專利名稱：壓力補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)加速計(jì)、光學(xué)傾斜計(jì)和地震傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及光學(xué)加速度和傾斜傳感裝置的領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及用于(但不限于)感測地震能量的光學(xué)加速計(jì)和傾斜計(jì)。
背景技術(shù)：
用于測量參數(shù)(比如加速度、運(yùn)動和/或壓力)的光學(xué)傳感裝置被用于其他許多目的之外還用來探測來自地球地表下的地震能量。地震能量可能是正在自然發(fā)生的，或者可能是出于實(shí)施反射地震勘探目的而由地震能量源傳進(jìn)地球的。探測地震能量可包括探測水體中的壓力、或壓力相對時(shí)間的變化。用來測量這種壓力變化的傳感器被稱為水聽器。探測地震能量還包括探測地球表面之上或近地表面的運(yùn)動?？梢允褂帽环Q為地震檢波器或加速計(jì)的裝置來探測運(yùn)動。地震檢波器信號與運(yùn)動的速度有關(guān)。加速計(jì)產(chǎn)生與運(yùn)動速度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(加速度)有關(guān)的信號。產(chǎn)生與相對于地心引力方向的裝置的相對取向有關(guān)的信號的傾斜計(jì)有時(shí)與其他傳感器結(jié)合用來確定于傾斜計(jì)相關(guān)聯(lián)的任何裝置的地心引力取向。
本領(lǐng)域已知的、對前述物理參數(shù)產(chǎn)生響應(yīng)的傳感器根據(jù)探測的物理參數(shù)生成光學(xué)信號。光學(xué)信號可以是比如反射的波長的變化、相位的變化或者是響應(yīng)物理參數(shù)變化的干涉圖案。
通常，本領(lǐng)域已知的光學(xué)傳感器包括被固定到響應(yīng)被探測的物理參數(shù)變化而改變形狀的裝置上的選定長度的光纖。裝置形狀的改變被轉(zhuǎn)換成光纖長度的變化。光纖長度的變化可通過多種不同光學(xué)測量技術(shù)中的一種來探測。這樣的技術(shù)包括作為在光纖中形成的布拉格光柵的波長變化的結(jié)果的反射的光波長的變化，或者是傳過光纖的光束和傳過被稱為“基準(zhǔn)光纖”的另一條光纖的光束的光耦合?；鶞?zhǔn)光纖可被設(shè)置以使其長度保持基本不變而不用考慮物理參數(shù)的值。來自被固定到裝置上的光纖以及基準(zhǔn)光纖的光束在光學(xué)干涉儀中耦合。在光學(xué)干涉儀中生成的光束的干涉圖案或相位變化與耦合至裝置的光纖長度變化有關(guān)，并因此與正被測量的物理參數(shù)有關(guān)。一般地，干涉儀的輸出被耦合至光電探測器，光電探測器生成與被施加于光電探測器的光幅度有關(guān)的電信號。
纖維光學(xué)水聽器在比如頒發(fā)給Frederick等人的美國專利No.5,625,724中被公開。在Frederick等人的‘724專利中公開的水聽器包括圍繞剛性內(nèi)圓柱纏繞的基準(zhǔn)光纖。柔性材料的固體層被施于基準(zhǔn)光纖上。在被施于基準(zhǔn)光纖上的材料層上，纏繞干涉儀的傳感臂。外層材料足夠柔順以此提供可與背面有氣孔的水聽器的靈敏度相比擬的聲學(xué)靈敏度。
另一個(gè)纖維光學(xué)水聽器在頒發(fā)給Maas等人并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的美國專利No.6,549,488中被公開。按照Maas等人的‘488專利制成的水聽器包括柔性傳感芯軸，它與剛性基準(zhǔn)芯軸共軸并鄰接。第一光纖被繞在柔性傳感芯軸上。第二光纖被繞在基準(zhǔn)傳感芯軸上。第一和第二光纖包含干涉儀的不同臂。撓性封閉構(gòu)件(如O-形環(huán))使柔性傳感芯軸與剛性基準(zhǔn)芯軸密封。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)O-形環(huán)被設(shè)置于靠近傳感芯軸的每個(gè)末端。圓柱支撐構(gòu)件被設(shè)置于傳感芯軸內(nèi)部。至少部分支撐構(gòu)件是與傳感芯軸隔開的，以便在傳感芯軸與支撐構(gòu)件之間提供密封的空腔。密封的空腔被填充了空氣或類似的柔性物質(zhì)。
