(57)【要約】  光ファイバセンサパッケージ１０は、それぞれの光ファイバセンサ内にそのそれぞれが含まれる直列配列の光ファイバ感知コイル１４、１６、１８、２０、２２を備える。コイルのうちの４つ１４、１６、１８、２２は、保護ケーシング２４内に格納されている。コイルのうちの１つ２２は、光ファイバ電磁界センサ内に含まれる。他のコイルはそれぞれ光ファイバジオフォンおよび／またはハイドロフォン内に含まれる。本発明の単一のパッケージにより、地震および電磁の信号の両方を検出することが可能になる。本発明のパッケージの配列により、長距離または広範囲にわたって、一連の位置における地震および電磁の信号の両方を検出することが可能であり、したがって、２つの従来の配列の必要性はない。本発明のパッケージおよびこのようなパッケージの配列は、ほとんど、またはまったく電力の入力を必要としない。【その他】              本願に係る特許出願人の国際段階での記載住所は「イギリス国、ロンドン・エス・ダブリユ・１・６・ピー・デイ、バツキンガム・ゲート・８５、レジスタード・オフイス」ですが、識別番号５０１３５２８８２を付与された国内書面に記載の住所が適正な住所表記であります。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の光ファイバセンサを備える光ファイバセンサパッケージであって、第１の光ファイバセンサが、光ファイバ電磁界センサであり、第２の光ファイバセンサが、光ファイバジオフォンまたはハイドロフォンであり、前記パッケージが、単一の呼出し信号に応答して、前記第１および第２のセンサからの出力をもたらすようになされている、光ファイバセンサパッケージ。
【請求項２】
光ファイバ電磁界センサと、３つの光ファイバジオフォンを備える、請求項１に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項３】
ハイドロフォンをさらに備える、請求項２に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項４】
光ファイバセンサが単一のパッケージ本体上に取り付けられている、請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項５】
前記光ファイバセンサが直列に光学的に結合されている、請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項６】
前記パッケージが単一の入力／出力光ファイバを備える、請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項７】
光ファイバセンサそれぞれが、等しい長さの感知ファイバを含み、それぞれの感知ファイバがその入力端部で部分反射体を有し、パッケージが末端反射体を有する、請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項８】
光ファイバジオフォンの検出軸が実質的に互いに直交している、請求項２に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項９】
光ファイバ電磁界センサが光ファイバ電圧センサである、請求項１から８のいずれかに記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項１０】
光ファイバ電圧センサが電歪または圧電材料と、材料に機械的に結合される感知ファイバとを含み、それにより、電歪材料の変形によって、前記感知ファイバに加えられる力が生じる、請求項９に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項１１】
電歪または圧電材料がマンドレルの形態をしており、前記感知ファイバがマンドレルの周囲に巻かれている、請求項１０に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項１２】
電極間に配置されているマンドレルと電気的に接触している１対の電極をさらに含む、請求項１１に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項１３】
マンドレルが電歪材料を含み、パッケージが電極の両端間に交流電圧を印加するように構成されている手段をさらに含む、請求項１２に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項１４】
交流電圧が少なくとも５０Ｈｚの周波数を有する、請求項１３に記載の光ファイバセンサパッケージ。
【請求項１５】
交流電圧が少なくとも１００Ｈｚの周波数を有する、請求項１４に記載の光ファイバ感知パッケージ。
【請求項１６】
それぞれが、請求項１から１５のいずれかに記載の光ファイバセンサパッケージである複数の光ファイバ感知パッケージを備える、光ファイバセンサ配列。
【請求項１７】
請求項１から１５のいずれか一項に記載のパッケージを配置し、前記パッケージから出力される光信号を処理するステップを含む、地震および電磁の信号を同時に検出する方法。
