專利名稱：基于相位進(jìn)行感測的制作方法
基于相位進(jìn)行感測本發(fā)明涉及傳感器，其利用詢問信號的相位變化來確定所感測的參數(shù)，具體地但 非唯一地，本發(fā)明涉及光纖干涉感測。本發(fā)明特別適用于地震測量和成像領(lǐng)域。光纖傳感器使用一段光纖，以所感測的參數(shù)產(chǎn)生要施加在光纖上的應(yīng)力的方式來 布置所述光纖。盡管其他的布置也是可以的，但光纖通常以線圈形式布置。這種應(yīng)力引起 在該光纖中傳播的光學(xué)信號的相位變化，這種變化能夠由干涉測量技術(shù)檢測到。之前已經(jīng) 提議過用于這種轉(zhuǎn)換器的多種不同布置，這些布置中的多數(shù)具有纏繞在可變形的芯或心軸 上的光纖的線圈，所述芯或心軸響應(yīng)于諸如感測到的振動等被感測參數(shù)而經(jīng)歷徑向膨脹或 收縮。這種光纖傳感器能夠表現(xiàn)出極高的靈敏度，并且具有完全無源、不使用感測轉(zhuǎn)換 器處的功率的優(yōu)點(diǎn)。由于在多路復(fù)用(multiplex)時(shí)相對容易，這種傳感器還已經(jīng)證明在 需要大規(guī)模傳感器陣列的應(yīng)用中是受歡迎的。這種應(yīng)用的示例是油氣開采行業(yè)中的地震測量，其中包括數(shù)百個(gè)或者甚至數(shù)千個(gè) 振動傳感器和/或水聽器(hydrophone)的大時(shí)間多路復(fù)用陣列能夠被用來感測來自海床 下方的地質(zhì)構(gòu)造的入射脈沖的反射。以固定的周期對這種陣列進(jìn)行采樣提供了關(guān)于現(xiàn)有儲 量或潛在的新儲量的3D的時(shí)間流失的數(shù)據(jù)。更詳細(xì)地，高幅震源(通常為氣槍)被拖曳經(jīng)過(已知的或潛在的)油田的頂部， 以固定的間隔朝震源射擊，并且利用與震源一起被拖曳或者定位在海床上的傳感器來監(jiān)測 來自震源的反射回波。所期望的是，能夠直接測量當(dāng)來自氣槍的直接信號首次撞擊傳感器 時(shí)的該信號(非常高的振幅)，和從油田內(nèi)的地下特征所反射的地震回波(振幅低得多)。 傳感器輸出與時(shí)間之間的關(guān)系的兩個(gè)示例示出在

圖1中。氣槍在上部曲線中比在下部曲線 中更靠近傳感器，并且信號的振幅相應(yīng)地更大。在曲線圖的左手側(cè)，傳感器輸出的較大變化 表示來自撞擊在傳感器上的震源的直接信號。在很小活動的短間隔之后，在右手側(cè)的較小 變化的傳感器輸出表示來自傳感器檢測到的地下構(gòu)造的地震回波(seismic return)。利用該方法來進(jìn)行感測所經(jīng)歷的問題在于，對于給定的采樣率，在某個(gè)振幅閾值 以上的信號使基于相位感測到的信息變得失真，并能引起解調(diào)過程的故障。這種效應(yīng)(通 常稱為過載或超標(biāo)度(overscale))取決于被測信號的頻率。在地震系統(tǒng)中，這能夠引起與 入射脈沖的直達(dá)波(direct arrival)相關(guān)的特定問題，其中入射脈沖被用來確定傳感器相 對于震源的方位。這在脈沖已經(jīng)靠近傳感器產(chǎn)生時(shí)特別真實(shí)，然而在更大的范圍處，即使是 直達(dá)波也不會超標(biāo)度。理想的是，能夠在沒有超標(biāo)度能產(chǎn)生的失真的情況下，記錄該入射脈 沖。本發(fā)明的總目的是提供改進(jìn)的用于感測和處理傳感器信號的方法和裝置，并且本 發(fā)明的某些實(shí)施例的目的是提供利用多路復(fù)用的光纖傳感器陣列進(jìn)行感測的改進(jìn)的方法 和裝置。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種利用基于相位的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行感測的方法，所 述方法包括提供多個(gè)表示轉(zhuǎn)換器響應(yīng)的信號，所述多個(gè)信號具有不同的靈敏度，利用所述 信號中的至少一個(gè)確定轉(zhuǎn)換器響應(yīng)的幅值，以及基于所述值，使用一個(gè)或多個(gè)具有不同靈敏度的信號來提供所感測的輸出。通過以這種方式提供具有變化的靈敏度的大量不同信號，能夠產(chǎn)生合成信號，該 合成信號允許地震回波和直達(dá)波兩者的所有相位和振幅，對橫跨信號水平的全范圍所需的 精度是已知的。