頒發(fā)給Hofler等人的美國專利NO.5,369,485公開了光學(xué)加速計(jì)，其中彈性盤和預(yù)定的塊被主體所支撐，用于因?yàn)樵诒P的軸向方向上主體的加速度、震動、振動和位移而引起的盤的撓曲。這樣一個(gè)盤或多個(gè)這樣的盤被一對光纖的平螺旋線纏繞，每個(gè)螺旋線被固定地附加在相應(yīng)盤的側(cè)面，以使盤的撓曲延長在一個(gè)盤側(cè)面上的螺旋線而縮短在另一個(gè)盤側(cè)面上的螺旋線。在相對面對的盤側(cè)面上的這樣的螺旋線被連接成纖維光學(xué)干涉儀的相對的支腿，以使干涉儀提供與撓曲幅度相對應(yīng)的輸出。一對“推挽式”螺旋線可相對地設(shè)置于熱傳導(dǎo)盤以此將推挽式螺旋線對之間的溫差減至最小。按照Hofler等人的專利所公開的加速計(jì)，由具有圍繞盤外圍所分布的塊的中心支撐的盤構(gòu)造成。這樣的構(gòu)造據(jù)說對于隔離安裝應(yīng)力以及對于提供多個(gè)用于增加靈敏度的共軸安裝的盤來說是有利的。
頒發(fā)給Tweedy等人的美國專利No.6,650,418所公開的纖維光學(xué)傳感器包括具有一對纖維光學(xué)線圈的撓曲盤，所述的一對纖維光學(xué)線圈被安裝在撓曲盤的相對側(cè)并且光耦合在一起以此形成干涉儀，干涉儀根據(jù)撓曲盤的加速度而產(chǎn)生輸出信號。加速計(jì)包括具有第一和第二端面板的外殼，其側(cè)壁在端面板之間延伸。側(cè)壁具有面向內(nèi)的凹槽，撓曲盤的外邊緣部分被安裝在其中。壓縮阻尼器被安裝在外殼內(nèi)并被布置成可將壓縮力施加于撓曲盤，以此根據(jù)撓曲盤沿傳感軸的加速度來控制其中的運(yùn)動并因此控制輸出信號。
頒發(fā)給Knudsen等人的美國專利No.6,575,033公開了高度敏感的加速計(jì)，該加速計(jì)包括位于外殼內(nèi)、通過相對的支撐構(gòu)件被懸置的塊。支撐構(gòu)件以推挽式布置被交替地繞在一對固定芯軸和塊上。至少支撐構(gòu)件之一的一部分包含了作為支撐構(gòu)件的光纖線圈，用于干涉?zhèn)鞲刑幚怼?br> 當(dāng)前，布置在電纜上的多向敏感(“多元”)的運(yùn)動傳感器連同基本上并置的水聽器已經(jīng)被用在水體底部來海洋地震勘探。這樣的電纜在本領(lǐng)域中被稱為“雙重傳感器OBC”。例如，參見頒發(fā)給Monk的美國專利No.6,314,371，該專利公開了雙重傳感器OBC數(shù)據(jù)的處理方法，其可校正能量入射角、校正估計(jì)的反射率、以及利用最佳分集縮放技術(shù)來組合校正的地震傳感器掃跡。在一個(gè)實(shí)施例中，公開的方法從地震檢波器和水聽器中取出地震掃跡、校正入射角的地震檢波器掃跡、確定用于最佳組合地震檢波器和水聽器掃跡的分集濾波器、應(yīng)用分集濾波器、估計(jì)海洋底部的反射率系數(shù)(潛在地針對不同的反射角)、按照反射率縮放地震檢波器數(shù)據(jù)、以及重新應(yīng)用分集濾波器以獲得組合的掃跡。組合的掃跡被預(yù)期消除了各種偽跡(包括幻影和混響)，并且預(yù)期具有最佳確定的信噪比。
重要的是，運(yùn)動傳感器通常、以及特別地是那些在雙重傳感器OBC中使用的傳感器具有良好的靈敏度、對噪聲相對不敏感、并且對側(cè)向分量信號具有良好的抑制(這意味著運(yùn)動傳感器基本上對沿著除敏感軸向之外的任何方向的運(yùn)動都是不敏感的)。因此，對于具有改進(jìn)的靈敏度、減少的噪音和減少的側(cè)向分量靈敏度的運(yùn)動和/或加速度傳感器存在有持續(xù)的需求。最近，尤其適合供OBC使用的改進(jìn)的光學(xué)加速度傳感器已經(jīng)由Steven J.Maas和D.Richard Metzbower發(fā)明，如在2005年3月31提出并被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的美國專利申請No.11/095860中更充分的描述。這種改進(jìn)的光學(xué)加速度傳感器包括橫梁和固定到該橫梁一側(cè)的至少一條光纖，以使橫梁的偏斜改變光纖的長度。用于感測光纖長度變化的部件功能性地耦合至所述的至少一條光纖。
