光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)野外錘擊試驗(yàn)及效果分析

李 勤，李文韜，王志峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

目前我國(guó)能源礦產(chǎn)供給儲(chǔ)備目標(biāo)層達(dá)3 000 m，但深部探測(cè)關(guān)鍵裝備和數(shù)據(jù)處理高端軟件90%以上依賴進(jìn)口，我國(guó)勘探技術(shù)總體處于“跟跑”狀態(tài)。為此，亟待開發(fā)3 000 m及以上的深地地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探設(shè)備，提升我國(guó)地球科學(xué)探測(cè)儀器自主創(chuàng)新能力和裝備水平。

光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是國(guó)土資源、礦產(chǎn)、石油等資源勘探、地質(zhì)調(diào)查急需的地球勘查類關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。目前，以動(dòng)圈為主流的地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在供電困難、易受電磁干擾以及數(shù)據(jù)傳輸慢等問題，在一定程度上限制了地震勘探技術(shù)的發(fā)展。光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對(duì)震源激發(fā)、經(jīng)地層發(fā)射后的地震信號(hào)實(shí)現(xiàn)敏感、提取及存儲(chǔ)等功能[3-4]。光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于光學(xué)干涉的物理原理來拾取地震信息，可以解決傳統(tǒng)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的上述問題。本文對(duì)自主設(shè)計(jì)和研發(fā)的光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了野外錘擊試驗(yàn)，通過與傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行比測(cè)，驗(yàn)證了光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的探測(cè)性能。

1 系統(tǒng)組成

光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由光纖采集鏈、光纖主纜、光纖解調(diào)器以及地震記錄儀組成。光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

1.1 光纖采集鏈

光纖采集鏈由光纖耦合器、光纖地震檢波器及傳輸光纖組成，采用梯狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)8基元檢波器的時(shí)分復(fù)用，如圖2所示。圖3所示為光纖采集鏈的實(shí)物圖。

圖2 光纖采集鏈?zhǔn)疽鈭D

圖3 光纖采集鏈實(shí)物圖

1.2 光纖主纜

光纖主纜由14芯輕型野戰(zhàn)光纜、12芯光纜航插、2芯ODC插頭、光上載分路器（OAM）以及光下載分路器（ODM）組成。光纖主纜的實(shí)物如圖4所示。

圖4 光纖主纜實(shí)物圖

1.3 光纖解調(diào)器

光纖解調(diào)器主要由光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、供電電路及通信電路組成。光纖解調(diào)器的實(shí)物如圖5 所示。

圖5 光纖解調(diào)器實(shí)物圖

光纖解調(diào)器采用分層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分層結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，底層安裝波分解復(fù)用器和光衰減器，中間層安裝光發(fā)射機(jī)（包含激光光源、波分復(fù)用器、聲光調(diào)制器及驅(qū)動(dòng)及光纖耦合器）、供電電路以及通信電路，頂層安裝調(diào)制解調(diào)電路。

圖6 光纖解調(diào)器分層結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 地震記錄儀

地震記錄儀由服務(wù)器和交換機(jī)等設(shè)備組成。其中，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)設(shè)備自檢和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，交換機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信和數(shù)據(jù)交換的功能。地震記錄儀的實(shí)物如圖7所示。

圖7 地震記錄儀實(shí)物圖

2 工作原理及流程

光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于激光干涉的物理原理來拾取地震信息。激光光源發(fā)出的光波在光纖中傳播并在光路中發(fā)生干涉，當(dāng)震源激發(fā)的震動(dòng)經(jīng)地層反射后傳導(dǎo)到光纖采集鏈上攜帶的光纖地震檢波器時(shí)，會(huì)引起檢波器內(nèi)彈性順變柱體的形變，導(dǎo)致傳感光纖長(zhǎng)度發(fā)生變化，光纖中傳輸光波的相位受到調(diào)制。光纖解調(diào)器對(duì)干涉光波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，提取出光波相位中包含的地震信息。地震記錄儀對(duì)光纖解調(diào)器回傳的地震數(shù)據(jù)按SEG-Y格式進(jìn)行存儲(chǔ)[5-6]。

光纖地震檢波器是光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最重要的核心部件，是光纖采集鏈的主要功能部件，下面重點(diǎn)對(duì)光纖檢波器的工作原理進(jìn)行描述。

