一种光纤地震采集系统的检测方法及上位机设备与流程

1.本发明涉及地震信号探测技术，尤其涉及一种光纤地震采集系统的检测方法及上位机设备。


背景技术：

2.目前，以动圈为主流的地震数据采集设备存在供电困难、电磁干扰大、数据传输慢等问题，在一定程度上限制地震勘探技术的发展。
3.基于动圈原理的地震数据采集系统由动圈检波器、采集站、交叉站、电源站、传输线缆(简称“大线”)和中央记录系统等组成。其中，动圈检波器用于敏感经震源激发、地层发射产生的地震波；采集站用于实现地震信号从模拟到数字的采集；交叉站用于测线排列的管理；电源站用于测线排列的供电；大线用于在采集站之间及采集站与其他设备之间传输地震信号；中央记录系统用于对地震数据进行显示和记录。从炮点能量激发开始仪器进入采集状态，此时地震波经动圈检波器输入到采集站，地震数据经大线传递到交叉站，再由交叉站传到中央记录系统直到完成整个记录长度。
4.现有的技术中包含用于对动圈原理的地震数据采集系统的检测，主要依靠事后或定期通过光功率计等设备检测的方式，但不适用于新的地震数据采集系统，并且费时费力。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种光纤地震采集系统的检测方法及上位机设备，以提供一种针对新的光纤地震采集系统的检测方法，并且流程简单，无需定期检测，避免不必要的人力、物力和时间的浪费。
6.本公开实施例提出一种光纤地震采集系统的检测方法，所述光纤地震采集系统包括地震记录仪、光纤解调器、光纤主缆以及多个光纤采集链；各光纤采集链，沿所述光纤主缆设置在相应的位置，以采集地震波信号；所述光纤解调器，与所述光纤主缆连接，用于基于各光纤采集链经由所述光纤主缆上传的光信号来提取地震信号，所述地震记录仪，与所述光纤解调器连接，用于记录所述光纤解调器提取的地震波信号，所述检测方法包括：在目标光纤采集链接入后，接收所述目标光纤采集链反馈的目标模拟信号；提取所述目标模拟信号中的第一信号特征；通过所述第一信号特征与基于标准模拟信号提取的第二信号特征进行匹配；基于匹配的结果，确定所述目标光纤采集链的状态，以完成所述目标光纤采集链的检测。
7.在一些实施例中，所提的目标模拟信号中的第一信号特征至少包括如下特征之一：目标信号的短时能量、峰峰值、平均过零率、频域能量。
8.在一些实施例中，通过所述第一信号特征与基于标准模拟信号提取的第二信号特征进行匹配包括：确定所述第一信号特征与所述第二信号特征的偏差是否在预设范围。
9.在一些实施例中，所述检测方法还包括：为所述目标光纤采集链的载波信号配置目标测试信号，以实现在所述载波信号上叠加所述目标测试信号；基于叠加后的信号，实现
对所述光纤解调器的检测。
10.在一些实施例中，所述目标测试信号中具有预设的相位差，所述预设的相位差满足：
[0011][0012]
其中，表示调制光源产生的相位差，n为光纤纤芯的折射率，l为传感臂与参考臂的长度差，c为真空中光速，ω0为调制信号的频率，δν表示调制信号幅值最大时的频移。
[0013]
在一些实施例中，所述目标测试信号是频率范围为5hz-1khz的信号。
[0014]
在一些实施例中，对所述光纤解调器的检测还包括：
[0015]
从所述光纤解调器接收的模拟信号中提取出相应的模拟信号特征；
[0016]
所述通过所述子模拟信号与基于标准模拟信号提取的第二信号特征进行匹配包括：
[0017]
将所述子模拟信号与目标测试信号进行比对，以确定所述子模拟信号与目标测试信号之间的偏差是否在预设范围。
[0018]
在一些实施例中，在所述子模拟信号与目标测试信号之间的偏差在预设范围内的情况下，确定所述光纤解调器处于正常状态。
[0019]
本公开实施例还提出一种上位机设备，所述上位机设备用于光纤地震采集系统的检测，所述光纤地震采集系统包括地震记录仪、光纤解调器、光纤主缆以及多个光纤采集链，各光纤采集链，沿所述光纤主缆设置在相应的位置，以采集地震波信号；所述光纤解调器，与所述光纤主缆连接，用于基于各光纤采集链经由所述光纤主缆上传的光信号来提取地震信号，所述地震记录仪，与所述光纤解调器连接，用于记录所述光纤解调器提取的地震波信号；
