光纖光柵于地震檢波器方向的應(yīng)用

陳梓藝

摘 要：該文闡述了光纖光柵用作地震檢波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系統(tǒng)。另外根據(jù)光纖光柵周期進(jìn)行分類，分別闡明了光纖布拉格光柵及長(zhǎng)周期光纖光柵地震檢波器的使用原理并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合兩者討論了地震檢波器發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光纖光柵 地震檢波器 光纖布拉格光柵 長(zhǎng)周期光纖光柵

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震檢波器作為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，影響著勘探的準(zhǔn)確性及進(jìn)程。地震檢波器廣泛地用于石油工業(yè)、礦藏開(kāi)發(fā)、地質(zhì)、地?zé)岬染?xì)勘探之中。但過(guò)去的地震檢波器往往有靈敏度不夠高，易受干擾等缺點(diǎn)。

在20世紀(jì)80年代末，Morey發(fā)表用作傳感器的光纖光柵[1]受到各地工作者的關(guān)注并讓其于之后得到長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來(lái)，光纖光柵因抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，作為地震檢波器被研究應(yīng)用于地震勘探中?？深A(yù)見(jiàn)，光纖光柵傳感器作為地震檢波器將成為一大趨勢(shì)。

1 光纖光柵地震檢波器的工作原理

地震檢波器實(shí)質(zhì)為振動(dòng)傳感器，由光纖光柵構(gòu)成的地震檢波器，其工作原理是利用光纖光柵對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的敏感作用，把對(duì)應(yīng)變物理量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)光學(xué)物理量的測(cè)量。完整的地震檢波系統(tǒng)，其組成如圖1所示，寬帶光源的光經(jīng)耦合器輸入到檢波器后，對(duì)于光纖布拉格光柵中滿足布拉格條件的光將發(fā)射回來(lái)，其余的光則沿原光路繼續(xù)傳輸，由于反射光包含振動(dòng)信息，因此，對(duì)反射光解調(diào)。而長(zhǎng)周期光纖光柵因其透射性質(zhì)，則需對(duì)透射光進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)系統(tǒng)利用光電檢測(cè)電路，把帶有外界信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，再經(jīng)過(guò)放大器后送進(jìn)計(jì)算機(jī)分析。

2 光纖光柵地震檢波器分類

根據(jù)光纖光柵的周期，可將應(yīng)用作地震檢波器的光纖光柵分為兩類，分別是短周期光纖光柵，也就是光纖布拉格光柵及長(zhǎng)周期光纖光柵。

2.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵的光柵周期以及折射率決定了光柵的反射光譜和透射光譜。當(dāng)外界物理量改變這兩個(gè)參數(shù)時(shí)，會(huì)使波長(zhǎng)發(fā)生漂移。因此，通過(guò)檢測(cè)光譜中的波長(zhǎng)漂移即可獲取信息。

在引起光纖布拉格光柵波長(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量。因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率也隨外界應(yīng)力而發(fā)生變化[2]。

波長(zhǎng)變化的量化公式可以表示為：

（1）

式中外界條件導(dǎo)致的波長(zhǎng)漂移為、光柵周期、光柵有效折射率。而光柵周期以及有效折射率的變化分別為和。

應(yīng)力應(yīng)變對(duì)光纖布拉格光柵的影響可量化為：

（2）

其中為應(yīng)變變化，為光纖材料的彈光系數(shù)，為應(yīng)變引起的波長(zhǎng)變化的靈敏度系數(shù)。

通過(guò)式（2）可知，借由光信號(hào)表征的物理量可至小波長(zhǎng)量級(jí)的分辨率，這理論上表明了光纖布拉格光柵作為地震檢波器的高精度，實(shí)驗(yàn)上通過(guò)模擬仿真也證明了其實(shí)用性[3]。