【請求項１８】
光出力信号を生成するために、パルス状の、周波数シフトされた光放射をパッケージに入力するステップをさらに含み、出力信号を処理するステップが該出力信号からの光位相情報を抽出することによって行われる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
図１を参照して実質的に本願に説明した光ファイバセンサパッケージ。
【請求項２０】
図５を参照して実質的に本願に説明した光ファイバセンサ配列。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
新規の炭化水素貯留層を検出し、既存の貯留層を再検証するための探査を行うことについては、現在、２つの主要な技術がある。第１の技術は、地震探査であり、貯留層（または被検貯留層）の上部全体にわたって音響ノイズ源をけん引し、電気機械ジオフォンおよび／またはハイドロフォンの配列を使用して、地質学上の地層から反射される地震信号を検出することを含む。（本明細書では、用語「ジオフォン」は、速度または加速度を測定する振動センサを意味すると解釈される。）ハイドロフォンおよび／またはジオフォンは、一時的にまたは永久的に適所に配置可能である。この技術により、地質学的形成と関係のある高いレベルの詳細度が得られるが、炭化水素堆積物の存在およびその正確な場所が、ただ間接的に示されるだけである。
【０００３】
第２の技術は、電磁探査であり、貯留層全体にわたって強い変動電界源を一連の位置内に移動し、電磁界センサ、例えば電圧センサを使用して、対応する一連の場所における電界の強さを測定することを含む。電界の周波数は低く、通常、０．５と５Ｈｚの間である。これにより、各位置より下方の構造の伝導性に関する情報が提供され、その情報を使用して、炭化水素堆積物の場所をより直接的に調べることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２つの技術は相補的であり、炭化水素貯留層についての最も完全な情報を集めるためには、両方を使用することが好ましい。そのため、単一の貯留層を測定するためには２つの完全に別個の探査が必要であり、それぞれの探査には、特定の電気機械検出装置ならびに放射を探査する別個のソースを配置することが必要である。これは、困難であり、時間がかかり、費用もかかる探査になる。さらには、容易に利用できる炭化水素堆積物が使い果たされると、より小さく、より近寄り難い堆積物が探求されることになる。これらの堆積物を利用して、経済的に実用的であるためには、これらの堆積物を見つけ、評価することに伴われる時間とコストを最小限に抑えることが必要である。２組の電気機械検出装置を配置することにより、小さい炭化水素堆積物の場合に経済的に実用的であるとは考えにくい。
【０００５】
既存の検出装置と関連するもう１つの問題は、これらに使用される電気機械センサには、電力の大きな入力が必要なことである。これには、検出装置の費用および複雑さに関しての不利益が伴われる。
【０００６】
これらの問題を克服し、または改善することが本発明の目的である。本発明の第１の態様によれば、第１および第２の光ファイバセンサを備える光ファイバセンサパッケージが提供され、第１の光ファイバセンサは、光ファイバ電磁界センサであり、第２の光ファイバセンサは、光ファイバジオフォンまたはハイドロフォンであり、パッケージは、単一の呼出し信号に応答して、第１および第２のセンサからの出力をもたらすようになされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このようにして、本発明による単一のパッケージは、音響および電磁の信号の両方をパッケージ付近で実質的に同時に検出できる。加えて、パッケージの光ファイバの性質により、それは標準の電気機械センサに比べてよりロバストであり、より信頼性があり、ほとんど、またはまったく電力の入力を必要としないことを意味する。本発明のパッケージの単一の配列により、長距離または広範囲にわたって、音響および電磁の信号の両方を実質的に同時に検出することが可能になる。配列は、時変応答を行うために、定期的に呼び出されることが可能であり、配列から入力され、受け取られる信号の時分割多重化のための準備がなされることが可能である。
【０００８】
第２の光ファイバセンサは、光ファイバジオフォンであってよく、パッケージは、２つの付加的な光ファイバジオフォンをさらに備える。これにより、パッケージが存在している電磁界に加えて、３方向のそれ自体の運動を検出できる光ファイバセンサパッケージが提供される。
【０００９】
代替として、または加えて、光ファイバハイドロフォンが備えられることが可能であり、水中ならびにパッケージが存在する電磁界内の音響信号を検出する能力が得られる。これにより、水中および電磁界内の運動、音響信号を検出することが可能であり、水中探査に特に適している単一のパッケージが提供されることが可能である。
【００１０】