[0020]
所述上位机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有可执行程序，所述处理器调用所述可执行程序实现本公开各实施例所述的光纤地震采集系统的检测方法。
[0021]
本公开的光纤地震采集系统的检测方法，仅需要对信号进行监测，并通过信号匹配即可完成光纤地震采集系统的检测，流程简单，无需定期检测，避免了不必要的人力、物力和时间的浪费。
[0022]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0023]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0024]
图1为本公开的光纤地震采集系统基本架构示意图；
[0025]
图2为本公开的光纤主缆的部分结构示意图；
[0026]
图3为本公开的光纤主缆的示例结构；
[0027]
图4为本公开的光纤采集链的结构示意图；
[0028]
图5为本公开的光纤地震采集系统的检测方法的基本流程图。
具体实施方式
[0029]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0030]
本公开实施例提出一种光纤地震采集系统的检测方法，光纤地震采集系统，如图1所示，包括：地震记录仪、光纤解调器、光纤主缆以及多个光纤采集链。地震记录仪、光纤解调器、光纤主缆依次连接。其中光纤解调器可以与一条光纤主缆连接也可以与多条光纤主缆连接，具体可以根据实际需要确定。各光纤采集链，沿所述光纤主缆设置在相应的位置(地理位置不同)，以采集地震波信号。如图1所示，具体的沿所述光纤主缆设置有多个光纤采集链，可以依据本共公开的地震采集系统完成时分复用。所述光纤解调器，与所述光纤主缆连接，用于基于各光纤采集链经由所述光纤主缆上传的光信号来提取地震信号。所述地震记录仪，与所述光纤解调器连接，用于记录所述光纤解调器提取的地震波信号。
[0031]
本公开中的地震采集系统的工作原理是基于激光干涉的物理原理来拾取地震信息。光纤解调器的激光光源发出的光波在光纤中传播并在光路中发生干涉，当震源激发的震动经地层反射后传导到光纤采集链上携带的光纤地震检波器时，会引起检波器内弹性顺变柱体的形变，导致传感光纤长度发生变化，光纤中传输光波的相位受到调制。光纤解调器对干涉光波进行光电转换和信号处理，提取出光波相位中包含的地震信息。
[0032]
图2示出了光纤主缆的部分结构示意图，图2中的光纤主缆上承载有4个封装盒，其中一个封装盒具有一个光上载分路器(oam)和一个光下载分路器(odm)。一个oam和一个odm之间连接有所述光纤采集链。由此组成一个时分复用的封装盒结构。
[0033]
一些实施例中，光纤主缆可以采用14芯轻型野战光缆、12芯光缆航插、2芯odc插头的配合，其中为14芯轻型野战光缆包括12芯传感光路和2芯通信光路，12芯传感光路分为4路，连接在4个封装盒上。其中每个封装盒包括1个oam、1个odm以及1个2芯odc插头，该封装盒的2芯odc插头用于连接光纤采集链。例如图3中，光纤主缆中1～3芯为1号封装盒所用的光纤，4～6芯为2号封装盒所用的光纤，7～9芯为3号封装盒所用的光纤，10～12芯为4号封装盒所用的光纤，剩余2芯为光纤通信用的光纤。每个封装盒可以注入与之连接的光纤采集链对应的光波信号，各光纤采集链注入的光波信号的波长可以不同，通过这样的方式可以实现4个封装盒对应的4条光纤采集链的波分复用。
[0034]
图4示出了一条光纤采集链的结构示意图，如图4的光纤采集链包括多个光纤耦合器和多个光纤检波器，组成梯状网络结构。具体的，每条光纤采集链包括一个2芯光缆航插头，每两个光纤耦合器和一个光纤检波器作为一组(一级梯状结构)，第一组的两个光纤耦合器与一个2芯光缆航插头连接。图4中一共有8级设置的光纤地震检波器，其中：该组梯级结构中的其中一个光纤耦合器的第一输出端与另一个光纤耦合器的第一输入端连接有该组的光纤检波器；该组的其中一个光纤耦合器的第二输出端连接至下一组的其中一个光纤耦合器的输入端。如此形成梯状网络结构，基于该梯状结构可以实现各光纤检波器的时分复用。