對基本上所有的本領(lǐng)域已知的、供OBC和其他水下傳感系統(tǒng)使用的運(yùn)動和加速度傳感器的一個(gè)共同限制是它們通常被設(shè)置于耐壓外殼內(nèi)。耐壓外殼適于在比如由較大水深處(接近3000米或以上)傳感器的浸沒導(dǎo)致的高壓下防止水進(jìn)入外殼。這樣的外殼內(nèi)部通常維持在表面大氣壓(大約為1bar)下。作為實(shí)際問題，具有在比如前述浸沒深度處的壓力下將水排除在外的能力的外殼必須由鋼或類似的高強(qiáng)度材料制成，并且必須具有相對較厚的壁形構(gòu)造以此避免壓力之下的壓碎或泄漏。這種結(jié)構(gòu)是昂貴的并且使得任何傳感器系統(tǒng)(如一起使用的OBC)變重并且難以布置。因此，存在有對可浸入到較大水深的改進(jìn)的光學(xué)運(yùn)動傳感裝置的需求，同時(shí)避免用于傳感器的耐壓外殼的建造的費(fèi)用和困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面是光學(xué)加速計(jì)。按照本發(fā)明這個(gè)方面的加速計(jì)包括用于根據(jù)加速度改變至少一條光纖長度的部件。用于感測光纖長度變化的部件功能性地耦合至所述的至少一條光纖。用于改變長度的部件和所述的至少一條光纖被封入壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?nèi)。該外殼充滿了基本上不能壓縮的流體或凝膠。在一個(gè)實(shí)施例中，用于改變的部件包含橫梁。所述的至少一條光纖被固定到橫梁的一側(cè)，以使橫梁的偏斜改變所述的至少一條光纖的長度。
本發(fā)明的另一方面是地震傳感器系統(tǒng)。按照本發(fā)明這個(gè)方面的系統(tǒng)包括至少兩個(gè)加速計(jì)。每個(gè)加速計(jì)包含至少一條光纖和用于根據(jù)加速度改變所述的至少一條光纖的長度的部件。用于感測每個(gè)加速計(jì)中光纖長度變化的部件功能性地耦合至每條光纖。用于改變長度的部件和每個(gè)加速計(jì)中的光纖被封入壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?nèi)。該外殼充滿了基本上不能壓縮的流體。在一個(gè)實(shí)施例中，用于改變長度的部件包含橫梁。每個(gè)加速計(jì)中的所述至少一條光纖被固定到橫梁的一側(cè)以使橫梁的偏斜改變光纖的長度。所述至少兩個(gè)加速計(jì)被定向成以使其對至少部分沿著相互垂直方向上的加速度是敏感的。
本發(fā)明的另一方面是引力定向系統(tǒng)。按照本發(fā)明這個(gè)方面的系統(tǒng)包括三個(gè)加速計(jì)，每個(gè)加速計(jì)包括用于根據(jù)地球引力改變光纖長度的部件。所述至少三個(gè)加速計(jì)的每一個(gè)被定向成以使其對至少部分沿著相互垂直方向上的加速度是敏感的。每個(gè)加速計(jì)中的所述至少一條光纖其上包含布拉格光柵，以使每個(gè)橫梁的偏斜軸向相對于地心引力的取向由被布拉格光柵反射的光的波長變化的測量是可確定的。通過如此測量布拉格光柵的長度的變化，每個(gè)加速計(jì)以及因此該系統(tǒng)相對于地心引力的取向是可確定的。用于改變長度的部件和每個(gè)加速計(jì)中的光纖被封入壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿ぁＴ撏鈿こ錆M了基本上不能壓縮的流體。
根據(jù)下面的描述以及所附的權(quán)利要求，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。


圖1示出的是按照本發(fā)明的加速計(jì)的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖2示出的是圖1所示加速計(jì)的俯視圖。
圖3示出的是加速計(jì)的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖4示出的是多元地震傳感器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的斜視圖。
圖5示出的是在各種加速計(jì)實(shí)施例中用來確定光纖長度變化的干涉儀的一個(gè)實(shí)施例。
圖5A示出的是干涉儀的備選布置。
圖6示出的是在兩個(gè)縱向末端被支撐的加速計(jì)橫梁。
