NO339563B1 - Seismisk sensorsystem med optisk akselerometer og inklinometer - Google Patents

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Oppfinnelsens felt

Oppfinnelsen vedrører generelt feltet optiske akselerasjons-og inklinasjonsfølende anordninger. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen optiske akselerometre og inklinometre som brukes til, men ikke er begrenset til, føling av seismisk energi.

Teknikkens stand

Optiske anordninger for å føle parametere som f eks akselerasjon, bevegelse og/eller trykk, brukes til blant annet føling av seismisk energi fra jordens undergrunn. Den seismiske energien kan forekomme naturlig, eller den kan overføres fra en seismisk energikilde i den hensikt å utføre seismisk refleksjonskartlegging. Deteksjon av seismisk energi kan omfatte deteksjon av trykk eller endringer i trykk, i en vannmasse. En sensor som brukes til å måle slike endringer av trykk, er kjent som en hydrofon. Deteksjon av seismisk energi omfatter også deteksjon av bevegelse på eller nær jordens overflate. Bevegelse kan detekteres ved bruk av anordninger som er kjent som geofoner. Geofonsignaler er relatert til bevegelseshastighet. Akselerometre som gir signaler som er relatert til den tidsderiverte av bevegelseshastigheten (akselerasjon), brukes også til å detektere seismisk energi. Inklinometere, som gir signaler relatert til den relative orienteringen til en anordning i forhold til jordens gravitasjonskraft, brukes til å generere data i lokasjonen til en anordning i forhold til horisontalplanet og andre sensorer i systemet. Sensorer som er kjent innen fagfeltet, som reagerer på de forannevnte fysiske parametrene, genererer et optisk signal som respons på fysiske parametere som detekteres. Det optiske signalet kan for eksempel være en endring i reflektert bølgelengde, en endring i fase eller et interferensmønster som reaksjon på endringer i de fysiske parametrene.

Generelt omfatter optiske sensorer som er kjent innen fagfeltet, en valgt lengde av optisk fiber festet til en anordning som endrer form som reaksjon på endringer i de fysiske parametrene som detekteres. Endring i anordningens form transformeres til en lengdeendring av den optiske fiberen. Lengdeendring av den optiske fiberen kan detekteres ved hjelp av en av et antall ulike optiske måleteknikker. Slike teknikker omfatter bølgelengdeendring for reflektert lys som et resultat av en bølgelengdeendring av et Bragg-gitter som er utformet i den optiske fiberen, eller optisk kopling av en lysstråle som sendes gjennom den optiske fiberen, med en lysstråle som overføres gjennom en annen optisk fiber, kjent som en «referansefiber». Referansefiberen kan anordnes slik at dens lengde forblir relativt uendret uavhengig av verdien av den fysiske parameteren. Lysstråler fra fiberen som er festet til anordningen, og referansefiberen, koples til et optisk interferometer. Et interferensmønster eller en faseendring i lyset generert i det optiske interferometeret, er relatert til lengdeendring av fiberen koplet til anordningen, og derved til den fysiske parameteren som måles. Utgangen av interferometeret er typisk koplet til en fotodetektor som generer et elektrisk signal som er relatert til amplituden av lyset som påtrykkes fotodetektoren.

En fiberoptisk hydrofon presenteres for eksempel i U.S. Patent No. 5,625,724 av Frederick et al. Hydrofonen som presenteres i '724 patentet, omfatter en referansefiber som er viklet rundt en stiv indre sylinder. Et kompakt lag av ettergivende materiale er påført over referansefiberen. Den følende armen til interferometeret er viklet over materiallaget som er påført over referansefiberen. Det ytre materialet er tilstrekkelig ettergivende til å gi akustisk følsomhet som er sammenliknbar med tilsvarende luftstøttede ("air-backed"-) hydrofoner. En annen fiberoptisk hydrofon presenteres i U.S. Patent No. 6,549,488 utstedt til Maas et el og overført til søker i foreliggende patentsøknad. En hydrofon i følge Maas et al '488 patentet omfatter en ettergivende følespindel som er anordnet koaksialt ved siden av en stiv referansespindel. En andre optisk fiber er viklet rundt referansespindelen. Den første og den andre optiske fiberen omfatter ulike armer av et interferometer. Fleksible tetningselementer, slik som 0-ringer, fester den ettergivende følespindelen til den stive referansespindelen. I en utførelse er en 0-ring anordnet på innsiden av følespindelen. Minst en del av støtteelementet er anordnet med avstand til følespindelen for å danne en forseglet kavitet mellom følespindelen og støtteelementet. Den forseglede kaviteten er fylt med luft eller en tilsvarende ettergivende substans.

