NO337984B1 - Trykkompensert optisk akselerometer, inklinometer og seismisk sensorsystem. - Google Patents

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Teknisk område

Oppfinnelsen angår generelt det området som gjelder optiske akselerasjons- og inklinasjonsavfølende anordninger. Mer spesielt angår oppfinnelsen optiske akselerometre og inklinometre brukt til, men ikke begrenset til, avføling av seismisk energi.

Teknisk bakgrunn

Optiske avfølingsanordninger for måling av parametere slik som akselerasjon, bevegelse og/eller trykk blir blant annet brukt til å detektere seismisk energi fra jordens undergrunn. Den seismiske energien kan være naturlig forekommende eller kan være påført jorden ved hjelp av en seismisk energikilde med det formål å utføre seismiske refleksjonsundersøkelser. Detektering av seismisk energi kan innbefatte å måle trykk, eller endringer i trykk i forhold til tid, i en vannmasse. En sensor brukt til å måle slike endringer i trykk, er kjent som en hydrofon. Detektering av seismisk energi innbefatter også å detektere bevegelse på eller nær jordoverflaten. Bevegelse kan detekteres ved å bruke innretninger kjent som geofoner eller akselerometre. Geofonsignaler er relatert til bevegelseshastighet. Akselerometre frembringer signaler relatert til den tidsderiverte av bevegelseshastighet, som er akselerasjon. Inklinometre som frembringer signaler relatert til den relative orienteringen av en anordning i forhold til jordens gravitasjonsmessige trekkretning, blir noen ganger brukt i forbindelse med andre sensorer for å bestemme den gravitasjonsmessige orienteringen til en anordning tilknyttet inklinometre.

Sensorer som er kjent på området og som reagerer på de forannevnte fysiske parametrene, genererer et optisk signal som reaksjon på den detekterte fysiske parameteren. Det optiske signalet kan f.eks. være en endring av reflektert bølgelengde, endring i fase eller et interferensmønster som reaksjon på endringer i den fysiske parameteren.

Optiske sensorer som er kjent på området, innbefatter generelt en valgt lengde av en optisk fiber festet til en anordning som endrer form som reaksjon på endringer i den fysiske parameteren som detekteres. Endringen i formen til anordningen blir omformet til en endring i lengde av den optiske fiberen. Endring i lengde av den optiske fiberen kan detekteres ved hjelp av en av et antall forskjellige optiske måleteknikker. Slike teknikker innbefatter endring i reflektert bølgelengde for lys som et resultat av en endring i bølgelengden til et Bragg-gitter utformet i den optiske fiberen, eller optisk kobling for en lysstråle sendt gjennom den optiske fiberen med en lysstråle sendt gjennom en annen optisk fiber, kjent som en "referansefiber". Referansefiberen kan være anordnet slik at dens lengde forblir hovedsakelig uendret uansett verdien til den fysiske parameteren. Lysstråler fra fiberen som er festet til anordningen og fra referansefiberen, blir koplet til et optisk interferometer. Et interferensmønster eller en fasedreining i det lyset som genereres i det optiske interferometeret, er relatert til endringen i lengde av den fiberen som er koblet til anordningen, og dermed til den fysiske parameteren som måles. Utgangen fra interferometeret blir vanligvis koblet til en fotodetektor som genererer et elektrisk signal relatert til lysamplituden som påføres fotodetektoren.

En fiberoptisk hydrofon er f.eks. beskrevet i US-patent nr. 5 625 724 utstedt til Frederick m.fl. Hydrofonen som er beskrevet i '724-patentet innbefatter en referansefiber viklet omkring en stiv, indre sylinder. Et massivt lag av ettergivende materiale er påført over referansefiberen. Avfølingsarmen til interferometeret er viklet over det materiallaget som er påført over referansefiberen. Det ytre materialet er tilstrekkelig ettergivende til å tilveiebringe akustisk følsomhet som kan sammenlignes med den for hydrofoner med luft på baksiden.

En annen fiberoptisk hydrofon er beskrevet i US-patent nr. 6 549 488 utstedt til Maas m.fl. og eid av foreliggende patentsøker. En hydrofon fremstilt i henhold til '488-patentet innbefatter en ettergivende avfølingsstamme som er koaksial med og tilstøtende en stiv referansestamme. En første optisk fiber er viklet omkring den ettergivende avfølingsstammen. En annen optisk fiber er viklet omkring referansestammen. De første og andre optiske fibrene omfatter forskjellige armer i et interferometer. Fleksible forseglingsorganer slik som 0-ringer, forsegler den ettergivende avfølingsstammen mot den stive referansestammen. I en utførelsesform er 0-ringen anordnet nær hver ende av avfølingsstammen. Et sylindrisk bæreorgan er anordnet inne i avfølingsstammen. I det minste en del av bæreorganet er atskilt fra avfølingsstammen for å tilveiebringe et forseglet hulrom mellom avfølingsstammen og bæreorganet. Det forseglede hulrommet er fylt med luft eller en lignende ettergivende substans.

US-patent nr. 5 369 485 utstedt til Hofler m.fl., beskriver et optisk akselerometer hvor en elastisk skive og en forutbestemt masse er understøttet av et legeme for bøyning av skiven på grunn av akselerasjon, støt, vibrasjon og forskyvning av legemet i en retning som er aksial i forhold til skiven. En slik skive eller et antall slike skiver er omviklet med et par flate spiraler av optisk fiber, der hver optisk fiber er fast festet til en tilsvarende skiveside slik at skivebøyning forlenger en spiral på en skiveside og forkorter en spiral på en annen skiveside. Slike spiraler på motstående skivesider er koblet som motsatte armer i et fiberoptisk interferometer slik at interferometeret leverer en utgang som svarer til amplituden til bøyningen. Et mottaktpar av spiralene kan være anordnet motsatt på en termisk ledende skive for å minimalisere temperaturforskjeller mellom mottakt-spiralparet. Et akselerometer i henhold til beskrivelsen i Hofler-patentet er konstruert med en sentralt understøttet skive som har massen fordelt omkring skivens periferi. En slik konstruksjon er antatt å være fordelaktig for isolasjon fra monteringsspenninger og for å tilveiebringe et antall aksialt monterte skiver for øket følsomhet.

