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        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)

        2021-10-21 08:18:10張健博
        電視技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:信號系統(tǒng)

        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),主要依靠光功率計和光時域反射計在光路斷開、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]?;谏鲜鰡栴},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,B是交流項幅值,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,可以實現(xiàn)對模擬拾取信號的自檢功能[8-9]。

        2 實 驗

        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。實驗結(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)可以實現(xiàn)光路通斷和信號拾取自檢功能。

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