专利名称：压力补偿的光学加速计、光学倾斜计和地震传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及光学加速度和倾斜传感装置的领域。更具体地说，本发明涉及用于(但不限于)感测地震能量的光学加速计和倾斜计。
背景技术：
用于测量参数(比如加速度、运动和/或压力)的光学传感装置被用于其他许多目的之外还用来探测来自地球地表下的地震能量。地震能量可能是正在自然发生的，或者可能是出于实施反射地震勘探目的而由地震能量源传进地球的。探测地震能量可包括探测水体中的压力、或压力相对时间的变化。用来测量这种压力变化的传感器被称为水听器。探测地震能量还包括探测地球表面之上或近地表面的运动。可以使用被称为地震检波器或加速计的装置来探测运动。地震检波器信号与运动的速度有关。加速计产生与运动速度的时间导数(加速度)有关的信号。产生与相对于地心引力方向的装置的相对取向有关的信号的倾斜计有时与其他传感器结合用来确定于倾斜计相关联的任何装置的地心引力取向。
本领域已知的、对前述物理参数产生响应的传感器根据探测的物理参数生成光学信号。光学信号可以是比如反射的波长的变化、相位的变化或者是响应物理参数变化的干涉图案。
通常，本领域已知的光学传感器包括被固定到响应被探测的物理参数变化而改变形状的装置上的选定长度的光纤。装置形状的改变被转换成光纤长度的变化。光纤长度的变化可通过多种不同光学测量技术中的一种来探测。这样的技术包括作为在光纤中形成的布拉格光栅的波长变化的结果的反射的光波长的变化，或者是传过光纤的光束和传过被称为“基准光纤”的另一条光纤的光束的光耦合。基准光纤可被设置以使其长度保持基本不变而不用考虑物理参数的值。来自被固定到装置上的光纤以及基准光纤的光束在光学干涉仪中耦合。在光学干涉仪中生成的光束的干涉图案或相位变化与耦合至装置的光纤长度变化有关，并因此与正被测量的物理参数有关。一般地，干涉仪的输出被耦合至光电探测器，光电探测器生成与被施加于光电探测器的光幅度有关的电信号。
纤维光学水听器在比如颁发给Frederick等人的美国专利No.5,625,724中被公开。在Frederick等人的‘724专利中公开的水听器包括围绕刚性内圆柱缠绕的基准光纤。柔性材料的固体层被施于基准光纤上。在被施于基准光纤上的材料层上，缠绕干涉仪的传感臂。外层材料足够柔顺以此提供可与背面有气孔的水听器的灵敏度相比拟的声学灵敏度。
另一个纤维光学水听器在颁发给Maas等人并转让给本发明受让人的美国专利No.6,549,488中被公开。按照Maas等人的‘488专利制成的水听器包括柔性传感芯轴，它与刚性基准芯轴共轴并邻接。第一光纤被绕在柔性传感芯轴上。第二光纤被绕在基准传感芯轴上。第一和第二光纤包含干涉仪的不同臂。挠性封闭构件(如O-形环)使柔性传感芯轴与刚性基准芯轴密封。在一个实施例中，一个O-形环被设置于靠近传感芯轴的每个末端。圆柱支撑构件被设置于传感芯轴内部。至少部分支撑构件是与传感芯轴隔开的，以便在传感芯轴与支撑构件之间提供密封的空腔。密封的空腔被填充了空气或类似的柔性物质。
颁发给Hofler等人的美国专利NO.5,369,485公开了光学加速计，其中弹性盘和预定的块被主体所支撑，用于因为在盘的轴向方向上主体的加速度、震动、振动和位移而引起的盘的挠曲。这样一个盘或多个这样的盘被一对光纤的平螺旋线缠绕，每个螺旋线被固定地附加在相应盘的侧面，以使盘的挠曲延长在一个盘侧面上的螺旋线而缩短在另一个盘侧面上的螺旋线。在相对面对的盘侧面上的这样的螺旋线被连接成纤维光学干涉仪的相对的支腿，以使干涉仪提供与挠曲幅度相对应的输出。一对“推挽式”螺旋线可相对地设置于热传导盘以此将推挽式螺旋线对之间的温差减至最小。按照Hofler等人的专利所公开的加速计，由具有围绕盘外围所分布的块的中心支撑的盘构造成。这样的构造据说对于隔离安装应力以及对于提供多个用于增加灵敏度的共轴安装的盘来说是有利的。
颁发给Tweedy等人的美国专利No.6,650,418所公开的纤维光学传感器包括具有一对纤维光学线圈的挠曲盘，所述的一对纤维光学线圈被安装在挠曲盘的相对侧并且光耦合在一起以此形成干涉仪，干涉仪根据挠曲盘的加速度而产生输出信号。加速计包括具有第一和第二端面板的外壳，其侧壁在端面板之间延伸。侧壁具有面向内的凹槽，挠曲盘的外边缘部分被安装在其中。压缩阻尼器被安装在外壳内并被布置成可将压缩力施加于挠曲盘，以此根据挠曲盘沿传感轴的加速度来控制其中的运动并因此控制输出信号。
