CN211453975U - 一种全井段超高分辨率地震勘探系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全井段超高分辨率地震勘探系统，包括为脉冲光源系统和相位解调模块，脉冲光源系统和相位解调模块通过光缆通信连接；还包括N个环形器，N为≥2的正整数；N个环形器沿光缆传输方向以并联或串联结构依次排布；对于每个环形器，环形器的1端用于输入脉冲光信号，每个环形器的2端连接至传感光纤，脉冲光信号经传感光纤传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经环形器的2端口进入、从3端口输出，最后经探测光纤进入相位解调模块中。本实用新型将环形器与传感光纤组合，原有的极限光脉冲信号的重复频率可提高N倍，从而使得探测相位变换信号的上限提升N倍，能够实现在长距离探测的前提下使用高重复频率的脉冲光。

Description

一种全井段超高分辨率地震勘探系统

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种全井段超高分辨率地震勘探系统。

背景技术

随着光纤技术的不断进步,光纤传感技术在很多的领域得到应用与发展。其中，分布式光纤传感在传感技术中独树一帜，集传输、传感一体化，可实现长达上百公里的高密度的温度、应变、振动、声波全分布式测量，具有不可替代的优势，而得到广泛应用。由于高质量的信号对于后期信号分析至关重要，因此，信号探测的方法与系统显得尤其重要。例如传统分布式振动传感系统，当传感光纤受到一定频率的振动信号时，可通过探测振动接收到传感光纤中的背向瑞利散射光信号光的相位变化来解调信号。

在传统的分布式光纤振动传感系统中，可调脉冲光源在传感光纤中注入脉冲光，探测器通过探测背向瑞利散射光信号，根据瑞利散射光信号的相位变化来解调信号。在这种系统中，为避免注入光脉冲信号与背向瑞利散射光信号发生干涉，整段传感光纤中同一时间只允许最多一束脉冲光的存在，因此，这直接导致脉冲光的重复频率与传感光纤长度成反比，造成在长距离探测的情况下无法使用高重复频率的脉冲光。但是，脉冲光的重复频率直接决定待测信号的频率上限，因此，传统分布式振动传感系统无法做到在长距离探测的前提下使用高重复频率的脉冲光。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：传统分布式振动传感系统无法做到在长距离探测的前提下使用高重复频率的脉冲光，本实用新型提供了解决上述问题的一种全井段超高分辨率地震勘探系统。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种全井段超高分辨率地震勘探系统，包括为脉冲光源系统和相位解调模块，所述脉冲光源系统和相位解调模块通过光缆通信连接，其特征在于，还包括N个环形器，N为≥2的正整数；N个环形器沿光缆传输方向依次排布，N个环形器排布结构包括串联或并联；

对于每个环形器，环形器的1端用于输入脉冲光信号，每个环形器的2端连接至传感光纤，脉冲光信号经传感光纤传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经环形器的2端口进入、从3端口输出，最后经探测光纤进入相位解调模块中，且在同一段传感光纤内最多同时只存在一束脉冲光。

进一步地，在沿光缆整体传输方向上，任意前后相邻两个环形器之间的距离相等。

进一步地，在沿光缆整体传输方向上，相邻两个环形器之间的传感光纤的长度相等。

进一步地，每个环形器通过一个独立的探测光纤与相位解调模块连接；用于连接第N个环形器和相位解调模块的探测光纤长度与用于连接第N-1个环形器和相位解调模块的探测光纤的长度的差值相等。

进一步地，当N个环形器沿以串联结构排布时：还包括N个分波器、N个光隔离器和N个合波器；以1个分波器、1个环形器、1个光隔离器和1个合波器为1个结构单元，共N个结构单元；沿传输方向上，每个结构单元内，分波器位于上游端、合波器位于下游端，环形器合光隔离器在分波器和合波器之间并联；N个结构单元沿传输方向上通过传感光纤依次串联，第1个结构单元的分波器与脉冲光源系统连接，第N个结构单元的分波器通过传感光纤与第N-1个结构单元的合波器连接。

进一步地，第1个分波器的1端口与脉冲光源系统连接、2端口连接第1个光隔离器后与第1个合波器的2端口连接；第1个分波器的3端口与第1个环形器的1端口连接，第1个环形器的2端口与第1个合波器的3端口连接，第1个合波器的1端口连接第一传感光纤；第N个分波器的1端口通过第(N-1)传感光纤与第(N-1)个合波器的1端口连接，2端口连接第N个光隔离器后与第N个合波器的2端口连接，3端口与第N个环形器的1端口连接，第N个环形器的2端口与第N个合波器的3端口连接，第N个环形器连接第N传感光纤；每个环形器的3端口均通过各自所属的探测光纤与相位解调模块连接。