US-patent nr. 6 650 418 utstedt til Tweedy m.fl., beskriver en fiberoptisk sensor som innbefatter en bøynings-skive som har et par fiberoptiske spoler montert på motsatte sider av denne og optisk koblet sammen for å danne et interferometer som reduserer et utgangssignal som reaksjon på akselerasjon av bøyningsskiven. Akselerometeret innbefatter et hus med første og andre endeplater med en sidevegg som strekker seg mellom endeplatene. Sideveggen har et innad-vendende spor i hvilket en ytre kantdel av bøyningsskiven er montert. En komprimerbar dempningsanordning er montert i huset og innrettet for å utøve en kompresjonskraft på bøyningsskiven for å styre bevegelse av denne som reaksjon på akselerasjon av bøyningsskiven langs en avfølingsakse og derved regulere

utgangssignalet.

US-patent nr. 6 575 033 utstedt til Knudsen m.fl., beskriver et meget følsomt akselerometer som innbefatter en masse inne i et hus, opphengt ved hjelp av motstående bæreorganer. Bæreorganene er vekslende viklet omkring et par faste stammer, og massen i et mottaktsarrangement. I det minste en del av en av bæreorganene omfatter optiske fiberspoler som bæreorganer for bruk i den interferometriske avfølingsprosessen.

I den senere tid er flerretningsfølsomme (multikomponent-) bevegelsessensorer anordnet på en kabel i forbindelse med hovedsakelig samlokaliserte hydrofoner blitt brukt på bunnen av en vannmasse for marine seismiske undersøkelser. Slike kabler er kjent på området som "dobbeltsensor-OBC'er". Se f.eks. US-patent nr. 6 314 371 utstedt til Monk, som beskriver en fremgangsmåte for behandling av data fra en dobbeltsensor-OBC som korrigerer for energifallsvinkel, korrigerer for estimert reflektivitet og kombinerer korrigerte seismiske sensortraser ved å bruke en optimal diversitetsskaleringsteknikk. I en utførelsesform tar den beskrevne fremgangsmåten seismiske traser fra en geofon og en hydrofon, korrigerer geofontrasen for innfallsvinkel, bestemmer diversitetsfiltre for på optimal måte å kombinere geofon- og hydrofontrasene, anvender diversitetsfiltrene, estimerer en reflektivitetskoeffisient for havbunnen (potensielt for forskjellige refleksjonsvinkler), skalerer geofondataene i samsvar med reflektiviteten og benytter på nytt diversitetsfiltrene for å kjede sammen en kombinert trase. Den kombinerte trasen er ventet å ha forskjellige artefakter eliminert, innbefattende dobbeltekko og etterklang og er ventet å ha et optimalt bestemt signal/støy-forhold.

Det er viktig at bevegelsessensorer generelt, og spesielt de sensorene som brukes i dobbeltsensor-OBC'er har god sensitivitet, er forholdsvis ufølsomme for støy, og har god forkastning av tverrkomponentsignal (noe som betyr at bevegelsessensorene hovedsakelig er ufølsomme for bevegelse langs en hvilken som helst annen retning enn den følsomme eller sensitive aksen). Det er følgelig fortsatt behov for bevegelses- og/eller akselerasjonssensorer som har forbedret følsomhet, redusert støy og redusert tverrkomponentfølsomhet. I det siste har en forbedret optisk akselerasjonssensor som er spesielt egnet for bruk i forbindelse med kabler på havbunnen

(OBCer) blitt utviklet av Steven J. Maas og D. Richard Metzbower, som nærmere beskrevet i US-patentsøknad nr. 11/095860, inngitt 31.mars 2005 og eid av eieren av foreliggende oppfinnelse. En slik forbedret optisk akselerasjonssensor innbefatter en stang og minst et optisk filter festet til en side av stangen slik at bøyning av stangen endrer en lengde av den optiske fiberen. Anordninger for å avføle endringen i lengde av den optiske fiberen er funksjonelt koblet til det minst ene filteret.

US-A-2004/0237648 presenterer en akselerasjons- eller forskyvningssensor som anvender a rombisk fleksing for å tilveiebringe kompresjon til en optisk fiber for føling. Dette er en kompleks struktur som ikke er ønskelig.

US-A-2003/0020919 beskriver et annet, komplekst, optisk akselerometer der et par av fiberoptiske spoler er montert på motsatte sider av en fleksibel skive. En liknende type akselerometer er beskrekvet i VOHRA S T ET AL: "FIBER OPTIC INTERFEROMETRIC ACCELEROMETERS" AIP CONFERENCE PROCEEDINGS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, NEW YORK, NY, US, no. 368,

1996, pages 285-293.

