基于載波調制和特征識別的光纖地震數據采集系統自檢技術

李 勤，劉 超，張健博

（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。

與常規的深地地質結構勘探設備相比，光纖地震數據采集系統具有靈敏度高、傳感器無需供電、抗電磁干擾能力強、數據傳輸快等優勢。目前，光纖地震數據采集系統缺乏有效自檢技術，主要依靠光功率計和光時域反射計在光路斷開、無法拾取信號等問題發生后進行檢測和排故。本文提出一種基于載波調制和特征識別的光纖檢波器自檢技術，通過特征識別的手段，可以對光纖檢波器陣列中的光纖檢波器進行光路的通斷自檢，通過載波調制的方法對地震數據采集系統的信號拾取功能進行自檢。

1 基本原理

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[1]。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[2-3]。地震記錄儀對光纖解調器回傳的地震數據進行存儲。光纖地震數據采集系統由光纖采集鏈、光纖主纜、光纖解調器和地震記錄儀組成，系統結構如圖1 所示。

圖1 光纖地震數據采集系統示意圖

在光纖地震數據采集系統中，常見的問題有光路斷開、系統無法拾取信號等[4-5]。基于上述問題，分別采用特征識別和載波調制的方法來進行系統 自檢。

由于光纖檢波器陣列中的光纖檢波器有回光和沒有回光的情況下，地震數據采集軟件接收到的信號存在顯著差異，因此，在采集軟件中通過特征識別的方法可以對光纖檢波器有無回光進行通斷自檢。光纖檢波器陣列的光纖檢波器有回光和沒有回光時的信號如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，光路斷開時存在類似于階梯狀的大信號，與光路連通狀態下的信號有顯著特征差異。通過提取短時能量、峰峰值和平均過零率等時域特征或特定頻段的頻域能量等頻域特征，可以很容易識別出光路的通斷狀態。

圖2 光路連通時檢波器敏感信號示意圖

圖3 光路斷開時檢波器敏感信號示意圖

通過在高頻載波中攜帶震動信號頻段的調制信號，根據觀察光纖解調器的解調輸出結果，可以實現對光纖地震數據采集系統的信號拾取功能的 自檢。

光纖檢波器由Michelson干涉儀和敏感結構組成。干涉儀輸出的干涉光強可以表示為[6-7]：式中：A是直流項，B是交流項幅值，φ(t)表示調制光源產生的相位差，φs(t)表示目標信號作用在干涉儀上產生的相位差，φ0(t)表示外界環境干擾產生的相位差、初始相位差以及其他因素產生的相位差。

采用V0cosω0t的調制信號來調制光源，通過調制光頻可以得到被調制的相位為：

式中：n是光纖纖芯的折射率，l為傳感臂與參考臂的長度差，c為真空中光速，Δv表示調制信號幅值最大時的頻移，ω0為調制信號的頻率。因此，在高頻載波調制信號中疊加模擬測試信號，相當于模擬了在該檢波器上施加所疊加的模擬測試信號的同頻震動信號，可以實現對模擬拾取信號的自檢功能[8-9]。

2 實 驗

將2條光纖采集鏈分別與光纖主纜（1#主纜）對應位置的封裝盒（1#封裝盒和2#封裝盒）連接，將光纖主纜與光纖解調器連接，并將光纖解調器的網口與地震記錄儀的網口連接。啟動地震記錄儀上安裝的光纖地震數據采集軟件，對系統光路的通斷進行自檢，自檢結果如圖4所示。從圖4可以看出，檢測到的是第1到第16道，空接的道由于沒有光輸入，在自檢結果中沒有指示。因此，光纖地震數據采集系統具備對光路通斷的自檢功能。

圖4 儀器信息自檢示意圖

通過修改光纖解調器輸出給激光光源的調制信號，在32 kHz的載波上疊加一個50 Hz的信號，如圖5所示。該調制信號也可以通過信號發生器生成，具備同樣的檢測結果。在上位機觀察光纖解調器輸出的解調后的信號，如圖6所示。從圖6可以看出，光纖解調器可以解調出疊加在載波上的 50 Hz的調制信號，即實現了系統對信號的拾取功能。如果觀察到光纖解調器輸出的解調結果中沒有顯示50 Hz的信號，則說明系統無法準確拾取信號，需要做進一步的故障排查。

圖5 載波疊加自檢調制信號示意圖

圖6 信號解調結果

3 結 語

本文提出了一種光纖地震數據采集系統自檢技術，基于特征識別和載波調制的方法，可以分別對光纖檢波器陣列中的光纖檢波器進行通斷自檢，并對地震數據采集系統的信號拾取功能進行自檢。這種自檢技術包括被動自檢和主動自檢，分別通過識別有無回光的特征和在高頻載波上疊加信號頻段的調制信號，可以解決目前光纖地震數據采集系統缺乏有效自檢技術的問題。實驗結果表明，所提出的光纖地震數據采集系統自檢技術可以實現光路通斷和信號拾取自檢功能。