CN101231345A - 地震勘探用检波器及其检波*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地震勘探用检波器及其检波***，该检波器包括：光纤布拉格光栅、质量块、弹性部件、检波器外壳，其中所述光纤布拉格光栅与质量块相连；所述质量块通过所述弹性部件与所述检波器外壳相连接，并通过振动来改变光纤布拉格光栅的周期或折射率。本发明的检波***对地震信号的响应具有理想的频带和尽可能大的动态范围。

Description

地震勘探用检波器及其检波***

技术领域

本发明涉及地震勘探技术领域，尤其涉及地震勘探中的检波技术领域，具体地讲是地震勘探用检波器及其检波***。

背景技术

目前，地震勘探技术不仅广泛用于石油和矿产资源勘探，而且还广泛用于地质灾害的调查例如山体滑坡、地面塌陷等，和水文勘察例如寻找水源等，以及工程质量探测例如大坝质量检测等方面。

地震勘探技术是指，依据地层岩石对地震波的弹性反射、折射、绕射或频散等现象及其动力学特征特性，通过地震波传播特性，用地震检波器单元在地面或井中采集来自地下目标体反射、折射、绕射或频散的信号，经采集站传输到地震仪并记录下来，最后通过计算机对所记录的信号进行技术处理和地质解释，从而推断地质差异体的结构、构造，预测油气储层或工程体等的技术，其勘探过程如图1所示。

而用于上述地震勘探的上述检波器单元是一种将振动信号转换为可检测信号的转换装置，其在地震勘探中起关键作用。

而由于大地对低频信号和高频信号吸收程度不同，使反射到地面检波器的低频信号和高频信号能量相差很大，这就要求信号检测***有较大的动态范围。

并且为了精确、可靠地进行检测，上述的检波器单元应该对地震信号的响应，具有理想的频带和尽可能大的动态范围。

当前地震勘探仪器的动态范围已达130dB，而检波器的动态范围在50dB以下，不能满足高分辨率、大动态范围地震勘探的需要，成为地震勘探的瓶颈，可见目前影响地震勘探精度的关键因素是地震检波器，因而研究和开发高精度地震检波器有重要的现实意义。

在此将中国专利授权公告号CN2558960Y中公开的光纤布喇格光栅传感器，和中国专利公告号CN1466014Y中公开的光纤布拉格光栅，以及中国专利授权公告号CN1153054C中公开的布拉格光栅压力传感器的内容引入于此，作为本发明的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供地震勘探用检波器及其检波***，以解决现有技术当中动态范围小的缺陷。

本发明的一目的在于，提供一种地震勘探用检波器，该地震勘探用检波器包括光纤布拉格光栅、质量块、弹性部件、检波器外壳、阻尼环，其中所述光纤布拉格光栅与质量块相连；所述质量块通过所述弹性部件与所述检波器外壳相连接，并通过振动来改变光纤布拉格光栅的周期或折射率。

本发明的另一目的在于，提供一种检波***，所述检波***包括：检波器，该检波器包括：光纤布拉格光栅、质量块、弹性部件、检波器外壳、阻尼环，其中所述光纤布拉格光栅与质量块相连；所述质量块通过所述弹性部件与所述检波器外壳相连接，并通过振动来改变光纤布拉格光栅的周期或折射率，生成光信号；解调装置，其通过光纤与所述检波器相连，并将所述光信号转换为光功率信号；光电转换装置，其接收所述光功率信号，并将该光功率信号转换为电信号；A/D转换装置，其接收所述电信号，并将其转换为数字信号；数字处理装置，其接收所述数字信号，并根据所述数字信号绘制波形图。

