光纤地震数据采集系统野外锤击试验及效果分析

李 勤，李文韬，王志峰

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

目前我国能源矿产供给储备目标层达3 000 m，但深部探测关键装备和数据处理高端软件90%以上依赖进口，我国勘探技术总体处于“跟跑”状态。为此，亟待开发3 000 m及以上的深地地质结构勘探设备，提升我国地球科学探测仪器自主创新能力和装备水平。

光纤地震数据采集系统是国土资源、矿产、石油等资源勘探、地质调查急需的地球勘查类关键设备[1-2]。目前，以动圈为主流的地震数据采集设备存在供电困难、易受电磁干扰以及数据传输慢等问题，在一定程度上限制了地震勘探技术的发展。光纤地震数据采集系统可以对震源激发、经地层发射后的地震信号实现敏感、提取及存储等功能[3-4]。光纤地震数据采集系统基于光学干涉的物理原理来拾取地震信息，可以解决传统地震数据采集系统存在的上述问题。本文对自主设计和研发的光纤地震数据采集系统进行了野外锤击试验，通过与传统的地震数据采集设备进行比测，验证了光纤地震数据采集系统的探测性能。

1 系统组成

光纤地震数据采集系统由光纤采集链、光纤主缆、光纤解调器以及地震记录仪组成。光纤地震数据采集系统的组成如图1所示。

图1 光纤地震数据采集系统示意图

1.1 光纤采集链

光纤采集链由光纤耦合器、光纤地震检波器及传输光纤组成，采用梯状网络结构，可以实现8基元检波器的时分复用，如图2所示。图3所示为光纤采集链的实物图。

图2 光纤采集链示意图

图3 光纤采集链实物图

1.2 光纤主缆

光纤主缆由14芯轻型野战光缆、12芯光缆航插、2芯ODC插头、光上载分路器（OAM）以及光下载分路器（ODM）组成。光纤主缆的实物如图4所示。

图4 光纤主缆实物图

1.3 光纤解调器

光纤解调器主要由光发射机、光接收机、供电电路及通信电路组成。光纤解调器的实物如图5 所示。

图5 光纤解调器实物图

光纤解调器采用分层的结构设计方案，分层结构如图6所示。其中，底层安装波分解复用器和光衰减器，中间层安装光发射机（包含激光光源、波分复用器、声光调制器及驱动及光纤耦合器）、供电电路以及通信电路，顶层安装调制解调电路。

图6 光纤解调器分层结构示意图

1.4 地震记录仪

地震记录仪由服务器和交换机等设备组成。其中，服务器实现设备自检和数据存储等功能，交换机实现以太网通信和数据交换的功能。地震记录仪的实物如图7所示。

图7 地震记录仪实物图

2 工作原理及流程

光纤地震数据采集系统基于激光干涉的物理原理来拾取地震信息。激光光源发出的光波在光纤中传播并在光路中发生干涉，当震源激发的震动经地层反射后传导到光纤采集链上携带的光纤地震检波器时，会引起检波器内弹性顺变柱体的形变，导致传感光纤长度发生变化，光纤中传输光波的相位受到调制。光纤解调器对干涉光波进行光电转换和信号处理，提取出光波相位中包含的地震信息。地震记录仪对光纤解调器回传的地震数据按SEG-Y格式进行存储[5-6]。

光纤地震检波器是光纤地震数据采集系统最重要的核心部件，是光纤采集链的主要功能部件，下面重点对光纤检波器的工作原理进行描述。

光纤地震检波器由非平衡光纤Michelson干涉仪和敏感结构组成。光纤干涉仪的两臂缠绕在弹性顺变柱体上，震动信号引起弹性顺变柱体发生形变，导致缠绕在弹性顺变柱体上的光纤长度发生变化，从而引起光纤中传输光束光程的改变。因此，光纤干涉仪中传输光波的相位受到调制，通过相位解调技术可以实现地震波检测[7]。

光纤地震检波器选用芯轴型基元结构，因为芯轴型基元结构可以通过增加缠绕于芯轴上的光纤长度方便地提高灵敏度，且具有比其他结构更高的谐振频率，从而具有更大的频响范围。采用推挽式芯轴型结构，谐振频率较单柱体式增加了2倍。光纤地震检波器的推挽式结构如图8所示。光纤地震检波器的结构由上下2个弹性柱体支撑1个质量块组成，相对的两柱体上紧密缠绕的光纤形成了迈克尔逊干涉仪的两臂。从激光器发出的光波输入到光纤耦合器中，分为两束进入干涉仪两臂，经光纤末端的法拉第旋光镜反射，回到耦合器后发生干涉。在加速度作用下，质量块对相对的弹性柱体分别施加拉伸和压缩力，弹性柱体的轴向形变引起径向形变，从而导致缠绕在弹性柱体上的光纤长度发生变化，进而在光纤干涉仪上产生相位差，通过检测相位差的变化可以测 出加速度[8-9]。

图8 光纤地震检波器结构示意图

系统工作流程如图9所示。光纤解调器中的光发射机发出经过载波调制、脉冲调制、复用的激光光波，注入光纤检波器阵列中的光纤主缆。光纤主缆采用空分复用和波分复用的方式将激光光波分别注入阵列中的光纤采集链。通过光纤解调器中的光接收机对检波器阵列敏感到携带震动信息的光波进行接收，经过功率调节和波分解复用后，进行光电转换和数据采集，再对数字信号进行相位解调及降采样，还原出原始地震数据，并根据GPS授时器的时间信息为地震数据打上时标。最后，将地震数据通过光纤通信的方式发送给地震记录仪。根据锤击或震源记录的UTC时间进行地震数据的截取和比对分析。

图9 系统工作流程图

3 锤击试验

在某地区进行了光纤检波器重锤敲击外场试验。外场部署现场如图10所示。接收排列为间距约30 cm的两个平行排列，分别部署了8道光纤检波器和8道动圈检波器，道距为10 m。

图10 锤击试验外场部署示意图

对试验数据进行处理和分析，可以得到两种检波器的单道波形对比，如图11所示。从图11可以看出，两种检波器记录清晰，都具有较高的信噪比。图12所示为两种检波器的单道频谱。从图12可以看出，光纤检波器的频带宽度要高于动圈检波器，高频成分更加丰富。

图11 检波器单道波形对比图

图12 检波器单道频谱对比图

在同一位置放置3个光纤检波器，比较不同光纤检波器响应的一致性，结果如图13所示。从图13可以看出，不同光纤检波器具有较好的响应 一致性。

图13 检波器响应对比图

4 结 语

本文对自主研制的光纤地震数据采集系统进行了野外锤击外场试验和现场数据采集，并与常规的动圈地震数据采集系统进行了对比。试验结果表明，光纤地震数据采集系统具有和动圈地震数据采集系统相当的地震数据采集效果，而光纤地震数据采集系统具有前端设备无需供电、抗电磁干扰能力强及数据传输快等优势，有助于推动地震勘探技术的发展。