一种超声三分量探头、检测超声三分量的方法和装置与流程

本发明涉及光学领域和地震勘探领域，尤指一种超声三分量探头、检测超声三分量的方法和装置。

背景技术：

随着近十年来石油天然气勘探开发工作的不断发展，地震物理模型越来越被广泛的应用于地质结构的模拟。通过将野外的地质结构按照一定的模拟相似比制成地质模型，并利用超声波对野外地震勘探进行正演模拟，从而大幅度降低石油天然气的开采成本及难度。此外，随着油气勘探的逐步深入，多波地震采集技术也越来越受重视，而多波采集技术的核心器件是三分量检波器。目前，在物理模型研究中，使用最广泛的是压电陶瓷(PZT，Piezoelectric Transducer)超声传感器。这类PZT传感器响应带宽窄，易受电磁干扰，且探测灵敏度跟探测面积成正比，导致其尺寸大，定位精度低。

光纤光栅传感器是近年来研究较多的一种新型传感器，具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻等优点，具有广泛的应用前景。然而研究表明，光纤光栅传感器的超声频率响应带宽与光栅长度成反比，而由于光纤光栅传感器采用的普通光纤光栅的光栅长度一般比较长，从而限制了超声频率响应带宽，为了提高超声频率响应带宽，可通过适当减小光栅长度，但减小光栅长度是以降低光纤光栅的反射率和频谱宽度为代价的，削弱了光纤光栅的强度灵敏度。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种超声三分量探头、检测超声三分量的方法和装置，能够在保证光纤光栅的强度灵敏度的前提下，提高超声频率响应带宽。

本发明实施例提供了一种超声三分量探头，包括：

探头框架、设置在探头框架中的第一相移光纤光栅、第二相移光纤光栅和第三相移光纤光栅；

其中，第一相移光纤光栅设置在探头框架的中心轴，第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅之间的夹角为α，第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅之间的夹角为β，第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅构成的第一平面与第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅构成的第二平面互相垂直；α大于0且小于或等于90°，β大于0且小于或等于90°。

可选的，所述第一相移光纤光栅或所述第二相移光纤光栅或所述第三相移光纤光栅为π相移光纤光栅。

可选的，所述第一相移光纤光栅或所述第二相移光纤光栅或所述第三相移光纤光栅通过钻孔插入所述探头框架的底端，并通过预设材料封装在所述探头框架中；

其中，预设材料的超声阻抗与所述探头框架的材料的超声阻抗之间的差值的绝对值小于或等于第一预设阈值。

可选的，所述探头框架为平底圆锥结构。

可选的，所述探头框架的底端直径小于或等于第二预设阈值。

可选的，所述探头框架的材料为对超声损耗小的材料。

可选的，所述α和所述β相等。

可选的，所述α和所述β均为30度。

本发明实施例还提出了一种检测超声三分量的方法，包括：

第一窄线宽激光器产生第一光信号，并将第一光信号发送给第一转发器；第一转发器将第一光信号入射到上述任意一个超声三分量探头中的第一相移光纤光栅上，并将经第一相移光纤光栅反射的第一反射光信号发送给第一光电探测器，第一光电探测器将第一反射光信号转换成第一电压信号；其中，第一光信号的波长为第一相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第二窄线宽激光器产生第二光信号，并将第二光信号发送给第二转发器；第二转发器将第二光信号入射到上述任意一个超声三分量探头中的第二相移光纤光栅上，并将经第二相移光纤光栅反射的第二反射光信号发送给第二光电探测器，第二光电探测器将第二反射光信号转换成第二电压信号；其中，第二光信号的波长为第二相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第三窄线宽激光器产生第三光信号，并将第三光信号发送给第三转发器；第三转发器将第三光信号入射到上述任意一个超声三分量探头中的第三相移光纤光栅上，并将经第三相移光纤光栅反射的第三反射光信号发送给第三光电探测器，第三光电探测器将第三反射光信号转换成第三电压信号；其中，第三光信号的波长为第三相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

采集模块采集第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号；

处理模块根据第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号计算待检测超声信号的三个分量信号；

其中，待检测超声信号作用在第一相移光纤光栅、第二相移光纤光栅和第三相移光纤光栅上。

可选的，所述处理模块根据第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号计算待检测超声信号的三个分量信号包括：