在如上所述的地震測量的情況下，在所有實(shí)際范圍的直達(dá)波和地震回波都 能夠被解析。在某些實(shí)施例中，多個(gè)靈敏度信號從單個(gè)感測元件獲得。在例如水聽器或加速計(jì) 的情況下，對于對應(yīng)于每個(gè)光纖感測線圈的感測輸出的信號，基本同時(shí)獲得多個(gè)靈敏度。這 種實(shí)施例允許從每個(gè)傳感器元件獲得隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)輸出，其具有在每個(gè)時(shí)間時(shí)刻的多 個(gè)不同靈敏度的數(shù)據(jù)。這是在無需在每個(gè)傳感器位置提供對應(yīng)于多個(gè)所需靈敏度的多個(gè)感 測元件的情況下所獲得的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的具有三個(gè)或更多個(gè)、或者甚至四個(gè)或更多個(gè) 不同靈敏度的實(shí)施例是有利的。本發(fā)明的另外的方面提供了一種校正傳感器布置的方法，所述傳感器布置適于感 測從信號源發(fā)射、穿過傳播介質(zhì)的信號，所述方法包括(a)提供初始傳感器靈敏度(b)基于信號的標(biāo)記和已知的傳播條件，確定來自具有所述靈敏度的傳感器的輸 出將超標(biāo)度的范圍。(c)確定最低傳感器靈敏度，該最低傳感器靈敏度將在所述范圍提供所需的SNR(d)重復(fù)步驟(b)和(C)，直至達(dá)到最小的所需范圍。本發(fā)明擴(kuò)展到基本如在此參照附圖所描述的方法、裝置和/或用途。本發(fā)明的一個(gè)方面中的任何特征可以任何適當(dāng)?shù)慕M合應(yīng)用到本發(fā)明的其他方面。 特別地，方法方面可以應(yīng)用到裝置方面，反之亦然。另外，以硬件實(shí)現(xiàn)的特征可以通?？梢攒浖?shí)現(xiàn)，反之亦然。在此對軟件和硬件特 征的任何參照應(yīng)當(dāng)被相應(yīng)地解釋?，F(xiàn)在將參照附圖僅通過示例的方式對本發(fā)明的優(yōu)選特征進(jìn)行描述。超標(biāo)度(overscale)通常能定義為當(dāng)任何相位檢測系統(tǒng)的測量帶寬被超過時(shí)，該 系統(tǒng)中的相位跟蹤的損失。超標(biāo)度可以出現(xiàn)在任何基于相位的系統(tǒng)中，但是這里是參照光 學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行描述，具體而言，是用于地震測量的光纖傳感器系統(tǒng)。在光學(xué)系統(tǒng)中，超標(biāo)度可 以不同的方式表現(xiàn)它自己，這取決于系統(tǒng)如何多路復(fù)用。在頻分多路復(fù)用(frequency multiplexed)系統(tǒng)中，許多傳感器被以不同的載波 頻率連續(xù)地詢問。來自頻率多路復(fù)用系統(tǒng)的返回如圖2所示。要檢測的信號作為每個(gè)載波 頻率周圍的相位調(diào)制被輸送。每個(gè)信號的容許帶寬等于載波頻率fc。每個(gè)信號占據(jù)的頻率 帶寬隨著該信號的振幅和頻率增加而增加。如果帶寬超過容許的系統(tǒng)帶寬，則將發(fā)生超標(biāo) 度。在這種情況下，超標(biāo)度將以振幅失真和傳感器之間潛在地串?dāng)_的組合的方式表現(xiàn)其自 身。在時(shí)分多路復(fù)用(time multiplexed)光學(xué)系統(tǒng)中，以固定的時(shí)間間隔(通常由物 理傳感器裝置設(shè)定)光學(xué)采樣每個(gè)傳感器。在典型的系統(tǒng)中，樣本之間的時(shí)間間隔可以是5 微秒左右。對于要完全保持相位追蹤的系統(tǒng)，連續(xù)的光學(xué)樣本之間的光學(xué)相位變化需要小 于π/2。如果該閾值被超過，則將引入相位模糊，并且將出現(xiàn)超標(biāo)度狀況。能夠使用多種技術(shù)來提供不同靈敏度的傳感器輸出信號。