U.S. Patent No. 5,369,485 gitt til Hofler et al, presenterer et optisk akselerometer der en elastisk plate og en forut-bestemt masse understøttes av et legeme for bøyning av platen på grunn av akselerasjon, sjokk, vibrasjon og forskyvning av legemet i en retning aksialt på platen. En slik plate eller et flertall av slike plater, er omviklet av et par flate spiraler av optisk fiber, der hver spiral er fast festet til en samsvarende side av platen slik at bøyning av platen forlenger en spiral på en plateside og forkorter en spiral på en annen plateside. Slike spiraler på motstående platesider er forbundet som motstående ben av et fiberoptisk interferometer, slik at interferometeret gir utgangsdata som tilsvarer amplituden til bøyningen. Et "dytt-trekk" («push-pull») par av spiralene kan anordnes på motsatt side i forhold til en termisk ledende plate for å minimalisere temperaturforskjellen mellom "dytt-trekk"- spiralparet. Et akselerometer i følge oppfinnelsen i Hofler et al patentet er konstruert med en plate som er understøttet sentralt, og som har massen fordelt rundt platens periferi. En slik konstruksjon hevdes å være fordelaktig for isolering fra monteringsbelastning, og for å tilveiebringe et flertall av koaksialt anordnede plater for økt følsomhet.

U.S. Patent No. 6,650,418 som er innvilget til Tweedy et al, presenterer en fiberoptisk sensor som omfatter en fleksible plate som har et par av fiberoptiske spoler anordnet på motstående sider og som er optisk koplet sammen for å danne et interferometer som gir et utgangssignal som respons på akselerasjon av den fleksible platen. Akselerometeret omfatter et hus som har første og andre endeplater med sidevegg som strekker seg mellom endeplatene. Sideveggen har et spor rettet innover, der ytre kantdel av den fleksible platen er festet. En trykkdemper er montert i huset og anordnet for å gi en trykkraft på den fleksible platen for å styre bevegelsen av denne som respons på akselerasjon av den bøyelige platen langs en føleakse og derved styre utgangssignalet.

U.S. Patent No. 6,575,033 som er gitt til Knudsen et al, presenterer et meget følsomt akselerometer som omfatter en masse understøttet av støtteelementer som vender mot hverandre, inne i et hus. Støtteelementene er vekselvis tvunnet rundt et par faste spindler og massen i et "dytt-trekk" arrangement. Minst en del av ett av støtteelementene omfatter optiske fiberspoler som støtteelementene for bruk i føleprosesser i interferometere.

Mer nylig har bevegelsessensorer som er følsomme i flere retninger ("multikomponent") sammen med i hovedsak sam-lokaliserte hydrofoner ("havbunnskabler med duale sensorer"), blitt brukt på bunnen av en vannmasse for marinseismisk kartlegging. Se for eksempel U.S. Patent No. 6,314,371 gitt til Monk, som presenterer en fremgangsmåte for å behandle data fra havbunnskabel med duale sensorer. Disse korrigerer for energiens innfallsvinkel, korrigerer for estimert reflektivitet, og kombinerer korrigerte seismiske sensortraser ved bruk av en optimal diversitetsskaleringsteknikk. I en utførelse tar den fremgangsmåten som presenteres, seismiske traser fra en geofon og en hydrofon, korrigerer geofontrasene for innfallsvinkel, bestemmer diversitetsfiltre for optimal kombinasjon av geofon- og hydrofontraser, anvender diversitetsfiltre, estimerer en reflektivitetskoeffisient for havbunnen (potensielt for ulike refleksjonsvinkler), skalerer geofondataene i henhold til reflektiviteten, og anvender diversitetsfiltrene på nytt for å oppnå en kombinert trase. I den kombinerte trasen forventes forskjellige artifakter å være eliminert inklusive "spøkelsessignaler" og gjenklang, og trasen forventes å ha et optimalt bestemt signal-til-støy-forhold.

Det er viktig at bevegelsessensorene generelt, og at sensorer brukt i havbunnskabler med duale sensorer spesielt, har god følsomhet, er relativt ufølsomme for støy og har god under-trykking av krysskomponentsignal (som betyr at bevegelsessensorene i hovedsak er ufølsomme for bevegelse langs en hvilken som helst annen retning enn den følsomme aksen.) Tilsvarende er det et stadig behov for bevegelses- og/eller akselerasjonssensorer som har forbedret følsomhet, redusert støy og redusert krysskomponentfølsomhet.

