光纖地震數據采集系統野外錘擊試驗及效果分析

李 勤，李文韜，王志峰

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

目前我國能源礦產供給儲備目標層達3 000 m，但深部探測關鍵裝備和數據處理高端軟件90%以上依賴進口，我國勘探技術總體處于“跟跑”狀態。為此，亟待開發3 000 m及以上的深地地質結構勘探設備，提升我國地球科學探測儀器自主創新能力和裝備水平。

光纖地震數據采集系統是國土資源、礦產、石油等資源勘探、地質調查急需的地球勘查類關鍵設備[1-2]。目前，以動圈為主流的地震數據采集設備存在供電困難、易受電磁干擾以及數據傳輸慢等問題，在一定程度上限制了地震勘探技術的發展。光纖地震數據采集系統可以對震源激發、經地層發射后的地震信號實現敏感、提取及存儲等功能[3-4]。光纖地震數據采集系統基于光學干涉的物理原理來拾取地震信息，可以解決傳統地震數據采集系統存在的上述問題。本文對自主設計和研發的光纖地震數據采集系統進行了野外錘擊試驗，通過與傳統的地震數據采集設備進行比測，驗證了光纖地震數據采集系統的探測性能。

1 系統組成

光纖地震數據采集系統由光纖采集鏈、光纖主纜、光纖解調器以及地震記錄儀組成。光纖地震數據采集系統的組成如圖1所示。

圖1 光纖地震數據采集系統示意圖

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，采用梯狀網絡結構，可以實現8基元檢波器的時分復用，如圖2所示。圖3所示為光纖采集鏈的實物圖。

圖2 光纖采集鏈示意圖

圖3 光纖采集鏈實物圖

1.2 光纖主纜

光纖主纜由14芯輕型野戰光纜、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。光纖主纜的實物如圖4所示。

圖4 光纖主纜實物圖

1.3 光纖解調器

光纖解調器主要由光發射機、光接收機、供電電路及通信電路組成。光纖解調器的實物如圖5 所示。

圖5 光纖解調器實物圖

光纖解調器采用分層的結構設計方案，分層結構如圖6所示。其中，底層安裝波分解復用器和光衰減器，中間層安裝光發射機（包含激光光源、波分復用器、聲光調制器及驅動及光纖耦合器）、供電電路以及通信電路，頂層安裝調制解調電路。

圖6 光纖解調器分層結構示意圖

1.4 地震記錄儀

地震記錄儀由服務器和交換機等設備組成。其中，服務器實現設備自檢和數據存儲等功能，交換機實現以太網通信和數據交換的功能。地震記錄儀的實物如圖7所示。

圖7 地震記錄儀實物圖

2 工作原理及流程

光纖地震數據采集系統基于激光干涉的物理原理來拾取地震信息。激光光源發出的光波在光纖中傳播并在光路中發生干涉，當震源激發的震動經地層反射后傳導到光纖采集鏈上攜帶的光纖地震檢波器時，會引起檢波器內彈性順變柱體的形變，導致傳感光纖長度發生變化，光纖中傳輸光波的相位受到調制。光纖解調器對干涉光波進行光電轉換和信號處理，提取出光波相位中包含的地震信息。地震記錄儀對光纖解調器回傳的地震數據按SEG-Y格式進行存儲[5-6]。

光纖地震檢波器是光纖地震數據采集系統最重要的核心部件，是光纖采集鏈的主要功能部件，下面重點對光纖檢波器的工作原理進行描述。

光纖地震檢波器由非平衡光纖Michelson干涉儀和敏感結構組成。光纖干涉儀的兩臂纏繞在彈性順變柱體上，震動信號引起彈性順變柱體發生形變，導致纏繞在彈性順變柱體上的光纖長度發生變化，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制，通過相位解調技術可以實現地震波檢測[7]。

光纖地震檢波器選用芯軸型基元結構，因為芯軸型基元結構可以通過增加纏繞于芯軸上的光纖長度方便地提高靈敏度，且具有比其他結構更高的諧振頻率，從而具有更大的頻響范圍。采用推挽式芯軸型結構，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構如圖8所示。光纖地震檢波器的結構由上下2個彈性柱體支撐1個質量塊組成，相對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。從激光器發出的光波輸入到光纖耦合器中，分為兩束進入干涉儀兩臂，經光纖末端的法拉第旋光鏡反射，回到耦合器后發生干涉。在加速度作用下，質量塊對相對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，從而導致纏繞在彈性柱體上的光纖長度發生變化，進而在光纖干涉儀上產生相位差，通過檢測相位差的變化可以測 出加速度[8-9]。

圖8 光纖地震檢波器結構示意圖

系統工作流程如圖9所示。光纖解調器中的光發射機發出經過載波調制、脈沖調制、復用的激光光波，注入光纖檢波器陣列中的光纖主纜。光纖主纜采用空分復用和波分復用的方式將激光光波分別注入陣列中的光纖采集鏈。通過光纖解調器中的光接收機對檢波器陣列敏感到攜帶震動信息的光波進行接收，經過功率調節和波分解復用后，進行光電轉換和數據采集，再對數字信號進行相位解調及降采樣，還原出原始地震數據，并根據GPS授時器的時間信息為地震數據打上時標。最后，將地震數據通過光纖通信的方式發送給地震記錄儀。根據錘擊或震源記錄的UTC時間進行地震數據的截取和比對分析。

圖9 系統工作流程圖

3 錘擊試驗

在某地區進行了光纖檢波器重錘敲擊外場試驗。外場部署現場如圖10所示。接收排列為間距約30 cm的兩個平行排列，分別部署了8道光纖檢波器和8道動圈檢波器，道距為10 m。

圖10 錘擊試驗外場部署示意圖

對試驗數據進行處理和分析，可以得到兩種檢波器的單道波形對比，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圈檢波器，高頻成分更加豐富。

圖11 檢波器單道波形對比圖

圖12 檢波器單道頻譜對比圖

在同一位置放置3個光纖檢波器，比較不同光纖檢波器響應的一致性，結果如圖13所示。從圖13可以看出，不同光纖檢波器具有較好的響應 一致性。

圖13 檢波器響應對比圖

4 結 語

本文對自主研制的光纖地震數據采集系統進行了野外錘擊外場試驗和現場數據采集，并與常規的動圈地震數據采集系統進行了對比。試驗結果表明，光纖地震數據采集系統具有和動圈地震數據采集系統相當的地震數據采集效果，而光纖地震數據采集系統具有前端設備無需供電、抗電磁干擾能力強及數據傳輸快等優勢，有助于推動地震勘探技術的發展。