（信号与信息处理专业论文）光纤光栅地震检波器信号解调技术的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 指导教师： 光纤光栅地震检波器信号解调技术的研究 信号与信息处 葛朋( 签名) 乔学光( 签名) 贾振安( 签名) 当今世界，油气资源在国民经济发展中起着非常重要的作用。而地震勘探法作为油 气勘探中最主要的地球物理方法，经过多年的发展，有了很大的进步，但作为地震数据 采集的最关键部件一地震检波器，虽然在性能上得到了一定的改进，然而由于其自身的 一些缺点，仍不能满足现代地震勘探技术的要求。光纤光栅传感技术的出现和发展，给 人们以新的思路，它从根本上突破传统检波器的限制，将给地震勘探技术带来新的活力， 并对其产生重大影响。 如何检测出传感光纤光栅中心波长的微小偏移量，即波长解调技术是光纤光栅传感 系统的关键。本文系统地介绍了几种常用的解调方法并对其各自的优缺点进行了深入的 分析，重点研究了一种适用于光纤光栅地震检波器的信号解调系统。论文的主要工作有 以下几个方面： 首先，介绍了地震波理论及光纤布拉格光栅传感的基本原理，并根据其应变传感机 理，设计了一种基于等强度悬臂梁的光纤光栅地震检波器，其结构简单，可以通过改变 梁的参数以满足不同需要的地震波检测。 其次，根据线性边沿滤波法原理，研究了一种基于光源光谱形状的信号解调方案， 利用光谱中的线性区域，实现光纤光栅传感波长编码信号的解调。详细分析了光源的输 出功率谱形状，通过调节光源参数，提高了波长检测灵敏度，系统的一个显著特点是掺 铒超荧光光源既作为整个系统的光源，又作为边沿滤波器，并且无机械调谐元件，很适 合光纤光栅地震检波器动态信号的解调。 最后，搭建实验测试系统。由静态实验结果可知，系统的波长分辨率较高；在动态 特性实验研究中，通过对比分析光纤光栅地震检波器系统和高精度差动变压器式位移传 感器的测量结果，得出在相同的条件下，二者的动态响应特性具有很好的一致性，从而 验证了系统方案的合理性和可行性。 关键词：光纤传感；光纤光栅传感器；地震检波器；信号解调；光源光谱 论文类型：应用基础与应用技术研究 本文得到国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 6 a a 0 6 2 2 1 0 ) ；国家自然科学基金项目( 6 0 6 5 4 0 0 1 ) ； 国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 7 a a 0 3 2 4 1 3 ) ；国家自然科学基金项目( 6 0 7 2 7 0 0 4 ) ；西安市重大 技术创新项目( 6 6 0 6 0 0 4 ) 的资助。 s u b j e c t ：s t u d y o nt h es i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rf i b e rb r a g gg r a t i n g g e o p h o n e s p e c i a l i t y ： n a m e ： l n s t r u c t o r ： i n s t r u c t o r ： s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g g ep e n g ( s i g n a t u r e ) 自色跪凹 q i a ox u e g u a n g ( s i g n a t u j i az h e n a n ( s i g n a t u r e ) a bs t r a c t i nt h ep r e s e n tw o r l d ，o i la n dg a sr e s o u r c e sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h en a t i o n a l e c o n o m vd e v e l o p m e n t t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n tf o rm a n yy e a r s ，s e i s m i ce x p l o r a t i o n ，w h i c h i st h em o s ti m p o r t a n ta p p r o a c h e si ng e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n ，h a sm a d eg r e a tp r o g r e s s b u t t h e g e o p h o n ei st h em o s t c r i t i c a lp a r to fs e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o n ，a l t h o u g hac e r t a i ni m p