杜青臣， 王晨， 尚盈， 刘小会， 赵庆超， 曹冰， 赵文安， 倪家升， 王昌

(山东省光纤传感技术重点实验室，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014)

光纤分布式地震波探测系统及其布设优化研究

杜青臣， 王晨*， 尚盈， 刘小会， 赵庆超， 曹冰， 赵文安， 倪家升， 王昌

(山东省光纤传感技术重点实验室，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014)

应用光纤分布式声波检测与干涉探测技术，设计了一种用于油气勘探开发的光纤分布式地震波探测系统，并在埋地布设的基础上提出光缆附加尾椎的布设优化方案。野外现场测试结果表明，系统能够完整探测到地震波沿光缆的分布情况，波形特性与传统电子动圈传感器相似，埋地式布设最远探测距离20 m，尾椎式布设最远探测距离10 m，该研究为系统的实际应用提供了必要的理论和实验依据。

分布式光纤传感；地震波探测；相位敏感光时域反射技术；干涉技术

Abstract∶In this paper, a new type of distributed fiber seismic wave detection system for oil and gas exploration was designed. And based on buried layout mode, the advanced practical layout optimization scheme of adding caudal vertebrae to optical cable was put forward. Field test results showed that the system could completely detect the distribution of seismic waves along the cable and the waveform characteristics were similar to those of traditional electronic dynamic sensors. The buried layout mode has the maximum detection distance of up to 20 m and the maximum distance of the caudal vertebral layout mode can reach 10 m. The research provides necessary theoretical and technical support for the extensive application and transformation of the new system.

Key words∶distributed fiber sensing； seismic wave detection；phase sensitive optical time domain reflectometry； interferometry

石油是重要的战略物资，被称为工业的血液，对交通、国防、化工、农业生产等领域都起着举足轻重的作用。地震勘探是目前应用最广泛、最有效的油气资源勘探手段，即利用人工方法向地层发出强大的低频声波，声波遇到不同的地层界面产生反射，通过布设在各个检测点上的检波器采集声波信号，经过信号处理后形成地震资料，再同其他地质资料相结合，能够对油藏进行详细描述和监测。因而，地震检波器是实现地层反射声波采集的核心设备，也是油气勘探开发的关键设备。目前，我国生产的地震勘探设备多采用国产的电子传感器，在精度、可靠性等方面无法满足需求，高精度地震勘探仪器设备全部依赖进口，且存在技术封锁和价格垄断，油气勘探设备的严重缺乏和生产技术相对落后，已成为我国油气勘探开发的重要限制因素。

1 光纤分布式地震波探测技术原理

地震波实际上是压力波，声场中的光纤受到压力的作用会造成折射率变化进而导致光纤内光相位变化。当一束光沿光纤轴向传播L长的距离后，光波相位φ为：

(1)

式中，nf为光纤中的折射率，λ为入射光波长。当光纤受到压力作用时使传播光的相位变化：

(2)

由光纤的弹光效应所引起的折射率的变化可表示为：

(3)

式中，Δβm为逆介电张量的变化，pmn为弹光系数矩阵分量，Sn为光纤的应变分量。当光纤受到声压P作用时，光纤各方向的应变可表示为：

S1=S2=-(1-μ)P/E,S3=2μP/E，

(4)

(5)

由于光沿轴向传播，所以折射率变化Δnf=Δn1=Δn2。又因为光纤的轴向应变为S3=2μP/E，则光纤长度变化ΔL=2 L μ P/E，因此得到：

选取2014年5月～2015年10月医院收治的心内科老年患者100例作为研究对象。其中，男60例，女40例，年龄60～83岁，平均年龄（68.26±3.98）岁。除此之外需要确定选取的100名老年患者在入院时均经过临床检查别确诊为心内科病症。

(6)

对于石英光纤，p11=0.13，p12=0.28，n=1.46，E=7.2×1010N/m2，μ=0.17，λ=1 550nm，则单位长度光纤相位变化ΔφL与声压P的响应关系为：

(7)

所以，测量光纤中某一位置的相位变化，就可以测量此位置接受到的外界的地震波信号。

为了测量探测光纤中每一个位置的相位变化，本文采用的光纤分布式地震波探测技术主要基于相位敏感光时域反射技术(φ-OTDR)，这里我们采用描述光纤背向瑞利散射的一维脉冲响应模型来描述整个系统波形的特性，将长度为L的光纤分成N个散射单元，Δl=L/N是散射单元的长度，定义τ0=2nfΔl/c为单位散射时间。如图1所示，当有一束频率为f、脉冲宽度为ω的高相干脉冲光E0cos(2πft)rect(t/w)从l=0处入射到光纤上，则在光纤输入端获得的背向瑞利散射信号振幅可表示为：