圖7示出的是用來確定加速計(jì)的引力定向(傾斜計(jì))的光學(xué)探測系統(tǒng)的實(shí)施例。
圖8示出的是加速計(jì)橫梁的一個(gè)特定實(shí)施例。
圖9示出的是傾斜計(jì)的備選實(shí)施例。
圖10示出的是在被安裝在按照圖4的傳感器系統(tǒng)時(shí)的圖9所示傾斜計(jì)的實(shí)施例。
圖11示出的是傾斜計(jì)的備選實(shí)施例。
圖11A示出的是以圖11所示的裝置類似的原理工作的傾斜計(jì)的備選實(shí)施例。
圖12示出的是包括如圖11所示傾斜計(jì)的示范的多元地震傳感器系統(tǒng)。
圖13示出的是壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿さ囊粋€(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
通常，按照本發(fā)明各個(gè)方面的加速計(jì)根據(jù)隨加速度改變光纖長度的原理工作。按照本發(fā)明的各個(gè)方面，用于根據(jù)加速度改變光纖長度的部件功能性地耦合至光纖。用于改變光纖長度的部件和光纖被封入壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?nèi)。壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿ぬ顫M了基本上不可壓縮的流體。
可在本發(fā)明特定實(shí)施例中使用的光學(xué)加速計(jì)的某些實(shí)施例根據(jù)偏斜橫梁的原理工作，其中橫梁通常在其縱向末端被支撐。在其縱向末端支撐橫梁基本上防止了在與橫梁平面橫著的任何方向上的橫梁撓曲。圖1示出的是加速計(jì)橫梁組件10的一個(gè)實(shí)施例，加速計(jì)橫梁組件10包括橫梁12，橫梁12可由塑料或者是在加速過程中服從彈性應(yīng)變的其他適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?。橫梁12具有圖1所示的尺寸，12X是長度或縱向尺寸，12Z是厚度尺寸。橫梁12的平面是在與厚度尺寸12Z橫著的方向上。尺寸12X和12Z的應(yīng)當(dāng)選擇成使得厚度12Z方向上(也就是，與橫梁12的平面橫著的方向上)的撓曲相對自由，同時(shí)基本上防止了橫梁沿著縱向尺寸12X的任何撓曲。圖1所示的實(shí)施例包括被固定到橫梁12的一面或一側(cè)的光纖14。將光纖14固定到橫梁12可通過膠粘劑結(jié)合或類似的技術(shù)來實(shí)施。
在圖1的實(shí)施例中，所示的第二光纖16被固定到橫梁12的相對一面。當(dāng)橫梁12在加速過程中沿著厚度12Z的方向偏斜時(shí)，取決于橫梁12偏斜的方向，光纖14、16被伸展或壓縮。一條光纖14的伸展和壓縮與另一條光纖16的伸展和壓縮是極性相反的，這是因?yàn)樗鼈儽辉O(shè)置在橫梁12的相對兩側(cè)。這樣的布置被稱為光纖的“推挽式”連接。
來自與施于其上的加速度有關(guān)的加速計(jì)的信號通過確定光纖14(如果只有一條光纖被使用的話)或兩條光纖14、16(如果兩條這樣的光纖被使用的話)的長度變化而生成。在實(shí)際的實(shí)施例中，光纖長度變化的測量可通過光學(xué)干涉儀來實(shí)施。作為光學(xué)干涉儀的一部分以此生成加速度響應(yīng)信號的光纖14、16的光學(xué)連接和使用將在下面參考圖5和圖5A進(jìn)行解釋。應(yīng)當(dāng)理解，只需要一條被固定到橫梁的一面或另一面的光纖(如光纖14或16)用來使加速計(jì)起作用。與單光纖實(shí)施例所期望的靈敏度相比，圖1和2的雙光纖實(shí)施例的目的是為了具有增加的靈敏度并且衰減比如由非并置的基準(zhǔn)臂或補(bǔ)償干涉儀產(chǎn)生的其他噪聲源。
圖2示出的是加速計(jì)橫梁組件10的俯視圖。橫梁12具有寬度尺寸12Y。如圖2所示，光纖16以一般的橢圓形狀可被布置在橫梁12的表面周圍以此使得沿縱向尺寸(圖1的12X)設(shè)置的光纖的量最大，同時(shí)使得光纖16內(nèi)的彎曲度最小以便使光纖16中的光損失最小。寬度尺寸12Y應(yīng)當(dāng)被選擇成使橫梁12沿寬度方向具有足夠的剛性以此抵抗撓曲，但是其剛性不能太大以便促使在斜加速過程中橫梁12內(nèi)任何明顯程度的彎曲或扭曲。