En vanlig begrensning for hovedsakelig alle bevegelses-og akselerasjonssensorer som er kjent på området for bruk i forbindelse med OBCer og andre neddykkede avfølingssystemer, er at de typisk er anordnet i et trykkbestandig hus. Det trykkbestandige huset er innrettet for å utelukke vann under høyt trykk, slik som brukt ved neddykking av sensoren ved stor vanndybde (omkring 3000 meter eller mer) fra å komme inn i huset. Innsiden av slike hus blir hovedsakelig holdt ved atmosfærisk trykk ved overflaten (omkring 1 bar). I praksis må hus som har evne til å utelukke vann under trykk slik som ved de forannevnte neddykkingsdybdene, være laget av stål eller lignende materiale med høy styrke, og må ha forholdsvis tykkvegget konstruksjon for å unngå knusing under trykk eller lekkasje. En slik konstruksjon er kostbar og gjør sensor-systemer slik som en OBC brukt med denne, tung og vanskelig å utplassere. Det er følgelig behov for forbedrede optiske bevegelsesavfølende anordninger som kan neddykkes til stor vanndybde, mens omkostningene og vanskelighetene ved å konstruere trykkbestandige hus for sensorene unngås.

Oppsummering av oppfinnelsen

Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen, omfatter et optisk akselerometer minst en optisk fiber festet til en anordning for endring av en lengde av fiberen som reaksjon på akselerasjon; og en anordning for å avføling av endringen i lengde av den minst ene optiske fiberen; og

et trykkompensert hus, idet anordningen for endring av lengde og den minst ene optiske fiberen er anordnet i huset, hvor huset er fylt med minst en av et hovedsakelig ukomprimerbart fluid og en gel; og hvor anordningen for endring av lengde omfatter en stang, idet den minste ene fiberen er koblet til én side av stangen slik at bøyning av stangen endrer lengden til den minst ene fiberen, hvor stangen er understøttet ved begge langsgående ender,

og minst en langsgående ende er understøttet for å muliggjøre langsgående bevegelse når stangen blir bøyd.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen er et seismisk sensorsystem. Et system i henhold til dette aspektet ved oppfinnelsen innbefatter minst to akselerometre. Hvert akselerometer omfatter minst en optisk fiber og en anordning for å endre lengden til den minst ene optiske fiberen som reaksjon på akselerasjon. Anordninger for avføling av endringen i lengde av den optiske fiberen i hvert av akselerometrene er funksjonelt koblet til hver fiber. Anordningen for endring av lengden og den optiske fiberen i hvert akselerometer er innesluttet i et trykkompensert hus. Huset er fylt med et hovedsakelig ukomprimerbart fluid. I en utførelsesform innbefatter anordningene for å endre lengden en stang. Den minst ene optiske fiberen i hvert akselerometer er festet til en side av stangen slik at nedbøyning av stangen endrer lengden av den optiske fiberen. De minst to akselerormetrene er orientert slik at de er følsomme for akselerasjon i det minste delvis langs innbyrdes ortogonale retninger.

Et system i henhold til dette aspekt ved oppfinnelsen kan innbefatte tre akselerometre, der hvert akselerometer innbefatter en anordning for å endre en lengde av en optisk fiber som reaksjon på jordens gravitasjon. De minst tre akselerometrene er hvert orientert for å være følsomme for akselerasjon i det minste delvis langs innbyrdes ortogonale retninger. Den minst ene fiberen i hvert akselerometer omfatter et Bragg-gitter slik at en orientering med hensyn til jorden gravitasjonsfelt for en nedbøyningsakse for hver stang blir bestemt ved måling av en endring i bølgelengde for lys som er reflektert av Bragg-gitteret. Ved på denne måten å måle endringen i lengde av Bragg-gitteret, kan en orientering av hvert akselerometer og dermed systemet, i forhold til jordens gravitasjonsfelt, være bestembar. Anordningen for å endre lengden av den optiske fiberen i hvert akselerometer er innesluttet i et trykkompensert hus. Huset er fylt med et hovedsakelig ukomprimerbart fluid.

Andre aspekter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse og de vedføyde patentkravene.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser et sideriss av en utførelsesform av et akselerometer i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 viser et toppriss av akselerometeret som er vist på f ig. 1. Fig. 3 viser et sideriss av en annen utførelsesform av et akselerometer. Fig. 4 viser en skråskisse av en utførelsesform av et seismisk flerkomponent-sensorsystem. Fig. 5 viser en utførelsesform av et interferometer brukt til å bestemme endring i lengde av fibere i forskjellige akselerometerutførelsesformer. Fig. 5A viser et alternativt arrangement av interferometeret. Fig. 6 viser en akselerometerstang understøttet ved begge langsgående ender. Fig. 7 viser en utførelsesform av et optisk deteksjonssystem som brukes til å bestemme gravitasjonsorientering (inklinometer) for et akselerometer. Fig. 8 viser en spesiell utførelsesform av akselerometerstangen. Fig. 9 viser en alternativ utførelsesform av inklinometeret. Fig. 10 viser utførelsesformen av det inklinometer som er vist på fig. 9, montert i et sensorsystem i henhold til fig. 4. Fig. 11 viser en alternativ utførelsesform av et inklinometer. Fig. 11A viser en alternativ utførelsesform av et inklinometer som virker etter et lignende prinsipp som den anordningen som er vist på fig. 11. Fig. 12 viser et eksempel på et seismisk flerkomponent-sensorsystem som innbefatter inklinometeret som vist på fig. 11.

Fig. 13 viser en utførelsesform av et trykkompensert hus.

Detaljert beskrivelse

Akselerometeret i henhold til forskjellige aspekter ved oppfinnelsen virker generelt etter prinsippet om å endre lengden av en optisk fiber som reaksjon på akselerasjon. I henhold til de forskjellige aspektene ved oppfinnelsen er en anordning for å endre lengden av en optisk fiber som reaksjon på akselerasjon, funksjonelt koblet til en optisk fiber. Anordningen for endring av lengden av den optiske fiberen og den optiske fiberen er innelukket i et trykkompensert hus. Det trykkompenserte huset er fylt med et hovedsakelig ukomprimerbart fluid.