颁发给Knudsen等人的美国专利No.6,575,033公开了高度敏感的加速计，该加速计包括位于外壳内、通过相对的支撑构件被悬置的块。支撑构件以推挽式布置被交替地绕在一对固定芯轴和块上。至少支撑构件之一的一部分包含了作为支撑构件的光纤线圈，用于干涉传感处理。
当前，布置在电缆上的多向敏感(“多元”)的运动传感器连同基本上并置的水听器已经被用在水体底部来海洋地震勘探。这样的电缆在本领域中被称为“双重传感器OBC”。例如，参见颁发给Monk的美国专利No.6,314,371，该专利公开了双重传感器OBC数据的处理方法，其可校正能量入射角、校正估计的反射率、以及利用最佳分集缩放技术来组合校正的地震传感器扫迹。在一个实施例中，公开的方法从地震检波器和水听器中取出地震扫迹、校正入射角的地震检波器扫迹、确定用于最佳组合地震检波器和水听器扫迹的分集滤波器、应用分集滤波器、估计海洋底部的反射率系数(潜在地针对不同的反射角)、按照反射率缩放地震检波器数据、以及重新应用分集滤波器以获得组合的扫迹。组合的扫迹被预期消除了各种伪迹(包括幻影和混响)，并且预期具有最佳确定的信噪比。
重要的是，运动传感器通常、以及特别地是那些在双重传感器OBC中使用的传感器具有良好的灵敏度、对噪声相对不敏感、并且对侧向分量信号具有良好的抑制(这意味着运动传感器基本上对沿着除敏感轴向之外的任何方向的运动都是不敏感的)。因此，对于具有改进的灵敏度、减少的噪音和减少的侧向分量灵敏度的运动和/或加速度传感器存在有持续的需求。最近，尤其适合供OBC使用的改进的光学加速度传感器已经由Steven J.Maas和D.Richard Metzbower发明，如在2005年3月31提出并被转让给本发明受让人的美国专利申请No.11/095860中更充分的描述。这种改进的光学加速度传感器包括横梁和固定到该横梁一侧的至少一条光纤，以使横梁的偏斜改变光纤的长度。用于感测光纤长度变化的部件功能性地耦合至所述的至少一条光纤。
对基本上所有的本领域已知的、供OBC和其他水下传感系统使用的运动和加速度传感器的一个共同限制是它们通常被设置于耐压外壳内。耐压外壳适于在比如由较大水深处(接近3000米或以上)传感器的浸没导致的高压下防止水进入外壳。这样的外壳内部通常维持在表面大气压(大约为1bar)下。作为实际问题，具有在比如前述浸没深度处的压力下将水排除在外的能力的外壳必须由钢或类似的高强度材料制成，并且必须具有相对较厚的壁形构造以此避免压力之下的压碎或泄漏。这种结构是昂贵的并且使得任何传感器系统(如一起使用的OBC)变重并且难以布置。因此，存在有对可浸入到较大水深的改进的光学运动传感装置的需求，同时避免用于传感器的耐压外壳的建造的费用和困难。
发明内容
本发明的一个方面是光学加速计。按照本发明这个方面的加速计包括用于根据加速度改变至少一条光纤长度的部件。用于感测光纤长度变化的部件功能性地耦合至所述的至少一条光纤。用于改变长度的部件和所述的至少一条光纤被封入压力补偿的外壳内。该外壳充满了基本上不能压缩的流体或凝胶。在一个实施例中，用于改变的部件包含横梁。所述的至少一条光纤被固定到横梁的一侧，以使横梁的偏斜改变所述的至少一条光纤的长度。
本发明的另一方面是地震传感器系统。按照本发明这个方面的系统包括至少两个加速计。每个加速计包含至少一条光纤和用于根据加速度改变所述的至少一条光纤的长度的部件。用于感测每个加速计中光纤长度变化的部件功能性地耦合至每条光纤。用于改变长度的部件和每个加速计中的光纤被封入压力补偿的外壳内。该外壳充满了基本上不能压缩的流体。在一个实施例中，用于改变长度的部件包含横梁。每个加速计中的所述至少一条光纤被固定到横梁的一侧以使横梁的偏斜改变光纤的长度。所述至少两个加速计被定向成以使其对至少部分沿着相互垂直方向上的加速度是敏感的。
