海底光纤四分量地震仪器系统及其数据采集方法技术方案

本发明专利技术涉及一种海底光纤四分量地震仪器系统及其数据采集方法，通过圆形缆环将四分量节点地震仪器以一定间距串接在铠装光电复合缆上；铠装光电复合缆与计算机连接；每个四分量节点地震仪器侧面都配套设置有外部近距离无线传输模块、外部光电转化模块、外部无线充电模块，上述模块均通过功能模块套固定在铠装光电复合缆上；四分量节点地震仪器通过外部近距离无线传输模块与计算机连接并进行通讯和数据传输。本发明专利技术具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好；而且由于前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。道串扰小。道串扰小。

【技术实现步骤摘要】
海底光纤四分量地震仪器系统及其数据采集方法


[0001]本专利技术属于地球物理勘探
，涉及一种海底光纤四分量地震仪器系统及其数据采集方法。

技术介绍

[0002]海洋地震勘探是利用勘探船在海洋上进行地震勘探的方法。海洋地震勘探的原理、使用的仪器，以及处理资料的方法都和陆地地震勘探基本相同。由于在大陆架地区发现大量的石油和天然气，因此，海洋地震勘探有极为广阔的前景。海洋地震勘探是在海水中进行人工地震的调查方法，具有4个特点：
①
多数使用非炸药震源；
②
水中激发，水中接收，水听器装在船后拖缆(浮缆、电缆、等浮电缆)上；
③
走航连续记录；
④
资料由计算机处理，工作效率高。由于上述特点，使海洋地震勘探具有比陆地地震勘探高得多的生产效率，更需要用数字电子计算机处理资料。海洋地震勘探中常遇到一些特殊的干扰波，如鸣震和交混回响，以及与海底有关的底波干扰。
[0003]海底地震勘探技术是海上地震勘探技术的一种，同样由震源和采集仪器组成。海底地震勘探技术大都采用非炸药震源(以空气枪为主)，震源漂浮在接近海面，由海上地震勘探船拖曳；采集仪器放到海底来接收震源发出、经过海底底层反射的纵横波信号。由于海水不能传播横波，只有把检波器放到海底才可接收到横波及转换波。其特点是在水中激发，水中接收，激发，接收条件均一；可进行不停船的连续观测。检波器最初使用压电检波器，现在发展到压电与振速检波器组合使用。海底地震勘探技术又可分为海底电缆勘探技术(Ocean Bottom Cable，简称OBC)和海底节点地震仪勘探技术(Ocean Bottom Node，简称OBN)。OBC技术是将成百上千个检波器连接在海底电缆上，由专用的放线艇在定位仪的引导下将采集电缆沉放到海底(海底电缆可以是一条或多条)，海底电缆的一端连接到固定的仪器船上(仪器船要在海上抛前后锚以保证船身不转向和船位不偏移)，而由海洋地震勘探船在海面四周按设计测线放炮的方式采集海底地震数据。
[0004]目前的海底地震数据采集方式主要有两种，一种是单分量、二分量、三分量或四分量海底地震数据采集缆(OBC)沉入海底采集地震数据，另一是独立的三分量或四分量海底地震数据采集站(OBS和OBN)沉底采集地震数据，两者都使用独立的海洋地震气枪激发源在水中拖移时激发。沉入海底的海底地震数据采集缆，其工作方式是海底地震电缆(OBC)由放缆船是先投放布设到海底，然后由气枪震源船拖曳着水下可控气枪震源在距海面以下一定的深度上前行并向海水中激发地震信号，由事先投放布设到海底的地震缆采集海底地震数据。数据采集结束后，放缆船回收海底地震缆，投放布设到新的测量工区，然后重复海底地震信号的数据采集作业。独立的海底地震数据采集缆和海底地震数据采集站如ION、Sercel、Fairfield和OYOGeospace等公司生产销售的各种OBC、OBS和OBN。
[0005]海底节点地震仪勘探技术(OBN)是把节点地震仪器放置水下无缆供电并且不进行通讯，每个节点地震仪器自主运行，完全独立于所有其它节点，可以连续采集数据数个月。OBN的数据采集工作是两船作业－震源船和节点地震仪器布放和回收船。节点地震仪器的
