专利名称：基于相位进行感测的制作方法
基于相位进行感测本发明涉及传感器，其利用询问信号的相位变化来确定所感测的参数，具体地但 非唯一地，本发明涉及光纤干涉感测。本发明特别适用于地震测量和成像领域。光纤传感器使用一段光纤，以所感测的参数产生要施加在光纤上的应力的方式来 布置所述光纤。尽管其他的布置也是可以的，但光纤通常以线圈形式布置。这种应力引起 在该光纤中传播的光学信号的相位变化，这种变化能够由干涉测量技术检测到。之前已经 提议过用于这种转换器的多种不同布置，这些布置中的多数具有缠绕在可变形的芯或心轴 上的光纤的线圈，所述芯或心轴响应于诸如感测到的振动等被感测参数而经历径向膨胀或 收缩。这种光纤传感器能够表现出极高的灵敏度，并且具有完全无源、不使用感测转换 器处的功率的优点。由于在多路复用(multiplex)时相对容易，这种传感器还已经证明在 需要大规模传感器阵列的应用中是受欢迎的。这种应用的示例是油气开采行业中的地震测量，其中包括数百个或者甚至数千个 振动传感器和/或水听器(hydrophone)的大时间多路复用阵列能够被用来感测来自海床 下方的地质构造的入射脉冲的反射。以固定的周期对这种阵列进行采样提供了关于现有储 量或潜在的新储量的3D的时间流失的数据。更详细地，高幅震源(通常为气枪)被拖曳经过(已知的或潜在的)油田的顶部， 以固定的间隔朝震源射击，并且利用与震源一起被拖曳或者定位在海床上的传感器来监测 来自震源的反射回波。所期望的是，能够直接测量当来自气枪的直接信号首次撞击传感器 时的该信号(非常高的振幅)，和从油田内的地下特征所反射的地震回波(振幅低得多)。 传感器输出与时间之间的关系的两个示例示出在

图1中。气枪在上部曲线中比在下部曲线 中更靠近传感器，并且信号的振幅相应地更大。在曲线图的左手侧，传感器输出的较大变化 表示来自撞击在传感器上的震源的直接信号。在很小活动的短间隔之后，在右手侧的较小 变化的传感器输出表示来自传感器检测到的地下构造的地震回波(seismic return)。利用该方法来进行感测所经历的问题在于，对于给定的采样率，在某个振幅阈值 以上的信号使基于相位感测到的信息变得失真，并能引起解调过程的故障。这种效应(通 常称为过载或超标度(overscale))取决于被测信号的频率。在地震系统中，这能够引起与 入射脉冲的直达波(direct arrival)相关的特定问题，其中入射脉冲被用来确定传感器相 对于震源的方位。这在脉冲已经靠近传感器产生时特别真实，然而在更大的范围处，即使是 直达波也不会超标度。理想的是，能够在没有超标度能产生的失真的情况下，记录该入射脉 冲。本发明的总目的是提供改进的用于感测和处理传感器信号的方法和装置，并且本 发明的某些实施例的目的是提供利用多路复用的光纤传感器阵列进行感测的改进的方法 和装置。根据本发明的第一方面，提供了一种利用基于相位的转换器进行感测的方法，所 述方法包括提供多个表示转换器响应的信号，所述多个信号具有不同的灵敏度，利用所述 信号中的至少一个确定转换器响应的幅值，以及基于所述值，使用一个或多个具有不同灵敏度的信号来提供所感测的输出。通过以这种方式提供具有变化的灵敏度的大量不同信号，能够产生合成信号，该 合成信号允许地震回波和直达波两者的所有相位和振幅，对横跨信号水平的全范围所需的 精度是已知的。在如上所述的地震测量的情况下，在所有实际范围的直达波和地震回波都 能够被解析。在某些实施例中，多个灵敏度信号从单个感测元件获得。在例如水听器或加速计 的情况下，对于对应于每个光纤感测线圈的感测输出的信号，基本同时获得多个灵敏度。这 种实施例允许从每个传感器元件获得随时间变化的数据输出，其具有在每个时间时刻的多 个不同灵敏度的数据。这是在无需在每个传感器位置提供对应于多个所需灵敏度的多个感 测元件的情况下所获得的。已经发现，本发明的具有三个或更多个、或者甚至四个或更多个 不同灵敏度的实施例是有利的。