一種方法是將已經(jīng)通過機(jī)械方式設(shè)計(jì)為具有不同相位靈敏度的大量傳感器通過 光學(xué)方式多路復(fù)用在一起。在加速計(jì)的情況下，不同靈敏度的光學(xué)設(shè)備能夠通過使用具有 相同尺寸但是不同地震塊(seismic mass)的傳感器來構(gòu)建(加速計(jì)的靈敏度與加速計(jì)的 地震塊成正比)。例如，如果加速計(jì)A使用鎢塊，而加速計(jì)B除了使用密度大約是鎢的1/5 的鋁塊，其它方面與加速度計(jì)A相同，則傳感器A的靈敏度將是傳感器B的5倍。如果光學(xué) 傳感器是水聽器，則靈敏度可以通過改變光纖纏繞在其上的心軸(管)的厚度和/或材料 屬性來改變。靈敏度的改變是由由此所產(chǎn)生的硬度變化引起的。然后，可以通過利用已被 很好理解的技術(shù)(例如，時(shí)間和頻率多路復(fù)用)以光學(xué)方式將不同靈敏度的傳感器多路復(fù) 用在一起來組合它們。一種替代技術(shù)是平衡傳感器技術(shù)。構(gòu)建具有輸出的光學(xué)傳感器是可能的，所述傳 感器能夠以不同的方式組合在一起，以有效地產(chǎn)生具有兩個(gè)靈敏度的傳感器。這種傳感器 示出在圖3中。該傳感器是包括包套302的加速計(jì)，包套302容納地震塊304，地震塊304放置在 附接于包套的頂部和底部的兩個(gè)彈簧306、308之間(例如，柔性筒)，彈簧306、308上各纏 繞有光纖線圈310、312。如果該包套受到具有至少沿彈簧軸線的分量的振動，那么一個(gè)彈 簧將被壓縮，而另一個(gè)彈簧將膨脹。光纖線圈中的一個(gè)也將因此而長度相應(yīng)地被壓縮而另 一個(gè)將伸長。如果光學(xué)信號314、316獨(dú)立地穿過每個(gè)線圈，那么光學(xué)信號中的一個(gè)將在輸 出318處經(jīng)歷負(fù)相移，而光學(xué)信號中的另一個(gè)將在輸出320處經(jīng)歷相等的正相移，或反之亦 然。如果這兩個(gè)光學(xué)相移被相減，那么兩個(gè)光學(xué)信號之間的凈相移是一個(gè)線圈中的相移的 兩倍——如果它們被相加，則相移為零(假設(shè)兩個(gè)彈簧都以完全一樣的方式工作)。通過在 彈簧的硬度方面引入微小的差別，所添加的兩個(gè)線圈的輸出將是很小但是非零的相移。在 相減之前以電子方式調(diào)節(jié)光學(xué)信道中的一個(gè)的標(biāo)度來產(chǎn)生非零輸出，也是可能的。因此，如果兩個(gè)輸出被相減，則可能產(chǎn)生具有高靈敏度的傳感器，而如果兩個(gè)輸出 被相加，則可能產(chǎn)生具有低靈敏度的傳感器，并且其中能夠通過調(diào)節(jié)彈簧的相對硬度來定 制靈敏度。為了防止低靈敏度型超標(biāo)度，相移的相加必須在光學(xué)信號被取樣之前進(jìn)行。申請人:的共同未決的專利申請WO 2008/110780和WO 2009/007694描述了通過提 供具有減小的靈敏度的輸出來解決時(shí)分多路復(fù)用光纖感測系統(tǒng)中的超標(biāo)度問題的技術(shù)。所 描述的技術(shù)涉及提供+樹0)形式的響應(yīng)的傳感器，其中^⑴是被感測的參數(shù)，即所 感測的信息表示為疊加在頻率ω。的載波信號上的相位變化。然后可使用本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員眾所周知的技術(shù)來從載波解調(diào)相位信號。時(shí)分多路復(fù)用脈沖干涉光纖傳感器陣列的示 例被提供在上文所引用的申請中。載波頻率通常選擇為尼奎斯特頻率的一半，尼奎斯特頻率則是采樣頻率的一半。 通常，在每個(gè)回程光學(xué)脈沖中進(jìn)行一次采樣，因此采樣頻率是脈沖對發(fā)送到陣列中的速率。 作為示例，采樣頻率可以是大約320ΚΗζ，從而提供了大約160ΚΗζ的尼奎斯特頻率和大約 SOKHz的載波頻率。除了其他因素之外，采樣頻率典型地將具有取決于一個(gè)傳感器或多個(gè)傳 感器的類型和布置的實(shí)際上限。當(dāng)相位調(diào)制載波的瞬時(shí)頻率落在尼奎斯特頻帶之外時(shí)，即當(dāng)
權(quán)利要求
