一种螺旋缠绕光纤的DAS六分量地震信号解耦与恢复方法

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体而言，涉及一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法。

背景技术：

分布式声传感(distributedacousticsensing，das)是一种基于光纤瑞利背向散射的新型连续性、分布式、实时的光纤传感技术。das以光纤作为系统前端，通过反演不同时刻光纤内各个位置瑞利背向散射干涉信号的相对变化，来实时采集地震资料，相比传统检波器具有成本低、鲁棒性好、分辨率和采样率高的天然优势，近年来被广泛应用于油气地球物理勘探领域。

然而，das直接测量光纤中两点瑞利背向散射光的相位变化，该相位变化主要由光纤在轴向上的拉伸和压缩引起，因此，直光纤只能测量沿光纤轴向方向的信号分量，而无法探测其他方向的信号分量(即“单分量”问题)，难以满足精细油气地震勘探对多分量信息的需求。目前实现多分量das通常有两种方法，一是通过同时测量光纤中散射光的强度信息与偏振信息实现径向振动信号的探测(wolifiski，1999)，二是改变光纤的物理形状，如螺旋状缠绕。螺旋缠绕光纤是将直光纤以特定角度缠绕在特定直径大小的圆柱体上，使得光纤对不同方向的振动都存在相对敏感的角度，从而有效扩大das探测地震波的范围。螺旋缠绕光纤采集得到的das信号不仅包含垂直方向振动信息，还包含了水平方向振动信息，即多分量地震波信息，然而光纤缠绕后获得的信号并不能直接代表光纤所在位置处的真实地震波振动信号。如何根据光纤缠绕方式来解耦出光纤所在位置处地震波振动引起的真实应变，对于实现多分量地震信息的恢复、促进das在精细油气地震勘探中的应用具有重要的指导意义。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法，其目的在于解决现有的光纤缠绕后获得的信号并不能直接代表光纤所在位置处的真实地震波振动信号的问题。

鉴于上述问题，本发明提出的技术方案是：

一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法，包括以下步骤：

s1，将面向多分量振动信号的光纤螺旋缠绕在同一圆柱体上；

s2，螺旋缠绕光纤采集地震数据；

s3，确定多分量缠绕光纤信号与原始振动信号之间的坐标映射关系；

s4，解耦恢复真实地震波振动信号；

s5，真实地震波振动信号误差验证。

作为本发明一种优选技术方案，所述步骤s1具体包括：

s11，将光纤螺旋缠绕轴的轴向方向定义为z轴方向，径向方向分别为x、y方向，按照右手定则来确定缠绕的正方向，定义光纤切线与o-xy平面的夹角为光纤螺旋角，其角度分别为α1、α2、α3……αn；

s12，n根光纤从同一个点出发按照上述相应的角度朝负方向沿轴向前进行均匀缠绕。

作为本发明中的一种优选技术方案，所述步骤s2具体包括：

s21，通过不同的功分器和耦合器将激光脉冲信号分为n路，分别同步注入到n根光纤中；

s22，每根光纤相当于一个das分量系统进行单独探测，接收光纤各点反向传输回来的瑞利背向散射信号，对散射信号进行外差探测并按照数字相干算法进行解调，最终得到该位置处应变随时间的变化关系，该应变随时间关系反映了真实地震波振动信号。

作为本发明中的一种优选技术方案，所述步骤s3具体包括：

s31，将光纤螺旋缠绕轴的方向定义为全局坐标系z轴方向，其正方向与光纤缠绕时的正方向保持一致；

s32，沿光纤每个点s都存在一个局部坐标系o-mxlzny，定义螺旋缠绕光纤各点向前的切线方向为该点局部坐标系mx轴正方向；

s33，定义在起始点时的局部坐标系为初始局部坐标系，其mx、lz、ny轴分别与全局坐标系x、y、z轴平行，各对应的坐标轴之间不存在夹角；

s34，对于第i根光纤上任意一点s，其局部坐标系与全局坐标系的变换关系为：

初始局部坐标系先从光纤初始位置绕z轴顺时针旋转θsi与s点局部坐标系原点重合，然后再绕y轴逆时针旋转αi角度与s点局部坐标系各坐标轴重合，根据坐标旋转理论，建立坐标变换过程的数学关系；

其中，θsi为第i根光纤由初始点到s点旋转角度，αi为第i根光纤螺旋角。

作为本发明中的一种优选技术方案，所述步骤s34中建立坐标变换过程的数学关系即为第i根缠绕光纤各点到全局坐标系o-xyz之间的坐标映射关系，其表达公式如下：

作为本发明中的一种优选技术方案，所述步骤s4具体包括：通过所述步骤s34得到所述坐标映射关系之后，在采用n根不同螺旋角度的光纤组合的情况下，其采用最小二乘来求解全局坐标系中的同一高度平面上各个光纤上各点的地震波振动应变平均值m，其表达公式如下：