本发明的另外的方面提供了一种校正传感器布置的方法，所述传感器布置适于感 测从信号源发射、穿过传播介质的信号，所述方法包括(a)提供初始传感器灵敏度(b)基于信号的标记和已知的传播条件，确定来自具有所述灵敏度的传感器的输 出将超标度的范围。(c)确定最低传感器灵敏度，该最低传感器灵敏度将在所述范围提供所需的SNR(d)重复步骤(b)和(C)，直至达到最小的所需范围。本发明扩展到基本如在此参照附图所描述的方法、装置和/或用途。本发明的一个方面中的任何特征可以任何适当的组合应用到本发明的其他方面。 特别地，方法方面可以应用到装置方面，反之亦然。另外，以硬件实现的特征可以通常可以软件实现，反之亦然。在此对软件和硬件特 征的任何参照应当被相应地解释。现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的优选特征进行描述。超标度(overscale)通常能定义为当任何相位检测系统的测量带宽被超过时，该 系统中的相位跟踪的损失。超标度可以出现在任何基于相位的系统中，但是这里是参照光 学系统进行描述，具体而言，是用于地震测量的光纤传感器系统。在光学系统中，超标度可 以不同的方式表现它自己，这取决于系统如何多路复用。在频分多路复用(frequency multiplexed)系统中，许多传感器被以不同的载波 频率连续地询问。来自频率多路复用系统的返回如图2所示。要检测的信号作为每个载波 频率周围的相位调制被输送。每个信号的容许带宽等于载波频率fc。每个信号占据的频率 带宽随着该信号的振幅和频率增加而增加。如果带宽超过容许的系统带宽，则将发生超标 度。在这种情况下，超标度将以振幅失真和传感器之间潜在地串扰的组合的方式表现其自 身。在时分多路复用(time multiplexed)光学系统中，以固定的时间间隔(通常由物 理传感器装置设定)光学采样每个传感器。在典型的系统中，样本之间的时间间隔可以是5 微秒左右。对于要完全保持相位追踪的系统，连续的光学样本之间的光学相位变化需要小 于π/2。如果该阈值被超过，则将引入相位模糊，并且将出现超标度状况。能够使用多种技术来提供不同灵敏度的传感器输出信号。
一种方法是将已经通过机械方式设计为具有不同相位灵敏度的大量传感器通过 光学方式多路复用在一起。在加速计的情况下，不同灵敏度的光学设备能够通过使用具有 相同尺寸但是不同地震块(seismic mass)的传感器来构建(加速计的灵敏度与加速计的 地震块成正比)。例如，如果加速计A使用钨块，而加速计B除了使用密度大约是钨的1/5 的铝块，其它方面与加速度计A相同，则传感器A的灵敏度将是传感器B的5倍。如果光学 传感器是水听器，则灵敏度可以通过改变光纤缠绕在其上的心轴(管)的厚度和/或材料 属性来改变。灵敏度的改变是由由此所产生的硬度变化引起的。然后，可以通过利用已被 很好理解的技术(例如，时间和频率多路复用)以光学方式将不同灵敏度的传感器多路复 用在一起来组合它们。一种替代技术是平衡传感器技术。构建具有输出的光学传感器是可能的，所述传 感器能够以不同的方式组合在一起，以有效地产生具有两个灵敏度的传感器。这种传感器 示出在图3中。该传感器是包括包套302的加速计，包套302容纳地震块304，地震块304放置在 附接于包套的顶部和底部的两个弹簧306、308之间(例如，柔性筒)，弹簧306、308上各缠 绕有光纤线圈310、312。如果该包套受到具有至少沿弹簧轴线的分量的振动，那么一个弹 簧将被压缩，而另一个弹簧将膨胀。光纤线圈中的一个也将因此而长度相应地被压缩而另 一个将伸长。如果光学信号314、316独立地穿过每个线圈，那么光学信号中的一个将在输 出318处经历负相移，而光学信号中的另一个将在输出320处经历相等的正相移，或反之亦 然。如果这两个光学相移被相减，那么两个光学信号之间的净相移是一个线圈中的相移的 两倍——如果它们被相加，则相移为零(假设两个弹簧都以完全一样的方式工作)。通过在 弹簧的硬度方面引入微小的差别，所添加的两个线圈的输出将是很小但是非零的相移。