ОПТОВОЛОКОННАЯ СЕЙСМОКОСА (ВАРИАНТЫ)

Устройство относится к области технических средств изучения строения земной коры, в частности - к устройствам сейсмической геофизической разведки.
Наиболее информативным из геофизических методов исследования земной коры является сейсмический, в котором акустические волны от источника упругих колебаний (импульсного или на основе сложных сигналов), распространяясь в земной коре, отражаются от границ слоев и принимаются на поверхности распределенным приемным устройством - сейсмической косой (сейсмокосой).
К настоящему времени известно значительное количество различных типов сейсмокос. Общим для них является то, что сейсмоакустические приемники (далее - датчики), преобразующие энергию отраженных волн в пропорциональный электрический сигнал, располагаются по длине косы на заданных расстояниях друг от друга и соединяются линиями передачи
информации с устройством сбора сейсмических данных (УССД), включающим первичные преобразователи сигналов.
Известны сейсмокосы [1-4, 10, 11], в которых каждый датчик пьезоэлектрического или электродинамического типа соединяется отдельной двухпроводной линией с УССД напрямую или через согласующие трансформаторы или эмиттерные повторители. Их недостатки - с увеличением числа каналов возрастают масса и толщина сейсмокосы, а также взаимовлияние каналов и воздействие электромагнитных помех, что устанавливает предел увеличению канальности косы и ее длины.
Известны сейсмокосы, в которых с целью сокращения числа проводных линий и увеличения канальности было введено аналоговое частотное или временное уплотнение линий связи [6]. Их недостатки - невысокие стабильность и надежность аппаратуры, недостаточный динамический диапазон, повышенная подверженность помехам, из-за чего сейсмокосы этого типа применения не нашли.
Известны цифровые сейсмокосы [5, 6], основанные на высокой микроэлектронной и компьютерной технологии, в которых аналоговый сигнал с выхода каждого датчика преобразуется с помощью сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) аналого-цифрового преобразования (АЦП) и цифровых фильтров (ЦФ) в цифровую форму; полученные цифровые выборки передаются по единой линии в УССД. Сейсмокосы этого типа в настоящее время получили наибольшее распространение, однако их отличают очень высокие сложность и стоимость, а отсюда - очень высокие эксплуатационные расходы и требования к обслуживающему персоналу; кроме того, с увеличением канальности и длины косы возрастают проблемы с электропитанием электронных узлов в косе.
Создание и внедрение в последние десятилетия оптоволоконных линий передачи информации [7-9], отличающихся исключительно малыми потерями (до 0,5 дБ/км), стимулировали интерес к разработке телеметрических
систем и датчиков на основе оптоволокна без использования электрических сигналов, с целью создания высокоэкономичных устройств с малыми массогабаритными показателями и не подверженными воздействию электромагнитных полей. Так, устройство, описанное в [8], содержит питающую оптоволоконную линию, в которую с борта судна подается световой поток от лазерного источника, оптоакустический преобразователь (датчик), обратную оптоволоконную линию, оптический демодулятор и регистратор. Однако, такие системы [8] пока нашли применение лишь в гидроакустическом мониторинге; о применении их в сейсморазведке сведений нет.
Известная сейсмокоса [1], принятая за прототип, содержит пьезоэлектрические или электродинамические датчики, соединенные двухпроводными линиями с УССД через согласующие трансформаторы или эмиттер-ные повторители. Эта коса отличается простотой архитектуры и экономичностью, но ее главный недостаток - довольно значительные масса и габариты (диаметр), а также возможность воздействия электромагнитных полей на линии передачи.
Сущность предлагаемого устройства заключается в создании адекватной современной технологии сейсмокосы, обеспечивающей достижение максимально возможного показателя критерия «сложность - стоимость - эффективность» путем введения оптоволоконных линий передачи и оптоакустических датчиков.
Основной технический результат предлагаемого устройства - снижение массогабаритных показателей косы и повышение помехозащищенности.
Технический результат достигается следующим образом.
Оптоволоконная сейсмокоса включает когерентный оптический излучатель (лазер), оптоволоконную линию по длине косы с ответвителями по количеству каналов, оптические сейсмодатчики, линии обратной передачи, оптические демодуляторы и УССД.
Устройство может быть выполнено в двух вариантах.
В первом варианте оптоволоконная сейсмокоса содержит когерентный оптический излучатель (лазер), оптоволоконную линию по длине косы с ответвителями по количеству каналов, оптические сейсмодатчики, оптические демодуляторы и УССД, причем выходы ответвителей соединены со входами датчиков, а выходы датчиков соединены через отдельные оптоволоконные линии и оптические демодуляторы с УССД.