然而，光纖布拉格光柵也存在如反射光特性所導(dǎo)致的光源振蕩，器件比較脆弱、需要良好保護(hù)等缺點(diǎn)，而這些尚未能完全有效解決的問(wèn)題亦是其商業(yè)化的阻礙。

2.2 長(zhǎng)周期光纖光柵

長(zhǎng)周期光纖光柵的理論是在光纖布拉格光柵理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但其模式耦合屬于同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間的耦合[4]。

根據(jù)耦合模理論，長(zhǎng)周期光纖光柵相位匹配條件[5]為：

（3）

其中，為芯內(nèi)導(dǎo)模的有效折射率；為發(fā)生耦合的m階包層模的有效折射率；為光纖光柵周期；為導(dǎo)模耦合到m階包層模的波長(zhǎng)。由式（3）可以看出，與芯層和包層的折射率有大關(guān)聯(lián)性。當(dāng)外界條件如溫度或應(yīng)力作用于光柵引起其纖芯和包層的有效折射率和光柵周期變化時(shí)，光柵的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生變化，測(cè)得的大小可以確定外界溫度或應(yīng)力的變化。通過(guò)對(duì)靈敏度分析，建立力學(xué)模型以及仿真，國(guó)內(nèi)有黎芳等人驗(yàn)證了長(zhǎng)周期光纖光柵用于地震檢波器是可行的[5]。

長(zhǎng)周期光纖光柵作為一種透射型光纖光柵，無(wú)后向反射，在傳感測(cè)量系統(tǒng)中不需隔離器，測(cè)量精度較高。但相對(duì)于光纖布拉格光纖，其也存在著溫度、應(yīng)變等物理量間的交叉敏感等問(wèn)題[4]，不利于實(shí)際的測(cè)量工作，需多個(gè)傳感器組合方可利于解決。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于光纖光柵以周期進(jìn)行兩種分類，并分析知兩類光纖光柵在具有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有如脆弱，交叉敏感的缺點(diǎn)。不過(guò)光纖光柵檢波器相對(duì)傳統(tǒng)地震檢波器所具有的精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，定會(huì)使其成為地震勘探中的重要研究方向并得到發(fā)展，逐漸成為主流的地震檢波器。

參考文獻(xiàn)

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 馬超，喬學(xué)光，賈振安，等.光纖布拉格光柵地震檢波器的研究與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23（2）：622-626.

[3] 劉漢平，王健剛，崔洪亮，等.光纖光柵地震波檢波器[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饒?jiān)平?長(zhǎng)周期光纖光柵研究現(xiàn)狀分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，張緒國(guó).基于長(zhǎng)周期光纖光柵的新型地震檢波器[J].應(yīng)用光學(xué)，2008（1）：101-104.endprint

摘 要：該文闡述了光纖光柵用作地震檢波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系統(tǒng)。另外根據(jù)光纖光柵周期進(jìn)行分類，分別闡明了光纖布拉格光柵及長(zhǎng)周期光纖光柵地震檢波器的使用原理并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合兩者討論了地震檢波器發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光纖光柵 地震檢波器 光纖布拉格光柵 長(zhǎng)周期光纖光柵

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震檢波器作為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，影響著勘探的準(zhǔn)確性及進(jìn)程。地震檢波器廣泛地用于石油工業(yè)、礦藏開(kāi)發(fā)、地質(zhì)、地?zé)岬染?xì)勘探之中。但過(guò)去的地震檢波器往往有靈敏度不夠高，易受干擾等缺點(diǎn)。

在20世紀(jì)80年代末，Morey發(fā)表用作傳感器的光纖光柵[1]受到各地工作者的關(guān)注并讓其于之后得到長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來(lái)，光纖光柵因抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，作為地震檢波器被研究應(yīng)用于地震勘探中?？深A(yù)見(jiàn)，光纖光柵傳感器作為地震檢波器將成為一大趨勢(shì)。