r o v e m e n t h a sm a d ei np e r f o r m a n c e ，i ts t i l lc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fm o d e m s e i s m i ce x p l o r a t i o n b e c a u s eo fi t so ：ls h o r t c o m i n g s t h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to ff i b e rb r a g gg r a t i n g s e n s i n gt e c h n o l o g yg i v e sp e o p l en e wi d e a s ，w h i c hb r e a k st h r o u g ht h e l i m i t a t i o n so ft h e t r a d i t i o n a lg e o p h o n ef u n d a m e n t a l l y f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yw i l lb r i n gan e w v i t a l i t yi n t os e i s m i ce x p l o r a t i o na n dh a v eag r e a t i n f l u e n c eo ni t h o wt od e t e c tt h ec e n t r a lw a v e l e n g t h s h i f to fs e n s i n gg r a t i n g ，n a m e l yw a v e l e n g t h d e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sak e yp a r to ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h e d e m o d u l a “o nm e t h o d sa r es y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r et h o r o u g h l va n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h e nt h es i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rf i b e r b r a g gg r a t i n gg e o p h o n ei sm a i n l ys t u d i e dt op r o m o t ei t sp r a c t i c a lp r o c e s s t h em a i n w o r ko f t h i st h e s i si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s to fa 1 1 t h et h e o r yo fs e i s m i cw a v ea n dt h eb a s i cs e n s i n gt h e o r yo f f i b e rb r a g gg r a t i n g i si n t r o d u c e d a n da c c o r d i n gt os t r a i ns e n s i n gm e c h a n i s m ，af i b e rb r a g gg r a t i n gg e o p h o n e b a s e do nt h ec a n t i l e v e rb e a mi sd e s i g n e d ，i th a ss i m p l es t r u c t u r ea n d c a nm e e td i f f e r e n tn e e d s o ft h es e i s m i cw a v e sd e t e c t i o nb yc h a n g i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t h eb e a m s e c o n d l y a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fl i n e a re d g ef i l t e rd e m o d u l a t i o n ，am e t h o do f s i g n a ld e m o d u l a t i o nb a s e do nt h es p e c t r a ls h a p eo ft h el i g h t s o u