Oppsummering av oppfinnelsen

Et aspekt ved oppfinnelsen er et optisk akselerometer. Et akselerometer i følge dette aspektet ved oppfinnelsen, omfatter en plate (eller bjelke) og minst en optisk fiber festet til en side av platen slik at avbøyning av platen endrer en lengde av den optiske fiberen. Anordninger for å føle lengdeendringen i den optiske fiberen, er funksjonelt koplet til den minst ene fiberen.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen er et seismisk sensorsystem. Et system i følge dette aspektet ved oppfinnelsen, omfatter

minst to akselerometere. Hvert akselerometer omfatter en plate og minst en optisk fiber festet til en side av platen, slik at avbøyningen av platen endrer en lengde av den optiske fiberen. De minst to akselerometerene er orientert slik at de er

følsomme for akselerasjon i det minste delvis langs ortogonale retninger. Anordninger for å føle lengdeendringen av den optiske fiberen i hvert av akselerometerene, er funksjonelt koplet til hver fiber.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen er et gravitasjonsorienteringssystem. Et system i følge dette aspektet ved oppfinnelsen, omfatter tre akselerometere, der hvert akselerometer har en plate og mist en optisk fiber festet til en side av platen, slik at avbøyningen av platen endrer en lengde av den optiske fiberen. Hvert av de minst tre akselerometerene er orientert for å være følsomt for akselerasjon i det minste delvis langs ortogonale retninger. Den minst ene fiberen i hvert akselerometer omfatter et Bragg-gitter, slik at en orientering i forhold til jordens gravitasjon av en avbøyningsakse for hver plate, kan bestemmes ved måling av en bølgelengdeendring for lys reflektert av Bragg-gitteret. Ved på denne måten å måle lengdeendringen av Bragg-gitteret, kan en orientering i forhold til jordens gravitasjon av hvert akselerometer, og

derved systemet, bestemmes.

Andre aspekter og fordeler ved oppfinnelsen vil bli klare fra den følgende beskrivelsen og de vedheftede kravene.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et sideriss av en utførelse av et akselerometer i følge oppfinnelsen. Figur 2 viser et toppriss av akselerometeret vist i Figur 1. Figur 3 viser et sideriss av en annen utførelse av et akselerometer. Figur 4 viser en perspektivskisse av et seismisk multikomponent sensorsystem i følge et annet aspekt ved oppfinnelsen. Figur 5 viser en utførelse av et interferometer som brukes til å bestemme lengdeendring av fibere i forskjellige akselerometerutføreIser. Figur 5A viser et alternativt interferometerarrangement. Figur 6 viser en akselerometerplate understøttet ved begge ender i lengderetning. Figur 7 viser en spesiell utførelse av en akselerometerplate. Figur 8 viser en utførelse av et optisk deteksjonssystem brukt for å bestemme gravitasjonsorientering (inklinometre) til et akselerometer.

Figur 9 viser en alternativ utførelse av inklinometer.

Figur 10 viser utførelsen av inklinometer vist i Figur 9 slik det er montert i et sensorsystem i følge Figur 4. Figur 11 viser en alternativ utførelse av et inklinometer. Figur 11A viser en alternativ utførelse av et inklinometer som virker basert på et liknende prinsipp som anordningen som er vist i Figur 11. Figur 12 viser et eksempel på seismisk sensorsystem med multikomponenter omfattende inklinometere som vist i Figur 11.

Detaljert beskrivelse

Generelt virker akselerometere i følge forskjellige aspekter ved oppfinnelsen, basert på prinsippet angående avbøynings-plate, der platen (eller bjelken) typisk er understøttet ved sine ender i lengderetning. Det at platen understøttes ved sine ender i lengderetning, hindrer i vesentlig grad plate-avbøyning i noen retning på tvers av platens plan. Figur 1 viser en utførelse av en akselerometerplateenhet 10 omfattende en plate 12 som kan være laget av plast eller annet egnet materiale som utsettes for elastisk spenning under akselerasjon. Platen 12 har dimensjoner som er vist i Figur 1 ved 12X, som er lengden av den langsgående dimensjonen, og 12Z som er tykkelsesdimensjonen. Planet til platen 12 står på tvers av tykkelsesdimensjonen 12Z. Dimensjonene 12X og 12Z bør velges for å muliggjøre relativt fri bøyning i tykkelsesretningen 12Z, samtidig som den i vesentlig grad hindrer avbøyning av platen langs den langsgående dimensjonen 12X. Utførelsen vist i Figur 1 omfatter en optisk fiber 14 som er festet til en endeflate eller side av platen 12. Fiberen 14 kan festes til platen 12 ved liming eller tilsvarende teknikk.