[0035]
如图4中光纤采集链具体包括一个2芯光缆航插头、2个分光比为1:7的光纤耦合器、2个分光比为1:6的光纤耦合器、2个分光比为1:5的光纤耦合器、2个分光比为1:4的光纤耦合器、2个分光比为1:3的光纤耦合器、2个分光比为1:2的耦合器、2个分光比为1:1的耦合器以及8个光纤地震检波器。在一些实施例中，最后一组的其中一个光纤耦合器的第二输出端与该组的另一个光纤耦合器的第二输入端之间连接有一个检波器。也即2个分光比为1:1的耦合器的之间还连接有一个检波器8。其中，光纤地震检波器可以由非平衡光纤michelson干涉仪和敏感结构组成。在具体设置时，光纤干涉仪的两臂缠绕在弹性顺变柱体上，震动信号引起弹性顺变柱体发生形变导致干涉仪中传输光波的相位受到调制，通过相位解调可以实现地震波检测。
[0036]
基于此，如图5所示，本公开的检测方法包括：
[0037]
在步骤s501中、在目标光纤采集链接入后，接收所述目标光纤采集链反馈的目标模拟信号。具体的接入的目标光纤采集链可以是逐一将例如前述的多条目标光纤采集链统一连接到地震记录仪以及光纤解调器，也可以逐一接入，或者在各目标光纤采集链均接入的情况下，利用本公开的方法来完成检测。在光纤地震数据采集软件的仪器自检信息中可以展示出每一条光纤采集链的检测结果。例如通过上位机软件来设置光纤解调器发送的光波信号，并接收所述目标光纤采集链反馈的目标模拟信号。
[0038]
在步骤s502中、提取所述目标模拟信号中的第一信号特征。例如提取的第一特征信号可以是目标模拟信号的一段信号，或者其他的特征参数，具体在此不作限定。
[0039]
在步骤s503中、通过所述第一信号特征与基于标准模拟信号提取的第二信号特征进行匹配。由于光纤解调器发出的光波信号(模拟信号)是可以设置的，并且光纤解调器还通过目标光纤采集获取反馈的目标模拟信号，由此可以基于所发出的光波信号作为标准信号来提取该光波信号的第二信号特征，并将第一信号特征与第二信号特征进行匹配。
[0040]
在步骤s504中、基于匹配的结果，确定所述目标光纤采集链的状态，以完成所述目标光纤采集链的检测。在一些实施例中，通过所述第一信号特征与基于标准模拟信号提取的第二信号特征进行匹配包括：确定所述第一信号特征与所述第二信号特征的偏差是否在预设范围。在第一信号特征与第二信号特征之间的偏差不超过预设的范围的情况下，可以确定该目标光纤采集链的对应的光纤检波器正常接通。一条目标光纤采集链包括多个光纤检波器构成的阵列。本公开的方案中光纤检波器阵列中的光纤检波器有回光和没有回光时，在地震数据采集软件接收到的信号存在显著差异。本公开的方法利用采集软件通过特征识别的方法可以对光纤检波器有无回光，从而实现检测相应的光纤检波器的通断检测。
[0041]
在一些实施例中，所提的目标模拟信号中的第一信号特征至少包括如下特征之一：目标信号的短时能量、峰峰值、平均过零率、频域能量。在具体应用中可以根据实际需要设置需要提取的第一信号特征，在此不作具体限定。
[0042]
利用前述的实施方式可以检测出目标光纤采集链的光纤检波器是否正常，下面本公开的实施方式中，进一步检测光纤地震采集系统的功能是否正常。在一些实施例中，所述检测方法还包括：为所述目标光纤采集链的载波信号配置目标测试信号，以实现在所述载波信号上叠加所述目标测试信号；基于叠加后的信号，实现对所述光纤解调器的检测。
[0043]
根据前述实施例，本公开中的地震采集系统的工作原理是基于激光干涉的物理原理来拾取地震信息的。本公开中，为所述目标光纤采集链的载波信号配置目标测试信号，也
即在光纤解调器自身的光波信号的基础上再叠加一个目标测试信号，从而来测试光纤地震采集系统的功能是否正常。通过该相位差的设置能够实现两个信号之间的融合，从而叠加目标测试信号之后，形成最终的调制信号。
[0044]
本公开的方式中，所叠加的目标测试信号中具有预设的相位差。在一些实施例中，所述预设的相位差满足：
[0045][0046]