进一步地，当N个环形器沿以并联结构排布时：还包括1个分路器；分路器的1’端口作为输入端与脉冲光源系统连接，分路器还有N个端口作为输出端口、且均分别与对应的一个环形器的1端口连接，环形器的2端口连接有传感光纤、3端口通过第N探测光纤与相位解调模块连接。

进一步地，还包括N个光纤放大器和N条延迟光纤；第N个环形器的1端口依次通过第N个光纤放大器和第N延迟光纤于分路器的第N个输出端口连接。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型通过使用环形器，利用环形器与传感光纤的组合，将脉冲光源产生的脉冲光信号分别作用于各段传感光纤，产生的背向瑞利散射光信号沿着光脉冲传输方向的逆方向经各自所属的环形器的2端口进入，再从3端口输出，沿光纤最终传输至信号解调模块中。使得传感光纤中光脉冲信号的重复频率相较于传统的分布式传感系统中的光脉冲信号的重复频率大大提高，根据奈维斯特采样定律可知，采样率越大，可探测解调的地震信号频率越高，提高了系统可探测的信号频率的上限，进一步提高了系统的整体信噪比；

2、本实用新型直接大大提高了可探测信号相位变化的频率上限，使得分布式传感系统在长距离探测的同时，可使用高重复频率的光脉冲信号探测；

3、本实用新型提供的实用新型可根据探测井长度及探测数据分辨率等实际应用要求，调整光缆设置环形器数量及位置，缩短相邻两环形器之间的间隔，加大脉冲光的重复频率，保障在同一段传感光纤内最多同时只存在一束脉冲光。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，环形器串联；附图1中标记及对应的零部件名称：a-脉冲光源系统，b-相位解调模块；1为第1分波器，5为第2分波器，直至(4n-3)为第N分波器；2为第1合波器，6为第2合波器，直至(4n-2)为第N合波器；3为第1光隔离器，7为第2光隔离器，直至(4n-1)为第N光隔离器；4为第1环形器，8为第2环形器，直至4n为第N环形器；1’为第1传感光纤，2’为第2传感光纤，直至n’为第N传感光纤；1”为第1探测光纤，2”为第2探测光纤，直至n”为第N探测光纤；P1为分波器的1端口，P2为分波器的2端口，P3为分波器的3端口；P1’为合波器的1端口，P2’为合波器的2端口，P3’为合波器的3端口；P1”为环形器的1端口，P2”为环形器的2端口，P3”为环形器的3端口。

图2为本实用新型的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，环形器并联；附图2中标记及对应的零部件名称：a-脉冲光源系统，b-相位解调模块，c-分路器；1为第1光纤放大器；3为第2光纤放大器，直至(2n-3)为第(n-1)光纤放大器，(2n-1)为第N光纤放大器；2为第1环形器，4为第2环形器，直至(2n-2)为第(N-1)环形器，2n为第N环形器；1’为第1延迟光纤，2’为第2延迟光纤，直至(n-1)’为第(N-1)延迟光纤，n’为第N延迟光纤；1”为第1传感光纤，2”为第2传感光纤，直至(n-1)”为第(N-1)传感光纤，n”为第N传感光纤；1”’为第1探测光纤，2”’为第2探测光纤，直至(n-1)”’为第(N-1)探测光纤，n”’为第N探测光纤；P₀为分路器的1’端口，作为输入端口；P₁为分路器的1端口，P₂为分路器的2端口，直至P_(n-1)为分路器的N-1端口，P_n为分路器的N端口；P1’为环形器的1端口，P2’为环形器的2端口，P3’为环形器的3端口。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

本实施例提供了一种全井段超高分辨率地震勘探系统，包括为脉冲光源系统、相位解调模块和N个环形器，脉冲光源系统和相位解调模块通过光缆通信连接，N为≥2的正整数；N个环形器沿光缆传输方向依次排布，N个环形器排布结构包括串联或并联。对于每个环形器，环形器的1端用于输入脉冲光信号，每个环形器的2端连接至传感光纤，脉冲光信号经传感光纤传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经环形器的2端口进入、从3端口输出，最后经探测光纤进入相位解调模块中，且在同一段传感光纤内最多同时只存在一束脉冲光。

