CN206788383U - 天然面波地质勘探装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天然面波地质勘探装置，单纵模激光器与一级耦合器相连，一级耦合器的输出与两个二级耦合器相连，两个二级耦合器的输出分别与第1、3、5、7三级耦合器相连。第1、2三级耦合器与第1双单模光纤线盘，第3、4三级耦合器与第2双单模光纤线盘，第5、6三级耦合器与第3双单模光纤线盘，第7、8三级耦合器与第4双单模光纤线盘分别构成第1‑4马赫‑曾德尔干涉振动传感模组，产生的信号分别经第2、4、6、8三级耦合器输至第1‑4光电转换器，第1‑4光电转换器分别与第1‑4信号调理模块、第1‑4模数转换模块、抽取滤波模块连接，抽取滤波模块和GPS时钟分别与工控计算机连接。该系统适于城市地质工程无源勘查，布阵便捷，灵敏度高。

Description

天然面波地质勘探装置

技术领域

本实用新型涉及地球物理勘探仪器和光电传感器领域，特别是涉及一种天然面波地质勘探装置。

背景技术

利用面波进行地质勘探是近年国内外发展起来的新物理探测技术，因此近年来，大地面波勘察设备是地球物理探测设备研制领域研究的热点。

地热资源(地层深部达1000-3000米)的直接利用受地域性约束明显，特别是在经济发达的城市群得到广泛的应用，但在城市群地区进行地热勘查难度很大。很多城市群的地热田属于盆地型地热田，处于平原区第四系覆盖区，基岩无露头，在城市群，由于人类工业活动造成了各种干扰因素，使常规的物探方法无法正常进行；另外密集的建筑物和有限通行条件及环保的要求也使一些重要的物探方法(比如人工地震)难以开展。非地震物探方法如重力、电磁法等的仪器(如加拿大V8、美国GDP32II)不仅价格昂贵，还需要人工激发电场，采用特殊措施勘探精度仍低。

在城市群进行钻探的前期物理勘查工作是必需的且难度较大。大地面波的振幅很小(微米量级)，利用地球表面无时不在的地面微小震动波(它的成份较为复杂，包括有面波、体波等各种成份，其中面波-微动瑞雷波法占主要成份)作为观测对象，这种方法既不需要笨重的人工能源(人工激发电场和地震源)，不对人类生存环境造成危害(如噪声或高压电等)，另外它的测点布阵灵活，不受硬路面和地下管网的限制。

但是，以传统的稳恒或瞬间面波仪获取多路微动瑞雷波存在不可克服的较大误差，这个误差来源为其地震拾取电子传感器和捡波各个环节灵敏度低且存在相位同步误差，中国实用新型专利公开号102721983A公开了一种光纤阵列海底浅部地质结构探测系统，虽然采用了光电传感器，但其传感器结构、信号处理的电路等问题限制了微动瑞雷波法探测范围，只能进行地层的浅层200-500米的物理探测。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种利用地球表面无时不在的地面微小震动面波作为观测对象，对地层进行深部(1000-3000米)物理探测的天然面波地质勘探装置。

为此，本实用新型的技术方案如下：

一种天然面波地质勘探装置，包括单纵模激光器、一级耦合器、第1和第2二级耦合器、第1-8三级耦合器、第1-4双单模光纤线盘、第1-4光锁相环，第1-4光电转换器、第1-4信号调理模块、第1-4抽取滤波模块、工控计算机和GPS时钟。

所述单纵模激光器与一级耦合器相连，所述一级耦合器的输出与两个二级耦合器相连，两个二级耦合器的输出分别与第1、3、5、7三级耦合器相连，第1和第2三级耦合器与第1双单模光纤线盘、第3和第4三级耦合器与第2双单模光纤线盘、第5和第6三级耦合器与第3双单模光纤线盘、第7和第8三级耦合器与第4双单模光纤线盘分别构成第1-第4马赫-曾德尔干涉振动传感模组，所产生的干涉型振动传感信号以光相位变化，分别经第2、4、6、8三级耦合器输出到所述第1-4光电转换器，所述第1-4光电转换器分别与第1-4信号调理模块、第1-4模数转换模块、抽取滤波模块依次连接，所述抽取滤波模块与所述工控计算机连接。所述GPS时钟与所述工控计算机连接，用于时间精确同步。