1 光纖光柵地震檢波器的工作原理

地震檢波器實(shí)質(zhì)為振動(dòng)傳感器，由光纖光柵構(gòu)成的地震檢波器，其工作原理是利用光纖光柵對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的敏感作用，把對(duì)應(yīng)變物理量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)光學(xué)物理量的測(cè)量。完整的地震檢波系統(tǒng)，其組成如圖1所示，寬帶光源的光經(jīng)耦合器輸入到檢波器后，對(duì)于光纖布拉格光柵中滿足布拉格條件的光將發(fā)射回來(lái)，其余的光則沿原光路繼續(xù)傳輸，由于反射光包含振動(dòng)信息，因此，對(duì)反射光解調(diào)。而長(zhǎng)周期光纖光柵因其透射性質(zhì)，則需對(duì)透射光進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)系統(tǒng)利用光電檢測(cè)電路，把帶有外界信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，再經(jīng)過(guò)放大器后送進(jìn)計(jì)算機(jī)分析。

2 光纖光柵地震檢波器分類

根據(jù)光纖光柵的周期，可將應(yīng)用作地震檢波器的光纖光柵分為兩類，分別是短周期光纖光柵，也就是光纖布拉格光柵及長(zhǎng)周期光纖光柵。

2.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵的光柵周期以及折射率決定了光柵的反射光譜和透射光譜。當(dāng)外界物理量改變這兩個(gè)參數(shù)時(shí)，會(huì)使波長(zhǎng)發(fā)生漂移。因此，通過(guò)檢測(cè)光譜中的波長(zhǎng)漂移即可獲取信息。

在引起光纖布拉格光柵波長(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量。因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率也隨外界應(yīng)力而發(fā)生變化[2]。

波長(zhǎng)變化的量化公式可以表示為：

（1）

式中外界條件導(dǎo)致的波長(zhǎng)漂移為、光柵周期、光柵有效折射率。而光柵周期以及有效折射率的變化分別為和。

應(yīng)力應(yīng)變對(duì)光纖布拉格光柵的影響可量化為：

（2）

其中為應(yīng)變變化，為光纖材料的彈光系數(shù)，為應(yīng)變引起的波長(zhǎng)變化的靈敏度系數(shù)。

通過(guò)式（2）可知，借由光信號(hào)表征的物理量可至小波長(zhǎng)量級(jí)的分辨率，這理論上表明了光纖布拉格光柵作為地震檢波器的高精度，實(shí)驗(yàn)上通過(guò)模擬仿真也證明了其實(shí)用性[3]。

然而，光纖布拉格光柵也存在如反射光特性所導(dǎo)致的光源振蕩，器件比較脆弱、需要良好保護(hù)等缺點(diǎn)，而這些尚未能完全有效解決的問(wèn)題亦是其商業(yè)化的阻礙。

2.2 長(zhǎng)周期光纖光柵

長(zhǎng)周期光纖光柵的理論是在光纖布拉格光柵理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但其模式耦合屬于同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間的耦合[4]。

根據(jù)耦合模理論，長(zhǎng)周期光纖光柵相位匹配條件[5]為：

（3）

其中，為芯內(nèi)導(dǎo)模的有效折射率；為發(fā)生耦合的m階包層模的有效折射率；為光纖光柵周期；為導(dǎo)模耦合到m階包層模的波長(zhǎng)。由式（3）可以看出，與芯層和包層的折射率有大關(guān)聯(lián)性。當(dāng)外界條件如溫度或應(yīng)力作用于光柵引起其纖芯和包層的有效折射率和光柵周期變化時(shí)，光柵的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生變化，測(cè)得的大小可以確定外界溫度或應(yīng)力的變化。通過(guò)對(duì)靈敏度分析，建立力學(xué)模型以及仿真，國(guó)內(nèi)有黎芳等人驗(yàn)證了長(zhǎng)周期光纖光柵用于地震檢波器是可行的[5]。

