基于寬譜光源的光纖采集鏈插入損耗測(cè)試系統(tǒng)

李 勤，劉 超，王云翔，馬元峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

1 引言

目前，我國(guó)能源礦產(chǎn)供給儲(chǔ)備目標(biāo)層達(dá)3 000 m。但是，由于使用的深部探測(cè)關(guān)鍵裝備和數(shù)據(jù)處理高端軟件90%以上依賴(lài)進(jìn)口，因此亟待開(kāi)發(fā)3 000 m及以下的深地地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探設(shè)備。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(wú)需供電、抗電磁干擾能力強(qiáng)以及數(shù)據(jù)傳輸快等優(yōu)勢(shì)。光纖采集鏈?zhǔn)枪饫w地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，可以敏銳感知震源產(chǎn)生的地震波信號(hào)。因此，提出了一種基于寬譜光源的光纖采集鏈插入損耗測(cè)試系統(tǒng)，可以測(cè)試光纖采集鏈中每一個(gè)檢波器位置對(duì)應(yīng)的插入損耗，還可以在光纖采集鏈的生產(chǎn)過(guò)程中在線(xiàn)監(jiān)測(cè)盤(pán)纖過(guò)程產(chǎn)生的損耗，提高光纖采集鏈的生產(chǎn)效率［1-4］。

2 采集鏈基本原理

光纖采集鏈?zhǔn)枪饫w檢波器陣列的時(shí)分復(fù)用單元，每條光纖采集鏈可以攜帶8 個(gè)光纖地震檢波器，從而提高光纜的使用效率。與空分復(fù)用方式相比，時(shí)分復(fù)用可以減小檢波器陣列中的光纖芯數(shù)，從而減小檢波器陣列單元的體積和重量，增強(qiáng)設(shè)備的便攜性和系統(tǒng)的實(shí)用性。

光纖采集鏈由光纖耦合器、光纖地震檢波器以及傳輸光纖組成。采用梯狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)8 個(gè)基元檢波器的時(shí)分復(fù)用，如圖1 所示。時(shí)分復(fù)用是指在光脈沖經(jīng)由檢波器陣列中各個(gè)光纖地震檢波器返回時(shí)由光程差異產(chǎn)生的時(shí)間差異。通過(guò)嚴(yán)格控制延時(shí)和光脈沖間隔，探測(cè)器可通過(guò)檢測(cè)不同時(shí)刻的光脈沖，獲得不同位置光纖地震檢波器攜帶的震動(dòng)信息［5-7］。

每條光纖采集鏈包括一個(gè)2 芯光纜航插頭、2個(gè)分光比為1:7 的光纖耦合器、2 個(gè)分光比為1:6的光纖耦合器、2 個(gè)分光比為1:5 的光纖耦合器、2 個(gè)分光比為1:4 的光纖耦合器、2 個(gè)分光比為1:3的光纖耦合器、2 個(gè)分光比為1:2 的耦合器、2 個(gè)分光比為1:1 的耦合器以及8 個(gè)光纖地震檢波器。其中，光纖地震檢波器由非平衡光纖Michelson 干涉儀和敏感結(jié)構(gòu)組成。光纖干涉儀的兩臂纏繞在彈性順變柱體上。震動(dòng)信號(hào)引起彈性順變柱體發(fā)生形變，導(dǎo)致干涉儀中傳輸光波的相位受到調(diào)制。因此，通過(guò)相位解調(diào)可以實(shí)現(xiàn)地震波檢測(cè)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

光纖采集鏈插入損耗測(cè)試系統(tǒng)由寬譜光源、調(diào)制器、衰減器、探測(cè)組件以及示波器組成。寬譜光源的相干長(zhǎng)度很短，且光纖采集鏈中攜帶的光纖地震檢波器采用的是不平衡光纖Michelson 干涉儀，不產(chǎn)生干涉信號(hào)，可在探測(cè)器上接收到較穩(wěn)定的光信號(hào)。因此，輸入光纖采集鏈的光信號(hào)大小和輸出光纖采集鏈光信號(hào)大小的差異，取決于光纖采集鏈自身的插入損耗。通過(guò)觀測(cè)光纖采集鏈中每個(gè)光纖地震檢波器的輸入光信號(hào)和輸出光信號(hào)的大小，可以得到光纖采集鏈中每一個(gè)檢波器位置對(duì)應(yīng)的插入損耗［8］。

光纖采集鏈插入損耗測(cè)試系統(tǒng)，如圖2 所示。圖2（a）中，寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)調(diào)制器后被調(diào)制成脈沖光，再經(jīng)過(guò)光衰減器將光功率衰減到適合光電探測(cè)器接收的光功率范圍，通過(guò)示波器觀察經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后得到脈沖的峰峰值，并將其作為光纖采集鏈輸入脈沖信號(hào)的參考值。圖2（b）中，寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)調(diào)制器后被調(diào)制成脈沖光，再經(jīng)過(guò)光衰減器后將脈沖光注入到光纖采集鏈中，進(jìn)而可依次觀察8 個(gè)光纖地震檢波器的輸出脈沖信號(hào)峰峰值。在二次測(cè)試過(guò)程中，保持可調(diào)光衰減器的衰減值不變，通過(guò)比較輸入脈沖和8 個(gè)輸出脈沖的峰峰值，得到光纖采集鏈上攜帶的8 個(gè)光纖地震檢波器位置對(duì)應(yīng)的插入損耗［9-10］。

光纖采集鏈的實(shí)物圖如圖3 所示。其中，檢波器1 和檢波器2 的芯光纖航插頭與相鄰光纖地震檢波器之間的光纜長(zhǎng)度為15 m。通過(guò)光纖采集鏈插入損耗測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到光纖采集鏈的輸入脈沖和輸出脈沖在示波器上的顯示結(jié)果，如圖4所示。從圖4 可以看出，光纖采集鏈輸入光脈沖的大小為2.77 V，輸出光脈沖的最小值為8 mV。因此，光纖采集鏈中8 個(gè)光纖地震檢波器位置對(duì)應(yīng)的插入損耗的最大值約為25.4 dB，滿(mǎn)足光纖采集鏈插入損耗的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于寬譜光源的光纖采集鏈插入損耗測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由寬譜光源、調(diào)制器、衰減器、探測(cè)組件以及示波器組成。寬譜光源的相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)且光纖采集鏈中攜帶的光纖地震檢波器采用的是非平衡光纖Michelson 干涉儀，因此通過(guò)觀測(cè)光纖采集鏈中每個(gè)光纖地震檢波器的輸入光信號(hào)和輸出光信號(hào)的大小，即可得到光纖采集鏈中每一個(gè)檢波器位置對(duì)應(yīng)的插入損耗。