I utførelsen i Figur 1 er det vist en andre optisk fiber 16

som er festet til den motsatte siden av platen 12. I det platen 12 avbøyes under akselerasjon langs retningen til tykkelsen 12Z, strekkes eller komprimeres de optiske fibrene 14, 16, avhengig av retningen på avbøyningen av platen 12. Strekkingen og komprimeringen av den ene fiberen 14, har motsatt retning i forhold til den andre fiberen 16 fordi de er anordnet på motsatte sider av platen 12. Slike arrangementer er kjent som "dytt-trekk" forbindelser av optiske fibere.

Et signal fra akselerometeret relatert til akselerasjonen dette utsettes for, genereres ved å bestemme en lengdeendring av den optiske fiberen 14, dersom bare en fiber brukes, eller av begge fiberer 14, 16. I praktiske utførelser kan måling av lengdeendringen av fiberen utføres ved hjelp av et optisk interferometer. De optiske forbindelsene og bruk av fibrene 14, 16 som del av et interferometer for å generere et akselerasjonsresponsivt signal, blir forklart nedenfor med henvisning til Figurene 5 og 5A. Det skal forstås at et akselerometer i følge oppfinnelsen krever kun en optisk fiber festet til den ene flaten eller den andre, av platen, slik som fiber 14 eller 16. Utførelsen med dualfiber i Figur 1 og 2 er ment å ha økt følsomhet i forhold til følsomheten som forventes av en utførelse med enkeltfiber.

Figur 2 viser et toppriss av akselerometerplateenheten 10. Platen 12 har en breddedimensjon 12Y. Som vist i Figur 2 kan den optiske fiberen 16 arrangeres rundt flaten av platen 12 i en generelt oval form for å maksimalisere mengden fiber som er anordnet langs den langsgående dimensjonen (12X i Figur 1), samtidig som graden av bøyning innen fiberen 16 minimaliseres for å redusere optiske tap i fiberen 16. Breddedimensjonen 12Y bør velges slik at platen 12 blir stiv nok langs bredderetningen til å motstå bøyning, men ikke for stor slik at det påføres noen merkbar grad av bøyning eller vridning av platen 12 ved akselerasjon på skrå.

En annen utførelse av en akselerometerplateenhet som er vist i

Figur 3, kan omfatte en reaktiv masse 18, 20 festet til en eller begge sider av platen 12, generelt plassert ved senter av denne. Massene 18, 20 øker graden av avbøyning av platen 12 under enhver gitt akselerasjonsmengde, og øker derved den generelle følsomheten til akselerometeret.

Et praktisk seismisk, multikomponent sensorsystem kan være laget av et flertall akselerometere slik det er forklart med referanse til Figurene 1 til 3. Figur 4 viser en utførelse av et slikt seismisk multikomponent sensorsystem. Systemet omfatter tre optiske akselerometere, 10X, 10Y, 10Z, som hver er orientert slik at deres følsomme retning står gjensidig vinkelrett på de to andre akselerometerene. Det at akselerometerene er gjensidig ortogonale, gjør det mulig å bestemme retningen som detektert seismisk energi kommer fra. Imidlertid må det forstås at gjensidig ortogonal orientering av akselerometerene i konstruksjonen av det seismiske sensorsystemet, er gjort av hensyn til hensiktsmessighet. Andre arrangementer av de følsomme aksene av akselerometerene, kan brukes i forskjellige utførelser samtidig som man opprett-holder evnen til å bestemme retning til kilden for seismisk energi.

Akselerometerene 10X, 10Y, 10Z kan være lukket inne i et vanntett hus 22 som er motstandsdyktig mot trykk, noe som gjør det mulig å senke systemet ned i væske. Dette vil være tilfelle når systemet brukes i et marinseismisk kartleggings-system eller i en permanent sensorinstallasjon slik som brukes på havbunnen eller i en borebrønn.

