專利名稱：光纖深井地聲儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震監(jiān)測儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖深井地聲儀。
背景技術(shù)：
地聲是在地震前段時間內(nèi)發(fā)生的高頻巖石微破裂聲發(fā)射信號，是地震短臨預(yù)報的 重要信息。我國的地聲觀測始于上世紀(jì)70年代，不過一直不被地震學(xué)家看好，因?yàn)榈芈曅盘柕念l率高、強(qiáng)度弱、干擾背景強(qiáng)，堅持長期連續(xù)記錄十分困難，而且檢測設(shè)備昂貴。雖然20世紀(jì)80年代的“深井地聲觀測”證明了高頻地震波能夠傳播較遠(yuǎn)距離，打開了高頻地震頻段窗口(池順良，“深井寬頻鉆孔應(yīng)變地震儀與高頻地震學(xué)”，地球物理學(xué)進(jìn)展，2007)，但地聲觀測研究的進(jìn)展仍然十分緩慢，這主要受限于能夠用于干擾小的深井中高性能地聲觀測儀器的發(fā)展(鄭治真，“我國前兆地聲的觀測與研究”，地球物理學(xué)報，1994)。起初的地聲觀測點(diǎn)使用的大部分是水聲探頭，另一部分是加速度換能器、測振儀和傳聲器。其中水聲探頭有明顯的缺陷，首先它要求有水源特別是深井的場合，對于缺水而又暴露基巖的情況不能用，并且不能反映地聲的橫波，因而只有一個觀測分量；其次，懸吊在井底水中的探頭，由于電纜張力、滴水等干擾，噪聲很大以致無法正常工作。后來，研制出了與基巖直接耦合的地聲傳感器并在現(xiàn)場使用，并取得了成功(田時秀等，“高靈敏度地聽器”，地震研究，2002)。然而，就目前的地聲觀測技術(shù)而言，無論采用何種形式的地聲探頭，地聲儀大都采用電學(xué)的測量方法，如伍富昆研制的深井地聲儀(引自“SD-1型深井地聲儀”鑒定會材料，1985)，馮曉星等人提出的一種用于地震臨震監(jiān)測的地聲傳感單元結(jié)構(gòu)(中國專利申請CN102288984A)，田時秀提出的一種新型壓電陶瓷地聽器(中國專利申請CN85100713A)，王樂群等人發(fā)明的非密封型鋼管音響計數(shù)式地聲裝置(中國專利申請CN2317487Y)，等等。這些電學(xué)地聲儀存在一些共性問題第一，地聲信號的頻率高、強(qiáng)度弱，而目前的地震儀難以高靈敏度地接收高頻微破裂信號(池順良，“深井寬頻鉆孔應(yīng)變地震儀與高頻地震學(xué)”，地球物理學(xué)進(jìn)展，2007);第二，為了在干擾小的深井中進(jìn)行地聲觀測，而目前的地聲探頭難以滿足深井環(huán)境中的抗電磁干擾、抗高溫高壓、長距離信號傳輸和長期連續(xù)觀測要求。光纖傳感器具有本質(zhì)無源、高精度、抗電磁干擾、耐高溫高壓、耐腐蝕、適于長距離傳輸?shù)纫幌盗歇?dú)特優(yōu)勢，其中光纖激光傳感器具有高的靈敏度和較寬的頻段范圍，特別適合用于地震監(jiān)測中微弱信號(如地聲)的探測。目前，還沒有見到將光纖傳感器用于深井地聲監(jiān)測設(shè)計的報道。但國外大約在90年代初就開始用光纖傳感器來測量聲發(fā)射信號，不同形式的傳感器，已經(jīng)被成功地用來探測聲發(fā)射信號。其中，使用光纖激光傳感器可以獲得更高的聲發(fā)射探測靈敏度(C-CYe. et. , “Ultrasonic sensing using Yb3+/Er3+_codoped distributed feedback fibregrating lasers”，SMART MATERIALS AND STRUCTURES，2005)。另外，有報道將光纖光柵(FBG)感測器應(yīng)用于土石流地聲監(jiān)測(黃清哲，“土石流光織監(jiān)測系統(tǒng)之發(fā)展與應(yīng)用”，第八屆海峽兩岸山地災(zāi)害與環(huán)境保育學(xué)術(shù)研討會論文集，2011)。因此，可以預(yù)見將光纖傳感器作為地聲研究的換能器件具備現(xiàn)實(shí)的可行性和諸多優(yōu)勢。鑒于此，本發(fā)明提出一種光纖深井地聲儀，采用最新發(fā)展的光纖激光傳感器技術(shù)，進(jìn)行深井地聲觀測，提高探測地聲和高頻極微震的能力，并重點(diǎn)解決深井地聲儀的系統(tǒng)復(fù)雜、電磁干擾、防雷擊、長距離信號實(shí)時傳輸和長期連續(xù)觀測等問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種光纖深井地聲儀，以提高探測地聲和高 頻極微震的能力，并解決深井地聲儀的系統(tǒng)復(fù)雜、電磁干擾、防雷擊、長距離信號實(shí)時傳輸和長期連續(xù)觀測等問題。