本发明的检波器突破了传统检波器的瓶颈，使检波器的性能得到了极大的改善，将引起地震勘探装备的革命。

本发明的检波***对地震信号的响应具有理想的频带和尽可能大的动态范围。

附图说明

图1所示的是现有的地震勘探过程的示意图。

图2所示的是本发明的地震勘探用检波器的等效模型图。

图3所示的是本发明的地震勘探用检波***的结构框图。

图4A所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波器的示意图。

图4B所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波器的质量块示意图。

图4C所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波器的弹片的示意图。

图4D所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波器的弹片的弹性示意图。

图5所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波***的光电转换装置和放大电路的电路图。

图6所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波***的滤波器的电路图。

图7所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波***的A/D转换装置的框图。

图8A所示的是本发明的实施例1的光纤布拉格光栅直接拉伸压缩法检波器的光栅应变与外激励加速度的幅频特性图。

图8B所示的是本发明的实施例1的光纤布拉格光栅直接拉伸压缩法检波器的光栅应变与外激励加速度的相频特性图。

图9所示的是实施例1的一测试输出电压与光纤布拉格光栅应变关系图。

图10A所示的是本发明的实施例2的地震勘探用检波器的示意图。

图10B所示的是本发明的实施例2的地震勘探用检波器的质量块的示意图。

图10C所示的是本发明的实施例2的地震勘探用检波器的弹片的示意图。

图11A所示的是本发明的实施例2的光纤布拉格光栅弹性梁法检波器光栅应变与外激励加速度的幅频特性图。

图11B所示的是本发明的实施例2的光纤布拉格光栅弹性梁法检波器光栅应变与外激励加速度的相频特性图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的具体实施方式。

图2所示的是本发明的地震勘探用检波器的等效模型图。如图2所示，本发明的地震勘探用检波器包括：光纤布拉格(Bragg)光栅、质量块、弹性部件(例如弹簧)、检波器外壳、阻尼环，其中所述光纤布拉格光栅与质量块相连；所述质量块通过所述弹性部件与所述检波器外壳相连接，并通过振动来改变光纤布拉格光栅的周期或折射率。

图3所示的是本发明的地震勘探用检波***的结构框图。如图3所示，本发明的地震勘探用检波***包括：检波器301，该检波器包括：光纤布拉格光栅、质量块、弹性部件、检波器外壳、阻尼环，其中所述光纤布拉格光栅与质量块相连；所述质量块通过所述弹性部件与所述检波器外壳相连接，并通过振动来改变光纤布拉格光栅的周期或折射率，生成光信号；解调装置303，其通过光纤302与所述检波器301相连，并将所述光信号转换为光功率信号；光电转换装置304，其接收所述光功率信号，并将该光功率信号转换为电信号；A/D转换装置305，其接收所述电信号，并将其转换为数字信号；数字处理装置306，其接收所述数字信号，并根据所述数字信号绘制波形图。

实施例1

图4A所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波器的示意图，图4B所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波器的质量块示意图，图4C所示的是本发明的实施例1的地震勘探用检波器的弹片的示意图。如图4A、图4B、图4C所示，本实施例的地震勘探用检波器为一光纤布拉格光栅直接拉伸压缩法检波器，其中金属化的光栅(布拉格光栅带宽小于0.2nm，长度小于5mm)刻于光纤405，并且其一端粘接于振动质量块404、406，质量块的质量M为图1中的404与406之和，上述光栅的另一端粘接于调整块410，并最终与检波器外壳409相连，另外本实施例的光纤布拉格光栅直接拉伸压缩法检波器可以通过微调螺母411来调整光纤的初始应力状况。质量块与检波器外壳409的间距为L。弹片401、407的一端通过支环402、403固定，其另一端与质量块404、406连接(弹片401的弹性如图4D所示)。

另外在本实施例中为了方便质量块与弹簧片的装配，质量块是由两部分组成、即由图2的404和406组成，质量块的材料为不锈钢，密度为ρ＝7.8g/cm³，并且为了保证检波器侧向的无方向性，其形状为圆柱形，且质量块的质量为M＝28.3g。

并且，为了增大阻尼比，在质量块404、406与检波器外壳9的环形空间、即图1的阻尼环408与质量块404、406之间，充填粘性硅油，环形空间间距远远小于相对面积，可以等效为无限大平板间隙粘滞流体的运动，当接触环形的高度a＝2mm，距离h＝0.1mm，等效的宽度b≈2πR＝17π(mm)外壳内表面相当于下板设为静止，质量块外表面相当于上板以速度θ运动，因粘滞流体缓慢运动，流体运动产生的压强P为零，由无限大平面流体流动的运动方程及牛顿内摩擦定律得：

$d=\frac{2\mathrm{\πRa}}{h}\mathrm{\μ}---\left(1\right)$

由阻尼比 $\mathrm{\ξ}=\frac{d}{d_0}$ 得ξ＝0.0075μ，为了得到阻尼比最佳，阻尼介质选对温度敏感性差、化学、物理性能稳定的甲基硅油，空气在其中的溶解率与其粘度无关，容易调配得到任意粘度的硅油。

甲基硅油按照具体用途可制成0.65×10^-6m²/s(20℃)～2m²/s的不同粘度的产品，任意粘度的硅油可根据下列经验公式调配：

G₁logμ₁+G₂logμ₂＝(G₁+G₂)logμ    (2)