1.一種利用基于相位的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行感測的方法，包括提供表示轉(zhuǎn)換器響應(yīng)的多個(gè)信號，所述多個(gè)信號具有不同的靈敏度；利用所述信號中的至少一個(gè)確定所述轉(zhuǎn)換器響應(yīng)的幅值；以及基于所述值，利用具有不同靈敏度的一個(gè)或多個(gè)信號提供感測的輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中具有三個(gè)或更多個(gè)不同靈敏度的信號被提供。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中最低可用靈敏度信號被用來確定轉(zhuǎn)換器響應(yīng)的 所述值。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中從單個(gè)轉(zhuǎn)換器感測元件獲得多靈敏度信號。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，包括利用脈沖詢問信號來詢問所述轉(zhuǎn)換器，以及對返回 的脈沖進(jìn)行處理，以提供不同的靈敏度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述詢問信號包括多波長的分量。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換器包括復(fù)合傳感器，并且來自 所述復(fù)合傳感器的部分信號在對輸出信號進(jìn)行采樣之前被組合，以便提供不同的靈敏度。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括由所述幅值對在每個(gè)靈敏度水平的信 號，確定超標(biāo)度的水平。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中不經(jīng)受超標(biāo)度的最高靈敏度信號被選擇 用來提供所述感測的輸出。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，包括利用所述選擇的信號來確定較高靈敏度信號已經(jīng) 超標(biāo)度的程度，以及重建所述較高靈敏度信號以提供所述感測的輸出。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，包括對所述選擇的信號增加標(biāo)度以對應(yīng)于經(jīng)受超標(biāo)度 的較高靈敏度，以及用所述已增加標(biāo)度的信號替代經(jīng)受超標(biāo)度的所述較高靈敏度信號。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述已增加標(biāo)度的信號在樣本接樣本的基礎(chǔ)上被 替代。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述已增加標(biāo)度的信號在超標(biāo)度狀況出現(xiàn)后被替 代一段指定的時(shí)期。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述已增加標(biāo)度的信號在待感測的源啟動后被替 代一段指定的時(shí)期。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述已增加標(biāo)度的信號在所述較高靈敏度信號首 次超標(biāo)度和最后超標(biāo)度之間的所有時(shí)間都被替代。
16.一種詢問基于相位的轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)，包括用于對所述轉(zhuǎn)換器的輸入提供詢問信號的源；用于接收來自所述轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)于所述詢問信號的信號輸出的檢測器；以及信號處理器，其用于提供表示轉(zhuǎn)換器響應(yīng)的多個(gè)信號并且適應(yīng)性地利用所述多個(gè)信號 來提供橫跨所感測的信號水平的全部范圍的輸出，所述多個(gè)信號具有不同的靈敏度。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述處理器提供具有至少三個(gè)不同靈敏度的信號。
18.如權(quán)利要求16或17所述的系統(tǒng)，其中所述處理器包括用于選擇所述多個(gè)信號中的 一個(gè)并基于所述選擇的信號確定輸出值的裝置。
