所述第一光开关控制端、所述调频移频单元控制端、所述第二光开关控制端、以及所述高速采集卡控制端。

进一步地，所述控制单元通过控制第一光开关为关闭状态、所述第二光开关为开启状态，控制调频移频单元使连续光调制为多频脉冲光，实现多频时延双脉冲直接探测；所述控制单元述第一光开关为开启状态、所述第二光开关为关闭状态，控制调频移频单元使连续光调制为多频脉冲光，实现外差相干探测。

进一步地，所述多频时延双脉冲直接探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光全部进入控制单元控制的调频移频单元，连续光被调制成多频率组成的光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器分为两束光脉冲，一路光脉冲直接进入第三耦合器，另一路光通过延时光纤进入第三耦合器，两路光在第三耦合器中形成多频时延光脉冲对，多频光脉冲对在通过环形器进入传感光纤并与传感光纤中产生的后向瑞利散射光发生干涉，干涉光经过第四耦合器被光电平衡探测器转换为电信号，最后使用高速采集卡对其进行采集并上传到上位机进行信号处理。

进一步地，外差相干探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光一部分进入控制单元控制的调频移频单元，另一部分连续光作为本振光进入第四耦合器；进入调频移频单元的连续光被调制成多频率光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器、第三耦合器进入传感光纤中，传感光纤中产生的后向瑞利散射光与本振光在第四耦合器耦合，接下来被光电平衡探测器转换为电信号，最后使用高速采集卡对其进行采集并上传到上位机进行信号处理。

进一步地，所述上位机将多频时延双脉冲直接探测的多频光脉冲对电信号，直接进行移动平均差分确定震动位置；

将外差相干探测的多频光脉冲电信号经过带通滤波后，对产生的多个不同频率的信号分别进行I/Q正交解调，根据确定的震动位置处的相位曲线分别进行相位还原，得到最终的震动相位曲线。

一种用于地震勘探的直接和相干混合探测方法，该方法包括：

采用多频时延双脉冲直接探测，获取探测信号，进行移动平均差分确定震动位置；

进行外差相干探测，获取多频光脉冲电信号经过带通滤波后，对产生的多个不同频率的信号分别进行I/Q正交解调，根据确定的震动位置处的相位曲线分别进行相位还原，得到最终的震动相位曲线。

进一步地，采用多频时延双脉冲直接探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光全部进入控制单元控制的调频移频单元，连续光被调制成多频率组成的光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器分为两束光脉冲，一路光脉冲直接进入第三耦合器，另一路光通过延时光纤进入第三耦合器，两路光在第三耦合器中形成多频时延光脉冲对，多频光脉冲对在通过环形器进入传感光纤并与传感光纤中产生的后向瑞利散射光发生干涉，干涉光经过第四耦合器被光电平衡探测器转换为电信号。

进一步地，外差相干探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光一部分进入控制单元控制的调频移频单元，另一部分连续光作为本振光进入第四耦合器；进入调频移频单元的连续光被调制成多频率光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器、第三耦合器进入传感光纤中，传感光纤中产生的后向瑞利散射光与本振光在第四耦合器耦合，接下来被光电平衡探测器转换为电信号。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

(1))通过直接探测结构初步确定震动位置，相干探测结构根据获得的震动位置直接进行震动曲线还原，提升了探测效率。提升分布式光纤震动传感系统信噪比和传感距离；(2)通过生成多频脉冲光完成探测，更加有效地抑制了相干衰落噪声，提升了分布式光纤震动传感系统的探测性能。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种用于地震勘探的直接和相干混合(联合)(新型)探测结构的分布式光纤震动传感系统的结构图；

图2为本发明一实施例的调频移频单元的结构图；

图3为本发明一实施例的探测流程图；

图4为本发明一实施例的相关系数图；

图5为本发明一实施例的信号处理流程图；

图6为本发明一实施例的I/Q正交解调的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例公开了本发明提供一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，包括：激光器、第一耦合器、调频移频单元、掺铒光纤放大器、第二耦合器、第一光开关、第二光开关、延时光纤、第三耦合器、第四耦合器、环形器、传感光纤、控制单元、光电平衡探测器、高速采集卡以及上位机。参见如图1：

激光器输出端连接到所述第一耦合器输入端，第一耦合器输出端分别连接到调频移频单元和第一光开关输入端；所述调频移频单元输出端连接到掺铒光纤放大器输入端，所述掺铒光纤放大器输出端连接到第二耦合器输入端，所述第二耦合器的输出端分别连接到第三耦合器的输入端和第二光开关的输入端；所述第二光开关输出端连接到延时光纤输入端，所述延时光纤输出端连接到所述第三耦合器输入端；第三耦合器输出端连接到所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接到传感光纤，环形器第三端口连接到所述第四耦合器输入端；所述第二光开关输出端连接到所述第四耦合器输入端；所述第四耦合器输出端连接到光电平衡探测器输入端，所述光电平衡探测器输出端连接到所述高速采集卡输入端，所述高速采集卡输出端连接到所述上位机输入端；所述控制单元输出端分别连接到所述第一光开关控制端、所述调频移频单元控制端、所述第二光开关控制端、以及所述高速采集卡控制端。