r c ew a ss t u d i e d u s i n gt h e l i n e a rr e 9 1 o ni nt h es p e c t r u m ，t h ed e t e c t i o no ft h ew a v e l e n g t h e n c o d e ds i g n a lf o r f i b e rb r a g g g r a t i n gs e n s o r si sr e a l i z e d t h e nt h es p e c t r u mo ft h el i g h t s o u r c ei sa n a l y z e di nv e r yg r e a t d e t a i l ，a n dw a v e l e n g t hd e t e c t i o ns e n s i t i v i t y i si n c r e a s e db ya d j u s t i n gt h el i g h ts o u r c e p a r a m e t e r s o n eo ft h en o t a b l es y s t e mc h a r a c t e r i s t i c si st h a te r b i u m d o p e ds u p e r - f l u o r e s c e n t f i b e rs o u r c e ( e d s f s 、i su s e da sal i g h ts o u r c ea n dae d g ef i l t e rs i m u l t a n e o u s l y ，m o r e o v e r ， t h e r ei sn om e c h a n i c a lt u n i n ge l e m e n t s ，i ti sv e r ys u i t a b l ef o rd y n a m i cd e t e c t i o n o ff i b e rb r a g g i i i 英文摘要 g r a t i n gg e o p h o n e f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e nb u i l t t h es t a t i ce x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ew a v e l e n g t hr e s o l u t i o ni sh i g h e r t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e m e a s u r e m e n tr e s u l t so ff i b e rb r a g gg r a t i n gg e o p h o n es y s t e ma n dh i g h - p r e c i s i o nd i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r ，ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft w o s e n s o r sh a v eav e r yg o o dc o n s i s t e n c yu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，w h i c hv e r i f yt h er a t i o n a l i t y a n df e a s i b i l i t yo ft h es y s t e ms c h e m e k e y w o r d s ：f i b e rs e n s i n g ；f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ；g e o p h o n e ；s i g n a ld e m o d u l a t i o n ； t h es p e c t r u mo ft h el i g h ts o u r c e t h e s i s ：a p p l i e db a s i ca n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ys t u d y t 1 1 i sp a p e rw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 6 a a 0 6 2 210 ) ，t h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 6 5 4 0 0 1 ) ，t h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 7 a a 0 3 2 