专利名称：波分多通道光纤光栅地震检波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动传感器，特别涉及一种在地球物理地震勘探应用中，采集振动 信息所使用的波分多通道光纤光栅地震检波器。
二、 背景技术-
地震勘探使用检波器采集地震波信号，这些资料处理后能够反演出地下的地质结构， 广泛应用于石油、煤炭和矿山等行业。过去几十年通常采用电磁式检波器，但随着地震 勘探面临目的层更深、地表条件更复杂、资料要求更精细以及人类活动带来的电磁干 扰更多等因素的影响，原有技术已经不能适应越来越高的要求。
新型检波器的发展动向主要体现在微电子机械(MEMS)，新型压电材料以及光纤传感 技术等几个领域。其中光纤技术以其独特的优点吸引着研究人员的目光，在光纤振动传 感器，光栅振动传感器等题目下，涌现出许多的科研论文、实验报告和专利申请。如中
国专利公开号CN1862239A的中国专利公开了《分布式光纤振动传感方法及装置》，该发 明是一种基于双环马赫一泽德干涉的分布式光纤振动传感方法及装置；公幵号 CN1995934A的中国专利公开了《分布式光纤振动传感器》，该发明中采用的是萨格奈克 干涉仪和马赫一泽德干涉仪，以上二项发明采用的技术路线与本发明申请采用的布拉格 光栅技术路线显著不同。授权公告号为CN1614359A的中国专利公开了一个发明名称为 《实现多通道光纤光栅传感装置高灵敏度测量的方法》。该专利公开与本发明申请均采用 了公知的《宽带光源+布拉格光栅波长编码》的技术路线，但该专利公开的创新和权利要 求主要体现在多通道的光路结构的实现方法是用一种调谐滤波器对各个通道进行逐次 扫描解调；本发明申请不仅描述了机械结构、光路结构、电路结构和数字化实现等；在 二者具有可比性的多通道的光路结构的实现方法部分，本发明采用的是使用多个匹配光 栅构成多路光通道，进行同步解调的方法，二者具有显著的区别。
地震检波器，尤其作为更新换代的新型检波器，不仅要求具有全面优良的技术指标， 而且必须解决工程应用所面临的巨大困难。检波器的使用人员通常是临时雇佣非熟练劳 务人员，工作时间常常是人体极度疲惫的深夜(满足低环境噪音要求)，工作环境必须面 对风霜雨雪、沙尘泥泞等各种恶劣条件。在上述情况下，即使最简单的光纤连接工作也 存在极大困难。所以，基于光纤技术的各种检波器方案，除性能和价格因素外，能否在 野外恶劣条件下正常使用，决定了所提出的发明是仅仅停留在图纸构思，还是能够真正 走向应用并创造财富于社会。
三
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种波分多通道光纤光栅地
震检波器，具有性能优良，价格相对低廉以及使用简单方便等优点。
其技术方案是主要由光电采集站、铠装光缆以及多个光纤光栅检波器(Sl、 S2、
S3、 ...Sn)组成多通道检波器，光电采集站与各个检波器使用预先确定长度的铠装光缆 连接为一体，光纤焊接或连接仅仅在光电采集站和光纤光栅检波器内部进行，外部没有 相互连接的光纤端子或光纤适配器。从光电采集站一铠装光缆一检波器1—铠装光缆一检 波器2—铠装光缆一检波器3...—铠装光缆一检波器n之间，只在采集站和检波器内部进 行光纤焊接并进行良好的机械封装，没有任何需要进行野外现场连接的光路连接端子或 适配器。光缆采用单芯铠装光缆连接，其长度为常规道距+适当长度冗余量。
上述的光电釆集站是波分多通道光纤光栅地震检波器的关键部件之一。从外部应用 看，光电采集站与现有地震勘探使用的数据采集站完全相同；但其内部结构由CPU模块、 宽带光源模块、光路分配-光电转换模块、锁相放大-A/D转换模块，数据存储-通讯模块 以及同步或时间服务模块，其中光学测量为宽带光源模块、光路分配-光电转换模块、铠 装光缆以及检波器的振动敏感光栅。
本发明的各通道使用的多个光纤光栅检波器(Sl、 S2、 S3、…Sn )的光栅中心波长 不同，其波长最小间隔为最大动态范围引起波长变化+最大温度应变引起波长变化，一 般情况该间隔》2nm.