本发明的另一方面是引力定向系统。按照本发明这个方面的系统包括三个加速计，每个加速计包括用于根据地球引力改变光纤长度的部件。所述至少三个加速计的每一个被定向成以使其对至少部分沿着相互垂直方向上的加速度是敏感的。每个加速计中的所述至少一条光纤其上包含布拉格光栅，以使每个横梁的偏斜轴向相对于地心引力的取向由被布拉格光栅反射的光的波长变化的测量是可确定的。通过如此测量布拉格光栅的长度的变化，每个加速计以及因此该系统相对于地心引力的取向是可确定的。用于改变长度的部件和每个加速计中的光纤被封入压力补偿的外壳。该外壳充满了基本上不能压缩的流体。
根据下面的描述以及所附的权利要求，本发明的其他方面和优点将是显而易见的。
图1示出的是按照本发明的加速计的一个实施例的侧视图。
图2示出的是图1所示加速计的俯视图。
图3示出的是加速计的另一个实施例的侧视图。
图4示出的是多元地震传感器系统的一个实施例的斜视图。
图5示出的是在各种加速计实施例中用来确定光纤长度变化的干涉仪的一个实施例。
图5A示出的是干涉仪的备选布置。
图6示出的是在两个纵向末端被支撑的加速计横梁。
图7示出的是用来确定加速计的引力定向(倾斜计)的光学探测系统的实施例。
图8示出的是加速计横梁的一个特定实施例。
图9示出的是倾斜计的备选实施例。
图10示出的是在被安装在按照图4的传感器系统时的图9所示倾斜计的实施例。
图11示出的是倾斜计的备选实施例。
图11A示出的是以图11所示的装置类似的原理工作的倾斜计的备选实施例。
图12示出的是包括如图11所示倾斜计的示范的多元地震传感器系统。
图13示出的是压力补偿的外壳的一个实施例。
具体实施例方式
通常，按照本发明各个方面的加速计根据随加速度改变光纤长度的原理工作。按照本发明的各个方面，用于根据加速度改变光纤长度的部件功能性地耦合至光纤。用于改变光纤长度的部件和光纤被封入压力补偿的外壳内。压力补偿的外壳填满了基本上不可压缩的流体。
可在本发明特定实施例中使用的光学加速计的某些实施例根据偏斜横梁的原理工作，其中横梁通常在其纵向末端被支撑。在其纵向末端支撑横梁基本上防止了在与横梁平面横着的任何方向上的横梁挠曲。图1示出的是加速计横梁组件10的一个实施例，加速计横梁组件10包括横梁12，横梁12可由塑料或者是在加速过程中服从弹性应变的其他适当的材料制成。横梁12具有图1所示的尺寸，12X是长度或纵向尺寸，12Z是厚度尺寸。横梁12的平面是在与厚度尺寸12Z横着的方向上。尺寸12X和12Z的应当选择成使得厚度12Z方向上(也就是，与横梁12的平面横着的方向上)的挠曲相对自由，同时基本上防止了横梁沿着纵向尺寸12X的任何挠曲。图1所示的实施例包括被固定到横梁12的一面或一侧的光纤14。将光纤14固定到横梁12可通过胶粘剂结合或类似的技术来实施。
在图1的实施例中，所示的第二光纤16被固定到横梁12的相对一面。当横梁12在加速过程中沿着厚度12Z的方向偏斜时，取决于横梁12偏斜的方向，光纤14、16被伸展或压缩。一条光纤14的伸展和压缩与另一条光纤16的伸展和压缩是极性相反的，这是因为它们被设置在横梁12的相对两侧。这样的布置被称为光纤的“推挽式”连接。
来自与施于其上的加速度有关的加速计的信号通过确定光纤14(如果只有一条光纤被使用的话)或两条光纤14、16(如果两条这样的光纤被使用的话)的长度变化而生成。在实际的实施例中，光纤长度变化的测量可通过光学干涉仪来实施。作为光学干涉仪的一部分以此生成加速度响应信号的光纤14、16的光学连接和使用将在下面参考图5和图5A进行解释。应当理解，只需要一条被固定到横梁的一面或另一面的光纤(如光纤14或16)用来使加速计起作用。与单光纤实施例所期望的灵敏度相比，图1和2的双光纤实施例的目的是为了具有增加的灵敏度并且衰减比如由非并置的基准臂或补偿干涉仪产生的其他噪声源。
图2示出的是加速计横梁组件10的俯视图。横梁12具有宽度尺寸12Y。如图2所示，光纤16以一般的椭圆形状可被布置在横梁12的表面周围以此使得沿纵向尺寸(图1的12X)设置的光纤的量最大，同时使得光纤16内的弯曲度最小以便使光纤16中的光损失最小。宽度尺寸12Y应当被选择成使横梁12沿宽度方向具有足够的刚性以此抵抗挠曲，但是其刚性不能太大以便促使在斜加速过程中横梁12内任何明显程度的弯曲或扭曲。
如图3所示，加速计横梁组件的另一个实施例可包括被固定到横梁12的一面或两面、并且通常位于其中心的反应块(reactionmass)18、20。在任何给定的加速度的量的条件下，块18、20增加了横梁12的偏斜量，并且因此增加了加速计的总灵敏度。