此外，在沿光缆整体传输方向上，任意前后相邻两个环形器之间的距离相等；在沿光缆整体传输方向上，相邻两个环形器之间的传感光纤的长度相等；每个环形器通过一个独立的探测光纤与相位解调模块连接；用于连接第N个环形器和相位解调模块的探测光纤长度与用于连接第N-1个环形器和相位解调模块的探测光纤的长度相等。

实施例2

本实施例提供了一种全井段超高分辨率地震勘探系统，基于实施例1的基础上进一步改进，当N个环形器沿以串联结构排布时：还包括N个分波器、N个光隔离器和N个合波器；以1个分波器、1个环形器、1个光隔离器和1个合波器为1个结构单元，共N个结构单元；沿传输方向上，每个结构单元内，分波器位于上游端、合波器位于下游端，环形器合光隔离器在分波器和合波器之间并联；N个结构单元沿传输方向上通过传感光纤依次串联，第1个结构单元的分波器与脉冲光源系统连接，第N个结构单元的分波器通过传感光纤与第N-1个结构单元的合波器连接。

具体地，第1个分波器的1端口与脉冲光源系统连接、2端口连接第1个光隔离器后与第1个合波器的2端口连接；第1个分波器的3端口与第1个环形器的1端口连接，第1个环形器的2端口与第1个合波器的3端口连接，第1个合波器的1端口连接第一传感光纤；第N个分波器的1端口通过第(N-1)传感光纤与第(N-1)个合波器的1端口连接，2端口连接第N个光隔离器后与第N个合波器的2端口连接，3端口与第N个环形器的1端口连接，第N个环形器的2端口与第N个合波器的3端口连接，第N个环形器连接第N传感光纤；每个环形器的3端口均通过各自所属的探测光纤与相位解调模块连接。

采用串联环形器结构的多路遥测的光纤传感系统，其工作原理为：

步骤1，混合光传输：

a、所述脉冲光源系统发出的脉冲信号光和拉满泵浦光的混合光，经第1个分波器分离，其中拉曼泵浦光从2端口输出、经第1个光隔离器传输至第1个合波器的2端口，然后与从3端口输出经第1个环形器的1端口进入、从2端口输出后进入第1个合波器的3端口的脉冲光信号混合；在第1传感光纤中传输，传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经第1个合波器的2端口和3端口输出，其中2端口出来的瑞利散色光信号被光隔离器阻隔，无法继续传输，3端口出来的瑞利散色光信号经第1个环形器的2端口进入，从3端口输出，经第1探测光纤进入相位解调模块中；

b、由于第1传感光纤与第2个结构单元的分波器连接，使得第1传感光纤中的混合光继续向前传输，经第2个分波器分离，其中拉曼泵浦光从2端口输出、经第2个光隔离器传输至第2个合波器的2端口，然后与从3端口输出经第2个环形器的1端口进入、从2端口输出后进入第2个合波器的3端口的脉冲光信号混合；在第2传感光纤中传输，传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经第2个合波器的2端口和3端口输出，其中2端口出来的瑞利散色光信号被光隔离器阻隔，无法继续传输，3端口出来的瑞利散色光信号经第2个环形器的2端口进入，从3端口输出，经第二传感光纤进入相位解调模块中；

c、以上述传输过程类推至第N个结构单元，从而实现长距离的光脉冲信号在高重复频率状态下探测；

步骤2，脉冲信号处理：相位解调模块在接收完全段瑞利散射信号后进行拼接处理，恢复出全段探测范围内的振动情况。

实施例3

本实施例提供了一种全井段超高分辨率地震勘探系统，当N个环形器沿以并联结构排布时：还包括1个分路器；分路器的1’端口作为输入端与脉冲光源系统连接，分路器还有N个端口作为输出端口、且均分别与对应的一个环形器的1端口连接，环形器的2端口连接有传感光纤、3端口通过第N探测光纤与相位解调模块连接。此外，还包括N个光纤放大器和N条延迟光纤；第N个环形器的1端口依次通过第N个光纤放大器和第N延迟光纤于分路器的第N个输出端口连接。

