阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置及四分量光纤地震数据采集系统
技术领域
本发明属于海洋地球物理勘探技术领域，涉及一种海洋四分量光纤地震数据采集装置及系统。
背景技术
目前的海洋地震数据采集方式主要有三种，一种是单分量、二分量、三分量或四分量拖曳式海洋地震数据采集缆（Streamer）拖在采集作业船尾部，海洋地震数据采集拖缆如ION、Sercel和OYO Geospace等公司生产销售的各种地震拖缆（Streamer）。另一种是三分量或四分量海底地震数据采集缆（OBC）沉入海底，还有一种是独立的三分量或四分量海底地震数据采集站（OBS和OBN）沉底，独立的海洋地震气枪激发源在水中拖移时激发。拖曳式海洋地震数据采集缆的工作方式是采集作业船拖曳着采集缆在水面以下一定的深度上匀速前行，采集作业船拖曳的可控震源（如气枪震源）或另外的震源作业船拖曳的可控震源（如气枪震源）一起和采集缆在水面以下一定的深度上同步移动并定时定位激发。沉入海底的海底地震数据采集缆，其工作方式是海底地震电缆（OBC）由放缆作业船是先投放铺设到海底，然后由气枪震源作业船拖曳着水下可控震源（如气枪震源）在距海面以下一定的深度上前行并向海水中激发地震信号，由事先投放铺设到海底的地震缆采集海底地震数据。数据采集结束后，放缆作业船回收海底地震缆，投放铺设到新的测量工区，然后重复海底地震数据的采集作业。
目前行业内使用最广泛的就是常规的三分量检波器和压电晶体水听器采集四分量海洋地震数据。三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器。与单分量的常规地震检波器不同，每个检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量，用于同时记录纵波、横波、转换波。这类检波器输出的信号电压和其振动的位移速度有关，因此称为速度检波器。为了记录检波器感应到的震动信号，检波器阵列内还设置有检波器输出的模拟信号放大、滤波、去噪、模数转换、数据存储和数据传输等电路模块，以便将三分量检波器阵列采集到的海洋地震数据通过数千米长的铠装电缆传送到拖曳作业船上的采集控制计算机里存储起来。从甲板上给远离拖曳作业船数公里甚至数十公里的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短接的供电也是十分困难的和非常有限的。此外，目前三分量检波器加水听器阵列采集的海洋四分量地震数据完全靠铠装电缆从数据采集缆向拖曳作业船传输，由于长距离（数千到数十千米）电缆数据传输的局限性，没有办法实现大量数据向拖曳作业船的高速实时传输。上面这些因素极大的限制了大道数或超大道数和大长度或超大长度海洋四分量地震检波器阵列（或四分量地震数据采集缆）技术的发展和推广应用。
发明内容
为了解决常规三分量检波器加压电水听器构成的海洋地震数据采集缆的长距离电缆数据传输能力有限瓶颈的困难问题，以及远离拖曳作业船数公里甚至数十公里的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短接的供电问题，本发明目地在于提供一种使用光纤地震检波器和光纤水听器的拖曳式或沉底式海洋光纤四分量地震数据采集系统，以进行海洋多分量地震的数据采集工作，能够测量海面之下或海底的四分量海洋地震数据。这一拖曳式或沉底式海洋光纤四分量地震数据采集系统由安置在采集缆里的光缆中均匀分布的三分量光纤检波器、光纤水听器和光纤姿态传感器组成。
为了解决其技术问题，本发明提供的其中一种技术方案为：一种阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，包括：若干条海洋四分量光纤地震数据采集缆，所述采集缆由若干个海洋四分量光纤地震数据采集短节等间隔串联组成；每一个海洋四分量光纤地震数据采集短节包括一个三分量光纤地震信号传感单元。
作为本发明的一种优选方式，所述的三分量光纤地震信号传感单元安装在采集短节的前部，其后方依次为三分量光纤姿态传感器、光纤水听器。
进一步优选地，所述的三分量光纤地震信号传感单元为三分量光纤检波器，所述三分量光纤检波器由三组光纤检波器采用相互正交的三轴分立式结构组成。
进一步优选地，所述光纤检波器选自强度调制型光纤检波器、相位调制型光纤检波器、波长调制型检波器或分布型光纤检波器中的任一种；每个分量方向各由两个光纤检波器串联叠加构成。
