CN117368964A - 一种基于马赫曾德原理的地震检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于马赫曾德原理的地震检波器，涉及光纤传感技术领域，包括：激光发射器通过第一光纤连接分束耦合器，用于向分束耦合器发射连续激光；光电探测器通过第二光纤连接合束耦合器，用于接收合束耦合器发射的光信号；差动结构的一端设有第一接收光纤和第一发射光纤，一端设有第二接收光纤和第二发射光纤，第一接收光纤和第二接收光纤分别连接分束耦合器的两个输出端，第一发射光纤和第二发射光纤分别连接合束耦合器的两个输入端；合束耦合器在地震未发生时产生标准光信号，以及在地震发生时干涉光信号；光电探测器将干涉光信号相对于标准光信号的强度变化作为地震强度。有益效果是结构小巧灵敏度高稳定性好，受干扰低具有数据可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于马赫曾德原理的地震检波器。
背景技术
随着地震勘探技术的发展，特别是高分辨率勘探的深入，对地震勘探数据采集的精度和质量要求也越来越高，要求采集数据具有宽频、高保真、高信噪比、高动态，以便更好地识别地质结构、岩性、流体、裂缝油藏，改进油藏定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等。作为野外数据采集关键的部件之一的地震检波器，其性能的好与坏，将直接关系到采集数据质量和地质分析的效果。
在常规反射地震勘探中，接收地震有效波的频率范围一般在3Hz～300Hz之间，并要求传感器在此频率范围内对振动的相位和振幅响应是线性的、稳定的。在目前地震勘探领域使用的检波器中，从工作原理来讲可分为电磁感应式检波器、压敏检波器和数字传感器或叫数字检波器，目前，用量最大的是电磁感应式检波器，这其中还可分常规检波器和超级检波器等。
电磁感应原理是利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，随着检波器外壳振动的大小变化，感应电动势也随之变化，速度越大，感应电势也大，检波器震动时，在检波器的输出端输出相应的电信号，传输给地震仪器。两个线圈的接法应满足：在绕制线圈时，一个线圈正绕另一线圈反绕，并把上线圈的终端与下线圈的起端联在一起(反向连接)，把上下线圈的另外两个端头做为输出端。当线圈相对磁钢运动时，由于两线圈的磁场方向相反，所以连接的两线圈的感应电势是同向相加的。对于外界磁场干扰，反向连接的两线圈的感应电势是反向抵消的，这样就提高了抗干扰能力。
电磁感应式检波器的永磁体由于受温度、地磁影响大、易氧化且磁场不稳定，地震检波器的灵敏度低、稳定性及重复性差。现场工作量大，自然频率选择较多、需要大量的检波器组合，排列复杂，强度大。实际的探测工作中,地质勘探人员需要携带大量的测量器材，特别是布设探测器阵列时，沉重的电缆和众多的探测器令人不堪负荷。而探测地点又常在深山大林之中，工作量大，同时,检波器电缆易受外界电磁场的干扰，影响数据的可靠性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于马赫曾德原理的地震检波器，与检波方向平行地设置于待检测区域，包括：
激光发射器，所述激光发射器通过第一光纤连接分束耦合器，用于向所述分束耦合器发射连续激光；
光电探测器，所述光电探测器通过第二光纤连接合束耦合器，用于接收所述合束耦合器发射的光信号；
差动结构，所述差动结构的一端设有第一接收光纤和第一发射光纤，所述差动结构的另一端设有第二接收光纤和第二发射光纤，所述第一接收光纤和所述第二接收光纤分别连接所述分束耦合器的两个输出端，所述第一发射光纤和所述第二发射光纤分别连接所述合束耦合器的两个输入端；
所述分束耦合器接收所述连续激光并发射出两束分束激光，所述差动结构接收各所述分束激光并发射光信号；
所述合束耦合器在地震未发生时接收光信号进行合束产生标准光信号发射给所述光电探测器，以及在地震发生时接收在所述差动结构内产生偏移后的光信号进行合束产生干涉光信号发射给所述光电探测器；