实际的多元地震传感器系统可由多个加速计制成，如参考图1至3所作的解释。图4示出的是这样的多元地震传感器系统的一个实施例。该系统包括三个光学加速计10X、10Y、10Z，每一个被定向成以使其敏感方向沿着与另两个加速计的敏感方向相互垂直的方向。使加速计相互垂直便于确定被探测的地震能量是来源于哪一个方向，然而，应当理解，加速计的互相垂直性在地震传感器系统的设计中是一件便利的事情。加速计的敏感轴的其他布置被用于不同的实施例，同时维持确定地震能量起源的方向的能力。
加速计10X、10Y、10Z可被安装进框架22中，用于压力补偿外壳内的简便组件。将框架22和加速计封入这样的外壳是为了用于将加速计浸入水中。当系统被用于海洋地震勘探系统或用于永久性传感器安装(如将在海底或井筒上使用时)时，加速计将经历这种情形下的浸没。在下面参考图13将对该外壳作进一步的解释。
在图5的29处示出的是用来根据横梁偏斜而生成加速度响应信号的光学干涉仪以及相关部件的一个实施例。固定到横梁(图1的12)相对两侧的光纤14、16各示出为一端光耦合至分束器26而在另一端耦合至组合器28。光源(如激光二极管24)耦合至分束器26的输入端并向每条光纤14、16提供激光。光电探测器30耦合至干涉仪29的输出端并产生与在干涉仪29中生成的光信号相对应的电信号。因此，在加速过程中沿厚度方向(图1中的12Z)的横梁12(图1的12)的偏斜被转换成电信号。取决于地震传感器系统的特定布置，激光二极管24和光电探测器30可被设置于地球表面或水面，并且分束器26和组合器28被设置于加速计(图1中的12)附近。然而，其他实施例可将激光二极管和分束器放置于干涉仪附近，例如放进框架(图4中的22)中。图5所示的光学干涉仪系统通常被称为马赫-曾德干涉仪。
另外，如图5A所示，可使用迈克耳孙干涉仪。迈克耳孙干涉仪29A通过在每条光纤14、16的远端使用反射镜31A和31B代替组合器(图5中的28)而制成。通过光纤14、16的光束被反射镜31A、31B反射回来。反射回来的光束在分束器26A中重组，以使相移和/或干涉图案被光电探测器30所探测。
可与加速计的各种实施例一起使用的干涉仪的其他类型包括法布里-珀罗和沙哥纳克干涉仪。在使用法布里-珀罗干涉仪的实施例中，被固定到横梁一面或相对面的光纤(图1中的14或16)可被除去。余下的光纤(图1中的16或14)其上可包括布拉格光栅，其中光纤被固定到横梁(图1中的12)以使能够通过测量穿过光纤反射回来的光的波长变化来确定光纤长度的变化。因此，用于各种实施例的特定的干涉仪系统不是对本发明范围的限制。布拉格光栅在一条或两条光纤14、16上的特定应用在下面将参考图8进行解释。
图6示出的是横梁12以及在横梁12的纵向末端的支撑体32的侧视图。通过在其纵向末端支撑横梁12并通过适当的尺寸(图1中的12X、12Z以及图2中的12Y)，横梁12的挠曲基本上受厚度尺寸(图1中的12Z)的限制。因此，限制横梁12的挠曲为加速计横梁组件(图1中的10)提供了高度的侧向分量抑制或不敏感性。如图1所示，加速计的初始估计表示了大于30dB的侧向分量抑制。
如易于意识到的，在两个纵向末端刚性地、固定地支撑横梁12可提供高度的侧向分量抑制，但是可限制在厚度方向上的横梁偏斜量(以及因此限制了灵敏度)。在这个情形中，横梁偏斜可被限制，因为如果横梁在两端是被刚性地、固定地支撑，横梁必须沿纵向方向(图1中的12X)延长。为了增加偏斜量同时维持高的侧向分量抑制，如图8所示的布置可用来在其纵向末端支撑横梁12。在一端的安装孔13可配上有头螺钉或类似物。另一端可包括延长的开口15以使在挠曲过程中，当纵向尺寸按一定的比例量被减小时，横梁12的另一端可以自由地在纵向上移动，但是基本上不会是在与纵向横着的方向上移动。