进一步优选地，所述光纤检波器由一个或多个光纤MEMS加速度计并联叠加构成；每个分量方向各由1对光纤检波器相互正交布置；或者每个分量方向各由2对光纤检波器，按照正六面体方式布置。
进一步优选地，所述的海洋四分量地震数据采集短节之间通过铠装光缆连接，相邻采集短节之间的间距选自3.125米、6.25米、12.5米或25米中任一项。
进一步优选地，所述的光纤水听器选自调幅型光纤水听器、调相型光纤水听器、或偏振型光纤水听器。
本发明还提供了一种四分量光纤地震数据采集系统，该系统包括所述的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，所述装置拖曳在海水水面以下或平行展布沉放在海底。
进一步地，所述装置与海面数据采集控制和调制解调仪器连接。
进一步地，所述装置中若干条海洋四分量光纤地震数据采集缆等间距平行拖曳在海面以下或平行展布沉放到海底，缆间距离在数米与数十米之间。
光纤地震检波器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、无需供电，耐腐蚀、耐高压的优势。避免了从拖曳作业船甲板上给远离拖曳作业船数公里甚至数十公里的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短接的供电难题。此外，光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更宽的频带、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量的高速传输。而且由于传感器前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期在海底布放，抗电磁干扰，通道串扰小。
光纤MEMS加速度计是一种单分向的宽频带加速度传感器，采用21世纪新近发展的微米/纳米加工技术（micro/nanotechnology），将加速度检测质量块、弹性支撑体、光学反射微镜、光入射及出射波导直接集成在一个微小的芯片上，具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化，技术参数一致性好、性能稳定可靠、无源无电、抗电磁干扰、体积小巧、能实现远距离光信号传输等诸多优点。
本发明的有益效果：本发明通过在阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置内采用耐高压的三分量光纤检波器、耐高压的光纤水听器、耐高压的三分量光纤姿态传感器，实现大通道或超大通道、大长度或超大长度海洋四分量地震数据的采集和高密度高频率采集的海量地震数据从采集缆到拖曳作业船的高速传输，解决了常规的阵列式海洋四分量地震数据采集缆里面的大量数据向拖曳船的高速传输的瓶颈问题，以及从甲板上给远离拖曳作业船数公里甚至数十公里长的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短接供电的难题。
附图说明
图1是本发明提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置第一个实施例的结构示意图；
图2是本发明提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置第二个实施例的结构示意图；
图3是本发明提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置第三个实施例的结构示意图；
图4是本发明提供的拖曳式海洋四分量光纤地震数据采集系统（Streamer）的作业布设示意图；
图5是本发明提供的海底四分量光纤地震数据采集系统（OBC）的作业布设示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1本实施例的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，包括若干条海洋四分量光纤地震数据采集缆，每一条采集缆由若干个相同的海洋四分量光纤地震数据采集短节3等间隔串联组成。如图1所示，每一个海洋四分量地震数据采集短节3包括安装于采集缆内部的三分量光纤地震信号传感单元，三分量光纤地震信号传感单元安装于采集短节3的前部，紧挨着三分量光纤地震信号传感单元安装一个三分量光纤姿态传感器7，后部是光纤水听器9。