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種光纖深井地聲儀，該光纖深井地聲儀包括柱形殼體6，用于保護(hù)光纖深井地聲儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于柱形殼體6內(nèi)部的支座8，用于光纖深井地聲儀傳感單元的安裝，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于支座8上的至少一支光纖地聲傳感器5，用于測量地聲信號，其尾纖通過光纜I引出；安裝于柱形殼體6內(nèi)部的光纖溫度傳感器7，用于對光纖深井地聲儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償；以及柱形殼體6內(nèi)部的燒注體9,用于傳遞地聲信號。上述方案中，所述光纖地聲傳感器5采用一柱形材料4進(jìn)行封裝，并用膠體3對光纖傳感器2進(jìn)行粘接和保護(hù)，其尾纖通過光纜I引出。所述光纖地聲傳感器5需安裝多支時，則安裝在X、Y、Z三個不同的方向上，以實(shí)現(xiàn)識別地聲信號方向的功能。上述方案中，所述光纖傳感器2為光纖激光型光纖傳感器，用于感受地聲信號并轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭敵霾ㄩL的變化。所述光纖傳感器2為分布布拉格反射型(DBR)光纖激光傳感器或分布布拉格反饋型(DFB)光纖激光傳感器。上述方案中，所述柱形殼體6、支座8、澆注體9、柱形材料4和膠體3，均為與基巖能夠進(jìn)行聲匹配的材料。上述方案中，所述光纖溫度傳感器7與光纖地聲傳感器5是同一類型的光纖傳感器，并采用隔聲材料對其進(jìn)行封裝和保護(hù)。上述方案中，在所述光纖地聲傳感器5的上下左右進(jìn)一步封裝多支光纖傳感器2,形成差動式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度并補(bǔ)償溫度影響。上述方案中，所述光纖地聲傳感器的引出光纜I與柱形殼體6及吊鉤10連接，用于光纖深井地聲儀的下井操作。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀，提高了探測地聲和高頻極微震的能力，并解決了深井地聲儀的系統(tǒng)復(fù)雜、電磁干擾、防雷擊、長距離信號實(shí)時傳輸和長期連續(xù)觀測等問題。2、本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀，在其內(nèi)部采用光纖地聲傳感器替代傳統(tǒng)電學(xué)測振儀或加速度計，而光纖地聲傳感器不需要供電，不必在地聲儀內(nèi)部裝信號放大器等電學(xué)設(shè)備，大大減小了深井地聲儀的系統(tǒng)復(fù)雜度。
3、本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀，采用全光測量方法，采用光纜進(jìn)行信號傳輸，故可以解決深井地聲儀的電磁干擾、防雷擊、耐高溫高壓等問題。4、本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀，通過光纜連接井下儀器，光信號對電學(xué)信號不敏感，易于實(shí)現(xiàn)長距離信號實(shí)時傳輸和長期連續(xù)觀測。5、本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀，所使用的光纖地聲傳感器是以光纖激光傳感器最為傳感單元，其靈敏度高、并且易于組建區(qū)域性的地聲觀測組網(wǎng)。


圖I為本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀的示意圖；圖2為本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀在深井下安裝的示意圖；圖3為由本發(fā)明提供的光纖深井地聲儀組建的區(qū)域性地聲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖4a為單支光纖地聲傳感器測量的連續(xù)型聲發(fā)射信號時域圖；圖4b為單支光纖地聲傳感器測量的連續(xù)型聲發(fā)射信號頻域圖；圖5a為壓電型聲發(fā)射傳感器測量的連續(xù)型聲發(fā)射信號時域圖；圖5b為壓電型聲發(fā)射傳感器測量的連續(xù)型聲發(fā)射信號頻域圖；圖6a為單支光纖地聲傳感器測量的突發(fā)型聲發(fā)射信號時域圖；圖6b為單支光纖地聲傳感器測量的突發(fā)型聲發(fā)射信號頻域圖；圖7a為壓電型聲發(fā)射傳感器測量的突發(fā)型聲發(fā)射信號時域圖；圖7b為壓電型聲發(fā)射傳感器測量的突發(fā)型聲發(fā)射信號頻域圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，該光纖深井地聲儀包括柱形殼體6，用于保護(hù)光纖深井地聲儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于柱形殼體6內(nèi)部的支座8，用于光纖深井地聲儀傳感單元的安裝，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于支座8上的至少一支光纖地聲傳感器5，用于測量地聲信號，其尾纖通過光纜I引出；安裝于柱形殼體6內(nèi)部的光纖溫度傳感器7，用于對光纖深井地聲儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償；柱形殼體6內(nèi)部的澆注體9，用于傳遞地聲信號。