パッケージのセンサは、単一の本体の中にまたはその本体に取り付け可能であるので好都合であり、電磁および振動の刺激を感知できる単一の小型ユニットを可能にする。このようなユニットは、実質的に剛体であり、個別センサに対する保護をもたらし、モジュール配列構成でバスファイバと容易に結合可能である。
【００１１】
光ファイバセンサは、直列に光学的に結合されているので好ましく、各パッケージは、それを通じて呼出し信号が入力され、感知情報信号が出力される単一の入力／出力ファイバを含むのでより好ましい。パッケージは、異なる周波数を有する２つの光入力パルスを含む信号を入力することによって、知られているやり方で呼出し可能である。２つの入力パルスに応答して、３つのジオフォン、ハイドロフォン、および電磁センサを備えるパッケージは、典型的には、一連の７つの出力パルスを出力し、第２から第６のパルスは、パッケージ内のそれぞれの光ファイバセンサからの情報を伝える。
【００１２】
３つの光ファイバジオフォンを備える本発明のパッケージでは、これらの方向それぞれに沿って構成要素を有するパッケージの運動の検出を行うために、ジオフォンの検出軸が実質的に互いに直交しているので好ましい。
【００１３】
光ファイバの光電磁界センサは、光ファイバ電圧センサであってよく、したがって、電界を検出できるパッケージを備える。光ファイバ電圧センサは、電歪または圧電材料と、材料に機械的に結合される感知ファイバとを含むことが可能であり、それにより、材料の変形によって、その感知ファイバに加えられる力が生じる。これにより、電界は、感知ファイバの範囲内で誘導される光学的放射の位相を変更することが可能になる。
【００１４】
光ファイバ電圧センサについて特に効率的な構成は、電歪または圧電材料がマンドレルの形態をしており、感知ファイバがマンドレルの周囲に巻かれているものである。感度を高めるために、電圧センサは、好ましくは１対の電極を含み、マンドレルは電極間に配置されている。
【００１５】
一実施形態では、マンドレルは電歪材料を含み、パッケージは電極の両端間に交流電圧を印加するように構成されている手段をさらに含む。この構成により、低周波数Ωの電圧信号は、小さい１／ｆノイズで検出されることが可能になる。印加電界への電歪材料の応答は非直線的なので、電圧センサの感知ファイバにおける光の位相は、周波数ω±Ωにおいて変調され、ただし、ωは、印加交流電圧の周波数である。電圧センサからの出力放射は、その位相に対応する信号を生成するために処理可能であり、ヘテロダイン技術を使用して、Ωにおける信号が直接、検出される場合に比べてはるかに小さい１／ｆノイズで低周波数信号Ωを回復させることが可能である。１／ｆノイズを著しく抑えることは、ω／２π＞５０Ｈｚである場合に達成される。好ましくは、ω／２π＞１００Ｈｚである。この実施形態は、検出されるべき電圧の周波数成分が約２Ｈｚを下回った場合に使用されることになる。
【００１６】
本発明は、添付の図面を参照して十分に本明細書に説明するように、方法、装置および／または使用法にまで及ぶ。
【００１７】
本発明の一態様におけるいずれの特徴も、本発明の他の態様に任意の適切な組合せで適用可能である。具体的には、方法の態様は、装置の態様に、およびその逆も同様に適用可能である。
【００１８】
本発明の実施形態を、ほんの一例として、および添付の図面を参照して以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１では、本発明の光ファイバセンサパッケージを１０によって全体的に示している。パッケージ１０は、光ファイバのコイル１４、１６、１８の形態で、光ファイバのそれぞれの感知長を有する３つの光ファイバジオフォンを備える。パッケージ１０は、光ファイバのコイル２０、２２をそれぞれ有する光ファイバハイドロフォンおよび光ファイバ電圧センサをさらに備える。光ファイバセンサの機械的部品は、明確にするために、図１から省略されている。ファイバのコイル１４、１６、１８、２０、２２は、直列に光学的に結合され、それぞれ、長さｌは４０ｍである。コイル１４、１６、１８および２２は、保護ケーシング２４内に格納されている。
【００２０】
パッケージ１００は、入力／出力（ｉ／ｏ）ファイバ１２を有する。ファイバ結合されたミラー２６、２８、３０、３２、３４はそれぞれ、コイル１４、１６、１８、２０、２２の入力端部と結合されている。パッケージ１０は、末端反射体３６を有する。任意のコイルから出力される光学的放射の一部は、次のコイルの入力端部（またはコイル２２の場合には、末端反射体）で結合されているファイバ結合された反射体と結合されている。
【００２１】
図２は、パッケージ１０を呼び出すためにｉ／ｏファイバ１２に入力可能である１対のパルス５０、５２を含む信号を示している。パルス５０、５２は、異なる周波数を有し、パルス５２は、パルス５０に対してτ＝２ｌ／ｃ＝４００ｎｓだけ遅延され、ただし、ｃは、ファイバ内の光の速度である（これを説明するために、２×１０８ｍｓ−１であると仮定される）。
【００２２】
