分布式光纤传感系统在地震波探测中的应用

论文摘要

基于?-OTDR系统的分布式光纤传感系统利用光纤中后向瑞利散射光的相位变化对沿光纤的振动信号进行传感。光纤作为传输介质同时作为传感介质,可以实现长距离分布式振动传感,目前已经广泛用于周界安防、管道检测、建筑物结构监测、地震勘探等领域。对?-OTDR系统的研究主要集中于光学系统及信号处理。但实际上传感光纤也是决定?-OTDR系统的重要因素,本文集中于?-OTDR系统在地震波勘探中的应用研究,主要工作内容和创新点集中在以下几点:首先,细致分析并推导了光纤在振动作用下光纤内部光场的变化,包括轴向振动和径向振动,以及光纤多个参数与最终相位变化的关系。从理论上分析了材料特性与光缆内部光纤封装方式对灵敏度的影响,包括材料特性与内部缠绕角度。针对于普通光缆对于地面震动和井下横向振动不敏感的缺点,设计了多种具有特殊结构的光缆。这几种光缆具备不同的材料、特性、光纤。随后将这几种光缆埋设于地面,使用篮球自由落体,测试它们在同一振动激发源下的响应。分析其响应结果,通过控制变量手段,得到材料特性与缠绕特性对光缆地面震动响应的影响。基于该分析结果,指出适合于地面震动感测和井下横向感测的光缆。接着,在第四章中,提出一种具备方向选择性的结构。在地面振动和井下应用中,常规光缆无法产生三分量感测数据,这是由于光缆特性决定的。为了丰富分布式光纤传感系统在地震波探测中的应用场景,提出了一种可以应用在分布式光纤传感系统中具备方向选择性的光纤地震波传感器。该结构由顺变柱体振子与外部金属结构构成,利用顺变柱体的体积不可压缩性,将其轴向形变转换至径向上,拉扯光纤引起形变实现其方向选择性。并设计与电子检波器的对比实验验证其效果,证明其方向选择能力和响应一致性。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 分布式光纤振动传感技术

1.2.1 相位调制型传感系统

1.2.2 散射型分布式光纤传感系统

1.2.3 瑞利散射

1.2.4 布里渊散射

1.2.5 拉曼散射

1.2.6 小节

1.3 分布式光纤传感系统在地震勘探领域的应用现状

1.4 课题研究的意义及主要内容

1.4.1 课题研究的意义

1.4.2 课题研究的主要内容

第二章 ?-OTDR分布式光纤振动传感系统原理

2.1 ? -OTDR系统基本原理

2.1.1 光纤中的瑞利散射

2.1.2 光时域反射仪（OTDR）原理

2.1.3 ? -OTDR系统

2.1.4 ? -OTDR系统散射光叠加

2.1.5 ? -OTDR系统中干涉过程

2.2 后向瑞利散射光信号的探测

2.2.1 直接探测

2.2.2 外差探测

2.2.3 平衡探测

2.3 相位解调方法

2.3.1 3×3耦合器零差解调

2.3.2 相位生成载波零差法

2.3.3 平衡探测器外差解调

2.4 ?-OTDR系统关键性能指标

2.4.1 传感距离

2.4.2 频率响应

2.4.3 幅度响应

2.5 本章小节

第三章光纤光缆对振动的响应

3.1 光纤对振动信号的响应

3.2 光纤在地震勘探中的应用

3.2.1 光纤井下VSP技术

3.2.2 光缆应用限制

3.3 增强光缆灵敏度的方法

3.4 实验对照

3.5 实验结论

3.6 本章小结

第四章顺变柱体方向选择性光纤地震波检波器

4.1 简谐振子传感系统

4.1.1 顺变柱体

4.1.2 力学模型分析

4.2 实验测试

4.2.1 实验设备选择

4.2.2 实验结果分析

4.2.3 径向敏感性测试

4.2.4 检波器对比测试

4.3 结论分析

4.4 本章小结

第五章总结与展望

5.1 课题总结

5.2 后续展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐少峥

导师: 饶云江

关键词: 分布式光纤传感,光缆结构,光纤检波器

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程,自动化技术

单位: 电子科技大学

分类号: TP212;P631.4

总页数: 70

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