4 13 ) ，t h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 7 2 7 0 0 4 ) ，t h em a j o rt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o np r o g r a mo f x i a nc i t yo fc h i n a ( n o g g 0 6 0 0 4 ) i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 羟旦旦 廿 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：粗 导师签名： 弛一 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的基础和背景 1 1 1 光纤光栅传感技术概述 光纤传感技术是伴随着光纤通信技术和纤维光学的发展而产生的一种新型的光电子 学技术，经过多年的发展己经取得了很大的进步，并成功研制出了多种光纤传感器。在 光纤传感技术发展的过程中，产生出来一种更新颖、更具有光纤本征特性的新型传感技 术一光纤光栅传感技术。 光纤光栅的物理结构是将光纤经过特殊光学工艺处理后，使其纤芯折射率沿光纤轴 向呈现周期性规律分布而形成的，这种特殊的结构实质上是一个窄带光学滤波器( 透射 波或反射波滤波器) 。1 9 7 8 年，k o h i l l 等人首次采用驻波写入法制成世界上第一只 光纤光栅一光纤布拉格光栅，开辟了光纤光栅研究的历史，直到1 9 8 9 年，美国东哈特福 德联合技术研究中心的g m e l t z 等人【2 】采用2 4 4 n m 紫外光和双光束全息横向曝光法制成 了光纤布拉格光栅，使光纤光栅的制作技术有了突破性的进展。1 9 9 3 年，k o h i l l 等人 3 】又提出了紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅 的相位掩模法以及p j l e m a i r e 等人【4 】发现的低温高压载氢敏化处理技术，这使得光纤 光栅的大批量制造成为可能，并逐步走向实用化和产业化。 由于光纤光栅写入方法的突破性进展，使得光纤光栅制作成本大幅度下降，同时可靠 性也会随之提高，这便极大地推动了其应用技术的发展。1 9 8 9 年，光纤光栅被m o r e y 等人【5 】首次用于传感领域以来，光纤光栅传感技术已取得了持续和快速的发展。光纤光 栅传感器是利用外界物理量( 如应力、应变、温度等) 的变化引起光纤有效折射率或光 栅周期等参数的变化，从而导致光纤光栅反射中心波长的变化，通过检测光栅反射中心 波长的变化就可获得外界物理量的变化，并且其传感信息通常是以波长调制的，与传统 的电子或机械传感器相比，除了具有传统光纤传感器的一些优点，如灵敏度高、动态范 围宽、不受电磁干扰、抗腐蚀、传输损耗小、可靠性高、体积小、重量轻等特点，而且 还有其自身独特的优势，如传感信号不受光源起伏、光路损耗等因素的影响；抗干扰能 力强；传感探头结构简单；易于使用波分复用技术而形成分布式测量等特点。因此，光 纤光栅在传感领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，己成为世界各国在光学传 感领域研究的热点。 近年来，随着光纤光栅传感理论的逐步完善和技术上的不断成熟，光纤光栅传感系 统已经开始应用于许多重要领域，如民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化 工业、电力工业、核工业、医学等方面1 6 j 。 两发石油人学颁j j 学位论文 1 1 2 地震勘探技术简介 石油、天然气是当今世界最重要的能源之一，然而要寻找地下几千米深的油气田资 源，的确不是一件容易的事。在各种地球物理勘探方法中，地震勘探法是一种最主要的 勘探方法。地震勘探是利用人工激发产生的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘测 地下的地质情况。与其他地球物理勘探方法相比，地震勘探具有精度高、分辨率高、探 测深度大等优点，尤其在油气勘探中是一种行之有效、不可取代的地球物理方法。国内 外实践证明，大约现有9 5 的油气田都是由地震方法勘探发现的 7 1 。可以说，地震已经 成了物探的代名词。 地震勘探的基本原理很简单：它类似于利用声波来测量距离。在测量点发射声波， 记录声波从目的物反射回来的时间，如果知道声波在介质中的传播速度，就可以计算出 目的物的距离。地震勘探就是在地表层激发( 放炮、振动) ，弹性波( 又称地震波) 向 地下半空间传播，遇到不同岩层的界面( 波阻抗界面) ，反射回到地面，用地面接收器 ( 检波器) 接收，并记录下反射波的到达时间，就可以计算出地下各地层的埋藏深度 8 1 。 如果在一条测线上进行观测，所得数据反映的是测线下方二维平面内的地震信息。如果 在一块面积内布置若干条测线，就可以取得足够密度的三维形式的数据体，这种工作方 法称为三维地震勘探。 