其中，三分量光纤地震信号传感单元由6个光纤检波器组成，每个分量方向各由两个光纤检波器串联叠加构成，分别为垂直光纤检波器4，第一水平光纤检波器5，与第一水平光纤检波器正交的第二水平光纤检波器6，提高各分量方向传感器的灵敏度和信噪比。
采集短节3中的6个光纤检波器可以是强度调制型光纤检波器或相位调制型（干涉型）光纤检波器或波长调制型（光纤光栅型及光纤激光型）检波器或分布型光纤检波器。
采集短节3中的光纤水听器9可以是调幅型光纤水听器（强度型光纤水听器）或调相型光纤水听器（干涉型光纤水听器）或偏振型光纤水听器（光纤光栅水听器）。光纤水听器9外面紧密包裹有耐高压防水的保护橡胶套，便于海水中的压力波（地震波）直接传递到光纤水听器9外面的保护橡胶套上，进而传递到光纤水听器上。
海洋四分量地震数据采集缆1上的采集短节3之间通过铠装光缆2相连接，相邻采集短节3之间的间隔距离可选自3.125米、6.25米、12.5米或25米，并且所有采集短节3的间距均相等，因此数条海洋四分量地震数据采集缆1上的采集短节3呈阵列式分布。
实施例2 本实施例的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，如图2所示，其结构大体与实施例1相同，区别仅在于：本实施例的三分量光纤地震信号传感单元由6个（3对）MEMS光纤加速度计构成。每两个（1对）MEMS光纤加速度计面对面贴合在一起，并联组成一个单分量的光纤检波器4。将三个单分量光纤检波器4从前到后依次排列，最前面的单分量光纤检波器4安装在测量垂直于拖缆延伸方向的水平地震波分量的方位上，中间的单分量光纤检波器4安装在测量沿缆方向的水平地震波分量的位置上，最后面的单分量光纤检波器4安装在测量垂直地震波分量的方位上。此按照相互正交方向从前到后依次安装的三个单分量光纤检波器4就构成了本实施例的三分量光纤地震信号传感单元。
三个单分量光纤检波器4、光纤水听器9和三分量光纤姿态传感器7分别通过光纤10与铠装光缆2连接。
实施例3 本实施例的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，如图3所示，其结构大体与实施例1相同，区别仅在于：本实施例的三分量光纤地震信号传感单元由12个MEMS光纤加速度计构成。每两个（1对）MEMS光纤加速度计面对面贴合在一起，并联组成一个单分量光纤检波器。六个单分量光纤检波器按照相互正交的六面体方式安装固定，每个分量方向上有2对单分量光纤检波器测量该方向上的地震波分量，并且可以通过叠加直接提高每个分量信号的信噪比。按照相互正交的六面体安装固定的6对MEMS光纤加速度计构成3组相互正交的单分量光纤检波器，最终构成了本实施例的三分量光纤地震信号传感单元。
六个单分量光纤检波器4、光纤水听器9和三分量光纤姿态传感器7分别通过光纤10与铠装光缆2连接。
实施例4 采用本发明提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，与可控气枪震源8、拖拽作业船15共同组成拖曳式海洋四分量光纤地震数据采集系统（Streamer）。单条或数十条海洋四分量光纤地震数据采集缆1可以拖曳在作业船15尾端水面以下，拖缆顺海面平行展布，缆间距离在数米与数十米之间，如图4所示。
实施例5 将实施例1提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置中的数十条海洋四分量光纤地震数据采集缆1平行展布沉放在海底，与海面的可控气枪震源8共同组成海底四分量光纤地震数据采集系统（OBC），如图5所示。
每一条海洋四分量光纤地震数据采集缆1上的采集短节3中的垂直光纤检波器4，第一水平光纤检波器5，第二水平光纤检波器6和光纤水听器9分别通过垂直检波器连接光纤11、第一水平检波器连接光纤12、第二水平检波器连接光纤13和水听器连接光纤14与铠装光缆2连接，数条铠装光缆2与拖曳作业船15上的数据采集控制系统和调制解调仪器16相连接。
由于采用了耐高压的三分量光纤检波器、光纤水听器和三分量光纤姿态传感器，阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置里不再有任何电子器件和动圈式或压电式或加速度式或MEMS检波器、检波器输出的模拟信号放大、滤波、去噪、模数转换、数据存储和数据传输等电路模块。
