海底地震勘探用光纤加速度传感器研究

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相比较于传统拖曳阵和投放式海底地震仪(ocean bottom seismographs,OBS),全光海底地震光纤(optical fiber ocean bottom seismic cable,OBC)检波器技术是近几年发展起来的一种可用于多波多分量海底地震勘探、提高海底油气资源开采时效和降低开采成本的重要技术。光纤OBC系统采用全光纤的信号采集与传输方案,水下无电学设备,具有耐海水腐蚀、抗干扰能力强、不怕漏水、漏电等优点,大大降低海底检波器的密封要求;多波多分量地震探测方案,能够更好利用多分量检波器记录地震纵波(p波)和横波(s波)引起的声压和振动加速度信号,从而使记录的地震数据信息更为丰富,提供更加清晰的地震资料。光纤OBC系统中的海底地震检波器基站,需要集成三个敏感方向正交的光纤加速度传感器,分别用来拾取p波和s波引起的振动加速度信号。研制出光纤OBC海底地震检波器基站用的光纤加速度传感器是光纤OBC技术的关键环节。因此,本文主要对应用于全光海底地震检波器基站的光纤加速度传感器进行研究,主要内容包含三部分。  第一部分首先提出了一种基于悬臂梁的推挽式光纤加速度传感器。理论分析结果表明传感器在一定范围内可以通过增加缠绕圈数同时增加灵敏度和共振频率。实验室测试表明该传感器的灵敏度约为45 dB(re:0 dB=1rad/g),交叉去敏度为-28 dB。在此基础了提出了两种准共点三分量一体式的三分量光纤加速度传感器设计结构。该类型加速度传感器由于采用全金属化结构,其在恶劣环境中长期使用的可靠性有望得到改善。  第二部分围绕如何提高光纤加速度传感器的交叉去敏度展开。首先设计了一种基于双金属膜片的光纤加速度传感器。测试结果表明,该交叉去敏度为-30 dB。在此基础上提出一种基于双金属膜片的改进型光纤加速度传感器。有限元模态分析的结果表明,从结构设计角度上,改进型光纤加速度传感器保证了其较高的交叉去敏度。通过采用特殊的传感器封装方式,实验室测试的传感器噪声水平接近10-5 rad/Hz1/2,轴向加速度灵敏度为41 dB(re:0 dB=1rad/g),横向加速度灵敏度降为3dB,实现了高达-40 dB的交叉去敏度,同时,三分量光纤加速度传感器一致性起伏为±2.5 dB。  第三部分在第二部分研制出的高交叉去敏度光纤加速度传感器的基础上进行了海底地震检波器基站的结构设计和封装工艺研究。设计的检波器基站包括5大模块:检波器单元模块;光器件模块;机械连接模块;尾纤连接保护模块和姿态布放控制模块。在基站封装过程中,通过简单而有规律的排列布放方式解决了复杂的大量光纤布放易出现断纤的问题。最终研制出检波器基站样机一台,并完成了对检波器基站中的光纤加速度传感器的测试。
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