図３は、図２のパルス５０、５２の対の入力信号に応答して、ｉ／ｏファイバ１２を介して出力される一連の７つの出力パルス５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６を示している。パルス５４は、ファイバ結合されたミラー２６からのパルス５０の一部の反射によって生じる。パルス６６は、末端反射体３６からのパルス５２の一部の反射によって生じる。他のパルス５６、５８、６０、６２、６４のそれぞれは、パルス５０の一部と、パルス５２の一部とから成る。例えば、出力パルス６０は、ファイバ結合されたミラー３２から反射されるパルス５０の一部と、ファイバ結合されたミラー３０から反射されるパルス５２の一部とから成る。ファイバ結合されたミラー３２から反射されるパルス５０の一部は、コイル１８からの２重パスのため、ファイバ結合されたミラー３０から反射されるパルス５２の一部に関して位相シフトを起こす。そのため、パルス６０は、コイル１８がその一部品であるジオフォンからの出力を光位相情報の形態で伝える。同様に、出力パルス５６および５８は、コイル１４および１６がその一部品であるジオフォンからの光位相情報を伝える。出力パルス６２は、コイル２０がその一部品であるハイドロフォンからの光位相情報を伝え、出力パルス６４は、コイル２２がその一部品である電圧センサからの光位相情報を伝える。そのため、すべての感知コイルからの情報は、単一の呼出し入力信号に応答して、実質的に同時に出力される。出力パルス５４および６６は、有用な情報は伝えない。
【００２３】
パッケージ１０内の光ファイバセンサからの位相情報は、反復される呼出しによって、すなわち、図２に示す形態のパルスの対の反復される入力によって、経時的に得られることが可能である。パッケージ１０内の第ｎのセンサによって提供される位相情報を回復するために、各出力パルスの組内の第（ｎ＋１）のパルスが、時間逆多重化によって抽出され、その光ファイバセンサの感知コイルの範囲内で誘導される放射の位相変化に応じて変わる位相を有する信号を生成するために検出器で検出される。
【００２４】
コイル２２がその一部品である電圧センサを図４の４０によって全体的に示している。電圧センサ４０は、２つの金属電極４２、４６間に配置されている電歪材料の円筒形マンドレル４４を含む。電気的接続部４３、４７は、マンドレル４４のそれぞれの端部と電気的に接触して電極４２、４６を位置付ける。コイル２２は、マンドレルの周囲に巻かれる。交流電圧源４８は、周波数ω／２π＝１５０Ｈｚを有する交流電圧を電極４２、４６の両端間に印加するように構成されている。
【００２５】
フォトダイオード上でパッケージ１０のそれぞれの出力パルスの組内の第６のパルスを検出することによって、電圧センサ４０のコイル２２の範囲内で誘導される放射の光位相変化に対応する位相変化を有する電気信号が生成可能である。電界へのマンドレルの機械的応答は二次式であるので、電気信号の位相変化は、形態（ω±Ω）ｔである。電気信号の位相復調により、サイドバンド周波数ω±Ωにおける信号が生成される。電圧源４８によって出力されるωにおける信号と混ざることにより、周波数Ωにおいて直接検出するときの場合（すなわち、電圧源４８を使用せず）に比べて著しく小さい１／ｆノイズで周波数Ωにおける信号が生成される。
【００２６】
図５は、例えば１０４など、図１に示すような構造をそれぞれが有する１０個の光ファイバセンサパッケージを含む配列１００を概略的に示している。パッケージは、配列１００の入力／出力ファイバとして働く光ファイバ１０６の一端部１０２と並列に結合されている。配列１００により、配列のパッケージが位置付けられている１０箇所のそれぞれにおける加速度、振動および電界を同時に検出することが可能になる。
【００２７】
本発明の代替のパッケージは、電歪または圧電材料のマンドレルの周囲に巻かれた感知光ファイバのみから成る電圧センサを含む。この実施形態は、それが単純な構造を有し（交流電圧源は必要でない）、電力供給を必要としないので、約２Ｈｚを上回る周波数成分を有する電圧を検出するのに好ましい。１／ｆノイズは、約２Ｈｚを上回る周波数成分を有する電圧信号を検出する際には大きな問題ではない。
【００２８】
本発明を、単に一例として上述してきたが、詳細の修正形態が本発明の範囲内で行われることが可能であることが理解されよう。
【００２９】
本記載に開示するそれぞれの特徴ならびに（必要に応じて）特許請求の範囲および図面は、独立して、または任意の適切な組合せで提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の光ファイバセンサパッケージを概略的に示す図である。
【図２】図１のパッケージを呼び出すのに適している１対の光パルスを示すグラフである。
【図３】図２のパルスの対の入力に応答して、図１のパッケージによって生成される一連の光出力パルスを示すグラフである。
【図４】図１のパッケージ内に備えられる光ファイバ電圧センサを示す図である。
【図５】並列に配置されている本発明の複数のパッケージを含む光ファイバセンサ配列を概略的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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