長(zhǎng)周期光纖光柵作為一種透射型光纖光柵，無(wú)后向反射，在傳感測(cè)量系統(tǒng)中不需隔離器，測(cè)量精度較高。但相對(duì)于光纖布拉格光纖，其也存在著溫度、應(yīng)變等物理量間的交叉敏感等問(wèn)題[4]，不利于實(shí)際的測(cè)量工作，需多個(gè)傳感器組合方可利于解決。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于光纖光柵以周期進(jìn)行兩種分類，并分析知兩類光纖光柵在具有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有如脆弱，交叉敏感的缺點(diǎn)。不過(guò)光纖光柵檢波器相對(duì)傳統(tǒng)地震檢波器所具有的精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，定會(huì)使其成為地震勘探中的重要研究方向并得到發(fā)展，逐漸成為主流的地震檢波器。

參考文獻(xiàn)

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 馬超，喬學(xué)光，賈振安，等.光纖布拉格光柵地震檢波器的研究與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23（2）：622-626.

[3] 劉漢平，王健剛，崔洪亮，等.光纖光柵地震波檢波器[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饒?jiān)平?長(zhǎng)周期光纖光柵研究現(xiàn)狀分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，張緒國(guó).基于長(zhǎng)周期光纖光柵的新型地震檢波器[J].應(yīng)用光學(xué)，2008（1）：101-104.endprint

摘 要：該文闡述了光纖光柵用作地震檢波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系統(tǒng)。另外根據(jù)光纖光柵周期進(jìn)行分類，分別闡明了光纖布拉格光柵及長(zhǎng)周期光纖光柵地震檢波器的使用原理并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合兩者討論了地震檢波器發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光纖光柵 地震檢波器 光纖布拉格光柵 長(zhǎng)周期光纖光柵

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震檢波器作為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，影響著勘探的準(zhǔn)確性及進(jìn)程。地震檢波器廣泛地用于石油工業(yè)、礦藏開(kāi)發(fā)、地質(zhì)、地?zé)岬染?xì)勘探之中。但過(guò)去的地震檢波器往往有靈敏度不夠高，易受干擾等缺點(diǎn)。

在20世紀(jì)80年代末，Morey發(fā)表用作傳感器的光纖光柵[1]受到各地工作者的關(guān)注并讓其于之后得到長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來(lái)，光纖光柵因抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，作為地震檢波器被研究應(yīng)用于地震勘探中。可預(yù)見(jiàn)，光纖光柵傳感器作為地震檢波器將成為一大趨勢(shì)。

1 光纖光柵地震檢波器的工作原理

地震檢波器實(shí)質(zhì)為振動(dòng)傳感器，由光纖光柵構(gòu)成的地震檢波器，其工作原理是利用光纖光柵對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的敏感作用，把對(duì)應(yīng)變物理量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)光學(xué)物理量的測(cè)量。完整的地震檢波系統(tǒng)，其組成如圖1所示，寬帶光源的光經(jīng)耦合器輸入到檢波器后，對(duì)于光纖布拉格光柵中滿足布拉格條件的光將發(fā)射回來(lái)，其余的光則沿原光路繼續(xù)傳輸，由于反射光包含振動(dòng)信息，因此，對(duì)反射光解調(diào)。而長(zhǎng)周期光纖光柵因其透射性質(zhì)，則需對(duì)透射光進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)系統(tǒng)利用光電檢測(cè)電路，把帶有外界信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，再經(jīng)過(guò)放大器后送進(jìn)計(jì)算機(jī)分析。

2 光纖光柵地震檢波器分類

根據(jù)光纖光柵的周期，可將應(yīng)用作地震檢波器的光纖光柵分為兩類，分別是短周期光纖光柵，也就是光纖布拉格光柵及長(zhǎng)周期光纖光柵。

2.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵的光柵周期以及折射率決定了光柵的反射光譜和透射光譜。當(dāng)外界物理量改變這兩個(gè)參數(shù)時(shí)，會(huì)使波長(zhǎng)發(fā)生漂移。因此，通過(guò)檢測(cè)光譜中的波長(zhǎng)漂移即可獲取信息。