多通道是指在时间上严格同步，由光路分配-光电转换模块为每一个传感光栅提供一 个相应的匹配解调支路来实现。
光路分配-光电转换模块用于将各个地震信号通道进行光路区分，并对各通道进行同 步匹配解调。该模块的组成包括一个1X2耦合器，用于区分传感支路和匹配支路， 一个 1 XN耦合器以及N个1 X2耦合器(N为本发明的通道数)，为每个通道建立一个独立的 匹配解调和光电转换分支。各通道之间由于波长区分而互不干扰。
多通道N是指2通道一20通道之间的任一数字，波分多通道光纤光栅地震检波器的 下限是2通道，上限受制于光源的带宽， 一般小于20通道。经过试验我们发现，最佳数 量是4通道。 一方面与现有的多种地震仪容易兼容，另一方面4通道系统将光电采集站-铠装光缆-4个检波器融为一体，其重量和体积既便于单人背负野外使用，也便于生产、 检测和维护。
光电采集站的宽带光源模块可以选用ASE光源或者SLED光源。二者相比，ASE光 源具有能量强、3dB带宽比较宽等优点，SLED具有体积小、功耗低、便于采用数字方式 提高信噪比等优点。
本发明的有益效果是除具有灵敏度高、非线性失真低，抗电磁干扰等优点外，由 于采用光缆取代传统检波器连接的大线，本发明还具有如下系统优势
(1)目前由检波器到数据采集站之间的常用连接方式是多芯电缆(大线)，在使用过 程中大线难免弯折导致绝缘破坏，各通道之间信号串扰经常发生，本发明能够从根本上消 除大线中各信号之间发生的道间干扰。
(2) 由于连接头生锈、污损、松动、大线断根等原因，接触电阻经常发生变化，信 号在从每个检波器到采集站之间的传递存在着随机的误差，本发明能够大大降低线路损耗
带来的误差。
(3) 在当前地震勘探中，除检波器能引入电磁干扰外，数据传输大线相当于一根外接 天线，很容易引进各种电磁干扰，光纤技术能彻底改变这一情况。
(4) 简化野外操作，减少不确定的随机误差，提高勘探质量。
(5) 由于光缆的重量只有对应多芯铜缆(大线)重量的大约l/5,本发明降低了地震勘 探对放线工人数量需求和劳动强度。本发明所需要的铠装光缆目前价格只有对应大线价 格的2/3，并且具有长期降低确定趋势。所以，波分多通道光纤光栅地震检波器系统有利 于推广应用。
四
附图l是本发明的原理框附图2是本发明的一种实施例的光路分配-光电转换原理附图3是本发明的一种实施例的振动信号光调制-解调原理图。
上图l中光电采集站l、 CPU模块2、宽带光源模块3、光路分配-光电转换模块 4、锁相放大-A/D转换模块5、数据存储-通讯模块6、同步或时间服务模块7、铠装光缆 8、若干个机械结构相同但传感光栅中心波长不同的检波器S1、 S2、…Sn;
图2中其中包括5个1X2耦合器(2芯端端口分别为A,B) C5、 Cl、 C2、 C3、 C4和一个1X4耦合器C6， 4个光电转换二极管D1、 D2、 D3、 D4;
图3中其中2紹、^A"、 2^/3、 ^A/4分别为匹配光栅Ml、 M2、 M3 、 M4的
中心波长，Ai、 &2、 43、毛4分别为传感光栅S1、 S2、 S3、 S4的中心波长，传感光 栅和匹配光栅的匹配重合部分为SM1、 SM2、 SM3、 SM4。 五具体实施例方式
以下结合附图l、附图2、附图3，以波分4通道光纤光栅地震检波器为例，描述本 发明的详细的结构
一种波分4通道光纤光栅地震检波器，由光电采集站1、铠装光缆8以及4个检波器
51、 S2、 S3、 S4组成。采集站到S1检波器采用IO米单芯铠装光缆连接、各检波器S1、
52、 S3、 S4之间采用3根55米单芯铠装光缆连接，光纤焊接只在采集站和检波器内部 进行，检波器和采集站经过良好封装，没有任何需要进行野外现场连接的光路连接端子
或适配器。
由于整个光程长度小于500米，忽略光的传输延迟，其^本工作过程邻下
CPU模块2产生方波电信号送往宽带光源模块3,激发该模块中的SLED产生宽带 光信号送往光路分配-光电转换模块4，宽带光信号首先从耦合器C5的2A端进入，从l 端射出并进入单芯铠装光缆8，然后先后到达光栅检波器Sl、 S2、 S3、 S4，形成4个中
心波长为^1 As2 A" ^S4的反射光信号(本例中^-1546土《；&2=1550± A;义"=1554
^=1558±&其中问《0.3nm，具体数值随地震信号变化)，这一组包含振动
信息的反射光信号返回光路分配-光电转换模块4的耦合器C5，从1端反射进入，由2B 射出进入耦合器C6的1端，在C6中平分为4个支路，其第1支路(其余3路完全相同)
进入耦合器Cl的2A端并由1端射出进入匹配光栅Ml，该光栅的中心波长为固定的Aw
(本例为1546nm)，反射光系列共有4个包含振动信息的光脉冲，其中心波长
,这其中只有^!能够与^w发生相互作用，其相互干涉的光谱SM1从2B