优选的是，上述系统还包括第1-4光锁相环，所述第1-4光锁相环分别串联在所述第1-4双单模光纤线盘的一个臂中，使干涉信号被稳定在正交位置。

优选的是，所述单纵模激光器为窄线宽单纵模半导体激光器；优选的是，所述第1-4光电转换器为暗电流达pA级的光电转换器；所述的一级、二级、三级耦合器均为2*2光纤耦合器。

单纵模激光器1优选采用窄线宽单纵模半导体激光器。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的勘探系统重量轻、布阵便捷，有极高的灵敏度(量级,0.01g,振幅1550um/2)，其噪声低、重量轻、抗干扰性强，其极高的灵敏度和传感信号可多路以光子方式同步传输，无相位误差且可靠快速，可以在城市以无源方式对地层进行深部(1000-3000米)物理探测，为对微动瑞雷波信号的处理和地质解析提供了其它类型的拾震捡波传感器不可比拟的优势。

附图说明

图1是本实用新型的天然面波地质勘探装置的原理图；

图2是本实用新型的天然面波地质勘探装置的布置图；

图3是相速度-频散曲线。

其中：

1、单纵模半导体激光器 2、一级耦合器 3-1、3-2：二级耦合器；

4-1～4-8:三级耦合器；5-1～5-4:光锁相环；6-1～6-4:双单模光纤线盘

7-1～7-4：光电转换器；8-1～8-4：信号调理模块；

9-1～9-4：∑一△转换模数模块；10、滤波抽取模块

11、平板工控计算机；12、GPS时钟。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的勘探系统的组成进行详细说明。

参见图1所示的本实用新型的一个实施例。图中，窄线宽单纵模半导体激光器1与一级耦合器2相连，通过耦合器2，激光分成两路输出，一级耦合器2的输出与二级耦合器3-1、3-2相连。通过二级耦合器3-1、3-2，激光分成四路分别同时输出到三级耦合器4-1、4-3、4-5、4-7的一端。三级耦合器4-1、4-2和双单模光纤线盘6-1构成第一个马赫-曾德尔(M-Z)干涉振动传感模组；三级耦合器4-3、4-4和双单模光纤线盘6-2构成第二个马赫-曾德尔(M-Z)干涉振动传感模组；三级耦合器4-5、4-6和双单模光纤线盘6-3构成第三个马赫-曾德尔(M-Z)干涉振动传感模组；三级耦合器4-7、4-8和双单模光纤线盘6-4构成第四个马赫-曾德尔(M-Z)干涉振动传感模组。其干涉型振动传感信号以光相位变化，分别经三级耦合器4-2、4-4、4-6、4-8输出到暗电流达pA级的光电转换器7-1、7-2、7-3和7-4。暗电流达pA级的光电转换器7-1、7-2、7-3和7-4分别与信号调理模块8-1、8-2、8-3、8-4以及∑一△模数转换模块9-1、9-2、9-3、9-4连接。∑一△模数转换模块9-1、9-2、9-3、9-4与滤波抽取模块10连接,滤波抽取模块10再与平板工控计算机11连接，GPS时钟12也与工控计算机11相连。

其中，光锁相环5-1、5-2、5-3、5-4分别串联在双单模光纤线盘6-1、6-2、6-3、6-4的一个臂中，抗偏振和抗相位衰落，使干涉信号被稳定在正交位置，以提高上述四个干涉型光纤振动传感器的灵敏度和稳定度。

本实用新型的勘探系统的工作过程如下：

1、依据马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉振动传感器原理，以两路同步干涉激光调制信号在干涉仪上相对传输、在干涉仪双端拾取的光路结构，利用普通通信光纤作为干涉仪的干涉臂和参考臂，以振动信号作为被探测量，形成高灵敏度的振动检测传感器，实时拾取振动信号，有极高的灵敏度(量级,0.01g,振幅1550um/2)。对本实用新型的四个马赫-泽德干涉振动传感模组布阵为：一个安置在一个等边三角形的中心，另三个安置在等边三角形的三个顶点位置，马赫-泽德干涉振动传感模组布阵半径r依地层分层深度决定，要测量的地层深度h与传感模组布阵半径r的关系为h＝10r，如果测量地层分层深度为1200米，则r＝120米，均由光纤连接。