地震勘探是一项系统工程，它包括地震数据采集、地震数据处理、地震资料解释三 个阶段，它们是相互联系缺一不可的。其中野外数据采集是地震勘探数据处理和资料解 释的原始依据和工作基础。而地震勘探仪器是直接用于野外数据采集的专用设备，是为 了接收和记录地震波而专门设计的一种精密的物理、电子组合装置。它与一般电子仪器 的本质区别就在于它是电子技术和地震勘探技术相结合的产物。地震勘探仪中最重要的 环节就是地震波检波器，它是用来直接拾取大地振动，并将地震波振动信号转换为符合 仪器记录系统需要的电信号。因此，地震检波器性能的好坏直接影响着地震勘探仪器的 分辨率、频带宽度以及地震记录质量和地震资料的解释工作。 随着地震勘探技术的进一步发展，提高勘探数据的精度和质量已成为地震勘探在当 前和今后的主要任务，而地震检波器作为数据采集的第一个环节，其重要性是不言而喻 的，因而目前有许多国家在地震勘探方面的仪器和设备上投入了很大的力量来研制和生 产。现代电子技术的飞速发展，已经使得地震勘探技术获得明显的改进，可以预言，随 着新技术的出现，地震检波器还将不断革新和发展，将会给现代地震勘探的高精度数据 采集带来质的飞跃。 1 2 地震检波器的发展状况及动向 在地震勘探过程中，从地层深处反射回来的地震信号是很微弱的，为了能把这种微 弱的信号记录下来，首先必须采用专用的仪器来接收信号，这种仪器被称为地震检波器。 它是安置在地面、水中或井下以拾取大地振动的地震探测器或接收器，其实质是一种将 2 第章绪论 机械振动转换为电信号的机电装置，是应用于地震勘探与工程测量领域的专用传感器。 地震检波器是野外数据采集的最关键部件，因此，人们研究并开发了多种不同种类 的检波器，以满足不同的勘探目的需要。地震检波器按不同的角度分类，有不同的名称， 大致可以接触到以下几种分类【9 】：1 ) 按应用环境分类，可分为陆上地震检波器和水中地 震检波器；2 ) 按电学原理分类，主要可分为电磁式、涡流式和压电式三种地震检波器； 3 ) 按检测的力学参数分类，可分为速度型、加速度型和压力型三种：4 ) 按自然频率高 低分类，又可分为低频检波器( 8 h z ，1 0 h z ) 、中频检波器( 2 8 h z ，4 0 h z ) 、高频检波 器( 6 0 h z ，1 0 0 h z ) ；5 ) 按接收地震波的振动方向分类，可分为只接收纵波的单分量检 波器和接收纵、横波的三分量检波器。 在我国地震检波器的研究从五十年代起步，从最初的仿制到之后的自行研制和生产， 并且还有一定数量的出口。如西安石油勘探仪器总厂和石油天然气总公司物探仪器总厂 先后引进国外的s m 4 系列和g s 2 0 d x 系列数字检波器的技术和设备，一定程度上推进 了我国地震检波器的发展。之后两家分别推出自己生产的s n 4 和j f 2 0 d x 系列检波器， 占据了国内大部分的市场，并出口到国外。随着地震勘探技术的不断提高，地震检波器 的水平也有了一定的发展，但领先技术仍在国外。近年来，人们在不断地实践中，认识 到地震检波器的性能制约了高质量数据采集的发展。 为了满足高分辨率地震勘探的要求，国外的生产厂家曾推出各种“超级检波器”， 如1 9 9 3 年，荷兰s e n s o r 公司率先推出了超级检波器s m 4 h s ，参数允差从5 缩小 为2 5 ，失真系数由o 2 降低为0 1 以下，但其假频只有1 8 0 h z 。1 9 9 4 年，s e n s o r 公司又推出了s m 2 4 超级检波器，其低失真、高假频的性能真正满足了数字地震仪的要 求。1 9 9 3 之后，美国的西方地球物理公司、m a r k 公司和日本的o y o 公司也积极开发 出自己的超级检波器，其各项性能指标进一步提耐1 0 】。 国内一些厂家如西安石油仪器总厂的“s n 7 c 系列超级检波器”，其各项常规技术 指标允差均为士2 5 ，且失真系数小于0 1 。同时，石油天然气总公司物探局仪器总 厂推出的“2 0 d x 系列的超级检波器”。 超级检波器和电磁感应式检波器在结构和原理上完全一致，它只不过是传统检波器 在灵敏度、失真度和频率响应等性能指标上的改进型。虽然超级检波器比常规的检波器 优越的多，但它始终没有脱离常规检波器所存在的弊病。 经过五十多年的发展，地震激发、观测方式以及地震记录已经取得了较大的进步， 但对于拾取地震波的检波器却没有大的突破，仍采用传统的机电转换模式，其主要存在 问题旮j ：检波器灵敏度低；抗干扰能力差；不能进行高频提升等。 由于传统的地震检波器和改进后的超级地震检波器仍不能满足高分辨，高精度地震 勘探技术的要求。随着科学技术的迅速发展，人们正在通过新技术、新工艺、新材料来 改善或替代现有的地震检波器结构，以取得实质性的突破。 近年来，许多国家已经开展了新型地震检波器的研制，也取得了不少成果。目前， pl i 安石油人学硕一j j 学化沦文 地震检波器的发展方向主要集中在新型压电检波器、微电子机械检波器和光纤检波器上。 微电子机械检波器是以硅材料为基底，采用微机械和集成电路工艺制作出的差动电容式 微机械加速度计。