Noen utførelsesformer av optiske akselerometre som kan brukes i spesielle utførelsesformer av oppfinnelsen, virker etter prinsippet med bøyningsstangen, hvor stangen vanligvis er understøttet ved sine langsgående ender. Understøttelse av stangen ved dens langsgående ender hindrer hovedsakelig stangbøyning i enhver retning på tvers av planet til stangen. Fig. 1 viser en utførelsesform av en akselerometerstangenhet 10 som innbefatter en stang 12 som kan være laget av plast eller annet egnet materiale, underkastet elastisk spenning under akselerasjon. Stangen 12 har dimensjoner som vist på fig. 1 ved 12X, som er lengden eller den langsgående retningen, og 12C som er tykkelsesdimensjonen. Planet til stangen 12 er transversalt på tykkelsesdimensjonen 12Z. Dimensjonene 12X og 12Z bør velges for å tillate forholdsvis fri bøyning i retning av tykkelsen 12Z, dvs. på tvers av planet til stangen 12, mens enhver bøyning av stangen langs den langsgående dimensjonen 12X hovedsakelig unngås. Utførelsesformen som er vist på fig. 1, innbefatter en optisk fiber 14 festet til en flate eller side av stangen 12. Feste av fiberen 14 til stangen 12 kan utføres ved hjelp av et klebemiddel eller en lignende teknikk.

I utførelsesformen på fig. 1 er det vist en annen optisk fiber 16 festet til den motsatte flaten av stangen 12. Når stangen 12 bøyes under akselerasjon langs retningen av tykkelsen 12Z, blir de optiske fibrene 14, 16 strukket eller komprimert avhengig av bøyningsretningen til stangen 12. Strekkingen og kompresjonen av den ene fiberen 14 er i motsatt polaritet i forhold til den for den andre fiberen 16 fordi de er anordnet på motsatte sider av stangen 12. Et slikt arrangement er kjent som "mottakt"-forbindelser for optiske fibere.

Et signal fra akselerometeret relatert til den akselerasjon som påføres dette, blir generert ved å bestemme en endring i lengde av den optiske fiberen 14 hvis bare en fiber er brukt, eller av begge de optiske fibrene 14, 16 hvis to slike fibere er brukt. I spesielle utførelsesformer kan måling av lengdeendringen av fiberen utføres ved hjelp av et optisk interferometer. De optiske forbindelsene og bruken av fibrene 14, 16 som en del av et optisk interferometer for å generere et akselerasjonsresponsivt signal vil bli forklart nedenfor under henvisning til figurene 5 og 5A. Man vil forstå at bare en optisk fiber festet til den ene eller den andre flaten til stangen, slik som fiberen 14 eller 16 er nødvendig for å få akselerometeret til å fungere. Utførelsesformen med dobbelt fiber på figurene 1 og 2 er ment å ha økt følsomhet sammenlignet med den følsomheten som er ventet fra en implementering med en enkelt fiber, og å dempe andre støykilder slik som skapt ved ikke-samlokaliserte referansearmer eller kompenserende interferometre.

Fig. 2 viser et toppriss av akselerometerstangenheten 10. Stangen 12 har en breddedimensjon 12Y. Som vist på fig. 2 kan den optiske fiberen 16 være anordnet omkring flaten til stangen 12 i en hovedsakelig oval form for å maksimalisere den mengde med fiber som er anordnet langs den langsgående dimensjonen (12X på fig. 1), mens graden av bøyning i fiberen 16 minimaliseres for å minimalisere optiske tap i fiberen 16. Breddedimensjonen 12Y bør være valgt for å gjøre stangen 12 stiv nok langs bredderetningen til å motstå bøyning, men ikke for stor slik at det induseres en betydelig grad av bøyning eller vridning i stangen 12 under skrå akselerasjon.

En annen utførelsesform av en akselerometerstangenhet, vist på fig. 3, kan innbefatte en reaktiv masse 18, 20 festet til en eller begge flatene til stangen 12, generelt i midten av denne. Massene 18, 20 øker bøyningsstørrelsen til stangen 12 under enhver gitt akselerasjonsmengde, og øker dermed den totale følsomheten til akselerometeret.

Et praktisk seismisk flerkomponent-sensorsystem kan være sammensatt fra et antall akselerometre slik som forklart under henvisning til figurene 1 til 3. Fig. 4 viser en utførelsesform av et slikt seismisk flerkomponent-sensorsystem. Systemet innbefatter tre optiske interferometre, 10X, 10Y, 10Z, som hvert er orientert slik at dets følsomme retning er langs en innbyrdes ortogonal retning for de andre to akselerometrene. Ved at akselerometrene er innbyrdes ortogonale lettes bestemmelsen av den retning hvorfra detektert seismisk energi stammer, men det skal bemerkes at innbyrdes ortogonalitet for akselerometrene er en hensiktsmessig sak ved utformingen av det seismiske sensorsystemet. Andre arrangementer av de følsomme aksene til akselerometrene kan brukes i forskjellige utførelsesformer, mens evnen til å bestemme opphavsretningen for seismisk energi beholdes.

Akselerometrene 10X, 10Y, 10Z kan være montert i en ramme 22 for hensiktsmessig samling inne i et trykkompensert hus. Innelukking av rammen 22 og akselerometrene i et slikt hus er for når akselerometrene skal neddykkes i vann. Akselerometrene vil bli utsatt for neddykking i tilfellet når systemet blir brukt i et marint seismisk undersøkelsessystem eller i en permanent sensorinstallasjon slik som vil bli brukt på havbunnen eller i et borehull. Huset vil bli nærmere forklart nedenfor under henvisning til fig. 13.