端射出进入光电二极管Dl,此时，光信号SM1中包含的振动信息被转换为电信号，与 其它3个支路的电信号一起进入锁相放大-A/D转换模块5，在该模块中，微弱的振动电 信号首先进行锁相放大，锁相信号来自CUP模块2，经过放大后，振动信号将进行A/D 转换，同步转换的指令由CPU模块2发出，自此，地震反射波的振动信号已经转化为数 字信号，该信号进入数据存储-通讯模块6,在同步或时间服务模块7的控制下，地震数 字信号在本地存储或上传至地震仪。
在上述工作过程中，主要模块的推荐参数如下
CPU模块2的方波电信号参数为频率卜20K;占空比Duty二50n/。，
宽带光源模块3的SLED超辐射发光二极管参数为中心波长1550nm，3dB带宽30nm，
光功率150，，
光栅检波器Sl、 S2、 S3、 S4传感光栅的3dB带宽为0.4nm，其中心波长分别是 ^'1546nm;As2 1550nm;义"1554腦；义"1558證；
光路分配-光电转换模块4中，其匹配光栅Ml、 M2、 M3、 M4的中心波长分别是 A組1546nm;义M2i550nm;义^1554腦；义wl558nm; 3dB带宽均为0.4nm, 1X2耦合
器2A:2B的分光比为50%:50%; 1 X4耦合器的分光比为25%:25%:25%:25%; D1、D2、 D3、 D4采用InGaAs—PIN光电二极管，其波长响应范围为1000 1700nm。
最后我们对比地震勘探过程中常规检波器与本发明的使用情况。
假设某地震勘探施工现场共有M个排列，每排列有N个物理点，道距为50米。数 据采集站带载能力为4道检波器；共有(MXN) /4个数据采集站通过数传电缆(或无线
传输)方式连接到地震仪器车。地震勘探开始时，来集站接收到起爆同步信写，开始同步 记录并存储各通道检波器的振动信号，直至预定数据长度(例如6秒)。随后，在仪器车 的控制下，将所记录的数据上传至地震仪的工作站。
对于其中某排列的勘探点位Kl K2 K3 K4
传统检波器部署方式为①纵贯K1一K4铺设一根200米长的多芯电缆(大线)② 相应K1、 K2、 K3、 K4位置安插检波器。，◎各个检波器通过2芯电缆(小线)连接到 多芯电缆(大线) 大线连接到采集站
本发明的部署方式为①纵贯K1一K4铺设铠装光缆，②相应于K1、 K2、 K3、 K4
位置安插检波器。
权利要求
1、一种波分多通道光纤光栅地震检波器，主要由光电采集站(1)、铠装光缆(8)以及多个光纤光栅检波器(S1、S2、S3、...Sn)组成多通道检波器，其特征是光电采集站(1)与各个检波器使用预先确定长度的铠装光缆(8)连接为一体，光纤焊接或连接仅仅在光电采集站(1)和光纤光栅检波器内部进行，外部没有相互连接的光纤端子或光纤适配器。
2、 根据权利要求1所述的波分多通道光纤光栅地震检波器，其特征是所述的光电采集站(1)由CPU模块(2)、宽带光源模块(3)、光路分配-光电转换模块(4)、锁相 放大-A/D转换模块(5)、数据存储-通讯模块(6)以及同步或时间服务模块(7)组成。
3、 根据权利要求1所述的波分多通道光纤光栅地震检波器，其特征是所述的多个 光纤光栅检波器(Sl、 S2、 S3、 ...Sn )的机械结构相同，但传感光栅的中心波长不同， 其波长间隔》2nm。
4、 根据权利要求1所述的波分多通道光纤光栅地震检波器，其特征是多通道是指 在时间上严格同步，由光路分配-光电转换模块为每一个传感光栅提供一个相应的匹配解 调支路来实现。
5、 根据权利要求4所述的波分多通道光纤光栅地震检波器，其特征是使用一个l XN耦合器以及N个1X2耦合器，N个匹配光栅及N个光电检测二极管，建立了互不 干扰的光学N通道(N为通道数目)。
6、 根据权利要求4或5所述的波分多通道光纤光栅地震检波器，其特征是多通道 N是指2通道一20通道之间的任一数字。
7、 根据权利要求2所述的波分多通道光纤光栅地震检波器，其特征是所述的宽带 光源模块(3)可以选用ASE光源或者SLED光源。
全文摘要
本发明涉及一种在地球物理地震勘探应用中的波分多通道光纤光栅地震检波器。其技术方案是主要由光电采集站、铠装光缆以及多个光纤光栅检波器组成多通道检波器，光电采集站与各个检波器使用预先确定长度的铠装光缆连接为一体，光纤焊接或连接仅仅在光电采集站和光纤光栅检波器内部进行，外部没有相互连接的光纤端子或光纤适配器。有益效果是具有灵敏度高、非线性失真低，抗电磁干扰等优点，从根本上消除大线中各信号之间发生的道间干扰。能够大大降低线路损耗带来的误差。简化野外操作，减少不确定的随机误差，提高勘探质量。降低了地震勘探对放线工人数量需求和劳动强度。
文档编号G01V1/16GK101349762SQ20081013835
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者刘志田, 吴学兵, 尹志帆, 崔洪亮, 彦 张, 时兴文, 汪云家 申请人:中国石化集团胜利石油管理局地球物理勘探开发公司