式中，μ₁--高粘度硅油的粘度；μ₂--低粘度硅油的粘度；μ--配制粘度硅油的粘度；G₁--高粘度硅油的质量；G₂--低粘度硅油的质量。

硅油的粘度与温度的关系可表示为：

logv＝10^-Alog(T/298)logv₂₅    (3)

式中，v--温度为T时硅油的运动粘度(10^-6m²/s)；T--硅油温度(K)；v₂₅--25℃时硅油的表观粘度(10^-6m²/s)；A--常数，

由

确定，或取经验值A＝2％/℃。

布拉格光栅产生的弹性系数 $k_1=\frac{\mathrm{EA}}{L}=\frac{895.845}{L}N/m,$ 为了以振动***的弹片振动为主，弹簧的弹性系数为k₂必须大于或等于布拉格光栅的弹性系数，取k₂＝k₁。普通拉伸弹簧要达到k₁，体积必然很庞大，所以弹簧设计成弹片形式。

并且，由于铍青铜机械性能优于钢，在淬火状态下塑性好，易造出各种形状，延展性极好，有很高的强度和硬度、耐磨、耐疲劳、弹性恢复能力强是弹片设计的理想材料。

由于弹片形状不同，弹性不同；弹片开槽不同，弹片产生的弹性也不同；弹片厚度不同，弹性也不同。所以根据需要，利用有限元的方法建模计算，利用边的垂向位移约束为零的条件，求取弹片的形状、厚度及开槽数目和大小。

当弹片套入质量块的下部由上部分压紧，使得质量块伴随弹片一起上下运动，弹片同时限制了质量块横向振动，消除了假频的影响，保证光栅轴向伸缩，

当外激励以加速度a＝a₀sin(ωt)激励时，光纤光栅的布拉格波长位移为：

Δλ＝0.78λ_Bε＝0.78λ_BDsin(ωt+φ)    (4)

式中： $D=\frac{1}{L_2}\frac{a_0}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\ω}\right)}^2}}$

$\mathrm{\φ}=-\mathrm{arctg}\frac{2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2}$

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{M}},$ 固有频率或共振频率，由检波器弹性***的结构和材料决定，f₀＝400.5Hz。

灵敏度是检波器对激励(振动)响应的敏感程度， $S=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{a}=157.3\mathrm{pm}/g,$ 其中，g为重力加速度。

当本发明的光纤布拉格光栅直接拉伸压缩法检波器检测出外激励机械振动信号后，将该外激励机械振动信号转换为光信号，然后通过光纤将上述光信号输出到解调装置，该解调装置将接收到的上述光信号转换为光功率信号。

接着，上述解调装置将上述光功率信号输出到光电转换装置、放大电路(如图5所示)，光电转换装置接收所述光功率信号后，将该光功率信号转换为电信号并放大。

上述电信号通过滤波器(如图6所示)滤波后，输出到上述A/D转换装置(如图7所示)，该A/D转换装置接收所述电信号，并将其转换为数字信号。

最后，数字处理装置接收所述数字信号，并根据所述数字信号绘制本发明的光纤布拉格光栅直接拉伸压缩法检波器的光栅应变与外激励加速度的幅频和相频特性图(如图8A、图8B所示)。

本实施例的一测试输出电压与光纤布拉格光栅应变关系如图9所示。

实施例2

图10A所示的是本发明的实施例2的地震勘探用检波器的示意图，图10B所示的是本发明的实施例2的地震勘探用检波器的质量块的示意图，图10C所示的是本发明的实施例2的地震勘探用检波器的弹片的示意图。

如图10A、图10B、图10C所示，本实施例地震勘探用检波器为一光纤布拉格光栅弹性梁法检波器，该光纤布拉格光栅弹性梁法检波器中，光纤布拉格光栅1004粘贴于弹片1001、1007，弹片1001、1007则固定于外壳1009，而质量块由两部分组成、即图10B的1005和1006，质量块的质量为M，质量块的材料为不锈钢，保证了检波器侧向的无方向性，形状为圆锥形(如图10A的1005和1006所示)，质量块的质量为M＝19.3g。弹簧***设计为3臂圆形弹片形状，材料选用铍青铜(如图10C所示)，弹片1001、1007的外端由支环(如图10A的支环1002和支环1003)固定，中心与振动质量块1005、1006相连，悬臂梁长度为L，由悬臂梁弯曲得光栅的应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F(L-x)h}{2E{I}_z}=\frac{6(L-x)}{\mathrm{Eb}{h}^2}F---\left(5\right)$