En utførelsesform av et optisk interferometer og tilhørende komponenter brukt til å generere et akselero-meterreagerende signal fra stangbøyning, er vist ved 29 på fig. 5. De optiske fibrene 14, 16 som er festet til motsatte sider av stangen (12 på fig. 1) er hver vist optisk koblet ved en ende til en strålesplitter 2 6, og ved den andre enden koblet til en kombinator 28. En lyskilde slik som en laserdiode 24, er koblet til inngangen på strålesplitteren 26 og leverer laserlys til hver fiber 14, 16. En fotodetektor 30 er koblet til utgangen på interferometeret 29, og frembringer et elektrisk signal som svarer til det optiske signalet som genereres i interferometeret 29. Bøyningen av stangen (12 på fig. 1) under akselerasjon langs tykkelsesretningen (12Z på fig. 1) blir dermed omformet til et elektrisk signal. Avhengig av det spesielle arrangementet til et seismisk sensorsystem kan laserdioden 24 og fotodetektoren 30 være anordnet på jordoverflaten eller vannoverflaten, og strålesplitteren 26 og kombinatoren 28 anordnet nær akselerometeret eller akselerometrene (12 på fig. 1). Andre utførelsesformer kan imidlertid lokalisere laserdioden og strålesplitteren i nærheten av interferometre, slik som i rammen (22 på fig. 4). Det optiske interferometersystemet som er vist på fig. 5, er generelt kjent som et Mach-Zehnder-interferometer.

Alternativt, som vist på fig. 5A, kan et Michelson-interferometer brukes. Michelson-interferometeret 29A er laget ved å erstatte kombinatoren (28 på fig. 5) med speil 31A og 31B ved de distale endene av hver fiber 14, 16. Lys som passerer gjennom fibrene 14, 16 blir reflektert tilbake av speilene 31A, 31B. Det tilbakereflekterte lyset blir rekombinert i strålesplitteren 26A slik at fasedreining eller interferensmønster kan detekteres av fotodetektoren 30.

Andre typer interferometre som kan brukes med forskjellige utførelsesformer av akselerometre, innbefatter Fabry-Perot og Sagnac-interferometre. I utførelsesformer som benytter et Fabry-Perot-interferometer, kan fiberen (enten 14 eller 16 på fig. 1) som er festet til den ene eller den motsatte flaten av stangen (12 på fig. 1), være sløyfet. Den gjenværende fiberen (16 eller 14 på fig. 1) kan innbefatte et Bragg-gitter hvor fiberen er festet til stangen (12 på fig. 1) for å kunne bestemme en endring i lengde av fiberen ved å måle endring i bølgelengde av det tilbakereflekterte lyset gjennom fiberen. Det spesielle interferometersystemet som brukes i forskjellige utførelsesformer, er følgelig ikke en begrensning av omfanget av oppfinnelsen. En spesiell anvendelse av et Bragg-gitter på en eller begge fibrene 14, 16 vil bli forklart nedenfor under henvisning til fig. 8.

Fig. 6 viser en tverrskisse av stangen 12 og bærere 32 ved de langsgående endene av stangen 12. Ved å understøtte stangen 12 ved dens langsgående ender og ved passende dimensjonering (12X, 12Z på fig. 1 og 12Y på fig. 2) vil bøyning av stangen 12 hovedsakelig være begrenset til tykkelsesdimensjonen (12Z på fig. 1). Ved å begrense bøyning av stangen 12 på denne måten, gis akselerometerstangenheten (10 på fig. 1) en høy grad av tverrkomponentforkastning eller ufølsomhet. Innledende beregning av akselerometre som er vist på fig. 1, indikerer en tverrkomponent forkastelse større enn 30 dB.

Som man lett vil forstå kan stiv, fast understøttelse av stangen 12 ved begge langsgående ender tilveiebringe en høy grad av tverrkomponentforkastelse, men kan begrense størrelsen av stangbøyning (og dermed følsomhet) i tykkelsesretningen. Stangbøyning vil være begrenset i slike tilfeller fordi stangen nødvendigvis vil måtte forlenges langs den langsgående retningen (12X på fig. 1) hvis stangen er stiv, fast understøttet ved begge ender. For å øke størrelsen av bøyningen mens den høye tverrkomponentforkastelsen opprettholdes kan et arrangement som vist på fig. 8 brukes til å understøtte stangen 12 ved dens langsgående ender Monteringshull 13 ved en ende kan være anordnet for hodeskruer eller lignende. Den andre enden kan innbefatte langstrakte åpninger 15 slik at under bøyning, når den langsgående dimensjonen vil bli redusert med en proporsjonal størrelse, er den andre enden av stangen 12 fri til å bevege seg longitudinalt, men hovedsakelig ikke transversalt til den langsgående retningen.

Fig. 7 viser en spesiell utførelsesform som kan brukes til å bestemme en orientering av akselerometeret med hensyn til jordens gravitasjon så vel som å foreta akselerasjons-målinger. En fiber 14A innbefatter et Bragg-gitter 14B påført. Fiberen 14A kan være festet til en stang hovedsakelig som forklart under henvisning til fig. 1. En lyskilde 24A slik som en laserdiode, er optisk koblet til en ende av fiberen 14A gjennom en strålesplitter 25. Fiberen 14A kan innbefatte et speil 17 ved dens andre ende. En fotodetektor 30 er koblet til den andre utgangen fra strålesplitteren 25. Utgangen fra fotodetektoren 30 kan være koblet til en spektralanalysator 31. Bølgelengden til lys som er reflektert av Bragg-gitteret 14B er dermed relatert til graden av forlengelse av Bragg-gitteret 14B. Akselerometeret kan brukes til å bestemme dettes orientering ved å kalibrere Bragg-gitterets reflekterte bølgelengde både ved null gravitasjon og ved enhetsgravitasjon (100 % gravitasjon). Målinger av det reflekterte lysets bølgelengde kan relateres til orienteringen av akselerometeret i forhold til gravitasjonen ved hjelp av velkjente trigonometriske relasjoner.