它实质上一种高精度的数字检波器。美国的i 0 公司已经推出了自己 的v e c t o rs e i s t m 数字检波器【1 2 】，国内一些厂家和科研单位也开始研究数字检波器，并取 得了一定的进展。对于陆上压电检波器，其基本原理是，某些强电介质晶体受外力作用 后分子内部产生极化现象，便在其表面上产生电荷，即产生了电动势。由于此检波器结 构中没有任何可移动的部件，因此不存在假频和谐波失真等问题，而且有很宽的动态范 围和频带，很容易做成三分量检波器。虽然它现在还存在一些不足之处，但它还是很有 潜力的【b 】。而光纤地震检波器有着自己独特的优势，它从根本上突破了传统电磁式地震 检波器的限制，在性能上出现了很大的提高。 1 3 光纤光栅传感及其解调技术的发展 二十世纪七十年代末出现的光纤传感器，给传感技术注入了新的活力，它与传统的 电类传感器相比，具有一系列的优点【1 4 1 ，因此受到了各个国家的极大重视。随着光纤传 感理论和光纤传感器的成熟，也给地震检波器带来了发展的机会。目前，光纤地震检波 器主要有迈克尔逊型全光纤加速度检波器【1 5 】、多普勒光纤地震检波器【1 6 j 和顺变柱体型全 光纤加速度检波器1 1 7j 。 光纤传感器在根本上解决了电磁干扰和传感器分辨率低的问题。但在实际应用中， 光纤传感器易受光功率波动、环境干扰的影响，而且结构复杂，工艺难度大等技术难题 阻碍了光纤传感器的实用化。因此，光纤地震检波器目前也没有形成大规模的生产。 二十世纪九十年代初光纤光栅传感器的出现引起了人们极大的兴趣。光纤光栅传感 技术是以光纤传感技术为基础，具有光纤传感的优点，而且克服了光纤传感的一些缺点， 因此，在应用发展上比光纤传感更有优势。近几年，无论是在理论上，还是在实际应用 中，光纤光栅的传感研究都已相当广泛，成为在近几十年传感领域发展最快的技术。目 前，光纤光栅传感器己被应用于温度、应变、压力、振动、加速度、磁场和浓度等 1 8 1 多 种物理量的测量。而将光纤光栅用于地震勘探方面，即光纤光栅地震检波器的研制在国 内尚属起步阶段，相关报道也不多，也没有实用化的产品，基本上还在进行理论研究和 实验研究。清华大学，天津大学、天津科技大学、武汉理工大学、山东大学、西安石油 大学、中科院光机所等单位开始做了一些初步的研究，并取得了一些良好的结果。虽然 目前光纤光栅地震检波器的研究离实用化还有很大一段距离，但它优势明显，在地震勘 探领域的应用中，是很有希望的一条技术路线。 由于光纤光栅地震检波器( 光纤光栅振动传感器) 是一种波长编码型的传感器，也 就是说，当有振动信号作用时，经光纤光栅感应后，其布拉格波长会发生改变。要获得 原始的振动参数量，就必须实现光纤光栅传感信号的解调，而解调的核心任务是跟踪分 析布拉格波长的变化，并高精度的检测出其变化偏移量。因此，解调技术是研究光纤光 4 第一章绪论 栅传感技术的热点问题之一，也是限制光纤光栅传感器实用化的关键问题之一。为此， 人们对光纤光栅传感信号的解调技术进行了深入的研究，提出了许多解调方法，不同的 方案有着不同的技术手段，如光谱仪直接解调法、线性滤波解调法、可调谐滤波器解调 法、可调谐窄带光源法、干涉法和光栅色散法等。这些解调方法将在第三章进行详细的 介绍，这里就不再叙述。然而，在已提出的众多解调方法中，实用化的产品并不多见。 日前，国外的一些公司( 如美国的m i c r o no p t i c s 公司) 在光纤光栅的解调产品的研制方 面处于领先地位，但他们的产品价格一般比较昂贵。因此，国内的许多科研单位、大学 和公司都在积极开展光纤光栅解调技术工作，开发自己的产品，已取得了阶段性的成果， 这将大大促进光纤光栅传感技术的发展。 1 4 本课题的研究目的和意义 人类对石油、天然气等能源需求的不断增长，促进了地震勘探技术的快速发展。经 过多年的勘探工作之后，一些埋藏较浅、构造简单的油田大多己被发现，因此，等待人 们去寻找、开发的是一些埋藏较深、构造更加复杂的油气资源，这就增大了勘探任务的 难度，要求高分辨率、高精度的勘探技术，同时也给勘探仪器提出了挑战。目前，地震 信号的记录、处理都有了很大的进步，但用于接收地震波的检波器，作为地震数据采集 最主要的环节，虽然在性能上得到了一定的改进，但由于自身原因的限制，始终没有实 质性的突破，已经越来越不能满足现代勘探技术的要求，严重制约了地震勘探的发展。 为了改变这一现状，人们开始寻找变革之路，希望通过新的技术来解决检波器这一 瓶颈问题。光纤光栅传感技术吸引了许多研究人员的注意，给了人们新的思路，它能从 根本上突破传统检波器( 动圈式检波器) 的限制，将给地震勘探技术带来新的活力，并 对其产生重大影响。因此，本文研究了一种光纤光栅地震波检波器的设计方案，利用光 纤光栅作为敏感元件具有灵敏度高、抗干扰能力强、易于形成检波器阵列等特点，可以 满足高精度、高分辨率地震勘探的需求。 光纤光栅地震检波器作为一种波长调制型光纤传感器，其波长解调技术是传感系统 考虑的一个关键部分。日前，在实验室里，对光纤光栅传感器的信号解调仍采用光谱分 析仪来完成，但光谱仪价格昂贵、体积庞大，数据输出受到限制，不适合于工程现场使 用。