采用并联环形器结构的多路遥测的光纤传感系统，其工作原理为：

步骤1，混合光传输：

a、所述脉冲光源系统发出的脉冲信号光和拉满泵浦光的混合光，经分路器分成N路，第1路混合光从分路器的1端口输出，在第1延迟光纤中传输，经过第1个光纤放大器后，从第1个环形器的1端口进入，经2端口输出，在第1传感光纤中传输，传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经第1个环形器的2端口进入，从3端口输出，经第1探测光纤进入相位解调模块中；

b、第2路混合光从分路器的2端口输出，在第2延迟光纤中传输，经过第2个EDFA后，从第2个环形器的1端口进入，经2端口输出，在第2传感光纤中传输，传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经第2个环形器的2端口进入，从3端口输出，经第2探测光纤进入相位解调模块中；

c、以上述传输过程类推至第N个环形器，从而实现长距离的光脉冲信号在高重复频率状态下探测；

步骤2，脉冲信号处理：相位解调模块在接收完全段瑞利散射信号后进行拼接处理，恢复出全段探测范围内的振动情况。

在脉冲光源系统产生第一个脉冲光信号后，按照时间的先后顺序，分别在第1传感光纤中产生背向瑞利散射光信号，然后再在第2传感光纤中产生背向瑞利散射光信号……以此类推，在第N传感光纤中产生背向瑞利散射光信号。相对于在第N-1传感光纤中产生的背向瑞利散射光信号，在第N传感光纤中产生的背向瑞利散射光信号在时间上要晚于前者进入相位解调模块，故相邻两环形器的背向瑞利散射光信号不会在时间上产生重叠。最终，当将全段光纤分为N段后，原有的极限光脉冲信号的重复频率可提高N倍，从而使得探测相位变换信号的上限提升N倍。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全井段超高分辨率地震勘探系统，包括为脉冲光源系统和相位解调模块，所述脉冲光源系统和相位解调模块通过光缆通信连接，其特征在于，还包括N个环形器，N为≥2的正整数；

N个环形器沿光缆传输方向依次排布，N个环形器排布结构包括串联或并联；

对于每个环形器，环形器的1端用于输入脉冲光信号，每个环形器的2端连接至传感光纤，脉冲光信号经传感光纤传输过程中产生瑞利散射光信号，沿脉冲光信号传输方向的逆方向经环形器的2端口进入、从3端口输出，最后经探测光纤进入相位解调模块中，且在同一段传感光纤内最多同时只存在一束脉冲光。

2.根据权利要求1所述的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，其特征在于，在沿光缆整体传输方向上，任意前后相邻两个环形器之间的距离相等。

3.根据权利要求2所述的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，其特征在于，在沿光缆整体传输方向上，相邻两个环形器之间的传感光纤的长度相等。

4.根据权利要求2所述的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，其特征在于，每个环形器通过一个独立的探测光纤与相位解调模块连接；用于连接第N个环形器和相位解调模块的探测光纤长度与用于连接第N-1个环形器和相位解调模块的探测光纤的长度的差值相等。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，其特征在于，当N个环形器沿以串联结构排布时：还包括N个分波器、N个光隔离器和N个合波器；以1个分波器、1个环形器、1个光隔离器和1个合波器为1个结构单元，共N个结构单元；沿传输方向上，每个结构单元内，分波器位于上游端、合波器位于下游端，环形器合光隔离器在分波器和合波器之间并联；

N个结构单元沿传输方向上通过传感光纤依次串联，第1个结构单元的分波器与脉冲光源系统连接，第N个结构单元的分波器通过传感光纤与第N-1个结构单元的合波器连接。

6.根据权利要求5所述的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，其特征在于，第1个分波器的1端口与脉冲光源系统连接、2端口连接第1个光隔离器后与第1个合波器的2端口连接；第1个分波器的3端口与第1个环形器的1端口连接，第1个环形器的2端口与第1个合波器的3端口连接，第1个合波器的1端口连接第一传感光纤；

第N个分波器的1端口通过第(N-1)传感光纤与第(N-1)个合波器的1端口连接，2端口连接第N个光隔离器后与第N个合波器的2端口连接，3端口与第N个环形器的1端口连接，第N个环形器的2端口与第N个合波器的3端口连接，第N个环形器连接第N传感光纤；

每个环形器的3端口均通过各自所属的探测光纤与相位解调模块连接。

7.根据权利要求1至4任一项所述的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，其特征在于，当N个环形器沿以并联结构排布时：还包括1个分路器；

分路器的1’端口作为输入端与脉冲光源系统连接，分路器还有N个端口作为输出端口、且均分别与对应的一个环形器的1端口连接，环形器的2端口连接有传感光纤、3端口通过第N探测光纤与相位解调模块连接。

8.根据权利要求7所述的一种全井段超高分辨率地震勘探系统，其特征在于，还包括N个光纤放大器和N条延迟光纤；第N个环形器的1端口依次通过第N个光纤放大器和第N延迟光纤于分路器的第N个输出端口连接。

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