图7示出的是特定实施例，该实施例可用来确定加速计相对于地心引力的取向并进行加速度测量。光纤14A包括其上的布拉格光栅14B。光纤14A可被固定到基本如参考图1说明的横梁上。光源24A(如激光二极管)通过分束器25光耦合至光纤14A的一端。光纤14A可包括在其另一端的反射镜17。光电探测器30耦合至分束器25的另一输出端。光电探测器30的输出端耦合至光谱分析器31。因此，被布拉格光栅14B反射的光的波长与布拉格光栅14B的伸长度有关。加速计通过校准在零引力和完整(unity)(100％引力)引力下布拉格光栅反射的波长，可用来确定其中的取向。通过公知的三角关系，反射的光波长的测量可与加速计相对于引力的取向有关。
在本实施例中，加速计可通过定向横梁(图1中的12)而被校准至零引力，以使横梁(图1中的12)的厚度尺寸(图1中的12Z)或偏斜以横着地心引力的方向被定向。被布拉格光栅14B反射的光的波长通过光谱分析器31而被测量。接着，横梁被定向以使其偏斜方向(图1中的12Z)直接沿着地心引力的方向，并且被布拉格光栅14B反射的光的波长再次被测量。当光纤14A被横梁的偏斜延长时，被布拉格光栅14B反射的光的波长将改变，并且作为结果而使布拉格光栅14B延长。加速计相对于地心引力的相对取向将因此与被布拉格光栅14B反射的光的波长有关。参考图8描述的光学部件可作为独立的光纤被包括在任何特定的加速计内，或者如图8所示，可被包括在用于加速计传感器的同一光纤内。
如图4所示，在多元传感器系统中，三个互相垂直的加速计可各自包括其上具有布拉格光栅的光纤。如图9所示，可使用相关的光学部件能够确定光栅长度变化。在图9的实施例中，单光纤33可包括在其上的三个独立的布拉格光栅35、37、39。正如将参考图10所解释的，每个布拉格光栅35、37、39被固定到三个加速计横梁的其中一个上。基于相应加速计横梁相对于地心引力的取向，每个布拉格光栅35、37、39将被延长，并因此反射光的特定波长。因此，传感器系统的取向可通过三个布拉格光栅35、37、39中的每一个的布拉格光栅输出的波长的测量而被推断出，并因此推断出每个加速计相对于引力的取向。整个传感器系统相对于引力的取向可利用公知的三角关系根据三个独立的加速计引力分量测量来确定。如图3所示，按照图9的实施例的加速计横梁的某些实施例可包括一个或多个耦合于此的反应块。
图10示出的是图9的倾斜计的单光纤实施例，其中光纤33内的每个布拉格光栅35、37、39被固定到加速计横梁12Y、12Z、12X中相对应的一个。每个横梁12Y、12Z、12X的偏斜与每个横梁相对于地心引力的取向有关。如果特定横梁相对于引力是横着的，则其相对于引力的偏斜将基本上为零。当加速计横梁的偏斜方向基本上与地心引力一致时，最大偏斜以及相关布拉格光栅的长度的相应变化将发生。通过公知的公式利用地心引力的垂直分量的测量可推断取向。在图10的实施例中，加速计横梁可基本垂直地定向。正如参考图1-4所解释的，其他实施例可包括每个布拉格光栅的独立光纤，或者可包括用于感测地震能量的一种或多种类型的干涉仪的同一感测光纤上的布拉格光栅。
如图11所示，通过块直接地加载光纤布拉格光栅，倾斜计50的另一个实施例可提供光纤布拉格光栅中相对于地心引力的增加的应变。这种直接的块加载可增加倾斜测量的精度。如图11所示，作为由地心引力产生的力的结果，直线轴承或某些其它高精度约束装置47使块42、43沿着框架或杆40滑动。将其上具有布拉格光栅的光纤44耦合至轴承47、并因此操作地耦合至块42和43、以及将前档块或减震器41添加到允许块行进的杆40部分的每一端，可使布拉格光栅45被块43、42的其中一个拉紧，而不用考虑装置相对于引力的取向。例如，在图11所示的取向中，上部的块42被减震器41阻止，而下部的块43在引力牵引下可移动以便拉紧光纤44。如果加速计被旋转以使下部的块43位于上部的块42的上方，则下部的块43将被减震器41阻止，并且上部的块42在被引力加载时将移动。如图11所示，直接拉光纤44可导致布拉格光栅45中更多的应变、产生更大的波长移动。因为块42、43沿直线轴承上的杆40行进，所以除了沿杆40之外，块42、43的移动基本上被阻止了。通过限制块42、43沿杆40的移动，倾斜计50基本上只对沿杆40的长度所产生的加速度分量(即地球引力)是敏感的，并因此具有较高的侧向分量抑制。如上面参考图9所解释的，图11所示的倾斜计50可基本上被校准。