其中，柱形殼體6、支座8和澆注體9，均為與基巖能夠很好聲匹配的材料，例如柱形殼體6可以是不銹鋼等材料，支座8可以是大理石等巖體材料，澆注體9可以是耦合水泥等材料。光纖地聲傳感器5采用一柱形材料4進(jìn)行封裝，并用膠體3對光纖傳感器2進(jìn)行粘接和保護(hù)，其尾纖通過光纜I引出。特別的，光纖傳感器2的尾纖引出光纜I采用的是具有保護(hù)光纖功能的光纜，如鎧裝光纜，并直接通過柱形材料4內(nèi)部引出。其中，柱形材料4和膠體3，均為與基巖能夠很好聲匹配的材料。柱形材料4可以是大理石等柱形巖體材料，在側(cè)面刻有淺槽，用于固封光纖傳感器2 ;所采用的膠體3可以是353ND或7S811等。在本實(shí)施案例中，若光纖地聲傳感器5需安裝多支時，則安裝在X、Y、Z三個不同的方向上，依據(jù)光纖光柵型光纖傳感器(包括光纖激光型光纖傳感器)對聲發(fā)射信號的方向性特征，來實(shí)現(xiàn)識別地聲信號方向的功能。在安裝光纖地聲傳感器5之前可以先在支座8上每個側(cè)面打有直徑與光纖地聲傳感器5相同的孔,然后將光纖地聲傳感器5固定在支座8上，再用澆注體9灌滿柱形殼體6。在本發(fā)明中，光纖傳感器2為光纖激光型光纖傳感器，如分布布拉格反射型(DBR)光纖激光傳感器、分布布拉格反饋型(DFB)光纖激光傳感器，用于感受地聲信號并轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭敵霾ㄩL的變化。光纖激光型光纖傳感器兼顧傳統(tǒng)的無源光纖光柵傳感器和干涉式光纖傳感器兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有高的靈敏度、長期穩(wěn)定性和小的尺寸。光纖溫度傳感器7是與光纖地聲傳感器5為同一類型的光纖傳感器，并采用隔聲材料對其進(jìn)行封裝和保護(hù)，或者設(shè)計一種聲隔離腔對光纖溫度傳感器7進(jìn)行聲隔離，以防光纖溫度傳感器7收到地聲信號的作用。單支光纖地聲傳感器5的上下左右可以封裝多支光纖傳感器2，形成差動式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。在后續(xù)的信號處理中可以對多支光纖傳感器2的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，可以提高地聲信號的準(zhǔn)確性，并補(bǔ)償溫度影響。 光纖地聲傳感器的引出光纜I與柱形殼體6和吊鉤10連接，用于光纖深井地聲儀的下井操作。下井過程中，還可以用鋼纜吊起吊鉤10，以保證光纜I不受到很大的拉力。這里采用的光纜I可以是鎧裝光纜。請參照圖2，該光纖深井地聲儀的工作原理為光纖深井地聲儀13安裝在深井17下，越過土層12，并通過耦合劑14將其與基巖15耦合。光纖深井地聲儀13通過光纜1，經(jīng)過井水16，與地表的光纖信號解調(diào)設(shè)備11相連。當(dāng)有地聲信號時，地聲信號經(jīng)過耦合劑14、柱形殼體6、燒注體9傳遞給三分向光纖地聲傳感器5,從而引起光纖地聲傳感器5的輸出光的特性發(fā)生變化。對于光纖激光型光纖地聲傳感器，其輸出光波長發(fā)生變化。再通過井上的光纖解調(diào)設(shè)備11即可解調(diào)出地聲信號，光纖解調(diào)設(shè)備11內(nèi)采用的相應(yīng)的光纖信號解調(diào)算法，如相位產(chǎn)生載波算法。由于這里采用光纖地聲傳感器5替代傳統(tǒng)電學(xué)測振儀或加速度計，而光纖地聲傳感器5不需要供電，不必在地聲儀內(nèi)部裝信號放大器等電學(xué)設(shè)備，故大大減小了深井地聲儀的系統(tǒng)復(fù)雜度。同時全光測量方法，采用光纜I進(jìn)行信號傳輸，故可以解決深井地聲儀的電磁干擾、防雷擊、耐高溫高壓等問題，易于實(shí)現(xiàn)長距離信號實(shí)時傳輸和長期連續(xù)觀測。請參照圖3，在本發(fā)明中，由多分向光纖地聲傳感器5組成的光纖深井地聲儀具備組網(wǎng)功能，可以通過波分或空分組網(wǎng)技術(shù)將多個光纖深井地聲儀組建成區(qū)域性的地聲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，即在一口井中可以通過一條光纜串聯(lián)多個光纖深井地聲儀，而多個光纖深井地聲儀只需一臺解調(diào)設(shè)備11就可以實(shí)現(xiàn)不同深度的地聲信號的監(jiān)測。因此，由光纖深井地聲儀可以組建區(qū)域性的地聲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地聲聲源的定位和精細(xì)觀測。請參照圖4a-圖5b，為了進(jìn)一步驗(yàn)證光纖地聲傳感器5探測連續(xù)性聲發(fā)射信號的能力，本發(fā)明對單支光纖地聲傳感器5與PTZ聲發(fā)射傳感器進(jìn)行對比觀測實(shí)驗(yàn)，可以看出光纖地聲傳感器5能夠清晰地記錄到正弦信號，并與PTZ聲發(fā)射傳感器相比具有更低的噪聲水平。