(8)

式中，α是光纤衰减常数，c是真空中光速，nf是光纤折射率，并且当0≤[(t-τm)/w]≤1时矩形函数rect[(t-τm)/w]=1，其他情况rect[(t-τm)/w]=0。τm是光纤任意第m个散射点的时间延迟，其与从输入端到光纤任意第m个散射点的光纤长度lm的关系为：

(9)

这样光纤上某一点的地震信息便由对应某时刻的背向瑞利散射光信号来描述，散射光的变化就能反应出此点上的地震信息所包含的内容。

图1 任意点的瑞利散射光Fig.1 Rayleigh backscattering at any certain point on the fiber

当背向散射光回到环行器时，由于环行器的作用将发生干涉，此时的光强可表示为：

(10)

相对相位φij=4πfnfΔl(j-i)/c。

之后，将已经干涉过一次的背向散射光输入干涉仪臂长差为s的麦克尔逊干涉仪，则会发生第二次干涉，如图2所示，由干涉仪引入的延时τs=2nfs/c，则延时信号振幅可表示为：

(11)

第二次干涉与入射脉冲宽度是无关的，此时延时信号的时序与入射背向散射光信号一一对应，满足n=m+s，因此经过干涉仪后所接收到的自、互干涉光强可表示为：

(12)

式中，相对相位φmns=4πfnfΔl(n-m)/c+4πfnfs/c。

图2 背向瑞利散射光二次干涉的示意图Fig.2 Schematic diagram of the secondary interference of Rayleigh backscattering

综上所述，外部地震源造成了光纤上某些位置的后向散射光相对相位变化，通过相位敏感光时域反射技术和干涉探测技术解调相对相位的变化曲线, 就可以得到震源的位置、频率、强度等信息。

2 现场布设方案及测试结果

2.1现场光缆布设方案

光纤分布式地震波探测系统采用超窄线宽分布反馈式激光器，输出的高相干连续光波长为1 550 nm，声光调制器斩波重复频率为20 kHz、脉冲宽度为200 ns，采用高速示波器采集到计算机进行数据处理，采样频率100 MHz。

对于光纤分布式地震波探测系统来说，使用光纤光缆测量地面以下的地震波信号，将光缆直接沿某一方向埋入地下是最直接的布设方式。但在实际现场环境中，待测地域环境复杂，地质条件不一，有时需跨越村庄、农田、道路等不能挖掘的区域。因此我们提出了另一种光缆附加尾椎的布放方式，尾椎设计如图3所示，锥长10 cm，能紧密夹紧光缆使得地震波可以通过尾椎传递到光缆上。

现场测试实验示意图如图4所示，系统光缆有效使用长度110 m，本次实验前10 m为埋地区，埋地深度10 cm，后100 m为尾椎阵区，尾椎间隔5 m，埋地与尾椎均紧密压实地面保证采集效果，光缆布设方式如图5所示。震源采用等高落槌方式，声源与传感光缆的垂直距离为L，对比用电子动圈传感器放置于震源与传感光缆的垂直交界处。

图3 尾椎结构图Fig.3 Structure of the caudal vertebrae

图4 现场实验示意图Fig.4 Diagram of field test

图5 光缆布设方式Fig.5 Buried layout mode and caudal vertebral layout mode

2.2测试结果

实验首先选择在图4(1)处垂直距离埋地区光缆L处放置声源，L分别选取了10 m和20 m，然后在图4(2)处垂直距离尾椎L处放置声源，L同样分别选取了10 m和20 m，然后进行数据处理，得到系统与电子动圈传感器采集信号的对比结果。

对于埋地区，当L=10 m时，系统采集到此次震源信号及其随时间的变化，可见系统能明显测到震源信号，由于震源距离探测光缆较近，当地震波到达探测光缆时，系统测量到宽度为10 m，并在缆上有随时间扩散的现象。此时时域、频域对比图(图6)中，系统测到的震源信号波形与动圈检波器有较大区别，25 ～80 Hz信号相差达30 dB，考虑是由于10 m时震源离光缆过近，使得系统在空间分辨率以下出现多波叠加，造成信号变形。

