基于載波調(diào)制和特征識別的光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自檢技術(shù)

李 勤，劉 超，張健博

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

目前我國能源礦產(chǎn)供給儲備目標(biāo)層達(dá)3 000 m，但深部探測關(guān)鍵裝備和數(shù)據(jù)處理高端軟件90%以上依賴進(jìn)口，我國勘探技術(shù)總體處于“跟跑”狀態(tài)。為此，亟待開發(fā)3 000 m及以上的深地地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探設(shè)備，提升我國地球科學(xué)探測儀器自主創(chuàng)新能力和裝備水平。

與常規(guī)的深地地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探設(shè)備相比，光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有靈敏度高、傳感器無需供電、抗電磁干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸快等優(yōu)勢。目前，光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)缺乏有效自檢技術(shù)，主要依靠光功率計(jì)和光時域反射計(jì)在光路斷開、無法拾取信號等問題發(fā)生后進(jìn)行檢測和排故。本文提出一種基于載波調(diào)制和特征識別的光纖檢波器自檢技術(shù)，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(jìn)行光路的通斷自檢，通過載波調(diào)制的方法對地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號拾取功能進(jìn)行自檢。

1 基本原理

光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于激光干涉的物理原理來拾取地震信息[1]。激光光源發(fā)出的光波在光纖中傳播并在光路中發(fā)生干涉，當(dāng)震源激發(fā)的震動經(jīng)地層反射后傳導(dǎo)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(nèi)彈性順變柱體的形變，導(dǎo)致傳感光纖長度發(fā)生變化，光纖中傳輸光波的相位受到調(diào)制。光纖解調(diào)器對干涉光波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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(diào)器回傳的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由光纖采集鏈、光纖主纜、光纖解調(diào)器和地震記錄儀組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

在光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常見的問題有光路斷開、系統(tǒng)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(diào)制的方法來進(jìn)行系統(tǒng) 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(shù)據(jù)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(jìn)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(tài)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(tài)。

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(diào)制信號，根據(jù)觀察光纖解調(diào)器的解調(diào)輸出結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)對光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號拾取功能的 自檢。

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

采用V0cosω0t的調(diào)制信號來調(diào)制光源，通過調(diào)制光頻可以得到被調(diào)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(diào)制信號幅值最大時的頻移，ω0為調(diào)制信號的頻率。因此，在高頻載波調(diào)制信號中疊加模擬測試信號，相當(dāng)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(shí)現(xiàn)對模擬拾取信號的自檢功能[8-9]。

2 實(shí) 驗(yàn)

將2條光纖采集鏈分別與光纖主纜（1#主纜）對應(yīng)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(diào)器連接，并將光纖解調(diào)器的網(wǎng)口與地震記錄儀的網(wǎng)口連接。啟動地震記錄儀上安裝的光纖地震數(shù)據(jù)采集軟件，對系統(tǒng)光路的通斷進(jìn)行自檢，自檢結(jié)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(jié)果中沒有指示。因此，光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(diào)器輸出給激光光源的調(diào)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(diào)制信號也可以通過信號發(fā)生器生成，具備同樣的檢測結(jié)果。在上位機(jī)觀察光纖解調(diào)器輸出的解調(diào)后的信號，如圖6所示。從圖6可以看出，光纖解調(diào)器可以解調(diào)出疊加在載波上的 50 Hz的調(diào)制信號，即實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對信號的拾取功能。如果觀察到光纖解調(diào)器輸出的解調(diào)結(jié)果中沒有顯示50 Hz的信號，則說明系統(tǒng)無法準(zhǔn)確拾取信號，需要做進(jìn)一步的故障排查。

圖5 載波疊加自檢調(diào)制信號示意圖

圖6 信號解調(diào)結(jié)果

3 結(jié) 語

本文提出了一種光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自檢技術(shù)，基于特征識別和載波調(diào)制的方法，可以分別對光纖檢波器陣列中的光纖檢波器進(jìn)行通斷自檢，并對地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號拾取功能進(jìn)行自檢。這種自檢技術(shù)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(diào)制信號，可以解決目前光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)缺乏有效自檢技術(shù)的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的光纖地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自檢技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光路通斷和信號拾取自檢功能。