如圖3所示，加速計(jì)橫梁組件的另一個(gè)實(shí)施例可包括被固定到橫梁12的一面或兩面、并且通常位于其中心的反應(yīng)塊(reactionmass)18、20。在任何給定的加速度的量的條件下，塊18、20增加了橫梁12的偏斜量，并且因此增加了加速計(jì)的總靈敏度。
實(shí)際的多元地震傳感器系統(tǒng)可由多個(gè)加速計(jì)制成，如參考圖1至3所作的解釋。圖4示出的是這樣的多元地震傳感器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。該系統(tǒng)包括三個(gè)光學(xué)加速計(jì)10X、10Y、10Z，每一個(gè)被定向成以使其敏感方向沿著與另兩個(gè)加速計(jì)的敏感方向相互垂直的方向。使加速計(jì)相互垂直便于確定被探測的地震能量是來源于哪一個(gè)方向，然而，應(yīng)當(dāng)理解，加速計(jì)的互相垂直性在地震傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是一件便利的事情。加速計(jì)的敏感軸的其他布置被用于不同的實(shí)施例，同時(shí)維持確定地震能量起源的方向的能力。
加速計(jì)10X、10Y、10Z可被安裝進(jìn)框架22中，用于壓力補(bǔ)償外殼內(nèi)的簡便組件。將框架22和加速計(jì)封入這樣的外殼是為了用于將加速計(jì)浸入水中。當(dāng)系統(tǒng)被用于海洋地震勘探系統(tǒng)或用于永久性傳感器安裝(如將在海底或井筒上使用時(shí))時(shí)，加速計(jì)將經(jīng)歷這種情形下的浸沒。在下面參考圖13將對該外殼作進(jìn)一步的解釋。
在圖5的29處示出的是用來根據(jù)橫梁偏斜而生成加速度響應(yīng)信號的光學(xué)干涉儀以及相關(guān)部件的一個(gè)實(shí)施例。固定到橫梁(圖1的12)相對兩側(cè)的光纖14、16各示出為一端光耦合至分束器26而在另一端耦合至組合器28。光源(如激光二極管24)耦合至分束器26的輸入端并向每條光纖14、16提供激光。光電探測器30耦合至干涉儀29的輸出端并產(chǎn)生與在干涉儀29中生成的光信號相對應(yīng)的電信號。因此，在加速過程中沿厚度方向(圖1中的12Z)的橫梁12(圖1的12)的偏斜被轉(zhuǎn)換成電信號。取決于地震傳感器系統(tǒng)的特定布置，激光二極管24和光電探測器30可被設(shè)置于地球表面或水面，并且分束器26和組合器28被設(shè)置于加速計(jì)(圖1中的12)附近。然而，其他實(shí)施例可將激光二極管和分束器放置于干涉儀附近，例如放進(jìn)框架(圖4中的22)中。圖5所示的光學(xué)干涉儀系統(tǒng)通常被稱為馬赫-曾德干涉儀。
另外，如圖5A所示，可使用邁克耳孫干涉儀。邁克耳孫干涉儀29A通過在每條光纖14、16的遠(yuǎn)端使用反射鏡31A和31B代替組合器(圖5中的28)而制成。通過光纖14、16的光束被反射鏡31A、31B反射回來。反射回來的光束在分束器26A中重組，以使相移和/或干涉圖案被光電探測器30所探測。
可與加速計(jì)的各種實(shí)施例一起使用的干涉儀的其他類型包括法布里-珀羅和沙哥納克干涉儀。在使用法布里-珀羅干涉儀的實(shí)施例中，被固定到橫梁一面或相對面的光纖(圖1中的14或16)可被除去。余下的光纖(圖1中的16或14)其上可包括布拉格光柵，其中光纖被固定到橫梁(圖1中的12)以使能夠通過測量穿過光纖反射回來的光的波長變化來確定光纖長度的變化。因此，用于各種實(shí)施例的特定的干涉儀系統(tǒng)不是對本發(fā)明范圍的限制。布拉格光柵在一條或兩條光纖14、16上的特定應(yīng)用在下面將參考圖8進(jìn)行解釋。
圖6示出的是橫梁12以及在橫梁12的縱向末端的支撐體32的側(cè)視圖。通過在其縱向末端支撐橫梁12并通過適當(dāng)?shù)某叽?圖1中的12X、12Z以及圖2中的12Y)，橫梁12的撓曲基本上受厚度尺寸(圖1中的12Z)的限制。因此，限制橫梁12的撓曲為加速計(jì)橫梁組件(圖1中的10)提供了高度的側(cè)向分量抑制或不敏感性。如圖1所示，加速計(jì)的初始估計(jì)表示了大于30dB的側(cè)向分量抑制。