所述光电探测器将所述干涉光信号相对于所述标准光信号的强度变化作为地震强度。
优选的，所述差动结构包括：
支撑轴，所述支撑轴上可滑动的套设有质量体；
第一螺线结构光纤，套设于所述支撑轴上，所述第一螺线结构光纤的一端连接所述质量体的一端，所述第一螺线结构光纤的另一端连接所述第一接收光纤和所述第一发射光纤；
第二螺线结构光纤，套设与所述支撑轴上，所述第二螺线结构光纤的一端连接所述质量体的另一端，所述第二螺线结构光纤的另一端设有所述第二接收光纤和所述第二发射光纤；
在发生地震时，所述质量体在所述支撑轴上发生微位移，带动所述第一螺线结构光纤和所述第二螺线结构光纤在所述支撑轴上伸长或压缩，使得所述分束激光产生偏移。
优选的，所述差动结构还包括外壳，所述支撑轴的两端分别与所述外壳两端的内壁抵接；
所述外壳的两端开设有供所述第一接收光纤、所述第一发射光纤、所述第二接收光纤和所述第二发射光纤伸出的开孔；
所述支撑轴、所述质量体、所述第一螺线结构双光纤和所述第二螺线结构双光纤均封装于所述外壳内。
优选的，所述外壳与所述支撑轴的抵接处还设有减震器。
优选的，各所述开孔处分别设有第一保护套管和第二保护套管，所述第一保护套管包裹于所述第一接收光纤、所述第一发射光纤的外部，所述第二保护套管包裹于所述第二接收光纤和所述第二发射光纤的外部。
优选的，所述第一螺线结构光纤由所述第一接收光纤和所述第一发射光纤缠绕并熔接形成；
所述第二螺线结构光纤由所述第二接收光纤和所述第二发射光纤缠绕并熔接形成。
优选的，所述激光发射器发射的连续激光的波长为1550nm，功率为40毫瓦。
优选的，所述第一接收光纤、所述第一发射光纤、所述第二接收光纤和所述第二发射光纤为单模光纤。
优选的，所述外壳为桶型，且所述外壳的内部为真空。
优选的，所述外壳采用不锈钢材料制备而成。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1)基于马赫曾德原理实现了地震检波器，结构小巧，不用沉重的电缆和众多的探测器即可实现地震检波并且灵敏度高、稳定性好；
2)不用和传统的检波器电缆一样易受外界电磁场的干扰，具有数据可靠性。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，一种基于马赫曾德原理的地震检波器的结构示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，一种基于马赫曾德原理的地震检波器激光传递示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于马赫曾德原理的地震检波器，与检波方向平行地设置于待检测区域，如图1所示，包括：
激光发射器1，激光发射器1通过第一光纤2连接分束耦合器3，用于向分束耦合器3发射连续激光；
光电探测器4，光电探测器4通过第二光纤5连接合束耦合器6，用于接收合束耦合器6发射的光信号；
差动结构7，差动结构7的一端设有第一接收光纤71和第一发射光纤72，差动结构7的另一端设有第二接收光纤73和第二发射光纤74，第一接收光纤71和第二接收光纤73分别连接分束耦合器3的两个输出端，第一发射光纤72和第二发射光纤74分别连接合束耦合器6的两个输入端；
分束耦合器3接收连续激光并发射出两束分束激光，差动结构7接收各分束激光并发射光信号；
合束耦合器6在地震未发生时接收光信号进行干涉产生标准光信号发射给光电探测器4，以及在地震发生时接收在差动结构内产生偏移后的光信号进行合束产生干涉光信号发射给光电探测器4；
光电探测器4将干涉光信号相对于标准光信号的强度变化作为地震强度。
本发明的较佳的实施例中，激光发射器发射的连续激光的波长为1550nm，功率为40毫瓦。
具体的，本实施例中，马赫-曾德干涉仪的原理是等效波长变化，即通过光纤传输的相位差与波长的关系来测量物理量，如角度、折射率等的变化。当两束光波在光纤中传播相遇时，它们之间会产生干涉现象，干涉现象的表现是光强周期性变化。在马赫-曾德干涉仪中，通过将两束光波分成两路，再将其合束，最终检测到干涉现象。通过测量干涉光强周期性变化，可以获得相位差信息，而相位差信息则可以通过等效波长变化来表示。因此，在马赫-曾德干涉仪中，光纤不仅是传输介质，而且也作为传感元件，能够实现对物理量的测量。