I den foreliggende utførelsesform kan akselerometeret være kalibrert til null gravitasjon ved å orientere stangen (12 på fig. 1) slik at tykkelses- eller bøyningsdimensjonen til stangen (12Z på fig. 1) er orientert transversalt til jordens gravitasjon. En bølgelengde for lys som reflekteres av Bragg-gitteret 14B blir målt ved hjelp av spektralanalysatoren 31. Stangen blir så orientert slik at dens bøyningsretning (12Z på fig. 1) er rettet langs jordens gravitasjon, og bølgelengden til det lys som er reflektert av Bragg-gitteret 14b blir igjen målt. Bølgelengden til det lyset som er reflektert av Bragg-gitteret 14B, vil endre seg når fiberen 14A blir forlenget ved bøyning av stangen, og følgende forlengelse av Bragg-gitteret 14B. Den relative orienteringen til akselerometeret i forhold til jordens gravitasjon vil dermed være relatert til lysbølgelengden som er reflektert fra Bragg-gitteret 14B. De optiske komponentene som er beskrevet under henvisning til fig. 8, kan være innbefattet som en separat fiber i ethvert spesielt akselerometer, eller, som vist på fig. 8, kan være innbefattet i den samme fiberen som brukes i akselerometersensoren.

I et flerkomponent-sensorsystem slik som vist på fig. 4, kan tre innbyrdes ortogonale akselerometre hver innbefatte en fiber som innbefatter et Bragg-gitter. Tilhørende optiske komponenter kan brukes til å muliggjøre bestemmelse av en endring i lengden til gitteret, som vist på fig. 9. I utførelsesformen på fig. 9 kan en enkelt optisk fiber 33 innbefatte tre separate Bragg-gitre 35, 37, 39. Hvert Bragg-gitter 35, 37, 39 er festet til en av de tre akselerometerstengene, som forklart under henvisning til fig. 10. Hvert Bragg-gitter 35, 37, 39 vil bli forlenget og dermed reflektere en spesiell bølgelengde i lys basert på orienteringen av den tilsvarende akselerometerstangens orientering i forhold til jordens gravitasjon. Orienteringen av sensorsystemet kan dermed utledes ved måling av bølgelengden til Bragg-filterutgangen for hvert av de tre Bragg-gitrene 35, 37, 39, og dermed orienteringen av hvert akselerometer i forhold til gravitasjonen. Orienteringen av hele sensorsystemet med hensyn til gravitasjon kan bestemmes fra de tre individuelle akselerometeregravitasjonskomponentene som måles ved å bruke velkjente trigonometriske relasjoner. Noen utførelsesformer av akselerometerstangen i henhold til utførelsesformen på fig. 9 kan innbefatte en eller flere reaktive masser koblet til denne, som vist på fig. 3.

Fig. 10 viser enkeltfiberutførelsen av inklinometeret på fig. 9 hvor hvert Bragg-gitter 35, 37, 39 i fiberen 33 er festet til et tilsvarende av akselerometerstengene 12Y, 12Z, 12X. Hver stang 12Y, 12X, 12Z vil bøye seg i forhold til orienteringen av hver stang med hensyn til jordens gravitasjon. Hvis en spesiell stang er på tvers av gravitasjonen, vil dens bøyning fra gravitasjonen hovedsakelig være lik null. Maksimal bøyning og tilsvarende endring i lengden av det tilhørende Bragg-gitteret vil inntreffe når en akselerometerstangs bøyningsretning er hovedsakelig innrettet med jordens gravitasjon. Orientering kan utledes ved hjelp av velkjente formler ved å bruke målinger av ortogonale komponenter av jordens gravitasjon. I utførelsesformen på fig. 10 kan akselerometerstengene være orientert hovedsakelig ortogonalt. Andre utførelsesformer kan innbefatte en separat fiber for hvert Bragg-gitter, eller kan innbefatte et Bragg-gitter på de samme avfølingsfibrene som brukes i en eller flere typer interferometer for avføling av seismisk energi, som forklart under henvisning til figurene 1-4.

En annen utførelsesform av et inklinometer 50, vist på fig. 11, kan gi økt strekk i et Bragg-fibergitter med hensyn

til jordens gravitasjonsmessige trekkraft ved masselasting av Bragg-fibergitre direkte. Slik direkte massebelastning kan øke nøyaktigheten av målingen av inklinasjon. Som vist på fig. 11, setter lineære lagre eller en annen begrensningsanordning med høy presisjon, 47 massene 42, 43 i stand til å gli langs en ramme eller stav 40 som et resultat av den kraften som skapes av jordens gravitasjon. Kobling av en fiber 44 som har et Bragg-gitter til lagrene 47 og dermed operativt til massene 42, 43, og tilføyelse av et positivt anslag eller dempningsanordning 41 til hver ende av den del av staven 40

hvor masseforflytning er tillatt, gjør det mulig får Bragg-gitteret 45 å bli strukket av en av massene 43, 42 uansett orientering av anordningen i forhold til gravitasjonen. I den orienteringen som er vist på fig. 11, blir f.eks. den øvre massen 42 stoppet av dempningsanordningen 41, mens den nedre massen 43 kan bevege seg når den trekkes av gravitasjonen, for å strekke fiberen 44. Hvis akselerometeret blir rotert slik at den nedre massen 43 er over den øvre massen 42, vil den nedre massen 43 bli stoppet av dempningsanordningen 41, og den øvre massen 42 vil bevege seg når den belastes av gravitasjonen. Trekk direkte på fiberen 44, som vist på fig. 11, kan indusere mer strekk i Bragg-gitteret 45 og skape en større bølgelengdeforskyvning. Fordi massene 42, 43 forplanter seg langs staven 40 på lineære lagre, blir massene 42, 43 hovedsakelig hindret fra annen bevegelse enn langs staven 40. Ved å begrense bevegelsen av massene 42, 43 til langs staven 40, er inklinometeret 50 hovedsakelig bare følsomt for den komponent av akselerasjonen (dvs. jordens gravitasjon) som virker langs lengden av staven 40, og har dermed høy tverrkomponentforkastelse. Inklinometeret 50 som er vist på fig. 11, kan være kalibrert hovedsakelig som forklart under henvisning til fig. 9.