通常以与如图11所示装置的相同的原理工作的倾斜计的可选布置在图11A中被示意性地示出。块42A沿杆40A通过直线轴承47A被悬置，以使块42A可沿杆40A的方向移动，但是在任何其他方向上的移动基本上被制止。其上具有布拉格光栅45A的光纤44A耦合至块42A，以使块42A沿光纤44A被设置于两个光纤悬点44B之间。光纤44A也被固定到悬点44B之间。当引力作用于块42A上时，它会拉光纤44A并使其长度改变，这个长度变化通过布拉格光栅45A的光反射波长的变化是可探测的。按照操作和校准原理，图11A中所示的装置基本上类似于图11中所示的装置进行操作。图11A所示的实施例具有如图11所示装置那样只利用单个块并且无需减震器就可在相对于引力的任何取向上都可操作的优点。
图12示出的是包括三个相互垂直的倾斜计50X、50Y、50Z以及三个互相垂直的加速计10X、10Y、10Z的多元地震传感器系统的实施例。图12系统的操作原理与图10所示系统的操作原理相似，然而，倾斜计50X、50Y、50Z是参考图11所解释的类型的倾斜计。标记X、Y和Z与传感器系统的单个敏感轴有关，这些标记按照惯例标记以使通常水平设置的轴为X和Y，垂直设置的轴为Z。如同其他实施例那样，例如参考图4和10所作的解释那样，可将系统设置于框架22内。
正如参考图13将要解释的，光学加速计和倾斜计的任何实施例以及其他类型的光学加速计可被封入压力补偿的外壳内。外壳122可以是塑料、橡胶或具有相对薄壁形的金属外壳，该外壳适合于充满基本上不能压缩的材料106，如油、或其他流体、或凝胶。为了界定本发明的范围，称为“凝胶”的材料比如可以由与交联聚合体混合的基于碳氢化合物的油制成。这种类型的材料以及称为“凝胶”的其他材料在填充地震拖缆领域中是已知的。比如可包括一个或多个光学加速计或倾斜计(包括上面参考图1-12所描述的那些光学加速计或倾斜计)的框架22可以被固定安装进外壳122的内部。外壳122包括压力补偿器100，用来使外壳122内部的流体压力基本上匹配外壳122外部的环境压力。在图13所示的实施例中，压力补偿器100可包括移动设置于气缸101内的活塞102，而气缸101被设置于外壳122的内部，以使活塞102的一侧与外壳122的外部流体连通，以及活塞102的另外一侧与外壳122的内部流体连通。活塞102可以通过O形环104或类似的密封元件相对气缸101的内部被密封以此减少通过活塞102的流体泄漏。当外壳122外部的压力增加时，导致活塞102向内部移动，相应地压缩外壳122内部的流体106。当外部压力减小时，相应的活塞102反向移动发生。压力补偿器100因此起到易于将外壳122外部的压力变化传递至外壳122内部的用途以便于平衡其中的压力，同时基本上使填充材料106保留在外壳122内。压力补偿器的其他实施例可包括弹性囊或类似物。通过维持外壳122内部的流体压力基本上等于外壳122外部的流体压力，能够构建外壳122，而不必如在其内部具有大气压力(大约为1bar)的常规的耐压密封外壳情形下所要求的那样使其足够坚固以此在较高外部压力下抵抗压碎。
在比如参考图13所解释的实施例中，对于光学加速计部件(如横梁和光纤)和任何干涉仪部件来说，最好是将其设置于外壳122内以用环氧树脂或类似的封装化合物封装起来，从而防止流体进入这样的部件中。
设置于压力补偿外壳内的光学加速计和由此制成的传感系统可提供光学加速计的改进性能，用于探测作为地震能量的这样的加速度，同时利用相对较轻、便宜的外壳使得传感器能够被布置于深海水中。
虽然已经就有限数量的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的那些从这个公开内容中获益的技术人员将会意识到，可设计其他的、没有背离如这里所公开的本发明范围的实施例。因此，本发明的范围应当只受限于所附的权利要求。
权利要求
1.一种压力补偿的光学加速计，包含至少一条光纤，被固定到用于根据加速度改变光纤长度的部件；用于感测所述至少一条光纤的长度变化的部件；以及压力补偿的外壳，用于改变长度的所述部件和所述至少一条光纤被设置于所述外壳内，所述外壳充满了基本上不能压缩的流体或凝胶的至少其中一种。
2.如权利要求1所述的加速计，其中用于改变长度的所述部件包含横梁，所述至少一条光纤耦合至所述横梁以使所述横梁的偏斜改变所述至少一条光纤的长度。