布设方式和间距没有约束限制，适合全方位角勘探。布设节点地震仪器时，每个节点仪器上可能会附加沿绳线或钢丝缆，可轻松回收节点地震仪器，类似渔民回收长串列蟹笼。往数千米水深的海底布设节点地震仪器时，不适用附加沿绳线或钢丝缆，一般由ROV携带节点地震仪器在海底按照设计的测点坐标布设仪器，回收时，也是由ROV下潜到海底去逐一回收深水节点地震仪器。
[0006]目前的海底节点地震仪器有两类，一类是借助绳索或钢丝缆绳收放的自主运行且完全独立于所有其它节点的海底节点地震仪器，另一类是由ROV下潜到海底逐一布放和回收的自主运行且完全独立于所有其它节点的海底节点地震仪器。由于没有供电与通讯电缆与海底节点地震仪器相连接，无法对海底节点地震仪器进行实时供电或电池充电，致使仪器需要携带大量的可充电电池以保证能长时间在海底工作，增加了节点地震仪器的生产成本、体积和重量，无法对投放在海底的节点地震仪器进行定位、无法实时监测海底节点地震仪器的工作状态、无法实时传输海底节点地震仪器采集的数据(仪器只能进行盲采)、无法给在海底工作的节点地震仪器进行授时，它们只能依靠价格昂贵的原子钟芯片给仪器授时，长期在海底工作时会由于原子钟芯片的时间漂移而带来授时误差。
[0007]目前行业内使用最广泛的海底节点地震仪器采用是常规的三分量电子检波器和压电晶体采集四分量海底地震数据。三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器。与单分量的常规地震检波器不同，每个检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量，用于同时记录纵波、横波、转换波。常规的检波器主要是由外壳、圆柱行磁钢、环行弹簧片和线圈等组成。磁钢被垂直的固定在外壳中央，线圈通过上下两个弹簧片与外壳做软连接，使它置于磁钢和外壳之间环行磁通间隙间，能够上下移动。当地震波传到地表观测点时，检波器外壳连同磁钢随之发生震动，线圈则由于惯性而滞后于磁钢，形成二者之间的相对运动。在这样的运动中，线圈切割磁力线产生感应电动势，输出与震动周期相对应的电流信号，通过专门的仪器可将这些信号放大并记录下来，从而实现了将地面振动信号转化为电振动的机电转换，拾取到了地震波。这类检波器输出的信号电压和其振动的位移速度有关，因此称为速度检波器。这类检波器的特点是：它的输出电压反映检波器外壳的位移随时间的变化率即速度，其性能指标包括固有频率，灵敏度，线圈自流电阻，阻尼，谐波畸变和寄生共振。从实际上考虑还有耐用性，大小和形状。一般来说，对于检波器的大小和形状，用户没有多少选择的余地。通常选用灵敏度高(阻尼约为0.6)、谐波畸变小、寄生共振频率在记录频率之外，并且耐用性好的检波器。
[0008]光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
[0009]光纤MEMS加速度计是一种单分向的宽频带加速度传感器，采用21世纪新近发展的微米/纳米加工技术(micro/nanotechnology)，将加速度检测质量块、弹性支撑体、光学反射微镜、光入射及出射波导直接集成在一个微小的芯片上，光纤MEMS加速度系统由高灵敏度光纤加速度计与高速光纤解调仪组成。该种传感系统兼具了光纤光栅传感器结构简单、体积小巧、灵敏度高、耐腐蚀、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化，技术参数一致性
好、性能稳定可靠、无源无电、抗电磁干扰、能实现远距离光信号传输等诸多优点，以及MEMS技术的高分辨率与高解调速率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.海底光纤四分量地震仪器系统，其特征在于，包括多个四分量节点地震仪器、一根铠装光电复合缆(3)；四分量节点地震仪器的侧面固定有圆形缆环(2)，通过所述的圆形缆环(2)将四分量节点地震仪器以一定间距串接在铠装光电复合缆(3)上；铠装光电复合缆(3)与甲板上或控制仪器舱里的计算机连接；每个四分量节点地震仪器处都配套设置有外部近距离无线传输模块(6)、外部光电转化模块(7)、外部无线充电模块(8)，所述的外部近距离无线传输模块(6)、外部光电转化模块(7)、外部无线充电模块(8)均通过功能模块套(4)固定在铠装光电复合缆(3)上；四分量节点地震仪器通过所述的外部近距离无线传输模块(6)以无线通讯的方式通过铠装光电复合缆(3)与计算机连接并进行通讯和数据传输。