基于载波调制和特征识别的光纤地震数据采集系统自检技术

李 勤，刘 超，张健博

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

目前我国能源矿产供给储备目标层达3 000 m，但深部探测关键装备和数据处理高端软件90%以上依赖进口，我国勘探技术总体处于“跟跑”状态。为此，亟待开发3 000 m及以上的深地地质结构勘探设备，提升我国地球科学探测仪器自主创新能力和装备水平。

与常规的深地地质结构勘探设备相比，光纤地震数据采集系统具有灵敏度高、传感器无需供电、抗电磁干扰能力强、数据传输快等优势。目前，光纤地震数据采集系统缺乏有效自检技术，主要依靠光功率计和光时域反射计在光路断开、无法拾取信号等问题发生后进行检测和排故。本文提出一种基于载波调制和特征识别的光纤检波器自检技术，通过特征识别的手段，可以对光纤检波器阵列中的光纤检波器进行光路的通断自检，通过载波调制的方法对地震数据采集系统的信号拾取功能进行自检。

1 基本原理

光纤地震数据采集系统基于激光干涉的物理原理来拾取地震信息[1]。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[2-3]。地震记录仪对光纤解调器回传的地震数据进行存储。光纤地震数据采集系统由光纤采集链、光纤主缆、光纤解调器和地震记录仪组成，系统结构如图1 所示。

图1 光纤地震数据采集系统示意图

在光纤地震数据采集系统中，常见的问题有光路断开、系统无法拾取信号等[4-5]。基于上述问题，分别采用特征识别和载波调制的方法来进行系统 自检。

由于光纤检波器阵列中的光纤检波器有回光和没有回光的情况下，地震数据采集软件接收到的信号存在显著差异，因此，在采集软件中通过特征识别的方法可以对光纤检波器有无回光进行通断自检。光纤检波器阵列的光纤检波器有回光和没有回光时的信号如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，光路断开时存在类似于阶梯状的大信号，与光路连通状态下的信号有显著特征差异。通过提取短时能量、峰峰值和平均过零率等时域特征或特定频段的频域能量等频域特征，可以很容易识别出光路的通断状态。

图2 光路连通时检波器敏感信号示意图

图3 光路断开时检波器敏感信号示意图

通过在高频载波中携带震动信号频段的调制信号，根据观察光纤解调器的解调输出结果，可以实现对光纤地震数据采集系统的信号拾取功能的 自检。

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[6-7]：式中：A是直流项，B是交流项幅值，φ(t)表示调制光源产生的相位差，φs(t)表示目标信号作用在干涉仪上产生的相位差，φ0(t)表示外界环境干扰产生的相位差、初始相位差以及其他因素产生的相位差。

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为：

式中：n是光纤纤芯的折射率，l为传感臂与参考臂的长度差，c为真空中光速，Δv表示调制信号幅值最大时的频移，ω0为调制信号的频率。因此，在高频载波调制信号中叠加模拟测试信号，相当于模拟了在该检波器上施加所叠加的模拟测试信号的同频震动信号，可以实现对模拟拾取信号的自检功能[8-9]。

2 实 验

将2条光纤采集链分别与光纤主缆（1#主缆）对应位置的封装盒（1#封装盒和2#封装盒）连接，将光纤主缆与光纤解调器连接，并将光纤解调器的网口与地震记录仪的网口连接。启动地震记录仪上安装的光纤地震数据采集软件，对系统光路的通断进行自检，自检结果如图4所示。从图4可以看出，检测到的是第1到第16道，空接的道由于没有光输入，在自检结果中没有指示。因此，光纤地震数据采集系统具备对光路通断的自检功能。

图4 仪器信息自检示意图

通过修改光纤解调器输出给激光光源的调制信号，在32 kHz的载波上叠加一个50 Hz的信号，如图5所示。该调制信号也可以通过信号发生器生成，具备同样的检测结果。在上位机观察光纤解调器输出的解调后的信号，如图6所示。从图6可以看出，光纤解调器可以解调出叠加在载波上的 50 Hz的调制信号，即实现了系统对信号的拾取功能。如果观察到光纤解调器输出的解调结果中没有显示50 Hz的信号，则说明系统无法准确拾取信号，需要做进一步的故障排查。

图5 载波叠加自检调制信号示意图

图6 信号解调结果

3 结 语

本文提出了一种光纤地震数据采集系统自检技术，基于特征识别和载波调制的方法，可以分别对光纤检波器阵列中的光纤检波器进行通断自检，并对地震数据采集系统的信号拾取功能进行自检。这种自检技术包括被动自检和主动自检，分别通过识别有无回光的特征和在高频载波上叠加信号频段的调制信号，可以解决目前光纤地震数据采集系统缺乏有效自检技术的问题。实验结果表明，所提出的光纤地震数据采集系统自检技术可以实现光路通断和信号拾取自检功能。