3.如权利要求2所述的加速计，还包含附加的光纤，所述附加的光纤被固定到所述横梁的另一侧以使所述横梁的偏斜改变所述附加的光纤的长度，所述附加的光纤长度的变化与被固定到所述横梁的一侧的所述至少一条光纤的长度变化极性相反。
4.如权利要求2所述的加速计，还包含被固定到所述横梁的块，以使所述横梁的偏斜的大小关于施加在所述横梁上的加速度的大小而增加。
5.如权利要求2所述的加速计，其中用于感测的所述部件包含迈克耳孙干涉仪。
6.如权利要求2所述的加速计，其中用于感测的所述部件包含法布里-珀罗干涉仪。
7.如权利要求2所述的加速计，其中用于感测的所述部件包含马赫-曾德干涉仪。
8.如权利要求2所述的加速计，还包含光波长传感器，所述光波长传感器光耦合至所述至少一条光纤，并且其中所述至少一条光纤其上包含布拉格光栅，以使所述横梁的偏斜轴相对于地心引力的取向通过由所述布拉格光栅反射的光的波长变化的测量而是可确定的。
9.如权利要求2所述的加速计，还包含第二光纤，所述第二光纤被固定到所述横梁以使所述横梁的偏斜改变所述第二光纤的长度，所述第二光纤其上具有布拉格光栅，所述第二光纤光耦合至波长探测器以使所述加速计相对于地心引力的取向通过由所述布拉格光栅反射的光的波长变化的测量而是可确定的。
10.如权利要求2所述的加速计，其中所述横梁在其至少一个纵向末端被支撑。
11.如权利要求2所述的加速计，其中所述横梁在其两个纵向末端被支撑，至少一个纵向末端被支撑以便在所述横梁被偏斜时能够纵向移动。
12.如权利要求1所述的加速计，其中所述外壳包含活塞，所述活塞在一侧与所述外壳内部液压连通并且在其另外一侧与所述外壳外部液压连通，以便于向所述外壳提供压力补偿。
13.一种多元地震传感器系统，包含至少两个加速计，每个加速计包含至少一条光纤，所述至少一条光纤被固定到用于根据加速度改变所述光纤的长度的相应部件，所述至少两个加速计被定向成以使其对至少部分沿着相互垂直方向的加速度是敏感的；用于感测每个所述加速计中所述光纤长度变化的部件；以及压力补偿的外壳，每个加速计被设置于所述外壳内，所述外壳充满了基本上不能压缩的流体和凝胶的至少其中一种。
14.如权利要求13所述的系统，其中用于改变长度的所述部件的每一个包含横梁，并且其中所述每条光纤被固定到所述相应横梁的一侧，以使所述横梁的偏斜改变固定于此的所述光纤的长度。
15.如权利要求13所述的系统，其中每个加速计还包含附加的光纤，被固定到所述横梁的另一侧以使所述横梁的偏斜改变所述附加光纤的长度，所述附加光纤的长度变化与被固定到所述横梁一侧的所述至少一条光纤的长度变化极性相反。
16.如权利要求13所述的系统，还包含被固定到每个横梁的块，以使每个横梁的所述偏斜的大小关于施加在每个横梁上的加速度的大小而增加。
17.如权利要求13所述的系统，其中用于感测的所述部件包含迈克耳孙干涉仪。
18.如权利要求13所述的系统，其中用于感测的所述部件包含法布里-珀罗干涉仪。
19.如权利要求13所述的系统，其中用于感测的所述部件包含马赫-曾德干涉仪。
20.如权利要求13所述的系统，还包含光波长传感器，所述光波长传感器光耦合至每个加速计中的所述至少一条光纤，并且其中每个加速计中的所述至少一条光纤其上包含布拉格光栅，以使每个横梁的偏斜轴相对于地心引力的取向通过由每个布拉格光栅反射的光的波长变化的测量而是可确定的。
21.如权利要求13所述的系统，还包含三个加速计，每个加速计包含横梁和被固定到所述横梁一侧的至少一条光纤以使所述横梁的偏斜改变所述光纤的长度，所述至少三个加速计被定向成以使其对至少部分沿着相互垂直方向的加速度是敏感的；用于感测每个所述加速计中所述光纤长度的变化的部件；以及其中每个加速计中的所述至少一条光纤其上包含布拉格光栅，以使每个横梁的偏斜轴相对于地心引力的取向通过由所述布拉格光栅反射的光的波长变化的测量而是可确定的，以使所述系统相对于地心引力的取向是可确定的。
22.如权利要求21所述的系统，其中每个加速计中的所述光纤是相同的光纤，所述相同的光纤其上具有布拉格光栅，其中所述相同的光纤被固定到每个横梁，每个布拉格光栅反射选择的光的波长。
23.如权利要求13所述的系统，其中每个横梁在其两个纵向末端被支撑，至少一个纵向末端被支撑以便使每个横梁被偏斜时能够纵向移动。