在人们提出的多种方法中，每种方法都有自己的优缺点，没有一种方法能够完全满 足高分辨率、低成本、动静态信号同时测量且能多点复用的波长检测要求。因此，人们 在光纤光栅传感信号的解调技术方面的研究仍继续开展着，本课题将以此为研究方向和 重点，深入研究各种解调技术，寻找出一种适合于光纤光栅地震检波器系统的信号解调 方案，以推进光纤光栅地震检波器的实用化进程。 1 5 本论文的主要内容 本文在介绍了地震波理论及光纤光栅传感原理的基础上，研究了光纤光栅地震检波 两安有油人学领l ：学位论文 器的：i ：作原理，并设计了一种适用于光纤光栅地震检波器的信号解调系统。全文丰要分 为以下几章： 第一章：主要阐述了本课题研究的基础和背景，即光纤光栅传感的发展历史和地震 勘探技术的原理；介绍了地震检波器的发展状况及动向，光纤光栅传感及其解调技术的 发展，并在此基础上提出了本课题研究的日的和意义，最后给出了本论文的主要内容。 第二章：首先介绍了地震波理论和光纤光栅传感技术，然后根据振动加速度传感器 设计的一般方法和数学模型，设计了一种基于等强度梁的光纤光栅地震检波器，其结构 简单，工作机理与加速度传感器类似，可以通过改变梁的参数以满足不同需要的地震波 检测。 第三章：介绍了光纤光栅传感信号的解调技术，主要对常用的几种解调方法，如直 接解调法、线性滤波法、可调谐滤波器法、可调谐窄带光源法、干涉法和光栅色散法等 进行了分析和比较，并总结了各种波长解调方法的优缺点。 第四章：理论上推导了基于光源光谱形状的光纤光栅地震检波器解调方案的基本原 理，并对解调方案中的核心器件进行了详细地讨论，然后设计了此解调系统的总体方案， 并论述了解调系统中光路和电路各个主要组成部分的功能，最后给出了一种光纤光栅地 震检波器多点复用系统设计方案。 第五章：根据第四章的解调原理，搭建实验测试系统，进行了相关的实验研究，实 验结果证实了解调系统方案的合理性和可行性，对光纤光栅传感动态解调的发展有一定 的作用。 第六章：对全文工作进行总结，并对后续t 作提出展望。 6 第一章地震波理沦及光纤光栅地震检波器丁作原理 第二章地震波理论及光纤光栅地震检波器工作原理 由第一章绪论可知，地震检波器在石油、天然气资源的勘探中发挥着重要的作用。 因此，本章在了解了地震波理论和光纤布拉格光栅传感原理的基础上，着重研究了基于 光纤光栅的地震检波器丁作原理，以满足现代地震勘探的要求。 2 1 地震波理论 地震勘探是以人工方法激发地震波，当地震波向地下半个空间传播时，遇到不同性 质的地层分界面时，会产生反射与折射现象，通过观测地震波在地层中的传播情况就能 了解地表下的地质构造和物理性质，它是寻找石油、天然气的一种重要手段。因此，地 震波理论是地震勘探的基础，我们有必要了解与地震波相关的一些基本概念。 2 1 1 地震波的形成与类型 利用爆炸震源( 日前还有非爆炸震源) 激发地震波时，在震源附近，爆炸产生出很 强的压力，且能量很大，足以超过岩石的极限强度，使岩石破坏，从而形成一个破坏圈。 随着离震源的距离增大，压力变小，能量也在逐渐衰减，此时岩石虽然不会发生破坏性 的粉碎，但压力使其产生了不可恢复的形变，也就是塑性形变，并形成了一个辐射状的 塑性带。随着离开震源距离的进一步增大，压力减小到岩石的弹性范围之内，便会在此 区域的岩石处发生弹性形变，此时爆炸引起的振动会在岩石中传播出去而形成地震波。 从上面的介绍可知，地震波实质上就是一种在岩层中传播的弹性波【i9 1 。 地震波按照介质的运动特点和波的传播规律可分为体波和面波【2 0 】。 体波包括横波( s 波) 和纵波( p 波) 。横波是剪切形变类型，在波的传播过程中， 质点的振动方向与波的传播方向垂直，同时，它有两种形式，如果质点的振动在波传播 方向的垂直平面内，称为s v 波；如果质点的振动在波传播方向的水平面内，称为s h 波。纵波是体积膨胀( 或压缩) 类型，在波的传播过程中，质点的振动方向与波的传播 方向一致。这两种波都在无限均匀介质中独立传播。 。 面波是一种在自由表面或者不同介质分界面上传播的一种特殊的波，它也包括两种， 一种较为常见即瑞利波，另一种不常见的即拉大波。瑞利面波传播时，使得地面的质点 沿椭圆轨迹倒转运动，它的能量随着深度呈指数衰减，且与波的频率和传播距离有关， 它在地震勘探中是一种干扰波，我们要想方设法将其消除。拉夫波沿分界面方向传播， 是一种s h 型面波，其振幅在垂直方向上随深度呈指数衰减，这种面波在地震勘探中没 有太大的作用。另外，从波的传播速度看，在离震源较远的地方接收地震波，其到达的 先后顺序为纵波、横波、拉夫波和瑞利波，如图2 1 所示。 7 两安石油人学硕。l 二学位论文 图2 1 地震波的类型 2 1 2 地震波在分界面上的传播规律 当地震波传播到两介质的分界面时，与光波所产生的物理现象相类似，会产生反射、 透射和折射。按照波的传播几何路径可分为反射波、透射波、滑行波和折射波、直达波 和面波【2 。如图2 2 所示。 震源面波 地面 地下反射面 透射波 图2 - 2 与勘探相关的波 a 反射与透射波：地震波在介质中传播时，遇到介质分界面会发生反射和透射。 