2、依照图2，将四个马赫-泽德干涉振动传感模组依次布阵并按下述方法工作，布阵点位分别为图中的0、1、2、3；0、4、5、6；0、7、8、9，其中0点位到7、8、9点位的距离为120米。

3、开启本实用新型装置，传感系统连续拾取天然面波信号，这四路信号分别输入信号调理模块8-1、2、3、4，再经模数转换模块9-1、2、3、4完成∑一△A/D转换后输出的4路512kSPS码流各自独立送给抽取滤波模块10，此模块将4路24位码流信号排成串行码输出到工控计算机11。

本实用新型能达到4个信号完全同步，A/D模数转换模块9和抽取滤波器10之间完全同步，同步时钟由抽取滤波模块10产生，抽取滤波器10的采样时钟信号在正常状态下为2048k Hz的半占空方波。它由抽取滤波器100并行输入给A/D模数转换模块9，目的是控制多片A/D模数转换模块9，送至抽取滤波器10的∑一△一位码流接口，四通道的数据是同一时刻。同一时刻的数据经抽取滤波器10滤波后的数据按同一时刻放入相应的位置。A/D模数转换模块9的采样时钟与抽取滤波器10的滤波时钟是与GPS 12锁定的同一个时钟源。

光锁相环5-1、5-2、5-3、5-4分别串联在双单模光纤线盘6-1、6-2、6-3、6-4的一个臂中，抗偏振和抗相位衰落，使干涉信号被稳定在正交位置，以提高上述四个干涉型光纤振动传感器的灵敏度和稳定度。

4、将上述测量的三次四组数据经过信号调理和处理，数字量在工业控制计算机11形成现场数据库。

5、工业控制算机11对上述信号进行空间自相关处理空间自相关法主要是在时间域进行面波提取，求出不同频率的空间自相关系ρ，此空间自相关系数实际是面波频率成份f及空间坐标的函数，也就是说，它不但与频率有关，还与拾震器的位置有关。从形态上看，实测空间自相关曲线应是近似于零阶贝塞尔函数曲线，通过它来求取“校正值”，再加入空间坐标参数就可以提取各个频点的相速度，据此画出相速度—频散曲线，见图3。

6、从上述步骤可以看出，微动中取得的面波相速度具有频散现象，说明地下各层岩石的波速是不均匀的，再通过反演计算，可求出不同深度的波速分布情况，通过不同岩性地层的波速差异(物性数据库)，就可推测出各种岩层的地下分布分层，进一步判断其中的热源、矿物等资源。

Claims (5)

1.一种天然面波地质勘探装置，其特征在于：包括单纵模激光器、一级耦合器、第1和第2二级耦合器、第1-8三级耦合器、第1-4双单模光纤线盘、第1-4光锁相环，第1-4光电转换器、第1-4信号调理模块、第1-4抽取滤波模块、工控计算机和GPS时钟，

所述单纵模激光器与一级耦合器相连，所述一级耦合器的输出与两个二级耦合器相连，两个二级耦合器的输出分别与第1、3、5、7三级耦合器相连，第1和第2三级耦合器与第1双单模光纤线盘、第3和第4三级耦合器与第2双单模光纤线盘、第5和第6三级耦合器与第3双单模光纤线盘、第7和第8三级耦合器与第4双单模光纤线盘分别构成第1-第4马赫-曾德尔干涉振动传感模组，所产生的干涉型振动传感信号以光相位变化，分别经第2、4、6、8三级耦合器输出到所述第1-4光电转换器，所述第1-4光电转换器分别与第1-4信号调理模块、第1-4模数转换模块、抽取滤波模块依次连接，所述抽取滤波模块与所述工控计算机连接，所述GPS时钟与所述工控计算机连接。

2.根据权利要求1所述的天然面波地质勘探装置，其特征在于：还包括第1-4光锁相环，所述第1-4光锁相环分别串联在所述第1-4双单模光纤线盘的一个臂中，使干涉信号被稳定在正交位置。

3.根据权利要求1所述的天然面波地质勘探装置，其特征在于：所述单纵模激光器为窄线宽单纵模半导体激光器。

4.根据权利要求1所述的天然面波地质勘探装置，其特征在于：所述第1-4光电转换器为暗电流达pA级的光电转换器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的天然面波地质勘探装置，其特征在于：所述的一级、二级、三级耦合器均为2*2耦合器。