本發(fā)明涉及地球物理勘探儀器和光電傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種天然面波地質(zhì)勘探系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

利用面波進(jìn)行地質(zhì)勘探是近年國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的新物理探測(cè)技術(shù)，因此近年來(lái)，大地面波勘察設(shè)備是地球物理探測(cè)設(shè)備研制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

地?zé)豳Y源(地層深部達(dá)1000-3000米)的直接利用受地域性約束明顯，特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市群得到廣泛的應(yīng)用，但在城市群地區(qū)進(jìn)行地?zé)峥辈殡y度很大。很多城市群的地?zé)崽飳儆谂璧匦偷責(zé)崽铮幱谄皆瓍^(qū)第四系覆蓋區(qū)，基巖無(wú)露頭，在城市群，由于人類工業(yè)活動(dòng)造成了各種干擾因素，使常規(guī)的物探方法無(wú)法正常進(jìn)行；另外密集的建筑物和有限通行條件及環(huán)保的要求也使一些重要的物探方法(比如人工地震)難以開(kāi)展。非地震物探方法如重力、電磁法等的儀器(如加拿大v8、美國(guó)gdp32ii)不僅價(jià)格昂貴，還需要人工激發(fā)電場(chǎng)，采用特殊措施勘探精度仍低。

在城市群進(jìn)行鉆探的前期物理勘查工作是必需的且難度較大。大地面波的振幅很小(微米量級(jí))，利用地球表面無(wú)時(shí)不在的地面微小震動(dòng)波(它的成份較為復(fù)雜，包括有面波、體波等各種成份，其中面波-微動(dòng)瑞雷波法占主要成份)作為觀測(cè)對(duì)象，這種方法既不需要笨重的人工能源(人工激發(fā)電場(chǎng)和地震源)，不對(duì)人類生存環(huán)境造成危害(如噪聲或高壓電等)，另外它的測(cè)點(diǎn)布陣靈活，不受硬路面和地下管網(wǎng)的限制。

但是，以傳統(tǒng)的穩(wěn)恒或瞬間面波儀獲取多路微動(dòng)瑞雷波存在不可克服的較大誤差，這個(gè)誤差來(lái)源為其地震拾取電子傳感器和撿波各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度低且存在相位同步誤差，中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)號(hào)102721983a公開(kāi)了一種光纖陣列海底淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)系統(tǒng)，雖然采用了光電傳感器，但其傳感器結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理的電路等問(wèn)題限制了微動(dòng)瑞雷波法探測(cè)范圍，只能進(jìn)行地層的淺層200-500米的物理探測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種利用地球表面無(wú)時(shí)不在的地面微小震動(dòng)面波作為觀測(cè)對(duì)象，對(duì)地層進(jìn)行深部(1000-3000米)物理探測(cè)的天然面波地質(zhì)勘探系統(tǒng)。

為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種天然面波地質(zhì)勘探系統(tǒng)，包括單縱模激光器、一級(jí)耦合器、第1和第2二級(jí)耦合器、第1-8三級(jí)耦合器、第1-4雙單模光纖線盤、第1-4光鎖相環(huán)，第1-4光電轉(zhuǎn)換器、第1-4信號(hào)調(diào)理模塊、第1-4抽取濾波模塊、工控計(jì)算機(jī)和gps時(shí)鐘。

所述單縱模激光器與一級(jí)耦合器相連，所述一級(jí)耦合器的輸出與兩個(gè)二級(jí)耦合器相連，兩個(gè)二級(jí)耦合器的輸出分別與第1、3、5、7三級(jí)耦合器相連，第1和第2三級(jí)耦合器與第1雙單模光纖線盤、第3和第4三級(jí)耦合器與第2雙單模光纖線盤、第5和第6三級(jí)耦合器與第3雙單模光纖線盤、第7和第8三級(jí)耦合器與第4雙單模光纖線盤分別構(gòu)成第1-第4馬赫-曾德?tīng)柛缮嬲駝?dòng)傳感模組，所產(chǎn)生的干涉型振動(dòng)傳感信號(hào)以光相位變化，分別經(jīng)第2、4、6、8三級(jí)耦合器輸出到所述第1-4光電轉(zhuǎn)換器，所述第1-4光電轉(zhuǎn)換器分別與第1-4信號(hào)調(diào)理模塊、第1-4模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、抽取濾波模塊依次連接，所述抽取濾波模塊與所述工控計(jì)算機(jī)連接。所述gps時(shí)鐘與所述工控計(jì)算機(jī)連接，用于時(shí)間精確同步。