根据反射定律：反射波线和入射波线在同一平面内，并且反射角厂与入射角口相等。即： o c = y ( 2 一1 ) 对于透射波来说，透射波与入射波不再具有相同的角度，而有下述关系： 竺旦：盟 ( 2 2 ) s i n 1 ，2 其中为透射角，v ，为波在介质l 中的传播速度，1 ，：为波在介质2 中的传播速度。 也就是说，入射角的正弦与透射角的正弦之比等于两种介质中的波速之比，这也称为透 射定律。 b 折射波与滑行波：根据透射定律，入射角口增大时，透射角也随之增大， 如果v ： v 。，当入射角口增大到p 时，使得等于9 0 ，即： 8 第_ 章地震波理论及光纤光栅地震柃波器工作原理 s i n0 = v _ l ( 2 3 ) 1 ，2 此时，0 称为临界角，同时透射波就沿分界面滑行，形成滑行波。然而，在滑行过 程中，根据惠更斯原理，又在第一种介质中激发了另一种波，这种波被称为折射波。当 入射角大于临界角0 时，将没有透射波出现，只有反射波，这种现象叫作波的全反射。 c 直达波：当震源产生的波，没有遇到分界面直接到达接收点的波称为直达波。 另外，还有我们前面提到的面波，它的能量丰要集中在界面上，属于干扰波，应该加以 压制。 2 1 3 地震波勘探方法 地震波的勘探方法主要包括反射波法、折射波法、垂直地震剖面澍2 2 】和井间地震法 【2 3 】 o a 反射波法：反射波法是通过接收、记录反射波来进行勘探的一种方法。一般 情况下，我们认为地表下面是呈层状分布，即岩石介质一般可以分为多层，如果在地面 上的某一点安装一个地震波接收器( 地震检波器) ，通过接收反射波就可以得到地下岩 层的情况，图2 3 为反射波法地震勘探示意图。 地面 日 r 2 r 震源 接收点 图2 3 反射波法地震勘探示意图 当震源产生地震波后，在岩石介质中传播，我们可将岩石介质分为r l 心个反射面， 这样，通过记录反射波到达接收点的时间，就可计算出各个反射面的深度，从而可探明 地层埋藏的深度和起伏情况。在实际野外勘探中，工程人员会布置多个检波器阵列组合 来代替单个检波器，一方面可以压制一些干扰波和噪声，另一方面可以查明检波器下一 条线或一块面积的地层情况。同时，随检波器离震源的距离的增大，同一界面的反射波 走时按双曲线关系变化，据此可确定反射面以上介质的平均速度。反射波振幅与反射系 数有关，据此可推算地下波阻抗的变化，进而对地层岩性作出预测。反射波法不受速度 场限制，主要应用于中、深层勘探，分辨率较高，在地震勘探中有着广泛的应用。 b 折射波法：折射波法是在地震勘探中，对折射波进行接收、记录以获取地层 的信息的方法。从上面产生折射波的原理可知，折射波法必须满足两个条件：1 ) 介质2 9 两安石油人学硕f ：学佗沦文 中的波速v ：应大于介质1 中的波速 ，。2 ) 入射角t 2 应等于临界角臼。如图3 - 3 所示，离 震源一定距离后，才能接收到折射波，而在之前的这段距离接收不到折射波，称为折射 波的盲区。如图2 4 所示。折射波地震勘探目前使用较少，主要应用于浅层勘探，分辨 能力也较低。 地面 图2 - 4 折射波法地震勘探示意图 c 垂直地震音0 面法：垂直地震剖面法是在地面激发地震波后( 一般将震源设计在 基岩下4 - 5 m 处) ，然后在井中不同深度布置一些检波器进行观测接收地震波( 包括反射 波、折射波和透射波等) ，是目前较为常见的一种地震勘探方法，简称为v s p ( v e r t i c a l s e i s m i cp r o f i l e ) 。此方法的一个最大特点是检波器通过井置于地层内部，不但可以接收 到自下而上传播的上行波，而且可以接收到自上而下传播的下行波。图2 5 为v s p 地震 勘探示意图。v s p 法的勘探质量一般高于地面观测地震勘探，它记录的信号有较高的信 噪比和分辨率，因而可以较为清楚地反映地质信息。 棘k 观测井 反射 检波器 反射 图2 - 5v s p 地震勘探示意图。 d 井间地震法：近年来，在v s p 的基础上出现了另一种新的勘探技术一井间地 震，它是将v s p 使用的地面震源转移到井中，也就是说，在一口井中放有震源以激发地 震波，在邻近的另一口井中( 或多口井中) 放有检波器，用于接收地震波。在实际井间 地震作业中，井间的距离一般为5 0 5 0 0 m ，震源和检波器系统的下井深度一般为 3 0 0 2 0 0 0 m 。如图2 - 6 所示。井间地震将发射系统和接收系统分别放入不同的井中，在 目的层激发地震波，并同时接收，这样可以获得很高的分辨率，成像极细，因此，可以 1 0 第二章地震波理论及光纤光栅地震检波器丁作原理 探测到更薄的油层和更细致的地质构造，从而为解决复杂的地质问题提供了一种有效地 手段，是未来地震勘探数据采集的发展方向。 激发井 观测井 反射 震源 t 财 检波器 反身寸 图2 6 井间地震勘探不恿图。 2 1 4 地震检波器 在地震勘探过程中，通过人工方法使用震源激发出地震波，地震波经过地层岩石介 质传播后，反射回来的信号必须使用一种专门的仪器去接收，这种用于接收地震波的专 用仪器就是地震检波器。地震检波器实际上是一种专用传感器，它实际上是将大地的振