Во втором варианте в сейсмокосу введен импульсный модулятор, оставлена одна линия обратной передачи (обратная линия), в которую введены соединители по количеству датчиков, оптический демодулятор, демульти-плексор и УССД, причем импульсный модулятор включен между лазером и входом оптоволоконной линии, выходы ответвителей соединены со входами датчиков, выходы датчиков соединены со входами соединителей, выход обратной линии соединен с оптическим демодулятором, выход которого соединен со входом демультиплексора, выходы последнего соединены с УССД, а длительность импульса выбрана равной или меньше суммарного времени распространения света от предыдущего ответвителя до следующего и от предыдущего соединителя до следующего.
Общая блок-схема оптоволоконной сейсмокосы в первом варианте приведена на фиг.1, во втором варианте - на фиг.2.
Оптоволоконная сейсмокоса содержит: в первом варианте 1 - источник когерентного оптического излучения, 2 - ответвители, 3 - акустооптиче-ские датчики, 4 - оптические демодуляторы, 5 - устройство сбора сейсмических данных (УССД); во втором варианте остается один оптический демодулятор 4 и добавляются 6 - импульсный модулятор, 7 - соединители, 8 - демультиплексор.
Устройство в первом варианте работает следующим образом.
Источник 1 непрерывно излучает монохроматический световой поток, распространяющийся по оптоволокну. Встроенные в оптоволоконную линию
ответвители 2 ответвляют каждый часть светового потока в присоединенный к нему акустооптический датчик 3; с выхода датчика 3 модулированный световой поток через обратную оптоволоконную линию поступает на оптический демодулятор 4, где преобразуется в электрический сигнал, соответствующий закону модуляции, который, в свою очередь, поступает в У ССД 5, где производится регистрация всех сигналов и их передача на дальнейшую обработку.
Во втором варианте устройство работает следующим образом. С выхода импульсного модулятора 6 в оптоволоконную линию поступают импульсы света, длительность которых должна быть равна или меньше суммарного времени распространения света между двумя смежными ответвителями 2 и соответствующими смежными соединителями 7, а период следования - превышать полное время распространения света от начала до конца линии и обратно. Дойдя до первого разветвителя 2, световой импульс расщепляется: некоторая часть его ответвляется в первый датчик 3, а остальная проходит дальше по линии. За время, когда ответвленная часть импульса пройдет полностью через первый датчик 3, первый соединитель 7 и участок обратной линии, прошедший в линию импульс доходит до второго ответвителя 2, снова часть его ответвляется, проходит во второй датчик 3, второй соединитель 7 и обратную линию; к тому времени, когда фронт второго ответвленного импульса достигнет первого соединителя 7, через него уже пройдет спад импульса от первого ответвителя 2 и импульсы от первого и второго ответвителей 2 не перекроются. Аналогичный процесс произойдет и в остальных участках цепи, так что по обратной линии на вход демодулятора 4 будет поступать последовательность неперекрывающихся во времени импульсов света, модулированных сигналами последовательных датчиков. Полученные на выходе демодулятора 4 электрические сигналы поступают на демультиплексор 8, где разделяются
по каналам и поступают в УССД 5 для регистрации и дальнейшей обработки.
Достоинством оптоволоконной сейсмокосы является то, что благодаря использованию оптоволокона и оптической энергии существенно сокращаются диаметр и энергопотребление сейсмокосы.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 28923 U1, 20.04.2003 (прототип).
2. US4942557, 17.07.1990 (аналог).
3. SU 276193, 14.07.1970 (аналог).
4. Сейсморазведка. Справочник геофизика / Под ред. И.И.Гурвича, В.П.Новоконова. - М.: Недра, 1981 (аналоги: Гл. III, Технические средства сейсморазведки, стр.145-209).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
5. RU 2205428 C1, 27.05.2003.
6. Meep B.B. Системы многоканальной цифровой телеметрии для морской сейсморазведки (технические средства) / 0бзор. М.: ВИЭМС, 1979.
7. RU 2201374 C1, 27.03.2003.
8. Dr. Antony Daudridge & Gary D.Cogdell. Fiber Optic Sensors - Performance, Reliability, Smallness.- Sea Technology, May 1994, pp.31-37.
9. RU 32290 U1, 10.09.2003.
10. US 4509151, 02.04.1985.
11. SU 1718174 A1, 07.03.1992.