2.根据权利要求1所述的海底光纤四分量地震仪器系统，其特征在于，所述的铠装光电复合缆(3)内部设有线缆(9)，外层再包裹用凯夫拉纤维编织的高强度护套或者用一层或多层不锈钢丝绞合的铠装；所述的线缆(9)包括单模和多模光纤、同轴电缆和双绞供电线。3.根据权利要求1所述的海底光纤四分量地震仪器系统，其特征在于，所述的四分量节点地震仪器，包括承压舱(1)，承压舱(1)内设有三分量光纤检波器(10)、光纤声压水听器(14)、三分量姿态传感器(13)、水声应答器(22)、半导体光源(16)、内部光电转换模块(17)、调制解调模块(18)、前置放大与A/D转换模块(11)、数据存储模块(12)、原子钟(19)、内部近距离无线传输模块(5)、可充电电池模块模块(20)；内部无线充电模块(21)；所述的三分量光纤检波器(10)按正交坐标系方式安装组合，并安置在承压舱(1)底部，用于测量所处位置的三分量海底地震数据；光纤声压水听器(14)安装在承压舱(1)侧面，用于测量其所处位置的海底压力波数据；三分量姿态传感器(13)提供三分量光纤检波器(10)和光纤声压水听器(14)所处位置的三分量姿态数据，用于对海底四分量地震数据进行方位旋转和姿态校正处理；承压舱(1)顶部安装水声应答器(22)，用于通过长基线或短基线或超短基线定位系统为其在海底进行定位；所述半导体光源(16)给三分量光纤检波器(10)和光纤声压水听器(14)提供激光信号；从三分量光纤检波器(10)反射回来的散射光信号由内部光电转换模块(17)转变为对应的电信号，基于FPGA的调制解调模块(18)将三分量光纤检波器(10)和光纤声压水听器(14)接收到后转换的电信号调制解调成四分量地震信号；前置放大与A/D转换模块(11)用于将三分量光纤检波器(10)、光纤声压水听器(14)和三分量姿态传感器(13)输出的信号转换为数字信号，通过所述数据存储模块(12)进行存储；原子钟(19)给所有采集的数据进行精确的授时；甲板电源系统通过铠装光电复合缆(3)和内部无线充电模块(21)对可充电电池模块(20)进行近距离无线供电与充电；所述的可充电电池模块(20)为四分量节点地震仪器内部的电路板和电子器件提供电源。4.根据权利要求3所述的海底光纤四分量地震仪器系统，其特征在于，所述的承压舱(1)为铝合金或高强度耐压复合材料制成。对于铝合金承压舱，设有阳极保护装置(15)。5.根据权利要求3所述的海底光纤四分量地震仪器系统，其特征在于，所述的承压舱(1)还安装有数据下载和电池充电水密接口以及仪器工作状态指示灯。
6.根据权利要求3所述的海底光纤四分量地震仪器系统，其特征在于，所述的所述的三分量光纤检波器(10)为基于光纤MEMS加速度计的三分量光纤检波器，包括六个或十二个光纤MEMS加速度计按相互正交结构组成，每个分量方向各由一对或两对光纤MEMS加速度计并联叠加构成；或者为三分量光纤矢量传感器构成的三分量光纤检波器，三分量光纤矢量传感器包括三根几何尺寸完全一样的实心的弹性柱体成三轴正交结构组装在一起，一对光纤分别绕在一根弹性柱体的两端臂上，缠绕的光纤形成了迈克尔逊干涉仪的两光纤臂；质量块粘接在弹性柱体正交结合处，弹性柱体固定安装在密封的外壳内。7.根据权利要求3所述的海底光纤四分量地震仪器系统，其特征在于，所述的光纤声压水听器(14)选自调幅型光纤声压水听器、调相型光纤声压水听器、偏振型光纤声压水听器中的任一种。8.海底光纤四分量地震仪器系统的数据采集方...

【专利技术属性】
技术研发人员：余刚，苟量，徐朝红，刘海波，安树杰，王熙明，夏淑君，
申请(专利权)人：中油奥博成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：