如易于意識到的，在兩個(gè)縱向末端剛性地、固定地支撐橫梁12可提供高度的側(cè)向分量抑制，但是可限制在厚度方向上的橫梁偏斜量(以及因此限制了靈敏度)。在這個(gè)情形中，橫梁偏斜可被限制，因?yàn)槿绻麢M梁在兩端是被剛性地、固定地支撐，橫梁必須沿縱向方向(圖1中的12X)延長。為了增加偏斜量同時(shí)維持高的側(cè)向分量抑制，如圖8所示的布置可用來在其縱向末端支撐橫梁12。在一端的安裝孔13可配上有頭螺釘或類似物。另一端可包括延長的開口15以使在撓曲過程中，當(dāng)縱向尺寸按一定的比例量被減小時(shí)，橫梁12的另一端可以自由地在縱向上移動，但是基本上不會是在與縱向橫著的方向上移動。
圖7示出的是特定實(shí)施例，該實(shí)施例可用來確定加速計(jì)相對于地心引力的取向并進(jìn)行加速度測量。光纖14A包括其上的布拉格光柵14B。光纖14A可被固定到基本如參考圖1說明的橫梁上。光源24A(如激光二極管)通過分束器25光耦合至光纖14A的一端。光纖14A可包括在其另一端的反射鏡17。光電探測器30耦合至分束器25的另一輸出端。光電探測器30的輸出端耦合至光譜分析器31。因此，被布拉格光柵14B反射的光的波長與布拉格光柵14B的伸長度有關(guān)。加速計(jì)通過校準(zhǔn)在零引力和完整(unity)(100％引力)引力下布拉格光柵反射的波長，可用來確定其中的取向。通過公知的三角關(guān)系，反射的光波長的測量可與加速計(jì)相對于引力的取向有關(guān)。
在本實(shí)施例中，加速計(jì)可通過定向橫梁(圖1中的12)而被校準(zhǔn)至零引力，以使橫梁(圖1中的12)的厚度尺寸(圖1中的12Z)或偏斜以橫著地心引力的方向被定向。被布拉格光柵14B反射的光的波長通過光譜分析器31而被測量。接著，橫梁被定向以使其偏斜方向(圖1中的12Z)直接沿著地心引力的方向，并且被布拉格光柵14B反射的光的波長再次被測量。當(dāng)光纖14A被橫梁的偏斜延長時(shí)，被布拉格光柵14B反射的光的波長將改變，并且作為結(jié)果而使布拉格光柵14B延長。加速計(jì)相對于地心引力的相對取向?qū)⒁虼伺c被布拉格光柵14B反射的光的波長有關(guān)。參考圖8描述的光學(xué)部件可作為獨(dú)立的光纖被包括在任何特定的加速計(jì)內(nèi)，或者如圖8所示，可被包括在用于加速計(jì)傳感器的同一光纖內(nèi)。
如圖4所示，在多元傳感器系統(tǒng)中，三個(gè)互相垂直的加速計(jì)可各自包括其上具有布拉格光柵的光纖。如圖9所示，可使用相關(guān)的光學(xué)部件能夠確定光柵長度變化。在圖9的實(shí)施例中，單光纖33可包括在其上的三個(gè)獨(dú)立的布拉格光柵35、37、39。正如將參考圖10所解釋的，每個(gè)布拉格光柵35、37、39被固定到三個(gè)加速計(jì)橫梁的其中一個(gè)上。基于相應(yīng)加速計(jì)橫梁相對于地心引力的取向，每個(gè)布拉格光柵35、37、39將被延長，并因此反射光的特定波長。因此，傳感器系統(tǒng)的取向可通過三個(gè)布拉格光柵35、37、39中的每一個(gè)的布拉格光柵輸出的波長的測量而被推斷出，并因此推斷出每個(gè)加速計(jì)相對于引力的取向。整個(gè)傳感器系統(tǒng)相對于引力的取向可利用公知的三角關(guān)系根據(jù)三個(gè)獨(dú)立的加速計(jì)引力分量測量來確定。如圖3所示，按照圖9的實(shí)施例的加速計(jì)橫梁的某些實(shí)施例可包括一個(gè)或多個(gè)耦合于此的反應(yīng)塊。
圖10示出的是圖9的傾斜計(jì)的單光纖實(shí)施例，其中光纖33內(nèi)的每個(gè)布拉格光柵35、37、39被固定到加速計(jì)橫梁12Y、12Z、12X中相對應(yīng)的一個(gè)。每個(gè)橫梁12Y、12Z、12X的偏斜與每個(gè)橫梁相對于地心引力的取向有關(guān)。如果特定橫梁相對于引力是橫著的，則其相對于引力的偏斜將基本上為零。當(dāng)加速計(jì)橫梁的偏斜方向基本上與地心引力一致時(shí)，最大偏斜以及相關(guān)布拉格光柵的長度的相應(yīng)變化將發(fā)生。通過公知的公式利用地心引力的垂直分量的測量可推斷取向。在圖10的實(shí)施例中，加速計(jì)橫梁可基本垂直地定向。正如參考圖1-4所解釋的，其他實(shí)施例可包括每個(gè)布拉格光柵的獨(dú)立光纖，或者可包括用于感測地震能量的一種或多種類型的干涉儀的同一感測光纖上的布拉格光柵。