En utførelse av et optisk interferometer med tilhørende komponenter som brukes for å generere et akselerasjonsfølsomt signal fra plateavbøyning, er vist ved 29 i Figur 5. De optiske fibrene 14, 16 som er festet på motsatte sider av platen (12 i Figur 1), er hver vist optisk koplet ved en ende til en stråledeler 26 og ved den andre enden, til en kombinator. En lyskilde, slik som en laserdiode 24, er koplet til inngangen av stråledeleren 2 6 og forsyner laserlyset til hver fiber 14, 16. En fotodetektor 30 er koplet til utgangen av interferometeret 29, og produserer et elektrisk signal som tilsvarer det optiske signalet som genereres i interferometeret 29. Derved er avbøyningen av platen (12 i Figur 1) under akselerasjon langs tykkelsesdimensjonen (12Z i Figur 1), konvertert til et elektrisk signal. Avhengig av det spesielle arrangementet av et seismisk sensorsystem, kan laserdioden 24 og fotodetektoren 30 være anordnet nær akselerometeret/akselerometerene (12 i Figur 1). Andre utførelser kan imidlertid ha laserdioden og stråledeleren plassert nær ved interferometeret slik som i huset (22 i Figur 4). Det optiske interferometersystemet som er vist i Figur 5, er generelt kjent som et Mach-Zehnder interferometer.

Alternativt kan et Michelson interferometer brukes slik det er vist Figur 5A. Michelson interferometeret 29A lages ved å bytte ut kombinatoren (28 i Figur 5) med speil 31A og 31B ved de fjerntliggende endene av hver fiber 14, 16. Lys som passerer gjennom fibrene 14, 16, reflekteres tilbake av speilene 31A, 31B. Lyset som reflekteres tilbake, rekombineres i stråledeleren 26A slik at faseskiftet og/eller interferensmønsteret kan detekteres av fotodetektoren 30.

Andre typer interferometere kan brukes med forskjellige utførelser av akselerometer inklusive Fabry-Perot og Sagnac interferometere. I utførelser som bruker et Fabry-Perot interferometer, kan fiberen (enten 14 eller 16 i Figur 1) som er festet til den ene eller den motsatte siden av platen, utelates. Den gjenværende fiberen (16 eller 14 i Figur 1) kan omfatte et Bragg-gitter, der fiberen er festet til platen (12 i Figur 1) for å muliggjøre bestemmelse av lengdeendring av fiberen ved å måle bølgelengdendring av lys som reflekteres tilbake gjennom fiberen. Derfor er det spesielle interferometersystemet som brukes i forskjellige utførelser, ikke en begrensning av omfanget av oppfinnelsen. En spesiell applikasjon for et Bragg-gitter på en eller begge fibere 14, 16, vil bli forklart nedenfor med referanse til Figur 8.

Figur 6 viser et sideriss av platen 12 og støtteelementene 32 ved endene i lengderetning av platen 12. Ved å støtte opp platen 12 ved endene i lengderetning, og ved egnede dimensjoner (12X, 12Z i Figur 1 og 12Y i Figur 2), vil bøyning av platen 12 i hovedsak være begrenset til tykkelsesdimensjonen (12Z i Figur 1). Derved gir begrenset avbøyning av platen 12, akselerometerplateenheten (10 i Figur 1) en høy grad av krysskomponentundertrykking eller ufølsomhet. Initial vurdering av akselerometeret slik det er vist i Figur 1, indikerer en krysskomponentundertrykking på mer enn 30 dB.

Det er enkelt å forstå at å understøtte platen 12 stivt og fast i begge ender i lengderetning, kan gi en høy grad av krysskomponentundertrykking, men at det kan begrense graden av avbøyning av platen (og derved følsomhet) i tykkelsesretningen. Avbøyning av platen vil i slike tilfeller være begrenset fordi platen, dersom den er stift og fast under-støttet i begge ender, nødvendigvis vil måtte forlenges langs lengderetningen (12X i Figur 1). For å øke graden av avbøyning samtidig som høy krysskomponentundertrykking opprettholdes, kan et arrangement slik som det som er vist i Figur 7, brukes for å understøtte platen 12 i endene i lengderetning. Det kan lages monteringshull 13 for hodeskruer eller liknende, ved en ende. I den andre enden kan det være avlange åpninger 15 slik at under bøyning, når lengdedimensjonen vil være redusert i en tilsvarende grad, er den andre enden av platen 12 fri til å bevege seg i lengderetning, men i hovedsak ikke på tvers av denne.