其中， $F=\frac{1}{3}\mathrm{Ma},$ a外激励加速度；b弹片悬臂梁宽；h弹片厚度。

为了增大阻尼比，阻尼结构的设计采用质量块与外壳环形空间(如图10A的质量块1006与阻尼环1008之间)粘充填粘滞流体阻尼，环形空间间距远远小于相对面积，可以等效为无限大平板间隙粘滞流体的运动，d＝0.94μ，阻尼比ξ＝0.5μ，其中，μ为硅油的粘度。粘贴于悬臂梁上的光栅的波长位移为：

$\mathrm{\Δ\λ}=-\frac{1.56{\mathrm{\λ}}_B(L-X)}{\mathrm{Eb}{h}^2}\·\mathrm{MB}{\mathrm{\ω}}^2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(6\right)$

式中： $B=\frac{a_0}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\ω}\right)}^2}}$

$\mathrm{\φ}=-\mathrm{arctg}\frac{2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2}$

悬臂梁得弹性系数为 $k=\frac{3\mathrm{Eb}{h}^3}{4L^3}=43.3N/m,$ 固有频率为f₀＝7.4Hz，波长位移灵敏度 $S=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{a}=1.03\×{10}^{-10}{s}^2=1\mathrm{nm}/g,$ 式中，g为重力加速度。

当本发明的光纤布拉格光栅弹性梁法检波器检测出外激励机械振动信号后，将该外激励机械振动信号转换为光信号，然后通过光纤将上述光信号输出到解调装置，该解调装置将接收到的上述光信号转换为光功率信号。

接着，上述解调装置将上述光功率信号输出到光电转换装置和放大电路，光电转换装置接收所述光功率信号后，将该光功率信号转换为电信号并放大。

上述电信号通过滤波器滤波后，输出到上述A/D转换装置，该A/D转换装置接收所述电信号，并将其转换为数字信号。

最后，数字处理装置接收所述数字信号，并根据所述数字信号绘制本发明的光纤布拉格光栅直接拉伸压缩法检波器的光栅应变与外激励加速度的幅频和相频特性图(如图11A、图11B所示)。

另外本发明的地震勘探用检波***中：

①动态范围

地震波在地层内传播过程中，因为波前的扩散，地层的吸收，它的能量会受到损耗，当波传至地面时，浅层反射波因传播路程短损耗小能量强，深层反射波因传播路程长损耗大能量强，动态范围较大。

为了保证光纤光栅工作在正常状态，光栅不被拉断(或压缩弯曲)，光栅的最大应变应小于1％，

1).在本发明中最大应变取0.5％，光栅应变的检测技术达到0.1με，光栅的动态范围：

$d=20\log \frac{0.5\%}{0.1\×{10}^{-6}}=94\mathrm{dB}---\left(7\right)$

2).在本发明中最大应变取0.3％，光栅应变的检测技术达到0.1με，光栅的动态范围：

$d=20\log \frac{0.3\%}{0.1\×{10}^{-6}}=90\mathrm{dB}---\left(8\right)$

所以光栅检波器动态范围较大，大于90dB。

②固有频率

大地是一个高通滤波器，人工地震的频率一般在几赫兹到几百赫兹之间，固有频率由地震勘探目的决定。

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(9\right)$

$A=\mathrm{\π}\×{(\frac{125}{2}\×{10}^{-6})}^2=1.227\×{10}^{-8}\left(m^2\right)$

$k=K+\frac{\mathrm{EA}}{L}=K+\frac{7.3\×{10}^{10}\×A}{10\×{10}^{-3}}=K+89584.5(N/m)$

令K＝89584.5(N/m)，m＝11.6g则f₀＝625.5Hz

③频域范围

在本发明中可根据不同的要求，通过调节质量块的大小和弹簧的硬度来改变传感器的灵敏度和固有频率的大小，如果希望测量频域范围宽，则可使弹簧的弹性系数加大，或减小质量块的质量。

