【摘 要】
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针对油气勘测中电类地震波勘探检波仪器耐高温性能差、体积较大、级数受限等难点问题,本论文提出了基于包层型光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）的矢量振动加速度传感技术,具有方向识别、微型化、可复用等明显优势,适用于井中三维地震波精细勘探。其中,重点解决了基于单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）的矢量振动加速度传感技术难题。为进一步研制井中光纤三维检波器阵列
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目“面向地层能源的光纤传感基础研究”（项目编号: 61735014）； 国家自然科学基金重大科研仪器项目“新型光纤油气资源井中地震波勘测科研仪器研制”（项目编号: 61927812）； 国家重点研发计划项目子课题《高精度光纤传感器件》（课题编号:2017YFB0405502）；
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针对油气勘测中电类地震波勘探检波仪器耐高温性能差、体积较大、级数受限等难点问题,本论文提出了基于包层型光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）的矢量振动加速度传感技术,具有方向识别、微型化、可复用等明显优势,适用于井中三维地震波精细勘探。其中,重点解决了基于单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）的矢量振动加速度传感技术难题。为进一步研制井中光纤三维检波器阵列系统奠定了基础,积累了素材和经验。本论文主要内容包括:1.综述了光纤矢量传感技术的国内外研究现状,对比分析了FBG矢量传感机理和方法,介绍了实验室制备FBG的实验平台及实验方案。2.光纤矢量弯曲传感是实现矢量加速度传感的基础。基于包层模式激发的FBG矢量传感机理,提出了三种一维矢量弯曲和加速度传感器:（1）利用飞秒激光逐点法在SMF纤芯制备偏心FBG,以激发超强的包层模式（＞40 d B）,通过锥形耦合在反射光谱中形成“ghost”模式,该模式对加速度表现出显著方向相关性,实现了一维矢量振动加速度测量,正反两个方向的加速度灵敏度分别为35.62 m V/g和-35.92 m V/g。（2）利用飞秒激光结合相位掩模板法在边孔光纤纤芯和内包层同时制备FBG,光纤自身的非圆对称性导致FBG透射强度具有弯曲方向相关性,实现了一维矢量弯曲测量,纤芯模式和包层模式的最大弯曲灵敏度分别为-3.41 d B/m-1和-4.05 d B/m-1。（3）利用飞秒激光结合相位掩模板法在多包层光纤纤芯及单侧内包层制备FBG,激发独立且单一的纤芯和包层模式,包层模式最大弯曲灵敏度为-2.05 d B/m-1,可以实现一维矢量弯曲测量;通过在同一段光纤中两次刻写FBG,并行集成正交内包层FBG,实现了二维矢量弯曲测量,测量曲率大小的最大误差为20.3%,最小误差为0.3%,最大角度偏差为8.79°,最小偏差为0.3°。3.基于包层FBG激发基模反射峰的矢量传感机理,提出了两种二维矢量弯曲和加速度传感器:（1）利用飞秒激光逐点法在SMF并行集成制备正交包层FBG,实现了二维矢量弯曲和加速度传感,最大弯曲灵敏度为-0.55 d B/m-1,测量弯曲曲率大小的最大误差为5.0%,最小误差0.1%;最大角度偏差为5.0°,最小偏差为0.1°;当谐振频率为30Hz时,x、y分量的最大加速度灵敏度分别为21.3 m V/g和20.3 m V/g,测量加速度的最大角度偏差为4.1°,最小偏差为0.1°。（2）在光纤边缘芯制备单个包层FBG,利用反射峰波长和强度的方向相关性,首次报道了仅利用单个FBG实现二维矢量弯曲测量,反射峰的波长和强度值与弯曲的大小和方向对应,最大波长灵敏度59.7 pm/m-1,强度灵敏度0.22 d B/m-1。4.研究了光纤矢量加速度计的机械封装及增敏结构,通过二维矢量与z分量组合,研制了基于SMF正交包层FBG的三维矢量加速度传感器,实现了基于单根光纤的三维矢量加速度传感,器件直径仅23 mm。x、y、z三个分量的最大加速度灵敏度分别为151.8 m V/g、146.3 m V/g、201.9 m V/g,x和y分量的谐振频率均为151 Hz,z分量的谐振频率为137 Hz,通过机械结构封装同时提高了灵敏度和谐振频率。
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