式中：m为同一高度平面上各个光纤上各点的地震波振动应变平均值；

dn为局部坐标系下第n根光纤轴向应变；

λ为正则化参数(λ>0)；

i为单位矩阵；

g为矩阵。

作为本发明中的一种优选技术方案，矩阵g根据ε′＝rεr^t构建得到，其中，ε为全局坐标系下应变量εxx、εyy、εzz、εxy、εxz、εyz，ε′为局部坐标系应变量εmm、εl1、εnn、εml、εm2、εl2，具体构建模式由ε′＝rεr^t等号两端矩阵中相同元素对应相等，根据εmm与εxx、εyy、εzz、εxy、εxz、εyz的数学关系，得到局部坐标系下的光纤测量信号与全局坐标系下的地震波振动引起的应变之间的映射关系式。

作为本发明中的一种优选技术方案，所述局部坐标系下的光纤测量信号与全局坐标系下的地震波振动引起的应变之间的映射关系式的表达式如下：

式中：εmm为局部坐标系中光纤轴向应变；

为矩阵g的表达式，其代表局部坐标系中光纤轴向应变分量与全局坐标系中振动信号各个应变张量之间的投影关系。

作为本发明中的一种优选技术方案，所述步骤s5具体包括：对比真实与解耦恢复的应变信号，两者的波峰、波谷时空位置关系以及波长频率相吻合，说明两者的运动学特征和动力学特征都具有较好的一致性，解耦恢复的地震波信号无论在振幅特征方面，还是在相位特征方面，都与真实地震波信号等同，并估算误差，当结果显示误差小于等于3％时，能够实现真实地震波信号在较小的误差范围内解耦恢复。

作为本发明中的一种优选技术方案，所述估算误差的表达式如下：

相对于现有技术，本发明的有益效果是：根据螺旋缠绕光纤的振动敏感范围，利用螺旋缠绕光纤与振动信号之间的坐标映射关系，实现从螺旋缠绕光纤信号到光纤所在位置处真实地震波振动六分量信号的解耦恢复，从而获取更加合理可靠的六分量地震波信息，可促进das在精细油气地震勘探中的发展。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法的流程示意图；

图2是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法的六根光纤缠绕示意图；

图3是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法的das螺旋缠绕光纤坐标系变换流程图；

图4是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法的六根光纤螺旋缠绕后采集的信号示意图；

图5是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法的地震波产生的真实应变示意图；

图6a是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法的六根螺旋缠绕光纤解耦恢复结果示意图；

图6b是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法的六根螺旋缠绕光纤解耦恢复结果与真实地震信号之间的误差示意图；

图7是本发明所公开的一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法和真实地震信号之间的单道对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明中的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例

参照附图1所示，本发明提供一种技术方案：一种螺旋缠绕光纤的das六分量地震信号解耦与恢复方法，包括以下步骤：

s1，将面向多分量振动信号的光纤螺旋缠绕在同一圆柱体上。

在本实施例中，参照附图2所示，步骤s1具体包括：

s11，将光纤螺旋缠绕轴的轴向方向定义为z轴方向，径向方向分别为x、y方向，按照右手定则来确定缠绕的正方向，定义光纤切线与o-xy平面的夹角为光纤螺旋角，其角度分别为α1、α2、α3……αn。

s12，n根光纤从同一个点出发按照上述相应的角度朝负方向沿轴向前进行均匀缠绕。

具体而言，n根光纤从同一个点出发按照相应的角度朝负方向沿轴向前进行均匀缠绕，不同的光纤螺旋角会影响光纤对地震波入射角度的敏感范围缠绕过程中需要保证螺旋角度平均分布，确保可以更完整的获取轴向与径向振动信息。

可选地，在内层每两根光纤之间添加聚乙烯夹层并填充纤膏，使其处于不同层并确保光纤与圆柱体之间的耦合；外层封装包括钢丝加强件、pe内护套、钢-聚乙烯护罩，pvc外保护套，使光缆具有良好的机械性能和较强的环境适应能力。

需要说明的是，螺旋缠绕光纤采用标准单模光纤，制造工艺可参考现行标准《管道、直埋和非自承式架空敷设用单模通信室外光缆gb/t29233-2012》实施。

s2，螺旋缠绕光纤采集地震数据。

在本实施例中，步骤s2具体包括：

s21，通过不同的功分器和耦合器将激光脉冲信号分为n路，分别同步注入到n根光纤中。

s22，每根光纤相当于一个das分量系统进行单独探测，接收光纤各点反向传输回来的瑞利背向散射信号，对散射信号进行外差探测并按照数字相干算法进行解调，最终得到该位置处应变随时间的变化关系，该应变随时间的变化关系反映了地震波振动引起的应变。