如图2所示，调频移频单元包括：相位调制器和声光调制器，然后将激光调制为多频脉冲光。

该系统实现多频时延双脉冲直接探测和外差相干探测，通过光开关和控制单元实现的转换。在进行多频时延双脉冲直接探测时，所述控制单元控制第一光开关为关闭状态、所述第二光开关为开启状态，所述控制单元控制调频移频单元使连续光调制为多频脉冲光；在进行外差相干探测时，所述控制单元控制所述第一光开关为开启状态、所述第二光开关为关闭状态，所述控制单元控制调频移频单元使连续光调制为多频脉冲光。在完成一次多频时延双脉冲直接探测后，然后初步确定震动位置，最后由所述控制单元控制进行外差相干探测，根据确定的震动位置进行振动曲线还原，流程图如图3所示。

多频时延双脉冲直接探测，进行初步确定震动位置的过程为：激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光全部进入控制单元控制的调频移频单元，连续光被调制成多频率组成的光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器分为两束光脉冲，一路光脉冲直接进入第三耦合器，另一路光通过延时光纤进入第三耦合器，两路光在第三耦合器中形成多频时延光脉冲对，多频光脉冲对在通过环形器进入传感光纤并与传感光纤中产生的后向瑞利散射光发生干涉，干涉光经过第四耦合器被光电平衡探测器转换为电信号，最后使用高速采集卡对其进行采集并上传到上位机进行信号处理。

其中，多频光脉冲对的时延为

式中L_T为延时光纤的长度，n为延时光纤折射率，c为光速。

外差相干探测过程为：激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光一部分进入控制单元控制的调频移频单元，另一部分连续光作为本振光进入第四耦合器；进入调频移频单元的连续光被调制成多频率光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器、第三耦合器进入传感光纤中，传感光纤中产生的后向瑞利散射光与本振光在第四耦合器耦合，接下来被光电平衡探测器转换为电信号，最后使用高速采集卡对其进行采集并上传到上位机进行信号处理。

其中，多频光脉冲产生的后向瑞利散射强度不同，它们之间的相关系数可以表示为：

式中，Δf为脉冲光频差，ω为脉冲光宽度。通过上式可以得到，当Δf＞0.808/ω时，相关系数趋近于0，如图4所示。这表明不同光频的光脉冲不相关，其中一个光频的光脉冲由于相干衰落问题导致在某一位置后向瑞利散射强度较低时，另外一个光频的光脉冲产生的后向瑞利散射光强在此位置后向瑞利散射强度相对较高，通过此方法对相干衰落噪声进行了抑制。

通过上位机对信号处理，流程为：将采集到的含有震动信息的多频光脉冲对电信号，直接进行移动平均差分确定震动位置，获得的移动平均差分曲线峰值处就是震动位置。

将采集到的含有震动信息的多频光脉冲电信号经过带通滤波后，对产生的多个不同频率的信号分别进行I/Q正交解调，接下来根据确定的震动位置处的相位曲线分别进行相位还原(参见图6所示，相位还原就是正常的反正切、相位扩展、相位解卷绕过程，此处不再赘述)，得到最终的震动相位曲线，最终选择幅值最大的震动曲线为最优结果以抑制相干衰落噪声，完成分布式探测，具体流程图如图5所示。

本发明还提供一种用于地震勘探的直接和相干混合探测方法，采用多频时延双脉冲直接探测，获取探测信号，进行移动平均差分确定震动位置；

进行外差相干探测，获取多频光脉冲电信号经过带通滤波后，对产生的多个不同频率的信号分别进行I/Q正交解调，根据确定的震动位置处的相位曲线分别进行相位还原，得到最终的震动相位曲线。

值得一提的是，传统的分布式光纤震动传感系统存在着相干衰落噪声、无法准确直接地获得震动信号等问题，本系统使用直接探测结构和相干探测结构两种结构，充分结合两种结构的优点，提升分布式光纤震动传感系统信噪比和传感距离。另外，通过生成多频时延双脉冲完成了直接探测，更加有效地抑制了相干衰落噪声，提升了分布式光纤震动传感系统的探测性能。最后，通过直接探测结构初步确定震动位置，相干探测结构根据获得的震动位置直接进行震动曲线还原，提升了探测效率，进一步推进了Φ-OTDR系统在地震勘探领域的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，其特征在于，该系统包括：包括：激光器、第一耦合器、调频移频单元、掺铒光纤放大器、第二耦合器、第一光开关、第二光开关、延时光纤、第三耦合器、第四耦合器、环形器、传感光纤、控制单元、光电平衡探测器、高速采集卡以及上位机；