Et alternativt arrangement av et inklinometer som hovedsakelig virker etter samme prinsipp som den anordningen som er vist på fig. 11, er skjematisk vist på fig. 11A. En masse 42A er opphengt langs en stav 40A ved hjelp av lineære lagre 47A, slik at massen 42A kan bevege seg langs retningen til staven 40A, men blir hovedsakelig begrenset til fra bevegelse i enhver annen retning. En optisk fiber 44A med et Bragg-gitter 45A er koblet til massen 42A slik at massen 42A er anordnet langs fiberen 44A mellom to fiberopphengspunkter 44B. Fiberen 44A er også festet til opphengspunktene 44B, når gravitasjonen virker på massen 42A, trekker den på fiberen 44A og får dens lengde til å forandre seg, noe som kan detekteres ved hjelp av endring i lysrefleksjonsbølgelengden til Bragg-gitteret 45A. I virkeprinsipp og kalibrering opererer anordningen som er vist på fig. 11A hovedsakelig likt med den anordningen som er vist på fig. 11. Utførelsesformen som er vist på fig. 11A, har fordelen ved å være opererbar i enhver orientering med hensyn til gravitasjonen ved bare å bruke en enkelt masse og ved at det ikke kreves noen dempningsanordninger slik som den anordningen som er vist på fig. 11, gjør.

Fig. 12 viser en utførelsesform av et seismisk flerkomponent-sensorsystem som innbefatter tre innbyrdes ortogonale inklinometre 50X, 50Y, 50Z, og tre innbyrdes ortogonale akselerometre 10X, 10Y, 10Z. Systemet på fig. 12 er i virkeprinsipp maken til det som er vist på fig. 10, men inklinometrene 50X, 50Y, 50Z er av den type som er forklart under henvisning til fig. 11. Referansene X, Y og Z angår de enkelte følsomme aksene til sensorsystemet, som konvensjonelt kan være merket slik at horisontalt vanligvis er anordnet langs X- og Y-aksene, og den vertikalt anordnede aksen er Z. Systemet kan være anordnet i en ramme 22 i likhet med andre utførelsesformer, slik som forklart under henvisning til fig.

4 og fig. 10.

En hvilken som helst av utførelsesformene av optiske akselerometre og inklinometre så vel som andre aspekter ved optiske akselerometre, kan være innbefattet i et trykkompensert hus som forklart under henvisning til fig. 13. Huset 122 kan være av plast, gummi eller forholdsvis tynnvegget metall, innrettet for å bli fylt med et hovedsakelig ukomprimerbart materiale 106 slik som olje eller annet fluid eller gel. For formål som gjelder å definere omfanget av oppfinnelsen kan materialer kjent som "geler" slik som de som kan være laget av hydrokarbonbasert olje blandet med tverrbindingspolymerer. Materialer av slik type og andre materialer som er kjent som "geler", er kjent på området for fylling av seismiske slepekabler. Rammen 22 som kan innbefatte et eller flere optiske akselerometre eller inklinometre, som innbefatter de som er beskrevet ovenfor under henvisning til figurene 1-12, kan være fast montert inne i det indre av huset 122. Huset 122 innbefatter en trykkompensator 100 innrettet for å få fluidtrykk inne i huset 122 til hovedsakelig å stemme overens med omgivelsestrykket utenfor huset 122. I den utførelsesformen som er vist på fig. 13, kan trykkompensatoren 100 innbefatte et stempel 102 bevegelig anordnet inne i en sylinder 101 plassert inne i huset 122 slik at en side av stempelet 102 er i fluidkommunikasjon med utsiden av huset 122, og den andre siden av stempelet 102 er i fluidkommunikasjon med innsiden av huset 122. Stempelet 102 kan være forseglet mot innsiden av sylinderen 101 ved hjelp av en o-ring 104 eller et lignende tetningselement for å redusere fluidlekkasje forbi stempelet 102. Når trykket inne i huset 122 øker, blir stempelet 102 brakt til å bevege seg innover og på tilsvarende måte komprimere fluidet 106 inne i huset 122. Tilsvarende motsatt bevegelse av stempelet 102 finner sted når det eksterne trykket avtar. Trykkompensatoren 100 tjener dermed til på lett måte å kommunisere trykkendringer utenfor huset 122 til innsiden av huset 122 for å utjevne disse trykkene, mens fyllmateriale 106 inne i huset 122 hovedsakelig bevares. Andre utførelsesformer av trykkompensatoren kan innbefatte elastomerblærer eller lignende. Ved å holde fluidtrykket inne i huset 122 hovedsakelig likt med fluidtrykket utenfor huset 122, blir det mulig å bygge huset 122 uten at det er nødvendig å gjøre det sterkt nok til å motstå knusing under høyt eksternt trykk, slik det er nødvendig med konvensjonelle, trykkbestandige, forseglede hus som har atmosfæretrykk (omkring 1 bar) i det indre av huset.