24.如权利要求13所述的系统，其中所述外壳包含活塞，所述活塞在一侧与所述外壳内部液压连通并且在其另外一侧与所述外壳外部液压连通，以便于向所述外壳提供压力补偿。
25.一种引力定向系统，包含三个加速计，每个加速计包含横梁和被固定到所述横梁一侧的至少一条光纤以使所述横梁的偏斜改变所述光纤的长度，所述三个加速计被定向成以使其对至少部分沿着相互垂直方向的加速度是敏感的；位于每个加速计中的所述至少一条光纤上的布拉格光栅；用于测量由每个布拉格光栅反射的光的波长的部件，以使每个横梁的偏斜轴相对于地心引力的取向通过由所述布拉格光栅反射的光的波长变化的测量而是可确定的，以使所述系统相对于地心引力的取向可确定；以及压力补偿的外壳，所述三个加速计被设置于所述外壳内，所述外壳充满了基本上不能压缩的流体。
26.如权利要求25所述的系统，其中三个加速计是相互垂直的。
27.如权利要求25所述的系统，其中每个加速计横梁其上包含反应块。
28.如权利要求25所述的系统，其中每个横梁在其两个纵向末端被支撑，至少一个纵向末端被支撑以便使每个横梁被偏斜时能够纵向移动。
29.如权利要求25所述的系统，其中所述外壳包含活塞，所述活塞在一侧与所述外壳内部液压连通并且在其另外一侧与所述外壳外部液压连通，以便于向所述外壳提供压力补偿。
30.一种引力定向传感器，包含至少一条光纤，其上具有布拉格光栅，所述光纤操作地耦合至块，所述块被安装在框架中以便所述框架相对于地心引力的取向使地心引力作用于所述块，所述光纤与所述块的操作耦合被布置成以使由所述光纤上的所述光栅反射的波长变化与地心引力在所述块上的作用相对应；用于测量波长变化或所述布拉格光栅的周期的部件；以及压力补偿的外壳，所述至少一条光纤、所述块和所述框架被设置于所述外壳内，所述外壳充满了基本上不能压缩的流体。
31.如权利要求30所述的传感器，其中所述块通过直线轴被承悬置在所述框架上。
32.如权利要求30所述的传感器，还包含减震器，所述减震器被设置于所述框架上以使地心引力的作用将导致所述布拉格光栅的长度的相应变化，而不用考虑所述框架相对于引力的取向。
33.如权利要求30所述的传感器，还包含取向基本垂直的三个框架；每个都操作地耦合至各自的框架之一的三个块，以使地心引力作用于每个块与相应的框架相对于引力的取向有关，所述块被布置成可沿相应的框架基本上直线移动；操作耦合至每个块的布拉格光栅；以及用于测量每个布拉格光栅的长度变化的部件。
34.如权利要求33所述的传感器，其中在单个光纤上形成所述三个布拉格光栅。
35.如权利要求30所述的传感器，其中所述外壳包含活塞，所述活塞在一侧与所述外壳内部液压连通并且在其另外一侧与所述外壳外部液压连通，以便于向所述外壳提供压力补偿。
36.一种多元地震传感器系统，包含三个加速计，每个加速计包含横梁和被固定到所述横梁一侧的至少一条光纤以使所述横梁的偏斜改变所述光纤的长度，所述三个加速计被定向成以使其对至少部分沿着相互垂直方向的加速度是敏感的；用于感测每个所述加速计中的所述光纤的长度变化的部件；三个框架，每个框架具有与所述加速计之一的敏感方向基本对准的方向；三个块，每个块被操作地耦合至各自的框架之一，以使地心引力作用于每个块与相应框架相对于引力的取向有关，所述块被布置成可沿相应框架基本上直线地移动；操作地耦合至每个块的布拉格光栅；用于测量每个布拉格光栅的长度变化的部件；以及压力补偿的外壳，所述三个加速计、所述三个框架和所述三个块被设置于所述外壳内，所述外壳充满了基本上不能压缩的透声材料。
37.如权利要求36所述的系统，其中所述外壳包含活塞，所述活塞在一侧与所述外壳内部液压连通并且在其另外一侧与所述外壳外部液压连通，以便于向所述外壳提供压力补偿。
全文摘要
本发明公开了一种压力补偿的光学加速计、光学倾斜计和地震传感器系统，其中光学加速计包括用于根据加速度改变至少一条光纤长度的部件，用于改变长度的所述部件功能性地耦合至所述至少一条光纤。光纤和用于改变长度的部件被封入压力补偿的外壳。该外壳充满了基本上不能压缩的流体或凝胶。
文档编号G01V1/16GK101038297SQ200710085249
公开日2007年9月19日 申请日期2007年2月15日 优先权日2006年2月15日
发明者S·J·马斯 申请人:Pgs地球物理公司