所述处理模块按照公式P＝F₃计算所述待检测超声信号的纵波信号；

所述处理模块按照公式计算所述待检测超声信号的第一正交方向剪切波信号；

所述处理模块按照公式计算所述待检测超声信号的第二正交方向剪切波信号；

其中，P为所述纵波信号，S₁为所述第一正交方向剪切波信号，S₂为所述第二正交方向剪切波信号，F₁为所述第二电压信号，F₂为所述第三电压信号，F₃为所述第一电压信号，α为第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅之间的夹角，β为第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅之间的夹角。

本发明实施例还提出了一种检测超声三分量的装置，包括：

第一窄线宽激光器，用于产生第一光信号，并将第一光信号发送给第一转发器；其中，第一光信号的波长为第一相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第二窄线宽激光器，用于产生第二光信号，并将第二光信号发送给第二转发器；其中，第二光信号的波长为第二相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第三窄线宽激光器，用于产生第三光信号，并将第三光信号发送给第三转发器；其中，第三光信号的波长为第三相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第一转发器，用于将第一光信号入射到上述任意一个超声三分量探头中的第一相移光纤光栅上，并将经第一相移光纤光栅反射的第一反射光信号发送给第一光电探测器；

第二转发器，用于将第二光信号入射到上述任意一个超声三分量探头中的第二相移光纤光栅上，并将经第二相移光纤光栅反射的第二反射光信号发送给第二光电探测器；

第三转发器，用于将第三光信号入射到上述任意一个超声三分量探头中的第三相移光纤光栅上，并将经第三相移光纤光栅反射的第三反射光信号发送给第三光电探测器；

第一光电探测器，用于将第一反射光信号转换成第一电压信号；

第二光电探测器，用于将第二反射光信号转换成第二电压信号；

第三光电探测器，用于将第三反射光信号转换成第三电压信号；

采集模块，用于采集第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号；

处理模块，用于根据第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号计算待检测超声信号的三个分量信号；

其中，待检测超声信号作用在第一相移光纤光栅、第二相移光纤光栅和第三相移光纤光栅上。

可选的，所述处理模块具体用于：

按照公式P＝F₃计算所述待检测超声信号的纵波信号；

按照公式计算所述待检测超声信号的第一正交方向剪切波信号；

按照公式计算所述待检测超声信号的第二正交方向剪切波信号；

其中，P为所述纵波信号，S₁为所述第一正交方向剪切波信号，S₂为所述第二正交方向剪切波信号，F₁为所述第二电压信号，F₂为所述第三电压信号，F₃为所述第一电压信号，α为第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅之间的夹角，β为第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅之间的夹角。

与相关技术相比，本发明实施例包括：探头框架、设置在探头框架中的第一相移光纤光栅、第二相移光纤光栅和第三相移光纤光栅；其中，第一相移光纤光栅设置在探头框架的中心轴，第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅之间的夹角为α，第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅之间的夹角为β，第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅构成的第一平面与第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅构成的第二平面互相垂直；α大于0且小于或等于90°，β大于0且小于或等于90°。通过本发明实施例的方案，采用相移光纤光栅实现超声三分量探头，由于相移光纤光栅在减小光纤光栅的光栅长度的同时，强度灵敏度也得到大幅度的提高，因此，本发明实施例的超声三分量探头在保证光纤光栅的强度灵敏度的前提下，提高了超声频率响应带宽。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1(a)为本发明第一实施例超声三分量探头的主视图；

图1(b)为本发明第一实施例超声三分量探头的左视图；

图1(c)为本发明第一实施例超声三分量探头的俯视图；

图2为本发明第一实施例三个相移光纤光栅的位置关系示意图；

图3为本发明第二实施例检测超声三分量的方法的流程图；

图4为本发明第三实施例检测超声三分量的装置的结构组成示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

参见图1(a)～图1(c)，本发明第一实施例提出了一种超声三分量探头，包括：

探头框架1、设置在探头框架1中的第一相移光纤光栅2、第二相移光纤光栅3和第三相移光纤光栅4。

其中，第一相移光纤光栅2设置在探头框架1的中心轴，第一相移光纤光栅2和第二相移光纤光栅3之间的夹角为α，第一相移光纤光栅2和第三相移光纤光栅4之间的夹角为β，第一相移光纤光栅2和第二相移光纤光栅3构成的第一平面与第一相移光纤光栅2和第三相移光纤光栅4构成的第二平面互相垂直；α大于0，β大于0。