在引起光纖布拉格光柵波長(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量。因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率也隨外界應(yīng)力而發(fā)生變化[2]。

波長(zhǎng)變化的量化公式可以表示為：

（1）

式中外界條件導(dǎo)致的波長(zhǎng)漂移為、光柵周期、光柵有效折射率。而光柵周期以及有效折射率的變化分別為和。

應(yīng)力應(yīng)變對(duì)光纖布拉格光柵的影響可量化為：

（2）

其中為應(yīng)變變化，為光纖材料的彈光系數(shù)，為應(yīng)變引起的波長(zhǎng)變化的靈敏度系數(shù)。

通過(guò)式（2）可知，借由光信號(hào)表征的物理量可至小波長(zhǎng)量級(jí)的分辨率，這理論上表明了光纖布拉格光柵作為地震檢波器的高精度，實(shí)驗(yàn)上通過(guò)模擬仿真也證明了其實(shí)用性[3]。

然而，光纖布拉格光柵也存在如反射光特性所導(dǎo)致的光源振蕩，器件比較脆弱、需要良好保護(hù)等缺點(diǎn)，而這些尚未能完全有效解決的問(wèn)題亦是其商業(yè)化的阻礙。

2.2 長(zhǎng)周期光纖光柵

長(zhǎng)周期光纖光柵的理論是在光纖布拉格光柵理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但其模式耦合屬于同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間的耦合[4]。

根據(jù)耦合模理論，長(zhǎng)周期光纖光柵相位匹配條件[5]為：

（3）

其中，為芯內(nèi)導(dǎo)模的有效折射率；為發(fā)生耦合的m階包層模的有效折射率；為光纖光柵周期；為導(dǎo)模耦合到m階包層模的波長(zhǎng)。由式（3）可以看出，與芯層和包層的折射率有大關(guān)聯(lián)性。當(dāng)外界條件如溫度或應(yīng)力作用于光柵引起其纖芯和包層的有效折射率和光柵周期變化時(shí)，光柵的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生變化，測(cè)得的大小可以確定外界溫度或應(yīng)力的變化。通過(guò)對(duì)靈敏度分析，建立力學(xué)模型以及仿真，國(guó)內(nèi)有黎芳等人驗(yàn)證了長(zhǎng)周期光纖光柵用于地震檢波器是可行的[5]。

長(zhǎng)周期光纖光柵作為一種透射型光纖光柵，無(wú)后向反射，在傳感測(cè)量系統(tǒng)中不需隔離器，測(cè)量精度較高。但相對(duì)于光纖布拉格光纖，其也存在著溫度、應(yīng)變等物理量間的交叉敏感等問(wèn)題[4]，不利于實(shí)際的測(cè)量工作，需多個(gè)傳感器組合方可利于解決。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于光纖光柵以周期進(jìn)行兩種分類，并分析知兩類光纖光柵在具有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有如脆弱，交叉敏感的缺點(diǎn)。不過(guò)光纖光柵檢波器相對(duì)傳統(tǒng)地震檢波器所具有的精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，定會(huì)使其成為地震勘探中的重要研究方向并得到發(fā)展，逐漸成為主流的地震檢波器。

參考文獻(xiàn)

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 馬超，喬學(xué)光，賈振安，等.光纖布拉格光柵地震檢波器的研究與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23（2）：622-626.

[3] 劉漢平，王健剛，崔洪亮，等.光纖光柵地震波檢波器[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饒?jiān)平?長(zhǎng)周期光纖光柵研究現(xiàn)狀分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，張緒國(guó).基于長(zhǎng)周期光纖光柵的新型地震檢波器[J].應(yīng)用光學(xué)，2008（1）：101-104.endprint