Det er foretrukne utførelsesformer som forklart under henvisning til fig. 13 for de optiske akselerometer-komponentene, slik som stangen og fiberen og eventuelle interferometerkomponenter som skal være anordnet i huset 122, vil bli innkapslet med epoksy eller en lignende innkapslings-forbindelse for å hindre fluidinntreden inn i slike komponenter.

Optiske akselerometre og avfølingssystemer laget med disse anordnet i et trykkompensert hus kan tilveiebringe forbedret ytelse av optiske akselerometre for å detektere slik akselerasjon som seismisk energi, mens det blir mulig for sensorene å være utplassert på store havdyp ved å bruke forholdsvis lette, billige hus.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet under henvisning til et begrenset antall utførelsesformer, vil fagkyndige på området som har hatt fordelen ved å studere denne beskrivelsen, innse at andre utførelsesformer kan tenkes som ikke avviker fra omfanget av oppfinnelsen slik den er beskrevet her. Omfanget av oppfinnelsen skal følgelig bare begrenses av de vedføyde patentkravene.

Claims (1)

1. Et optisk akselerometer, omfattende: minst en optisk fiber (14) festet til en anordning for endring av en lengde av fiberen som reaksjon på akselerasjon; og en anordning for å avføling av endringen i lengde av den minst ene optiske fiberen; og et trykkompensert hus (122), idet anordningen for endring av lengde og den minst ene optiske fiberen er anordnet i huset, hvor huset er fylt med minst en av et hovedsakelig ukomprimerbart fluid og en hovedsakelig ukomprimerbar gel; og hvor anordningen for endring av lengde omfatter en stang (12), idet den minste ene fiberen (14) er koblet til én side av stangen slik at bøyning av stangen endrer lengden til den minst ene fiberen, hvor stangen (12) er understøttet ved begge langsgående ender,karakterisert vedat minst en langsgående ende er understøttet for å muliggjøre langsgående bevegelse når stangen blir bøyd.

2. Akselerometer ifølge krav 1, videre omfattende en ytterligere optisk fiber (16) festet til den andre siden av stangen (12) slik at bøyning av stangen endrer en lengde av den ytterligere fiberen med motsatt polaritet i forhold til endringen i lengde av den minst ene optiske fiberen som er festet til den ene siden av stangen.

3. Akselerometer ifølge krav 1 eller 2, videre omfattende en masse (18, 20) festet til stangen (12) slik at en størrelse av bøyningen av stangen blir økt i forhold til en størrelse av en akselerasjon som påføres stangen.

4. Akselerometer ifølge ett av de foregående kravene, videre omfattende en lysbølgelengdesensor optisk koblet til den minst ene fiberen (14), og hvor den minst ene fiberen omfatter et Bragg-gitter (14B) slik at en orientering med hensyn til jordens gravitasjon av en nedbøyningsakse for stangen vil kunne bestemmes ved måling av endringen i en bølgelengde for lys som reflekteres av Bragg-gitteret.

5. Akselerometer ifølge krav 2, idet den ytterligere optiske fiberen (16) har et Bragg-gitter (14B) hvor den ytterligere fiberen (16) optisk er koblet til en bølgelengdedetektor slik at en orientering av akselerometeret med hensyn til jordens gravitasjon blir bestembar ved å måle en endring i bølgelengden for lys som reflekteres av Bragg-gitteret.

7. Akselerometer ifølge ett av kravene ovenfor, hvor huset (122) omfatter et stempel (102) i hydraulisk kommunikasjon på en side med en innside av huset og på den andre siden med en utside av huset for å tilveiebringe trykkompensering av huset.

8. Akselerometer ifølge ett av kravene ovenfor, hvor anordningen for avføling omfatter ett av et Michelson-interferometer, et Fabry-Perot-interferometer, og et Mach-Zehnder-interferometer.

8. Seismisk flerkomponentsensorsystem, omfattende minst to akselerometre ifølge ett av de foregående kravene, idet de minst to akselerometrene er orientert for å være følsomme for akselerasjon i det minste delvis langs innbyrdes ortogonale retninger, der hvert akselerometer er anordnet i det samme trykkompenserte huset (122) .

9. System ifølge krav 8, videre omfattende: tre akselerometrene orientert for å være følsomme for akselerasjon i det minste delvis langs innbyrdes ortogonale retninger; hvor den minst ene fiberen (12) i hvert akselerometer omfatter et Bragg-gitter (14B) slik at en orientering med hensyn til jordens gravitasjon av en bøyningsakse for hver stang blir mulig å bestemme ved måling av en endring i bølgelengde av lys reflektert av Bragg-gitteret, slik at en orientering av systemet i forhold til jordens gravitasjon blir mulig å bestemme.

10. System ifølge krav 9, hvor den optiske fiberen i hvert akselerometer er den samme fiberen, idet den samme fiberen som har påført et Bragg-gitter (14B), hvor den samme fiberen er festet til hver stang, og hvert Bragg-gitter reflekterer en valgt bølgelengde for lys.

11. System ifølge ett av kravene 8 til 10, hvor hver stang (12) er understøttet ved begge langsgående ender, idet minst en langsgående ende er understøttet for å muliggjøre langsgående bevegelse når stangen blir bøyd.

12. System ifølge ett av kravene 8 til 10, hvor huset (122) omfatter et stempel (102) i hydraulisk kommunikasjon på en side med det indre av huset og på sin andre side med utsiden av huset for å sørge for trykkompensasjon for huset.

13. System ifølge krav 9, hvor de tre akselerometrene er anordnet i det trykkkompensertehuset.

14. System ifølge krav 13, hvor hver akselerometerstang omfatter en reaktiv masse på stangen.