如圖11所示，通過塊直接地加載光纖布拉格光柵，傾斜計(jì)50的另一個(gè)實(shí)施例可提供光纖布拉格光柵中相對于地心引力的增加的應(yīng)變。這種直接的塊加載可增加傾斜測量的精度。如圖11所示，作為由地心引力產(chǎn)生的力的結(jié)果，直線軸承或某些其它高精度約束裝置47使塊42、43沿著框架或桿40滑動。將其上具有布拉格光柵的光纖44耦合至軸承47、并因此操作地耦合至塊42和43、以及將前檔塊或減震器41添加到允許塊行進(jìn)的桿40部分的每一端，可使布拉格光柵45被塊43、42的其中一個(gè)拉緊，而不用考慮裝置相對于引力的取向。例如，在圖11所示的取向中，上部的塊42被減震器41阻止，而下部的塊43在引力牽引下可移動以便拉緊光纖44。如果加速計(jì)被旋轉(zhuǎn)以使下部的塊43位于上部的塊42的上方，則下部的塊43將被減震器41阻止，并且上部的塊42在被引力加載時(shí)將移動。如圖11所示，直接拉光纖44可導(dǎo)致布拉格光柵45中更多的應(yīng)變、產(chǎn)生更大的波長移動。因?yàn)閴K42、43沿直線軸承上的桿40行進(jìn)，所以除了沿桿40之外，塊42、43的移動基本上被阻止了。通過限制塊42、43沿桿40的移動，傾斜計(jì)50基本上只對沿桿40的長度所產(chǎn)生的加速度分量(即地球引力)是敏感的，并因此具有較高的側(cè)向分量抑制。如上面參考圖9所解釋的，圖11所示的傾斜計(jì)50可基本上被校準(zhǔn)。
通常以與如圖11所示裝置的相同的原理工作的傾斜計(jì)的可選布置在圖11A中被示意性地示出。塊42A沿桿40A通過直線軸承47A被懸置，以使塊42A可沿桿40A的方向移動，但是在任何其他方向上的移動基本上被制止。其上具有布拉格光柵45A的光纖44A耦合至塊42A，以使塊42A沿光纖44A被設(shè)置于兩個(gè)光纖懸點(diǎn)44B之間。光纖44A也被固定到懸點(diǎn)44B之間。當(dāng)引力作用于塊42A上時(shí)，它會拉光纖44A并使其長度改變，這個(gè)長度變化通過布拉格光柵45A的光反射波長的變化是可探測的。按照操作和校準(zhǔn)原理，圖11A中所示的裝置基本上類似于圖11中所示的裝置進(jìn)行操作。圖11A所示的實(shí)施例具有如圖11所示裝置那樣只利用單個(gè)塊并且無需減震器就可在相對于引力的任何取向上都可操作的優(yōu)點(diǎn)。
圖12示出的是包括三個(gè)相互垂直的傾斜計(jì)50X、50Y、50Z以及三個(gè)互相垂直的加速計(jì)10X、10Y、10Z的多元地震傳感器系統(tǒng)的實(shí)施例。圖12系統(tǒng)的操作原理與圖10所示系統(tǒng)的操作原理相似，然而，傾斜計(jì)50X、50Y、50Z是參考圖11所解釋的類型的傾斜計(jì)。標(biāo)記X、Y和Z與傳感器系統(tǒng)的單個(gè)敏感軸有關(guān)，這些標(biāo)記按照慣例標(biāo)記以使通常水平設(shè)置的軸為X和Y，垂直設(shè)置的軸為Z。如同其他實(shí)施例那樣，例如參考圖4和10所作的解釋那樣，可將系統(tǒng)設(shè)置于框架22內(nèi)。
正如參考圖13將要解釋的，光學(xué)加速計(jì)和傾斜計(jì)的任何實(shí)施例以及其他類型的光學(xué)加速計(jì)可被封入壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?nèi)。外殼122可以是塑料、橡膠或具有相對薄壁形的金屬外殼，該外殼適合于充滿基本上不能壓縮的材料106，如油、或其他流體、或凝膠。為了界定本發(fā)明的范圍，稱為“凝膠”的材料比如可以由與交聯(lián)聚合體混合的基于碳?xì)浠衔锏挠椭瞥?。這種類型的材料以及稱為“凝膠”的其他材料在填充地震拖纜領(lǐng)域中是已知的。比如可包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)加速計(jì)或傾斜計(jì)(包括上面參考圖1-12所描述的那些光學(xué)加速計(jì)或傾斜計(jì))的框架22可以被固定安裝進(jìn)外殼122的內(nèi)部。外殼122包括壓力補(bǔ)償器100，用來使外殼122內(nèi)部的流體壓力基本上匹配外殼122外部的環(huán)境壓力。