在 相减之前以电子方式调节光学信道中的一个的标度来产生非零输出，也是可能的。因此，如果两个输出被相减，则可能产生具有高灵敏度的传感器，而如果两个输出 被相加，则可能产生具有低灵敏度的传感器，并且其中能够通过调节弹簧的相对硬度来定 制灵敏度。为了防止低灵敏度型超标度，相移的相加必须在光学信号被取样之前进行。申请人:的共同未决的专利申请WO 2008/110780和WO 2009/007694描述了通过提 供具有减小的灵敏度的输出来解决时分多路复用光纤感测系统中的超标度问题的技术。所 描述的技术涉及提供+树0)形式的响应的传感器，其中^⑴是被感测的参数，即所 感测的信息表示为叠加在频率ω。的载波信号上的相位变化。然后可使用本领域普通技术 人员众所周知的技术来从载波解调相位信号。时分多路复用脉冲干涉光纤传感器阵列的示 例被提供在上文所引用的申请中。载波频率通常选择为尼奎斯特频率的一半，尼奎斯特频率则是采样频率的一半。 通常，在每个回程光学脉冲中进行一次采样，因此采样频率是脉冲对发送到阵列中的速率。 作为示例，采样频率可以是大约320ΚΗζ，从而提供了大约160ΚΗζ的尼奎斯特频率和大约 SOKHz的载波频率。除了其他因素之外，采样频率典型地将具有取决于一个传感器或多个传 感器的类型和布置的实际上限。当相位调制载波的瞬时频率落在尼奎斯特频带之外时，即当
权利要求
1.一种利用基于相位的转换器进行感测的方法，包括提供表示转换器响应的多个信号，所述多个信号具有不同的灵敏度；利用所述信号中的至少一个确定所述转换器响应的幅值；以及基于所述值，利用具有不同灵敏度的一个或多个信号提供感测的输出。
2.如权利要求1所述的方法，其中具有三个或更多个不同灵敏度的信号被提供。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中最低可用灵敏度信号被用来确定转换器响应的 所述值。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中从单个转换器感测元件获得多灵敏度信号。
5.如权利要求4所述的方法，包括利用脉冲询问信号来询问所述转换器，以及对返回 的脉冲进行处理，以提供不同的灵敏度。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述询问信号包括多波长的分量。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述转换器包括复合传感器，并且来自 所述复合传感器的部分信号在对输出信号进行采样之前被组合，以便提供不同的灵敏度。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括由所述幅值对在每个灵敏度水平的信 号，确定超标度的水平。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中不经受超标度的最高灵敏度信号被选择 用来提供所述感测的输出。
10.如权利要求9所述的方法，包括利用所述选择的信号来确定较高灵敏度信号已经 超标度的程度，以及重建所述较高灵敏度信号以提供所述感测的输出。
11.如权利要求9所述的方法，包括对所述选择的信号增加标度以对应于经受超标度 的较高灵敏度，以及用所述已增加标度的信号替代经受超标度的所述较高灵敏度信号。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在样本接样本的基础上被 替代。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在超标度状况出现后被替 代一段指定的时期。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在待感测的源启动后被替 代一段指定的时期。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在所述较高灵敏度信号首 次超标度和最后超标度之间的所有时间都被替代。