Figur 8 viser en spesiell utførelse som kan brukes til å bestemme en orientering av et akselerometer i forhold til jordens gravitasjon, så vel som å gjøre akselerasjonsmålinger. En fiber 14A omfatter et Bragg-gitter 14B. Fiberen 14A kan være festet til en plate, i hovedsak slik det er forklart med referanse til Figur 1. En lyskilde 24A, slik som en laserdiode, er optisk koplet til en ende av fiberen 14A gjennom en stråledeler 25. Fiberen 14A kan omfatte et speil 17 ved sin andre ende. En fotodetektor 30 er koplet til den andre utgangen av stråledeleren 25. Utgangen av fotodetektoren 30 kan være koplet til en spektrumanalysator 31. Derved er bølgelengden av lyset som reflekteres av Bragg-gitteret 14B relatert til graden av forlengelse av Bragg-gitteret 14B. Akselerometeret kan brukes til å bestemme orienteringen av dette ved å kalibrere den reflekterte bølgelengden av Bragg-gitteret ved både null tyngdekraft og ved enhetstyngdekraft (100% tyngdekraft). Målinger av bølgelengden til det reflekterte lyset kan ved hjelp av velkjente trigonometriske sammenhenger relateres til orienteringen av akselerometeret i forhold til tyngdekraften.

I den foreliggende utførelsen kan akselerometeret kalibreres ved null tyngdekraft ved å orientere platen (12 i Figur 1) slik at tykkelsesdimensjonen, eller avbøyningen, av platen (12Z i Figur 1) er orientert på tvers av jordens tyngdekraft. En bølgelengde av lys som reflekteres fra Bragg-gitteret 14B, måles av spektrumanalysatoren 31. Så orienteres platen slik at dens avbøyningsretning (12Z i Figur 1) innrettes direkte langs jordens gravitasjon, og bølgelengden av lys som reflekteres fra Bragg-gitteret 14B måles igjen. Bølgelengden av lys som reflekteres av Bragg-gitteret 14B vil endres når fiberen 14A forlenges av avbøyning av platen med påfølgende forlengelse av Bragg-gitteret 14B. Den relative orienteringen til akselerometeret i forhold til jordens tyngdekraft vil derved være relatert til lysbølgelengden som reflekteres fra Bragg-gitteret 14B. De optiske komponentene som er beskrevet med referanse til Figur 8, kan være omfattet som en separat fiber i ethvert spesielt akselerometer, eller, som vist i Figur 8, kan være omfattet i den samme fiberen som brukes i akselerometersensoren.

I et multikomponent sensorsystem slik som vist i Figur 4, kan hvert av tre gjensidig ortogonale akselerometere omfatte en fiber med et Bragg-gitter. Assosierte optiske komponenter kan brukes for å muliggjøre bestemmelse av en lengdeendring av gitteret, slik det er vist i Figur 9. I utførelsen i Figur 9 kan en enkelt optisk fiber 33 omfatte tre separate Bragg-gittere 35, 37, 39. Hvert Bragg-gitter 35, 37, 39 vil forlenges og derved reflektere en spesiell lysbølgelengde, avhengig av orienteringen i forhold til jordens gravitasjon av den tilsvarende akselerometerplaten. Derved kan orienteringen av sensorsystemet utledes ved måling av bølgelengden på utgangen av Bragg-gitteret til hver av de tre gitterene 35, 37, 39, og derved orienteringen til hvert akselerometer i forhold til gravitasjonen. Orienteringen til hele sensorsystemet i forhold til tyngdekraften, kan bestemmes fra de tre individuelle målingene av tyngdekraftkomponenter ved hjelp av akselerometerene, og bruk av velkjente geometriske sammenhenger. Noen utførelser av akselerometerplaten i følge utførelsen i Figur 9, kan omfatte en eller flere reaktive masser koplet til denne, slik som vist i Figur 3.

Figur 10 viser enkeltfiberutførelsen av inklinometeret i Figur 9, der hvert Bragg-gitter 35, 37, 39 i fiberen 33 er festet til en samsvarende en av akselerometerplatene 12Y, 12Z, 12X. Hver plate 12Y, 12X, 12Z vil avbøyes i samsvar med orienteringen av hver plate i forhold til jordens gravitasjon. Dersom en spesiell plate står på tvers av tyngdekraften, vil dens avbøyning grunnet tyngdekraften være i hovedsak null. Maksimal avbøyning, og tilsvarende lengdeendring av det assosierte Bragg-gitteret, vil forekomme når en akselerometerplates avbøyningsretning i hovedsak er innrettet langs jordens tyngdekraft. Orienteringen kan utledes ved hjelp av velkjente formeler som anvender målinger av ortogonale komponenter av jordens tyngdekraft. I utførelsen i Figur 10 kan akselerometerplatene være orientert i hovedsak ortogonalt. Andre utførelser kan omfatte en separat fiber for hvert Bragg-gitter, eller de kan omfatte et Bragg-gitter på de samme følefibrene som brukes i en eller flere typer av interferometer, for å føle seismisk energi slik det er forklart med referanse til Figurene 1-4.