其中，第一相移光纤光栅2对超声三分量的纵波敏感，第二相移光纤光栅3对纵波和x方向的剪切波敏感，第三相移光纤光栅4对纵波和y方向的剪切波敏感。

其中，xy平面为与第一相移光纤光栅2垂直的平面，x方向为由第一相移光纤光栅2指向第三相移光纤光栅4的方向，y方向为由第一相移光纤光栅2指向第二相移光纤光栅3的方向，如图2所示。

其中，第一相移光纤光栅2、第二相移光纤光栅3和第三相移光纤光栅4的延长线交于一点。

可选的，第一相移光纤光栅2或第二相移光纤光栅3或第三相移光纤光栅4可以采用任意一种相移光纤光栅，例如，π相移光纤光栅。相移光纤光栅是在普通光纤光栅中引入某一相位的跃变，使透射光谱的阻带产生一个较窄线宽的透射窗口，在减小光纤光栅的光栅长度的同时，强度灵敏度也得到大幅度的提高。π相移光纤光栅是在普通光纤光栅中引入π相位的跃变，因此，π相移光纤光栅是透射窗口最窄，超声响应频谱宽度最大，强度灵敏度最大的相移光纤光栅。

可选的，第一相移光纤光栅2或第二相移光纤光栅3或第三相移光纤光栅4通过钻孔插入探头框架1的底端，并通过预设材料封装在探头框架1中；

其中，预设材料的超声阻抗与探头框架1的材料的超声阻抗之间的差值的绝对值小于或等于第一预设阈值。

其中，由于第一相移光纤光栅2、第二相移光纤光栅3和第三相移光纤光栅4的直径为250微米(μm)，因此，钻孔的直径只要大于相移光纤光栅的直径就可以，然而，受限于当前的工艺，钻孔的最小直径为2毫米(mm)。

可选的，预设材料可以是环氧树脂等。

可选的，探头框架1可以是任意形状，探头框架1的底端面积越小，超声检测定位精度越高。例如，图1(a)～图1(c)中，探头框架1采用平底圆锥结构。

可选的，探头框架1的底端直径小于或等于第二预设阈值。例如，探头框架1的底端直径为1厘米(cm)，探头框架1的顶端直径为6cm，斜边长度为5cm。

可选的，探头框架的材料为对超声损耗小的材料，例如，铝合金材料。

可选的，α和β可以取0°到90°之间的任意角度，可以相等，也可以不相等。例如，α和β均为30度。

通过本发明第一实施例的方案，采用相移光纤光栅实现超声三分量探头，由于相移光纤光栅在减小光纤光栅的光栅长度的同时，强度灵敏度也得到大幅度的提高，因此，本发明第一实施例的超声三分量探头在保证光纤光栅的强度灵敏度的前提下，提高了超声频率响应带宽。

参见图3，本发明第二实施例提出了一种检测超声三分量的方法，包括：

步骤300、第一窄线宽激光器产生第一光信号，并将第一光信号发送给第一转发器；第一转发器将第一光信号入射到超声三分量探头中的第一相移光纤光栅上，并将经第一相移光纤光栅反射的第一反射光信号发送给第一光电探测器，第一光电探测器将第一反射光信号转换成第一电压信号。

本步骤中，第一光信号的波长为第一相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个。

本步骤中，第一转发器可以采用光纤环形器实现，也可以采用隔离器加耦合器实现。

步骤301、第二窄线宽激光器产生第二光信号，并将第二光信号发送给第二转发器；第二转发器将第二光信号入射到超声三分量探头中的第二相移光纤光栅上，并将经第二相移光纤光栅反射的第二反射光信号发送给第二光电探测器，第二光电探测器将第二反射光信号转换成第二电压信号。