图6 L=10 m时埋地区与动圈时域、频域数据对比Fig.6 Time and frequency comparison between buried layout mode and moving coil at L=10 m

当L=20 m时，系统采集到此次震源信号及其随时间的变化，可见系统仍能测到震源信号，但由于震源距离探测光缆较远，当地震波到达探测光缆时，系统测量到宽度已经扩散到20 m，且缆上分布和随时间扩散现象不明显。此时时域、频域对比图(图7)中，系统测到的震源信号波形与动圈检波器非常相似。另外，我们还计算了埋地区系统灵敏度，由于本系统与动圈传感器具有相同的线性响应，因而可以直接通过动圈传感器灵敏度换算系统灵敏度。这里使用的动圈传感器灵敏度为22.8 V·s/m，按20 m测的震幅比率算得埋地区系统灵敏度为46.4 rad·s/m。

图7 L=20 m时埋地区与动圈时域、频域数据对比Fig.7 Time and frequency comparison between buried layout mode and moving coil at L=20 m

对于尾椎区，当L=10 m时，系统采集到此次震源信号及其随时间的变化，可见系统能明显在锥点位置测到震源信号，探测震源宽度7 m，但没有在缆上出现连续的分布和随时间扩散的现象，地震波扩散后再次探测出现在相邻尾椎的位置，这是由于只有尾椎所夹光缆接收到了地震波信号。时域、频域对比图(图8)中，系统测到的震源信号波形与动圈检波器非常相似，频域信噪比也与动圈检波器相似，0～25 Hz、80 ～120 Hz以及170 Hz以上频域区间均比动圈检波器测量高20 dB以上，但50 ～80 Hz频域区间不如动圈检波器，证明系统与动圈检波器相比探测成分更丰富。同样计算尾椎区灵敏度，按10 m测的震幅比率计算，得到尾椎区灵敏度为22.6 rad s/m，弱于埋地区系统灵敏度。

图8 L=10 m时尾椎区与动圈时域、频域数据对比Fig.8 Time and frequency comparison between caudal vertebral layout mode and moving coil at L=10 m

当L=20 m时，系统已不能在锥点位置测到震源信号，考虑是由于系统灵敏度和耦合程度不足造成的。

综上所述，系统能够完整探测到地震波沿光缆的分布情况，波形特性与单点式电子动圈检波器相比，埋地式布设可收集到更大范围的声波信号，而尾椎式布设方案在解调后声波波形特性方面更具优势。

3 结语

本文综合应用光纤分布式声波检测与干涉探测技术，设计了一种新型光纤分布式地震波探测系统，并在野外现场埋地式布设的基础上提出了光缆附加尾椎式布设的优化方案，系统在两种布设方式下均能够完整测到地震波沿光缆的分布情况，波形特性与传统电子动圈传感器相似。埋地式布设最远探测距离达20 m，灵敏度为46.4 rad·s/m；尾椎式布设最远探测距离10 m，灵敏度为22.6 rad·s/m，弱于埋地区系统灵敏度。系统与传统电子动圈传感器相比，具有测量范围大、频带宽、不受电磁场干扰等优点，而光缆附加尾椎式布设的优化方案也具有结构简单、布放方便、易于施工等优势。

然而在实验过程中，由于系统本身对环境比较敏感、易受外界噪声干扰，同步采集产生一定程度的时延，使解调后的波形发生严重的抖动，且灵敏度还有提升的空间，相较于传统电子动圈传感器还没有体现出光纤传感技术明显的优势。野外实验环境也与真实现场施工条件有较大差距，优化的光缆附加尾椎式布设方案还需经过实地的检验，这都是今后着力改进和研究的方向。

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Study on distributed fiber seismic wave detection system and its layout optimization

DU Qing-chen, WANG Chen*, SHANG Ying, LIU Xiao-hui,ZHAO Qing-chao, CAO Bing,ZHAO Wen-an, NI Jia-sheng, WANG Chang

(Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technologies, Laser Institute ， Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

TP212.9

A

1002-4026(2017)05-0055-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.010

2017-05-31

山东省科技发展计划(2014GGX103019，2014GGX103005)

杜青臣(1960—)，男，实验师，研究方向为光纤地震检波传感。

*通信作者。E-mail：wangchen@sdlaser.cn