En annen utførelse av et inklinometer 50, som er vist i Figur 11, kan frembringe økt belastning på et fiber-Bragg-gitter i forhold til jordens gravitasjonskraft ved å belaste fiber-Bragg-gitteret med masse direkte. Slik direkte belastning kan øke nøyaktigheten til målingen av avbøyningen. Slikt som vist i Figur 11, gjør lineære lagre eller en annen begrensnings-anordning med høy presisjon 47, det mulig for masser 42, 43 å skli langs en ramme eller stav 40 som resultat av kraften som skapes av jordens gravitasjon. Kopling av en fiber 44 med et Bragg-gitter til lagre 47 og derved operativt til massene 42, 43, samt introduksjon av et fast anslag eller slagbegrenser 41 til hver ende av delen av staven 40 som tillater bevegelse av masse, muliggjør at Bragg-gitteret kan belastes med en hvilken som helst av de to massene 43, 42 uavhengig av orienteringen til anordningen i forhold til gravitasjonen. For eksempel, med orientering som vist i Figur 11, stoppes den øvre massen 42 av slagbegrenseren 41, mens den nedre massen 43 kan beveges når den påvirkes av gravitasjonen, slik at den belaster fiberen 44. Dersom akselerometeret dreies slik at den nedre massen 43 befinner seg over den øvre massen 42, vil den nedre massen 43 stoppes av slagbegrenseren 41, og den øvre massen 42 vil bevege seg når den påvirkes av tyngdekraften. Det å trekke direkte i fiberen 44, som vist i Figur 11, kan medføre mer belasting på Bragg-gitteret 45 og skape et større faselengdeskift. På grunn av at massene 42, 43 beveger seg langs staven 40 på lineære lagre, forhindres massene 42, 43 i det vesentlige å bevege seg andre steder enn langs staven 40. Ved å begrense bevegelse av massene 42, 43 til langs staven 40, er inklinometeret i hovedsak følsomt kun for den akselerasjonskomponenten (f eks jordens gravitasjon) som virker langs lengden av staven, og har derved høy krysskomponentundertrykking. Inklinometeret 50 som er vist i Figur 11, kan kalibreres på i hovedsak samme måte som forklart ovenfor med referanse til Figur 9.

Et alternativt arrangement av et inklinometer som generelt virker basert på samme prinsipp som anordningen som er vist i

Figur 11, er vist skjematisk i Figur 11A. En masse 42A er hengt opp langs en stav 40A ved hjelp av lineære lagre 47A slik at massen 42A kan bevege seg langs retningen av staven 40A, men i det vesentlige er hindret fra bevegelse i noen annen retning. En optisk fiber 44A med et Bragg-gitter 45A er koplet til massen 42A slik at massen 42A er anordnet langs fiberen 44A mellom to fiberopphengningspunkter 44B. Når tyngekraften virker på massen 42A, trekker den i fiberen 44A og forårsaker at dennes lengde endres, noe som kan detekteres ved endring i lysrefleksjonsbølgelengden til Bragg-gitteret 45A. Når det gjelder prinsipper for operasjon og kalibrering, opererer anordningen vist i Figur 11A i hovedsak på liknende måte som anordningen vist i Figur 11. Utførelsen som er vist i Figur 11A, har den fordelen at den kan opereres i enhver retning i forhold til tyngdekraften ved bruk av kun en enkelt masse og at den ikke krever noen slagbegrenser slik anordningen som er vist i Figur 11, gjør. Figur 12 viser en utførelse av et seismisk multikomponent sensorsystem som omfatter tre gjensidig ortogonale inklinometere 50X, 50Y, 50Z og tre gjensidig ortogonale akselerometere 10X, 10Y, 10Z. Systemet i Figur 12 er basert på tilsvarende operativt prinsipp som det som er vist i Figur 10. Inklinometerene 50X, 50Y, 50Z er imidlertid av den typen som er forklart med referanse til Figur 11. Henvisningstegnene X, Y og Z viser til de individuelle følsomme aksene av sensorsystemet, som konvensjonelt merkes slik at akser som vanligvis er anordnet horisontalt er X og Y, og den vertikalt anordnede aksen er Z. Systemet kan anordnes i et vanntett hus 22 som tilfellet er for andre utførelser, slik det er forklart med referanse til Figur 4 og Figur 10.