優(yōu)選的是，上述系統(tǒng)還包括第1-4光鎖相環(huán)，所述第1-4光鎖相環(huán)分別串聯(lián)在所述第1-4雙單模光纖線盤的一個(gè)臂中，使干涉信號(hào)被穩(wěn)定在正交位置。

優(yōu)選的是，所述單縱模激光器為窄線寬單縱模半導(dǎo)體激光器；優(yōu)選的是，所述第1-4光電轉(zhuǎn)換器為暗電流達(dá)pa級(jí)的光電轉(zhuǎn)換器；所述的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)耦合器均為2*2光纖耦合器。

單縱模激光器1優(yōu)選采用窄線寬單縱模半導(dǎo)體激光器。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的勘探系統(tǒng)重量輕、布陣便捷，有極高的靈敏度(量級(jí),0.01g,振幅1550um/2)，其噪聲低、重量輕、抗干擾性強(qiáng)，其極高的靈敏度和傳感信號(hào)可多路以光子方式同步傳輸，無(wú)相位誤差且可靠快速，可以在城市以無(wú)源方式對(duì)地層進(jìn)行深部(1000-3000米)物理探測(cè)，為對(duì)微動(dòng)瑞雷波信號(hào)的處理和地質(zhì)解析提供了其它類型的拾震撿波傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的天然面波地質(zhì)勘探系統(tǒng)的原理圖；

圖2是本發(fā)明的天然面波地質(zhì)勘探系統(tǒng)的布置圖；

圖3是相速度-頻散曲線。

其中：

1、單縱模半導(dǎo)體激光器2、一級(jí)耦合器3-1、3-2：二級(jí)耦合器；

4-1～4-8:三級(jí)耦合器；5-1～5-4:光鎖相環(huán)；6-1～6-4:雙單模光纖線盤

7-1～7-4：光電轉(zhuǎn)換器；8-1～8-4：信號(hào)調(diào)理模塊；

9-1～9-4：∑一△轉(zhuǎn)換模數(shù)模塊；10、濾波抽取模塊

11、平板工控計(jì)算機(jī)；12、gps時(shí)鐘。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的勘探系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。圖中，窄線寬單縱模半導(dǎo)體激光器1與一級(jí)耦合器2相連，通過(guò)耦合器2，激光分成兩路輸出，一級(jí)耦合器2的輸出與二級(jí)耦合器3-1、3-2相連。通過(guò)二級(jí)耦合器3-1、3-2，激光分成四路分別同時(shí)輸出到三級(jí)耦合器4-1、4-3、4-5、4-7的一端。三級(jí)耦合器4-1、4-2和雙單模光纖線盤6-1構(gòu)成第一個(gè)馬赫-曾德?tīng)?m-z)干涉振動(dòng)傳感模組；三級(jí)耦合器4-3、4-4和雙單模光纖線盤6-2構(gòu)成第二個(gè)馬赫-曾德?tīng)?m-z)干涉振動(dòng)傳感模組；三級(jí)耦合器4-5、4-6和雙單模光纖線盤6-3構(gòu)成第三個(gè)馬赫-曾德?tīng)?m-z)干涉振動(dòng)傳感模組；三級(jí)耦合器4-7、4-8和雙單模光纖線盤6-4構(gòu)成第四個(gè)馬赫-曾德?tīng)?m-z)干涉振動(dòng)傳感模組。其干涉型振動(dòng)傳感信號(hào)以光相位變化，分別經(jīng)三級(jí)耦合器4-2、4-4、4-6、4-8輸出到暗電流達(dá)pa級(jí)的光電轉(zhuǎn)換器7-1、7-2、7-3和7-4。暗電流達(dá)pa級(jí)的光電轉(zhuǎn)換器7-1、7-2、7-3和7-4分別與信號(hào)調(diào)理模塊8-1、8-2、8-3、8-4以及∑一△模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9-1、9-2、9-3、9-4連接?！埔弧髂?shù)轉(zhuǎn)換模塊9-1、9-2、9-3、9-4與濾波抽取模塊10連接,濾波抽取模塊10再與平板工控計(jì)算機(jī)11連接，gps時(shí)鐘12也與工控計(jì)算機(jī)11相連。

其中，光鎖相環(huán)5-1、5-2、5-3、5-4分別串聯(lián)在雙單模光纖線盤6-1、6-2、6-3、6-4的一個(gè)臂中，抗偏振和抗相位衰落，使干涉信號(hào)被穩(wěn)定在正交位置，以提高上述四個(gè)干涉型光纖振動(dòng)傳感器的靈敏度和穩(wěn)定度。