如图1所述，本发明中提供的基于上述的马赫曾德原理的地震检波器中的第一接收光纤71和第一发射光纤73形成一个传感光臂，第二接收光纤72和第二发射光纤74形成另一个传感光臂，将两束分束激光传递给合束耦合器6，具体为通过分束耦合器4将激光发射器1发射的波长为1550nm，功率为40毫瓦的连续激光分为两束分束激光通过第一接收光纤71和第二接收光纤73发射给差动结构7，在地震发生时，由于地震的影响差动结构7会发生微位移，两束分束激光会在差动结构7中产生不同的偏移，导致互相之间产生相位差，随后偏移后的两束分束激光通过第一发射光纤73和第二发射光纤74发射给合束耦合器6中进行合束，产生干涉现象发射出干涉光信号，显而易见的，未发生地震时合束耦合器6发射出的标准光信号和发生地震时合束耦合器6发射出的干涉光信号之间的光强度不同，所以光电探测器根据干涉光信号相对于标准光信号的光强度变化可以判断发生地震，并且可以得到地震强度，实现根据马赫-曾德干涉设计出一种可以判断是否发生地震及得到地震强度的地震检波器。
本发明的较佳的实施例中，如图1所示，差动结构7包括：
支撑轴8，支撑轴8上可滑动的套设有质量体9；
第一螺线结构光纤10，套设于支撑轴8上，第一螺线结构光纤10的一端连接质量体9的一端，第一螺线结构光纤10的另一端连接第一接收光纤71和第一发射光纤72；
第二螺线结构光纤11，套设与支撑轴8上，第二螺线结构光纤11的一端连接质量体9的另一端，第二螺线结构光纤11的另一端设有第二接收光纤73和第二发射光纤74；
在发生地震时，质量体9在支撑轴8上发生微位移，带动第一螺线结构光纤10和第二螺线结构光纤11在支撑轴上伸长或压缩，使得分束激光产生偏移。
具体的，本实施例中，如图2所示，通过箭头示出了激光发射器发的连续激光的传递方向，第一螺线结构双光纤10、第二螺线结构双光纤11与质量体9是本地震检波器的核心部件，如图2所示，检波方向的地震信号会使质量体产生微位移，拉动第一螺线结构双光纤10和第二螺线结构双光纤11产生微弱拉长或缩短，以图中的视角，质量体9向右运动会使第二螺线结构光纤11产生压缩，使第一螺线结构光纤10产生拉伸；质量体9向左运动会使第二螺线结构光纤11产生拉伸，使第一螺线结构光纤10产生压缩，从而形成差动结构7，使得在地震发生的情况下，使分束耦合器发射的分束激光在差动结构7中产生偏移。
本发明的较佳的实施例中，差动结构7还包括外壳75，支撑轴8的两端分别与外壳75两端的内壁抵接；
外壳75的两端开设有供第一接收光纤71、第一发射光纤72、第二接收光纤73和第二发射光纤74伸出的开孔；
支撑轴8、质量体9、第一螺线结构双光纤10和第二螺线结构双光纤11均封装于外壳75内。
本发明的较佳的实施例中，外壳75采用不锈钢材料制备而成。
本发明的较佳的实施例中，外壳75为桶型，且外壳75的内部为真空。
具体的，本实施例中，为了保证本地震检波器的稳定运行，在差动结构7外还设置有外壳75，将差动结构7封装在外壳75的内部；外壳内部为真空，可以减少外界干扰，减小误差。
本发明的较佳的实施例中，外壳75与支撑轴8的抵接处还设有减震器76。
具体的，本实施例中，在外壳75和支撑轴8的抵接处设置的减震器76可以避免除地震的原因产生的振动，导致差动结构7发生微位移，从而误判断为发生地震，减少外界原因的干扰，提高本地震检波器的准确性。
本发明的较佳的实施例中，各开孔处分别设有第一保护套管77和第二保护套管78，第一保护套管77包裹于第一接收光纤71、第一发射光纤72的外部，第二保护套管78包裹于第二接收光纤73和第二发射光纤74的外部。
具体的，本实施例中，在通过第一保护套管77和第二保护套管78分别套设在第一接收光纤71、第一发射光纤72的外部第二接收光纤73和第二发射光纤74的外部用于保护各光纤，减少损坏的可能性。