Optiske akselerometere, optiske inklinometere, og sensor-systemer laget med akselerometere i følge oppfinnelsen, kan gi forbedret følsomhet, forbedret krysskomponentundertrykking og forbedret pålitelighet i forhold til elektriske og optiske akselerometere som er kjent innen fagområdet.

Claims (10)

1. Gravitasjonsorienteringssystem, omfattende: tre akselerometere, der hvert akselerometer omfatter en plate og minst en optisk fiber som er festet til en side av platen slik at avbøyningen av platen endrer en lengde av den optiske fiberen, der de minst tre akselerometerene er orientert for å være følsomme for akselerasjon i det minste delvis langs gjensidig ortogonale retninger; og et Bragg-gitter på den minst ene optiske fiberen i hvert akselerometer; og innretning for å måle endringen i bølgelengde av lys som reflekteres av hvert Bragg-gitter, slik at en orientering i forhold til jordens gravitasjon av en avbøyningsakse av hver plate kan bestemmes ved måling av en bølgelengdeendring av lys som reflekteres av Bragg-gitteret, slik at en orientering av systemet i forhold til jordens gravitasjon kan bestemmes.

2. System i følge krav 1, der tre akselerometere er gjensidig ortogonale.

3. System i følge krav 1, der hver akselerometerplate omfatter en reaktiv masse på denne.

4. System i følge krav 1, der hver plate understøttes i begge ender i lengderetning av denne, der minst en ende i lengderetning er understøttet slik at langsgående bevegelse muliggjøres når hver plate avbøyes.

5. Gravitasjonsorienteringssensor, omfattende: minst en optisk fiber som har et Bragg-gitter, der fiberen er operativt koplet til en masse, der massen er montert i en ramme slik at orienteringen av rammen i forhold til jordens gravitasjon gjør det mulig for jordens gravitasjon å virke tilsvarende på massen, der den operative koplingen av fiberen til massen er arrangert slik at en bølgelengdeendring av lys reflektert fra gitteret i fiberen, tilsvarer virkningen av jordens gravitasjon på massen; og innretning for å måle en bølgelengdeendring eller periode av Bragg-gitteret.

6. Sensor i følge krav 5, der massen er opphengt på rammen ved bruk av lineære lagre.

7. Sensor i følge krav 5, videre omfattende en slagbegrenser anordnet på rammen slik at virkningen av jordens gravitasjon vil resultere i samsvarende lengdeendring av Bragg-gitteret uavhengig av orientering av rammen i forhold til gravitasjon.

8. Sensor i følge krav 5, videre omfattende: tre rammer som er orientert i hovedsak ortogonalt; tre masser som hver er operativt koplet til en respektiv en av rammene slik at jordens gravitasjon virker på hver masse i forhold til orientering av den tilhørende rammen i forhold til gravitasjonen, der massene er innrettet for å bevege seg i hovedsak lineært langs en tilsvarende ramme; et Bragg-gitter som er operativt koplet til hver masse; og innretninger for å måle en lengdeendring av hvert Bragg-gitter .

9. Sensor i følge krav 8, der de tre Bragg-gitterene er dannet på en enkelt optisk fiber.

10. Multikomponent seismisk sensorsystem, omfattende: tre akselerometere, der hvert akselerometer omfatter en plate og minst en optisk fiber som er festet til en side av platen, slik at avbøyning av platen endrer en lengde av den optiske fiberen, og der de tre akselerometerene er orientert for å være følsomme for akselerasjon i det minste delvis langs gjensidige ortogonale retninger; innretning for å føle lengdeendringen av den optiske fiberen i hvert av akselerometerene; tre rammer som hver har en retning som i hovedsak er rettet inn langs en følsom retning for ett av akselerometerene; tre masser som hver er operativt koplet til en respektiv en av rammene slik at jordens gravitasjon virker på hver masse i forhold til orientering av den tilsvarende rammen i forhold til gravitasjon, og der massene er anordnet for å bevege seg i hovedsak lineært langs en samsvarende ramme; et Bragg-gitter som er operativt koplet til hver masse; og innretning for å måle en lengdeendring av hvert Bragg-gitter.