光纖地震檢波器由非平衡光纖Michelson干涉儀和敏感結(jié)構(gòu)組成。光纖干涉儀的兩臂纏繞在彈性順變柱體上，震動(dòng)信號(hào)引起彈性順變柱體發(fā)生形變，導(dǎo)致纏繞在彈性順變柱體上的光纖長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而引起光纖中傳輸光束光程的改變。因此，光纖干涉儀中傳輸光波的相位受到調(diào)制，通過相位解調(diào)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)地震波檢測(cè)[7]。

光纖地震檢波器選用芯軸型基元結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾据S型基元結(jié)構(gòu)可以通過增加纏繞于芯軸上的光纖長(zhǎng)度方便地提高靈敏度，且具有比其他結(jié)構(gòu)更高的諧振頻率，從而具有更大的頻響范圍。采用推挽式芯軸型結(jié)構(gòu)，諧振頻率較單柱體式增加了2倍。光纖地震檢波器的推挽式結(jié)構(gòu)如圖8所示。光纖地震檢波器的結(jié)構(gòu)由上下2個(gè)彈性柱體支撐1個(gè)質(zhì)量塊組成，相對(duì)的兩柱體上緊密纏繞的光纖形成了邁克爾遜干涉儀的兩臂。從激光器發(fā)出的光波輸入到光纖耦合器中，分為兩束進(jìn)入干涉儀兩臂，經(jīng)光纖末端的法拉第旋光鏡反射，回到耦合器后發(fā)生干涉。在加速度作用下，質(zhì)量塊對(duì)相對(duì)的彈性柱體分別施加拉伸和壓縮力，彈性柱體的軸向形變引起徑向形變，從而導(dǎo)致纏繞在彈性柱體上的光纖長(zhǎng)度發(fā)生變化，進(jìn)而在光纖干涉儀上產(chǎn)生相位差，通過檢測(cè)相位差的變化可以測(cè) 出加速度[8-9]。

圖8 光纖地震檢波器結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)工作流程如圖9所示。光纖解調(diào)器中的光發(fā)射機(jī)發(fā)出經(jīng)過載波調(diào)制、脈沖調(diào)制、復(fù)用的激光光波，注入光纖檢波器陣列中的光纖主纜。光纖主纜采用空分復(fù)用和波分復(fù)用的方式將激光光波分別注入陣列中的光纖采集鏈。通過光纖解調(diào)器中的光接收機(jī)對(duì)檢波器陣列敏感到攜帶震動(dòng)信息的光波進(jìn)行接收，經(jīng)過功率調(diào)節(jié)和波分解復(fù)用后，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)及降采樣，還原出原始地震數(shù)據(jù)，并根據(jù)GPS授時(shí)器的時(shí)間信息為地震數(shù)據(jù)打上時(shí)標(biāo)。最后，將地震數(shù)據(jù)通過光纖通信的方式發(fā)送給地震記錄儀。根據(jù)錘擊或震源記錄的UTC時(shí)間進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的截取和比對(duì)分析。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖

3 錘擊試驗(yàn)

在某地區(qū)進(jìn)行了光纖檢波器重錘敲擊外場(chǎng)試驗(yàn)。外場(chǎng)部署現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。接收排列為間距約30 cm的兩個(gè)平行排列，分別部署了8道光纖檢波器和8道動(dòng)圈檢波器，道距為10 m。

圖10 錘擊試驗(yàn)外場(chǎng)部署示意圖

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以得到兩種檢波器的單道波形對(duì)比，如圖11所示。從圖11可以看出，兩種檢波器記錄清晰，都具有較高的信噪比。圖12所示為兩種檢波器的單道頻譜。從圖12可以看出，光纖檢波器的頻帶寬度要高于動(dòng)圈檢波器，高頻成分更加豐富。

圖11 檢波器單道波形對(duì)比圖

圖12 檢波器單道頻譜對(duì)比圖

在同一位置放置3個(gè)光纖檢波器，比較不同光纖檢波器響應(yīng)的一致性，結(jié)果如圖13所示。從圖13可以看出，不同光纖檢波器具有較好的響應(yīng) 一致性。

圖13 檢波器響應(yīng)對(duì)比圖

4 結(jié) 語

本文對(duì)自主研制的光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了野外錘擊外場(chǎng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，并與常規(guī)的動(dòng)圈地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有和動(dòng)圈地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當(dāng)?shù)牡卣饠?shù)據(jù)采集效果，而光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有前端設(shè)備無需供電、抗電磁干擾能力強(qiáng)及數(shù)據(jù)傳輸快等優(yōu)勢(shì)，有助于推動(dòng)地震勘探技術(shù)的發(fā)展。