1).0.1×10^-6≤ε≤0.3％时，由Δλ＝0.7874λ_Bε得：0.12pm ≤Δλ≤3.66nm。

2).0.1×10^-6≤ε≤0.5％时，由Δλ＝0.7874λ_Bε得：0.12pm≤Δλ≤6nm。

一般光源为40nm，如果最大应变为0.5％，检波器的复用能力为40/3.66＝10.9，即一个光源可以最大复用10个光栅检波器，如最大应变为0.3％，检波器的复用能力为40/6＝6.7，即一个光源可以最大复用6个光栅检波器。如果固有频率取f₀＝625.5Hz，所以频域范围为0～442Hz。

④分辨率

适合地震勘探应用的光栅解调技术是光栅匹配法属于调谐滤波法，结构简单，精度满足地震勘探高分辨率要求，应变的检测的分辨率为1με，则波长分辨率为1.2pm。

⑤灵敏度

光栅波长漂移是由大地运动引起的，即光栅波长漂移灵敏度为质量块单位加速度下的波长漂移量：

$S=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{a}=\frac{0.78m{\mathrm{\λ}}_B}{(\mathrm{EA}+\mathrm{KL})}---\left(10\right)$

光栅波长漂移灵敏度为：S＝0.077nm/g＝77pm/g。

灵敏度也可表示为质量块单位加速度下的Bragg光栅栅距变化率：

$S=\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{a}=\frac{0.78m{\mathrm{\λ}}_B}{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{kL}}=\frac{0.78m{\mathrm{\λ}}_B}{2n_{\mathrm{eff}}(\mathrm{EA}+\mathrm{KL})}---\left(11\right)$

Bragg光栅栅距灵敏度为：S＝0.026nm/g＝26pm/g。

从上述数据可知，本发明的检波器突破了传统检波器的瓶颈，使检波器的性能得到了极大的改善，将引起地震勘探装备的革命。

本发明的检波***对地震信号的响应具有理想的频带和尽可能大的动态范围。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限制本发明，任何熟习该技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所要求的范围为准。

Claims (10)

1.一种地震勘探用检波器，其特征在于，

所述地震勘探用检波器包括光纤布拉格光栅、质量块、弹性部件、检波器外壳，其中

所述光纤布拉格光栅与质量块相连；

所述质量块通过所述弹性部件与所述检波器外壳相连接，并通过振动来改变光纤布拉格光栅的周期或折射率。

2.如权利要求1所述的地震勘探用检波器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅的一端与所述检波器外壳相连，另一端与所述质量块相连；

所述弹性部件的一端与所述检波器外壳相连，另一端与所述质量块相连。

3.如权利要求2所述的地震勘探用检波器，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅为镀金属的光栅；

所述的弹性部件为弹片，该弹片为开槽的圆形状，其材料为铍青铜；

所述的质量块的形状为圆柱形，并由上下两部分组成。

4.如权利要求1所述的地震勘探用检波器，其特征在于，

所述的弹性部件为弹片；

所述的光纤布拉格光栅粘贴于所述弹片。

5.如权利要求4所述的地震勘探用检波器，其特征在于，

所述弹片形状为等臂的三臂型圆，材料为铍青铜；

所述的质量块的形状为圆锥形，由上下两部分组成。

6.一种检波***，其特征在于，所述检波***包括：

检波器，该检波器包括：光纤布拉格光栅、质量块、弹性部件、检波器外壳，其中所述光纤布拉格光栅与质量块相连；所述质量块通过所述弹性部件与所述检波器外壳相连接，并通过振动来改变光纤布拉格光栅的周期或折射率，生成光信号；

解调装置，其通过光纤与所述检波器相连，并将所述光信号转换为光功率信号；

光电转换装置，其接收所述光功率信号，并将该光功率信号转换为电信号；

A/D转换装置，其接收所述电信号，并将其转换为数字信号；

数字处理装置，其接收所述数字信号，并根据所述数字信号绘制波形图。

7.如权利要求6所述的检波***，其特征在于，所述光纤布拉格光栅的一端与所述检波器外壳相连，另一端与所述质量块相连；

所述弹性部件的一端与所述检波器外壳相连，另一端与所述质量块相连。

8.如权利要求7所述的检波***，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅为镀金属的光栅；

所述的弹性部件为弹片，该弹片为开槽的圆形状，其材料为铍青铜；

所述的质量块的形状为圆柱形，并由上下两部分组成。

9.如权利要求6所述的检波***，其特征在于，

所述的弹性部件为弹片；

所述的光纤布拉格光栅粘贴于所述弹片。

10.如权利要求9所述的检波***，其特征在于，

所述弹片形状为等臂的三臂型圆，材料为铍青铜；

所述的质量块的形状为圆锥形，由上下两部分组成。

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