所述激光器输出端连接到所述第一耦合器输入端，第一耦合器输出端分别连接到调频移频单元和第一光开关一输入端；所述调频移频单元输出端连接到掺铒光纤放大器输入端，所述掺铒光纤放大器输出端连接到第二耦合器输入端，所述第二耦合器的输出端分别连接到第三耦合器的输入端和第二光开关的输入端；所述第二光开关输出端连接到延时光纤输入端，所述延时光纤输出端连接到所述第三耦合器输入端；第三耦合器输出端连接到所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接到传感光纤，环形器第三端口连接到所述第四耦合器输入端；所述第二光开关输出端连接到所述第四耦合器输入端；所述第四耦合器输出端连接到光电平衡探测器输入端，所述光电平衡探测器输出端连接到所述高速采集卡输入端，所述高速采集卡输出端连接到所述上位机输入端；所述控制单元输出端分别连接到所述第一光开关控制端、所述调频移频单元控制端、所述第二光开关控制端、以及所述高速采集卡控制端。

2.按照权利要求1所述的用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，其特征在于，所述控制单元通过控制第一光开关为关闭状态、所述第二光开关为开启状态，控制调频移频单元使连续光调制为多频脉冲光，实现多频时延双脉冲直接探测；所述控制单元述第一光开关为开启状态、所述第二光开关为关闭状态，控制调频移频单元使连续光调制为多频脉冲光，实现外差相干探测。

3.按照权利要求2所述的用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，其特征在于，所述多频时延双脉冲直接探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光全部进入控制单元控制的调频移频单元，连续光被调制成多频率组成的光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器分为两束光脉冲，一路光脉冲直接进入第三耦合器，另一路光通过延时光纤进入第三耦合器，两路光在第三耦合器中形成多频时延光脉冲对，多频光脉冲对在通过环形器进入传感光纤并与传感光纤中产生的后向瑞利散射光发生干涉，干涉光经过第四耦合器被光电平衡探测器转换为电信号，最后使用高速采集卡对其进行采集并上传到上位机进行信号处理。

4.按照权利要求2所述的用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，其特征在于，外差相干探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光一部分进入控制单元控制的调频移频单元，另一部分连续光作为本振光进入第四耦合器；进入调频移频单元的连续光被调制成多频率光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器、第三耦合器进入传感光纤中，传感光纤中产生的后向瑞利散射光与本振光在第四耦合器耦合，接下来被光电平衡探测器转换为电信号，最后使用高速采集卡对其进行采集并上传到上位机进行信号处理。

5.按照权利要求2所述的用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，其特征在于，所述上位机将多频时延双脉冲直接探测的多频光脉冲对电信号，直接进行移动平均差分确定震动位置；

将外差相干探测的多频光脉冲电信号经过带通滤波后，对产生的多个不同频率的信号分别进行I/Q正交解调，根据确定的震动位置处的相位曲线分别进行相位还原，得到最终的震动相位曲线。

6.一种用于地震勘探的直接和相干混合探测方法，其特征在于，该方法包括：

采用多频时延双脉冲直接探测，获取探测信号，进行移动平均差分确定震动位置；

进行外差相干探测，获取多频光脉冲电信号经过带通滤波后，对产生的多个不同频率的信号分别进行I/Q正交解调，根据确定的震动位置处的相位曲线分别进行相位还原，得到最终的震动相位曲线。

7.按照权利要求6所述的用于地震勘探的直接和相干混合探测方法，其特征在于，采用多频时延双脉冲直接探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光全部进入控制单元控制的调频移频单元，连续光被调制成多频率组成的光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器分为两束光脉冲，一路光脉冲直接进入第三耦合器，另一路光通过延时光纤进入第三耦合器，两路光在第三耦合器中形成多频时延光脉冲对，多频光脉冲对在通过环形器进入传感光纤并与传感光纤中产生的后向瑞利散射光发生干涉，干涉光经过第四耦合器被光电平衡探测器转换为电信号。

8.按照权利要求6所述的用于地震勘探的直接和相干混合探测系统，其特征在于，外差相干探测时，激光器发射连续光，经过第一耦合器后，连续光一部分进入控制单元控制的调频移频单元，另一部分连续光作为本振光进入第四耦合器；进入调频移频单元的连续光被调制成多频率光脉冲，光脉冲信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过第二耦合器、第三耦合器进入传感光纤中，传感光纤中产生的后向瑞利散射光与本振光在第四耦合器耦合，接下来被光电平衡探测器转换为电信号。

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