本发明的较佳的实施例中，第一螺线结构光纤10由第一接收光纤71和第一发射光纤72缠绕并熔接形成；
第二螺线结构光纤11由第二接收光纤73和第二发射光纤74缠绕并熔接形成。
具体的，本实施例中，第一螺线结构光纤10和第二螺线结构光纤11都是由两条单模光纤缠绕熔接形成的环形结构，形状与弹簧结构相同，使得可以在地震情况下被质量体带动进行伸长和收缩。
本发明的较佳的实施例中，第一接收光纤71、第一发射光纤72、第二接收光纤73和第二发射光纤74为单模光纤。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于马赫曾德原理的地震检波器，其特征在于，与检波方向平行地设置于待检测区域，包括：
激光发射器，所述激光发射器通过第一光纤连接分束耦合器，用于向所述分束耦合器发射连续激光；
光电探测器，所述光电探测器通过第二光纤连接合束耦合器，用于接收所述合束耦合器发射的光信号；
差动结构，所述差动结构的一端设有第一接收光纤和第一发射光纤，所述差动结构的另一端设有第二接收光纤和第二发射光纤，所述第一接收光纤和所述第二接收光纤分别连接所述分束耦合器的两个输出端，所述第一发射光纤和所述第二发射光纤分别连接所述合束耦合器的两个输入端；
所述分束耦合器接收所述连续激光并发射出两束分束激光，所述差动结构接收各所述分束激光并发射光信号；
所述合束耦合器在地震未发生时接收光信号进行合束产生标准光信号发射给所述光电探测器，以及在地震发生时接收在所述差动结构内产生偏移后的光信号进行合束产生干涉光信号发射给所述光电探测器；
所述光电探测器将所述干涉光信号相对于所述标准光信号的强度变化作为地震强度。
2.根据权利要求1所述的地震检波器，其特征在于，所述差动结构包括：
支撑轴，所述支撑轴上可滑动的套设有质量体；
第一螺线结构光纤，套设于所述支撑轴上，所述第一螺线结构光纤的一端连接所述质量体的一端，所述第一螺线结构光纤的另一端连接所述第一接收光纤和所述第一发射光纤；
第二螺线结构光纤，套设与所述支撑轴上，所述第二螺线结构光纤的一端连接所述质量体的另一端，所述第二螺线结构光纤的另一端设有所述第二接收光纤和所述第二发射光纤；
在发生地震时，所述质量体在所述支撑轴上发生微位移，带动所述第一螺线结构光纤和所述第二螺线结构光纤在所述支撑轴上伸长或压缩，使得所述分束激光产生偏移。
3.根据权利要求2所述的地震检波器，其特征在于，所述差动结构还包括外壳，所述支撑轴的两端分别与所述外壳两端的内壁抵接；
所述外壳的两端开设有供所述第一接收光纤、所述第一发射光纤、所述第二接收光纤和所述第二发射光纤伸出的开孔；
所述支撑轴、所述质量体、所述第一螺线结构双光纤和所述第二螺线结构双光纤均封装于所述外壳内。
4.根据权利要求3所述的地震检波器，其特征在于，所述外壳与所述支撑轴的抵接处还设有减震器。
5.根据权利要求3所述的地震检波器，其特征在于，各所述开孔处分别设有第一保护套管和第二保护套管，所述第一保护套管包裹于所述第一接收光纤、所述第一发射光纤的外部，所述第二保护套管包裹于所述第二接收光纤和所述第二发射光纤的外部。
6.根据权利要求2所述的地震检波器，其特征在于，所述第一螺线结构光纤由所述第一接收光纤和所述第一发射光纤缠绕并熔接形成；
所述第二螺线结构光纤由所述第二接收光纤和所述第二发射光纤缠绕并熔接形成。
7.根据权利要求1所述的地震检波器，其特征在于，所述激光发射器发射的连续激光的波长为1550nm，功率为40毫瓦。
8.根据权利要求1所述的地震检波器，其特征在于，所述第一接收光纤、所述第一发射光纤、所述第二接收光纤和所述第二发射光纤为单模光纤。
9.根据权利要求3所述的地震检波器，其特征在于，所述外壳为桶型，且所述外壳的内部为真空。
10.根据权利要求3所述的地震检波器，其特征在于，所述外壳采用不锈钢材料制备而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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