本步骤中，第二光信号的波长为第二相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个。

本步骤中，第一转发器可以采用光纤环形器实现，也可以采用隔离器加耦合器实现。

步骤302、第三窄线宽激光器产生第三光信号，并将第三光信号发送给第三转发器；第三转发器将第三光信号入射到超声三分量探头中的第三相移光纤光栅上，并将经第三相移光纤光栅反射的第三反射光信号发送给第三光电探测器，第三光电探测器将第三反射光信号转换成第三电压信号。

本步骤中，第三光信号的波长为第三相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个。

本步骤中，第一转发器可以采用光纤环形器实现，也可以采用隔离器加耦合器实现。

步骤303、采集模块采集第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号。

步骤304、处理模块根据第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号计算待检测超声信号的三个分量信号。包括：

处理模块按照公式P＝F₃计算待检测超声信号的纵波信号；

处理模块按照公式计算待检测超声信号的第一正交方向剪切波信号；

处理模块按照公式计算待检测超声信号的第二正交方向剪切波信号；

其中，P为纵波信号，S₁为第一正交方向(即图2中的y方向)剪切波信号，S₂为第二正交方向(即图2中的x方向)剪切波信号，F₁为第二电压信号，F₂为第三电压信号，F₃为第一电压信号，α为第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅之间的夹角，β为第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅之间的夹角。

上述方法中，待检测超声信号作用在第一相移光纤光栅、第二相移光纤光栅和第三相移光纤光栅上。

通过本发明第二实施例的方法，采用包括相移光纤光栅的超声三分量探头实现对超声三分量的检测，由于相移光纤光栅在减小光纤光栅的光栅长度的同时，强度灵敏度也得到大幅度的提高，从而在保证光纤光栅的强度灵敏度的前提下，提高了超声频率响应的响应带宽，因此，本发明第二实施例的方法实现了对较大的带宽范围内的超声三分量的检测，并且，探头的底端接触面较小，定位精度高。

参见图4，本发明第三实施例提出了一种检测超声三分量的装置，包括：

第一窄线宽激光器1，用于产生第一光信号，并将第一光信号发送给第一转发器；其中，第一光信号的波长为第一相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第二窄线宽激光器2，用于产生第二光信号，并将第二光信号发送给第二转发器；其中，第二光信号的波长为第二相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第三窄线宽激光器3，用于产生第三光信号，并将第三光信号发送给第三转发器；其中，第三光信号的波长为第三相移光纤光栅的光谱半高宽位置对应的波长中的一个；

第一转发器4，用于将第一光信号入射到超声三分量探头7中的第一相移光纤光栅7-3上，并将经第一相移光纤光栅7-3反射的第一反射光信号发送给第一光电探测器8；

其中，第一转发器4可以是光纤环形器，光纤环形器包括三个端口，端口4-1与第一窄线宽激光器1连接，第一光信号入射到端口4-1，从端口4-2输出并入射到第一相移光纤光栅7-3上；第一反射光信号从端口4-2入射，从端口4-3输出并入射到第一光电探测器8。

第一转发器4也可以是耦合器，这种情况下第一窄线宽激光器1和耦合器之间需增加隔离器使得第一反射光信号无法进入到第一窄线宽激光器1中，从而对第一窄线宽激光器1起到保护的作用。

耦合器同样包括三个端口，输入端口4-2、输出端口4-1和输出端口4-3。输出端口4-1与第一窄线宽激光器1连接，第一光信号入射到输出端口4-1，从输入端口4-2输出并入射到第一相移光纤光栅7-3上；第一反射光信号从输入端口4-2入射，从输出端口4-3输出并入射到第一光电探测器8。

第二转发器5，用于将第二光信号入射到超声三分量探头7中的第二相移光纤光栅7-2上，并将经第二相移光纤光栅7-2反射的第二反射光信号发送给第二光电探测器9；

其中，第二转发器5可以是光纤环形器，光纤环形器包括三个端口，端口5-1与第二窄线宽激光器2连接，第二光信号入射到端口5-1，从端口5-2输出并入射到第二相移光纤光栅7-2上；第二反射光信号从端口5-2入射，从端口5-3输出并入射到第二光电探测器9。