其中，表示调制光源产生的相位差，n为光纤纤芯的折射率，l为传感臂与参考臂的长度差，c为真空中光速，ω0为调制信号的频率，δν表示调制信号幅值最大时的频移。
[0047]
根据前述实施例，光纤检波器由michelson干涉仪和敏感结构组成，干涉仪输出的干涉光强可以表示为：
[0048][0049]
式中，a为直流项，b为交流项幅值，φ(t)表示调制光源产生的相位差，表示目标信号作用在干涉仪上产生的相位差，表示外界环境干扰产生的相位差、初始相位差以及其它因素产生的相位差。
[0050]
基于此，本公开的方法采用v0cosω0t的调制信号来调制光源，通过调制光频可以得到被调制的相位满足：
[0051][0052]
其中，表示调制光源产生的相位差，n为光纤纤芯的折射率，l为传感臂与参考臂的长度差，c为真空中光速，ω0为调制信号的频率，δν表示调制信号幅值最大时的频移。
[0053]
也即本公开的检测方法在高频的载波调制信号中叠加模拟的目标测试信号，从而实现了模拟在该光纤检波器上施加所叠加的模拟测试信号的同频震动信号，由此可以通过本公开的方法对该模拟的目标测试信号进行提取，即可确定该光纤检波器的工作状态。
[0054]
在一些实施例中，所述目标测试信号是频率范围为5hz-1khz的信号。在实际应用中，可以通过在光纤解调器输出给激光光源的调制信号中施加一个模拟震动的信号(目标测试信号)，也可以通过信号发生器产生一个由载波信号，再叠加一个模拟的目标测试信号。例如载波信号可以为32khz的信号，叠加的目标测试信号可以是频带为5hz～1khz频段的任一单频信号或者多频信号，例如目标测试信号可采用50hz信号作为调制信号。
[0055]
在一些实施例中，对所述光纤解调器的检测还包括：
[0056]
从所述光纤解调器接收的模拟信号中提取出相应的模拟信号特征；
[0057]
所述通过所述子模拟信号与基于标准模拟信号提取的第二信号特征进行匹配包括：
[0058]
将所述子模拟信号与目标测试信号进行比对，以确定所述子模拟信号与目标测试信号之间的偏差是否在预设范围。
[0059]
例如可以基于光纤解调器接收的光纤检波器反馈的模拟信号中提取出相应的模拟信号特征，再与光纤解调器发送的光波信号中所叠加的信号进行比对。在一些实施例中，在所述子模拟信号与目标测试信号之间的偏差在预设范围内的情况下，确定所述光纤解调
器处于正常状态。
[0060]
例如采用50hz信号作为调制的目标测试信号，那么在提取到的模拟信号特征为49.9hz则可以认为该光纤检波器正常，而比如提取到的模拟信号特征为49hz则可以认为该光纤检波器不正常。由于各路光纤检波器是可以波分复用的，因此通过本公开的检测方法，可以实现对某一个光纤检波器的检测，并且根据检测结果指导对设备进行维修或替换，从而极大提高光纤地震采集系统的可靠性，并且本公开的检测方法极大节约了检测过程的时间和人力成本，并且能够快速判断故障的光纤检波器的位置，保证光纤地震采集系统的正常采集。
[0061]
本公开实施例还提出一种上位机设备，所述上位机设备用于光纤地震采集系统的检测，所述光纤地震采集系统包括地震记录仪、光纤解调器、光纤主缆以及多个光纤采集链，各光纤采集链，沿所述光纤主缆设置在相应的位置，以采集地震波信号；所述光纤解调器，与所述光纤主缆连接，用于基于各光纤采集链经由所述光纤主缆上传的光信号来提取地震信号，所述地震记录仪，与所述光纤解调器连接，用于记录所述光纤解调器提取的地震波信号；所述上位机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有可执行程序，所述处理器调用所述可执行程序实现本公开各实施例所述的光纤地震采集系统的检测方法。
[0062]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0063]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0064]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。