本发明的三分量光纤检波器，可以采用基于光栅技术的全光学地震加速度检波器，该检波器是在单根光纤上能布置多传感器阵列。光线从拖曳作业船15上的数据采集控制系统和调制解调仪器16沿铠装光缆2传播到海洋阵列式四分量光纤地震数据采集缆1的尾端并反射回到调制解调仪器16，反射回来的光学信号被调制解调（转换）成测量的地震数据，用常规方法处理解释获取的海洋地震资料。每个三分量光纤地震加速度检波器被封装在直径2厘米左右的保护外壳中，能安装到数据采集缆的细长空间内，接收三分量地震波。光纤地震检波器非常坚固，能经受强的冲击和振动。光纤地震检波器还具有动态范围大和信号频带宽的特点，该系统的信号频带宽度为1～1000Hz，能记录从极低到极高频率的地震信号响应。
本发明提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置的工作原理是：从光源光调制系统发出的多波长调制激光通过铠装光缆2中的多芯光纤传送到采集缆内的三分量光纤地震信号传感单元和光纤水听器9中，三分量光纤地震信号传感单元和光纤水听器9将所在的空间位置点振动加速度信号和水声场声压信号以光相位调制的方式加载到对应激光载波信号中。通过铠装光缆2上传光纤，将各路光信号传输到拖曳作业船15上的光电接收系统，经光电转换放大和AD变换得到多路带光学调制的数字载波检测信号。经光学调制解调，还原出各路高保真的四分量地震检测数字信号。三分量姿态数据通过铠装光缆2传输至拖曳作业船上的数据采集控制和调制解调仪器16里，然后经过调制解调转换成相应位置的海洋四分量地震数据。
采用本发明提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，采集地震数据的具体步骤如下：
1、拖曳式海洋地震数据采集作业船15将数条四分量光纤地震数据采集缆1放到拖曳作业船15尾端的海里（如图4所示），或者按照预先设计的间距将多条四分量光纤地震数据采集缆1沉放到海底地震数据采集工区的海底（如图5所示），拖曳作业船15上的数据采集控制系统和调制解调仪器16通过铠装光缆2启动阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，进行仪器状态自检，确保每个海洋四分量光纤地震数据采集短节3都工作正常。
2、可控气枪震源8按照施工设计的震源点逐点依次进行激发，拖曳在拖曳作业船15尾端海里的四分量光纤地震数据采集缆1或者沉放在海底的四分量光纤地震数据采集缆1同步采集海面可控气枪震源8激发的全波场四分量海洋地震数据。
3、紧挨着三分量光纤地震信号传感单元安装的三分量光纤姿态传感器7同步实时采集四分量光纤地震数据采集短接3在数据采集位置的三分量姿态数据，实时记录每个光纤检波器的倾角、方位角和倾向，以用于对记录的四分量海洋地震数据进行必要的旋转处理。
4、四分量光纤地震数据采集装置将步骤2采集的四分量海洋地震数据、将步骤3采集的海洋光纤四分量地震数据采集短节3的三分量姿态数据通过铠装光缆2传输至拖曳作业船15上的数据采集控制系统和调制解调仪器16里，然后经过调制解调转换成相应位置的海洋四分量地震数据。
5、根据三分量光纤姿态传感器7同步实时采集的海洋四分量地震数据采集短节3在数据采集位置（海面以下或海底）的三分量姿态数据，将步骤4中相应采集位置的海洋四分量地震数据通过旋转投影变换成相应采集位置的三分量海洋地震数据，得到该位置沿垂直方向和与海平面平行的两个正交水平方向的三分量海洋地震数据，其中一个水平分量是沿数据采集缆延伸方向的水平分量，另一个是垂直于数据采集缆延伸方向的水平分量。
6、将步骤5中转换成相应数据采集位置的海洋四分量地震数据进行海洋地震数据处理，处理方法包括但不限于：地震子波的整形、去除纷繁复杂的多次波（结合FK滤波，波动方程外延法，预测反褶积等多种方法压制或去除各种各样的多次波）、从低信噪比的数据中恢复出可靠的有效反射波、应用震源信号反褶积实现对地震记录的整型、提高有效反射波的信噪比、速度建模、地层划分、层析成像，高频恢复、鬼波去除、多次波消除、反褶积处理、各向异性时间域或深度域偏移成像、Q补偿或Q偏移，最后获得海底以下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据、海底以下高分辨率地质构造成像，用于海底以下地质构造调查和矿产资源勘探，实现海底以下地质矿产资源和油气藏的高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价。