第二转发器5也可以是耦合器，这种情况下第二窄线宽激光器2和耦合器之间需增加隔离器使得第二反射光信号无法进入到第二窄线宽激光器2中，从而对第二窄线宽激光器2起到保护的作用。

耦合器同样包括三个端口，输入端口5-2、输出端口5-1和输出端口5-3。输出端口5-1与第二窄线宽激光器2连接，第二光信号入射到输出端口5-1，从输入端口5-2输出并入射到第二相移光纤光栅7-2上；第二反射光信号从输入端口5-2入射，从输出端口5-3输出并入射到第二光电探测器9。

第三转发器6，用于将第三光信号入射到超声三分量探头7中的第三相移光纤光栅7-1上，并将经第三相移光纤光栅7-1反射的第三反射光信号发送给第三光电探测器10；

其中，第三转发器6可以是光纤环形器，光纤环形器包括三个端口，端口6-1与第三窄线宽激光器3连接，第三光信号入射到端口6-1，从端口6-2输出并入射到第三相移光纤光栅7-1上；第三反射光信号从端口6-2入射，从端口6-3输出并入射到第三光电探测器10。

第三转发器6也可以是耦合器，这种情况下第三窄线宽激光器3和耦合器之间需增加隔离器使得第三反射光信号无法进入到第三窄线宽激光器3中，从而对第三窄线宽激光器3起到保护的作用。

耦合器同样包括三个端口，输入端口6-2、输出端口6-1和输出端口6-3。输出端口6-1与第三窄线宽激光器3连接，第三光信号入射到输出端口6-1，从输入端口6-2输出并入射到第三相移光纤光栅7-1上；第三反射光信号从输入端口6-2入射，从输出端口6-3输出并入射到第三光电探测器10。

第一光电探测器8，用于将第一反射光信号转换成第一电压信号；

第二光电探测器9，用于将第二反射光信号转换成第二电压信号；

第三光电探测器10，用于将第三反射光信号转换成第三电压信号；

采集模块11，用于采集第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号；

处理模块12，用于根据第一电压信号、第二电压信号和第三电压信号计算待检测超声信号的三个分量信号；

其中，待检测超声信号作用在第一相移光纤光栅、第二相移光纤光栅和第三相移光纤光栅上。

可选的，处理模块具体用于：

按照公式P＝F₃计算待检测超声信号的纵波信号；

按照公式计算待检测超声信号的第一正交方向剪切波信号；

按照公式计算待检测超声信号的第二正交方向剪切波信号；

其中，P为纵波信号，S₁为第一正交方向剪切波信号，S₂为第二正交方向剪切波信号，F₁为第二电压信号，F₂为第三电压信号，F₃为第一电压信号，α为第一相移光纤光栅和第二相移光纤光栅之间的夹角，β为第一相移光纤光栅和第三相移光纤光栅之间的夹角。

上述装置中，第一窄线宽激光器1、第一转发器4、第一光电探测器8的工作波长视第一相移光纤光栅7-3的光谱半高宽位置对应的波长而定。例如，当第一相移光纤光栅7-3的光谱半高宽位置对应的波长在1550纳米(nm)附近时，可以使第一窄线宽激光器1在波长范围1540nm～1560nm内可调谐，第一转发器4工作在1550nm附近，第一光电探测器8的响应波长范围为800nm～1800nm。

第二窄线宽激光器2、第二转发器5、第二光电探测器9的工作波长视第二相移光纤光栅7-2的光谱半高宽位置对应的波长而定。例如，当第二相移光纤光栅7-2的光谱半高宽位置对应的波长在1550nm附近时，可以使第二窄线宽激光器2在波长范围1540nm～1560nm内可调谐，第二转发器5工作在1550nm附近，第二光电探测器9的响应波长范围为800nm～1800nm。

第三窄线宽激光器3、第三转发器6、第三光电探测器10的工作波长视第三相移光纤光栅7-1的光谱半高宽位置对应的波长而定。例如，当第三相移光纤光栅7-1的光谱半高宽位置对应的波长在1550nm附近时，可以使第三窄线宽激光器3在波长范围1540nm～1560nm内可调谐，第三转发器6工作在1550nm附近，第三光电探测器10的响应波长范围为800nm～1800nm。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。