請參照圖6a-圖7b，為了進(jìn)一步驗(yàn)證光纖地聲傳感器5探測突發(fā)型聲發(fā)射信號的能力，本發(fā)明對單支光纖地聲傳感器5與PTZ聲發(fā)射傳感器進(jìn)行對比觀測實(shí)驗(yàn)，可以看出光纖地聲傳感器5能夠清晰地記錄到?jīng)_擊信號，并與PTZ聲發(fā)射傳感器相比具有更低的噪聲水平。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纖深井地聲儀，其特征在于，該光纖深井地聲儀包括柱形殼體(6)，用于保護(hù)光纖深井地聲儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于柱形殼體(6)內(nèi)部的支座(8)，用于光纖深井地聲儀傳感單元的安裝，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于支座(8)上的至少一支光纖地聲傳感器(5)，用于測量地聲信號，其尾纖通過光纜⑴引出；安裝于柱形殼體(6)內(nèi)部的光纖溫度傳感器(7)，用于對光纖深井地聲儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償；以及柱形殼體(6)內(nèi)部的燒注體(9),用于傳遞地聲信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，所述光纖地聲傳感器(5)采用一柱形材料(4)進(jìn)行封裝，并用膠體(3)對光纖傳感器(2)進(jìn)行粘接和保護(hù)，其尾纖通過光纜⑴引出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，所述光纖地聲傳感器(5)需安裝多支時，則安裝在X、Y、Z三個不同的方向上，以實(shí)現(xiàn)識別地聲信號方向的功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，所述光纖傳感器(2)為光纖激光型光纖傳感器，用于感受地聲信號并轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭敵霾ㄩL的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，所述光纖傳感器(2)為分布布拉格反射型(DBR)光纖激光傳感器或分布布拉格反饋型(DFB)光纖激光傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，所述柱形殼體￠)、支座(8)、 澆注體(9)、柱形材料(4)和膠體(3)，均為與基巖能夠進(jìn)行聲匹配的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，所述光纖溫度傳感器(7)與光纖地聲傳感器(5)是同一類型的光纖傳感器，并采用隔聲材料對其進(jìn)行封裝和保護(hù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，在所述光纖地聲傳感器(5) 的上下左右進(jìn)一步封裝多支光纖傳感器(2)，形成差動式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度并補(bǔ)償溫度影響。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖深井地聲儀，其特征在于，所述光纖地聲傳感器的引出光纜(I)與柱形殼體(6)及吊鉤(10)連接，用于光纖深井地聲儀的下井操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖深井地聲儀，該光纖深井地聲儀包括柱形殼體，用于保護(hù)光纖深井地聲儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于柱形殼體內(nèi)部的支座，用于光纖深井地聲儀傳感單元的安裝，并起到傳遞地聲信號的作用；安裝于支座上的至少一支光纖地聲傳感器，用于測量地聲信號，其尾纖通過光纜引出；安裝于柱形殼體內(nèi)部的光纖溫度傳感器，用于對光纖深井地聲儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償；以及柱形殼體內(nèi)部的澆注體，用于傳遞地聲信號。利用本發(fā)明，提高了探測地聲和高頻極微震的能力，并解決了深井地聲儀的系統(tǒng)復(fù)雜、電磁干擾、防雷擊、長距離信號實(shí)時傳輸和長期連續(xù)觀測等問題。
文檔編號G01H9/00GK102692640SQ20121019274
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者張文濤, 李芳 , 黃穩(wěn)柱 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所