19.如權(quán)利要求16、17或18所述的系統(tǒng)，其中所述基于相位的轉(zhuǎn)換器包括光纖傳感器的陣列。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器的陣列是時(shí)分多路復(fù)用的。
21.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述基于相位的轉(zhuǎn)換器是多路復(fù)用的光纖地震陣列。
22.一種校正適于感測從信號源發(fā)射穿過傳播介質(zhì)的信號的傳感器裝置的方法，所述 方法包括(a)提供初始傳感器靈敏度；(b)基于信號的標(biāo)記和已知的傳播條件，確定來自具有所述靈敏度的傳感器的輸出將 超標(biāo)度的范圍；(c)確定將在所述范圍提供所需SNR的最低傳感器靈敏度；(d)重復(fù)步驟(b)和(c)，直至達(dá)到最小的所需范圍。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括根據(jù)在步驟(c)中確定的值設(shè)定所述傳感器裝 置的靈敏度。
24.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述傳感器系統(tǒng)包括多路復(fù)用光纖地震陣列。
25.如權(quán)利要求22至M中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述信號源是高振幅地震源，優(yōu)選 為氣槍。
26.如權(quán)利要求22至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述傳播介質(zhì)為海水，并且其中利 用已知的海洋傳播條件執(zhí)行步驟(b)。
27.如權(quán)利要求22至沈中任一項(xiàng)所述的方法，其中如果從所述初始靈敏度確定的范圍 大于最大的所需范圍，則最大的所需范圍是來自步驟(b)的輸出。
28.一種輸出信號處理器，其適于接收基于相位的傳感器陣列的輸出并提供多個(gè)表示 所感測的參數(shù)的不同靈敏度的信號，其中根據(jù)權(quán)利要求22確定輸出的數(shù)量和靈敏度。
29.一種傳感器系統(tǒng)，包括 光輸入；光纖傳感器的多路復(fù)用陣列，其適于接收所述光輸入并產(chǎn)生相位調(diào)制光輸出； 用于接收所述光輸出的檢測器，所述檢測器包括根據(jù)權(quán)利要求觀所述的輸出信號處理器。
30.一種操作地震陣列的方法，其中從每個(gè)傳感器接收具有不同靈敏度的多個(gè)輸出； 基于所述多個(gè)信號中的一個(gè)或多個(gè)確定所述傳感器輸出的第一值； 基于所確定的所述傳感器輸出的第一值，選擇所述多個(gè)信號中的一個(gè)或多個(gè)； 基于所述一個(gè)或多個(gè)所選擇的信號，得到所述傳感器輸出的最終值；以及 使用來自所述陣列中的傳感器的傳感器輸出的最終值來產(chǎn)生地震信息。
31.一種減少通過將各自從具有不同靈敏度的傳感器響應(yīng)得到的至少兩個(gè)輸出部分組 合起來而形成的傳感器輸出中的噪聲的方法，所述方法包括提供所選擇部分中的噪聲的估 算以及將所述估算限定為橫跨輸出部分連續(xù)。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，還包括從所選擇的部分中減去所述限定的噪聲的估算。
全文摘要
一種利用基于相位的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行感測的方法，其中在靈敏度的多個(gè)不同水平提供轉(zhuǎn)換器響應(yīng)。靈敏度的不同水平被用來產(chǎn)生橫跨信號水平的寬范圍不超標(biāo)度的輸出。這對于結(jié)合用于地震測量的光纖傳感器的多路復(fù)用陣列的使用是特別有用的。還描述了傳感器校正和噪聲減小的方法。
文檔編號G01V1/24GK102124373SQ200980132531
公開日2011年7月13日 申請日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月16日
發(fā)明者J·迪夫雷塔斯, P·J·納什, R·I·克里克莫爾 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司