16.一种询问基于相位的转换器的系统，包括用于对所述转换器的输入提供询问信号的源；用于接收来自所述转换器的响应于所述询问信号的信号输出的检测器；以及信号处理器，其用于提供表示转换器响应的多个信号并且适应性地利用所述多个信号 来提供横跨所感测的信号水平的全部范围的输出，所述多个信号具有不同的灵敏度。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器提供具有至少三个不同灵敏度的信号。
18.如权利要求16或17所述的系统，其中所述处理器包括用于选择所述多个信号中的 一个并基于所述选择的信号确定输出值的装置。
19.如权利要求16、17或18所述的系统，其中所述基于相位的转换器包括光纤传感器的阵列。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述传感器的阵列是时分多路复用的。
21.如权利要求16所述的系统，其中所述基于相位的转换器是多路复用的光纤地震阵列。
22.一种校正适于感测从信号源发射穿过传播介质的信号的传感器装置的方法，所述 方法包括(a)提供初始传感器灵敏度；(b)基于信号的标记和已知的传播条件，确定来自具有所述灵敏度的传感器的输出将 超标度的范围；(c)确定将在所述范围提供所需SNR的最低传感器灵敏度；(d)重复步骤(b)和(c)，直至达到最小的所需范围。
23.如权利要求22所述的方法，还包括根据在步骤(c)中确定的值设定所述传感器装 置的灵敏度。
24.如权利要求22或23所述的方法，其中所述传感器系统包括多路复用光纤地震阵列。
25.如权利要求22至M中任一项所述的方法，其中所述信号源是高振幅地震源，优选 为气枪。
26.如权利要求22至25中任一项所述的方法，其中所述传播介质为海水，并且其中利 用已知的海洋传播条件执行步骤(b)。
27.如权利要求22至沈中任一项所述的方法，其中如果从所述初始灵敏度确定的范围 大于最大的所需范围，则最大的所需范围是来自步骤(b)的输出。
28.一种输出信号处理器，其适于接收基于相位的传感器阵列的输出并提供多个表示 所感测的参数的不同灵敏度的信号，其中根据权利要求22确定输出的数量和灵敏度。
29.一种传感器系统，包括 光输入；光纤传感器的多路复用阵列，其适于接收所述光输入并产生相位调制光输出； 用于接收所述光输出的检测器，所述检测器包括根据权利要求观所述的输出信号处理器。
30.一种操作地震阵列的方法，其中从每个传感器接收具有不同灵敏度的多个输出； 基于所述多个信号中的一个或多个确定所述传感器输出的第一值； 基于所确定的所述传感器输出的第一值，选择所述多个信号中的一个或多个； 基于所述一个或多个所选择的信号，得到所述传感器输出的最终值；以及 使用来自所述阵列中的传感器的传感器输出的最终值来产生地震信息。
31.一种减少通过将各自从具有不同灵敏度的传感器响应得到的至少两个输出部分组 合起来而形成的传感器输出中的噪声的方法，所述方法包括提供所选择部分中的噪声的估 算以及将所述估算限定为横跨输出部分连续。
32.如权利要求31所述的方法，还包括从所选择的部分中减去所述限定的噪声的估算。
全文摘要
一种利用基于相位的转换器进行感测的方法，其中在灵敏度的多个不同水平提供转换器响应。灵敏度的不同水平被用来产生横跨信号水平的宽范围不超标度的输出。这对于结合用于地震测量的光纤传感器的多路复用阵列的使用是特别有用的。还描述了传感器校正和噪声减小的方法。
文档编号G01V1/24GK102124373SQ200980132531
公开日2011年7月13日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年6月16日
发明者J·迪夫雷塔斯, P·J·纳什, R·I·克里克莫尔 申请人:秦内蒂克有限公司