本發(fā)明的勘探系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：

1、依據(jù)馬赫-澤德(mach-zehnder)光纖干涉振動(dòng)傳感器原理，以兩路同步干涉激光調(diào)制信號(hào)在干涉儀上相對(duì)傳輸、在干涉儀雙端拾取的光路結(jié)構(gòu)，利用普通通信光纖作為干涉儀的干涉臂和參考臂，以振動(dòng)信號(hào)作為被探測(cè)量，形成高靈敏度的振動(dòng)檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)拾取振動(dòng)信號(hào)，有極高的靈敏度(量級(jí),0.01g,振幅1550um/2)。對(duì)本發(fā)明的四個(gè)馬赫-澤德干涉振動(dòng)傳感模組布陣為：一個(gè)安置在一個(gè)等邊三角形的中心，另三個(gè)安置在等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)位置，馬赫-澤德干涉振動(dòng)傳感模組布陣半徑r依地層分層深度決定，要測(cè)量的地層深度h與傳感模組布陣半徑r的關(guān)系為h＝10r，如果測(cè)量地層分層深度為1200米，則r＝120米，均由光纖連接。

2、依照?qǐng)D2，將四個(gè)馬赫-澤德干涉振動(dòng)傳感模組依次布陣并按下述方法工作，布陣點(diǎn)位分別為圖中的0、1、2、3；0、4、5、6；0、7、8、9，其中0點(diǎn)位到7、8、9點(diǎn)位的距離為120米。

3、開(kāi)啟本發(fā)明裝置，傳感系統(tǒng)連續(xù)拾取天然面波信號(hào)，這四路信號(hào)分別輸入信號(hào)調(diào)理模塊8-1、2、3、4，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9-1、2、3、4完成∑一△a/d轉(zhuǎn)換后輸出的4路512ksps碼流各自獨(dú)立送給抽取濾波模塊10，此模塊將4路24位碼流信號(hào)排成串行碼輸出到工控計(jì)算機(jī)11。

本發(fā)明能達(dá)到4個(gè)信號(hào)完全同步，a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9和抽取濾波器10之間完全同步，同步時(shí)鐘由抽取濾波模塊10產(chǎn)生，抽取濾波器10的采樣時(shí)鐘信號(hào)在正常狀態(tài)下為2048khz的半占空方波。它由抽取濾波器100并行輸入給a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9，目的是控制多片a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9，送至抽取濾波器10的∑一△一位碼流接口，四通道的數(shù)據(jù)是同一時(shí)刻。同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)經(jīng)抽取濾波器10濾波后的數(shù)據(jù)按同一時(shí)刻放入相應(yīng)的位置。a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9的采樣時(shí)鐘與抽取濾波器10的濾波時(shí)鐘是與gps12鎖定的同一個(gè)時(shí)鐘源。

光鎖相環(huán)5-1、5-2、5-3、5-4分別串聯(lián)在雙單模光纖線盤6-1、6-2、6-3、6-4的一個(gè)臂中，抗偏振和抗相位衰落，使干涉信號(hào)被穩(wěn)定在正交位置，以提高上述四個(gè)干涉型光纖振動(dòng)傳感器的靈敏度和穩(wěn)定度。

4、將上述測(cè)量的三次四組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和處理，數(shù)字量在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)11形成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5、工業(yè)控制算機(jī)11對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行空間自相關(guān)處理空間自相關(guān)法主要是在時(shí)間域進(jìn)行面波提取，求出不同頻率的空間自相關(guān)系ρ，此空間自相關(guān)系數(shù)實(shí)際是面波頻率成份f及空間坐標(biāo)的函數(shù)，也就是說(shuō)，它不但與頻率有關(guān)，還與拾震器的位置有關(guān)。從形態(tài)上看，實(shí)測(cè)空間自相關(guān)曲線應(yīng)是近似于零階貝塞爾函數(shù)曲線，通過(guò)它來(lái)求取“校正值”，再加入空間坐標(biāo)參數(shù)就可以提取各個(gè)頻點(diǎn)的相速度，據(jù)此畫(huà)出相速度—頻散曲線，見(jiàn)圖3。

6、從上述步驟可以看出，微動(dòng)中取得的面波相速度具有頻散現(xiàn)象，說(shuō)明地下各層巖石的波速是不均勻的，再通過(guò)反演計(jì)算，可求出不同深度的波速分布情況，通過(guò)不同巖性地層的波速差異(物性數(shù)據(jù)庫(kù))，就可推測(cè)出各種巖層的地下分布分層，進(jìn)一步判斷其中的熱源、礦物等資源。