上述实施例中，进一步实际应用时，利用缠绕后的光纤开展数据采集时，整个传感结构利用n根光纤，在采集过程中n根光纤共享同一个高相干激光器信号源和声光调制器。

s3，确定多分量缠绕光纤信号与原始振动信号之间的坐标映射关系。

在本实施例中，参照附图3～4所示，步骤s3具体包括：

s31，将光纤螺旋缠绕轴的方向定义为全局坐标系z轴方向，其正方向与光纤缠绕时的正方向保持一致。

s32，沿光纤每个点s都存在一个局部坐标系o-mxlzny，定义螺旋缠绕光纤各点向前的切线方向为该点局部坐标系mx轴正方向。

s33，定义在起始点时的局部坐标系为初始局部坐标系，其mx、lz、ny轴分别与全局坐标系x、y、z轴平行，各对应的坐标轴之间不存在夹角。

s34，对于第i根光纤上任意一点s，其局部坐标系与全局坐标系的变换关系为：

初始局部坐标系先从光纤初始位置绕z轴顺时针旋转θsi与s点局部坐标系原点重合，然后再绕y轴逆时针旋转αi角度与s点局部坐标系各坐标轴重合，根据坐标旋转理论，建立坐标变换过程的数学关系；

其中，θsi为第i根光纤由初始点到s点旋转角度，αi为第i根光纤螺旋角。

进一步地，步骤s34中建立坐标变换过程的数学关系即为第i根缠绕光纤各点到全局坐标系o-xyz之间的坐标映射关系，其表达公式如下：

s4，解耦恢复真实地震波振动信号。

在本实施例中，步骤s4具体包括：通过步骤s34得到坐标映射关系之后，在采用n根不同螺旋角度的光纤组合的情况下，其采用最小二乘来求解全局坐标系中的地震波振动引起的应变平均值m，其表达公式如下：

式中：m为同一高度平面上各个光纤上各点的地震波振动引起的应变平均值；

dn为局部坐标系下第n根光纤轴向应变；

λ为正则化参数(λ>0)；

i为单位矩阵；

g为矩阵。

具体地，矩阵g根据ε′＝rεr^t构建得到，其中，ε为全局坐标系下应变量εxx、εyy、εzz、εxy、εxz、εyz，ε′为局部坐标系应变量εmm、εl1、εnn、εml、εmn、εln，具体构建模式由ε′＝rεr^t等号两端矩阵中相同元素对应相等，根据εmm与εxx、εyy、εzz、εxy、εxz、εyz的数学关系，得到局部坐标系下的光纤测量信号与全局坐标系下的地震波振动引起的应变之间的映射关系式。

进一步地，局部坐标系下的光纤测量信号与全局坐标系下的地震波振动引起的应变之间的映射关系式的表达式如下：

式中：εmm为局部坐标系中光纤轴向应变；

为矩阵g的表达式，其代表局部坐标系中光纤轴向应变分量与全局坐标系中振动信号各个应变张量之间的投影关系。

s5，真实地震波振动信号误差验证。

在本实施例中，步骤s5具体包括：对比真实与解耦恢复的应变信号，两者的波峰、波谷时空位置关系以及波长频率相吻合，说明两者的运动学特征和动力学特征都具有较好的一致性，解耦恢复的地震波信号无论在振幅特征方面，还是在相位特征方面，都与真实地震波信号等同，并估算误差，当结果显示误差小于等于3％时，能够实现真实地震波信号在较小的误差范围内解耦恢复。

具体地，估算误差的表达式如下：

可选地，以六根螺旋缠绕光纤为例，利用井中地震数据试验验证误差。参照附图4所示，六根螺旋角度分别为25°、30°、40°、50°、60°和65°的螺旋缠绕光纤das信号，模型设置深度为100m，时间0.15s；参照附图5所示，具体为井中地震波产生的真实应变；结合图6a和6b所示，其为六根螺旋角度分别为25°、30°、40°、50°、60°、65°的螺旋缠绕光纤恢复的原始地震波振动引起的应变结果；参照附图7所示，其为利用六根光纤恢复结果与原始地震波振动引起的应变之间的单道信号对比结果。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

根据螺旋缠绕光纤的振动敏感范围，利用螺旋缠绕光纤与振动信号之间的坐标映射关系，实现从螺旋缠绕光纤信号到光纤所在位置处真实地震波振动六分量信号的解耦恢复，从而获取更加合理可靠的六分量的地震波信息，可促进das在精细油气地震勘探中的发展。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。