在圖13所示的實(shí)施例中，壓力補(bǔ)償器100可包括移動設(shè)置于氣缸101內(nèi)的活塞102，而氣缸101被設(shè)置于外殼122的內(nèi)部，以使活塞102的一側(cè)與外殼122的外部流體連通，以及活塞102的另外一側(cè)與外殼122的內(nèi)部流體連通?；钊?02可以通過O形環(huán)104或類似的密封元件相對氣缸101的內(nèi)部被密封以此減少通過活塞102的流體泄漏。當(dāng)外殼122外部的壓力增加時(shí)，導(dǎo)致活塞102向內(nèi)部移動，相應(yīng)地壓縮外殼122內(nèi)部的流體106。當(dāng)外部壓力減小時(shí)，相應(yīng)的活塞102反向移動發(fā)生。壓力補(bǔ)償器100因此起到易于將外殼122外部的壓力變化傳遞至外殼122內(nèi)部的用途以便于平衡其中的壓力，同時(shí)基本上使填充材料106保留在外殼122內(nèi)。壓力補(bǔ)償器的其他實(shí)施例可包括彈性囊或類似物。通過維持外殼122內(nèi)部的流體壓力基本上等于外殼122外部的流體壓力，能夠構(gòu)建外殼122，而不必如在其內(nèi)部具有大氣壓力(大約為1bar)的常規(guī)的耐壓密封外殼情形下所要求的那樣使其足夠堅(jiān)固以此在較高外部壓力下抵抗壓碎。
在比如參考圖13所解釋的實(shí)施例中，對于光學(xué)加速計(jì)部件(如橫梁和光纖)和任何干涉儀部件來說，最好是將其設(shè)置于外殼122內(nèi)以用環(huán)氧樹脂或類似的封裝化合物封裝起來，從而防止流體進(jìn)入這樣的部件中。
設(shè)置于壓力補(bǔ)償外殼內(nèi)的光學(xué)加速計(jì)和由此制成的傳感系統(tǒng)可提供光學(xué)加速計(jì)的改進(jìn)性能，用于探測作為地震能量的這樣的加速度，同時(shí)利用相對較輕、便宜的外殼使得傳感器能夠被布置于深海水中。
雖然已經(jīng)就有限數(shù)量的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的那些從這個(gè)公開內(nèi)容中獲益的技術(shù)人員將會意識到，可設(shè)計(jì)其他的、沒有背離如這里所公開的本發(fā)明范圍的實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)只受限于所附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種壓力補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)加速計(jì)，包含至少一條光纖，被固定到用于根據(jù)加速度改變光纖長度的部件；用于感測所述至少一條光纖的長度變化的部件；以及壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?，用于改變長度的所述部件和所述至少一條光纖被設(shè)置于所述外殼內(nèi)，所述外殼充滿了基本上不能壓縮的流體或凝膠的至少其中一種。
2.如權(quán)利要求1所述的加速計(jì)，其中用于改變長度的所述部件包含橫梁，所述至少一條光纖耦合至所述橫梁以使所述橫梁的偏斜改變所述至少一條光纖的長度。
3.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，還包含附加的光纖，所述附加的光纖被固定到所述橫梁的另一側(cè)以使所述橫梁的偏斜改變所述附加的光纖的長度，所述附加的光纖長度的變化與被固定到所述橫梁的一側(cè)的所述至少一條光纖的長度變化極性相反。
4.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，還包含被固定到所述橫梁的塊，以使所述橫梁的偏斜的大小關(guān)于施加在所述橫梁上的加速度的大小而增加。
5.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，其中用于感測的所述部件包含邁克耳孫干涉儀。
6.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，其中用于感測的所述部件包含法布里-珀羅干涉儀。
7.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，其中用于感測的所述部件包含馬赫-曾德干涉儀。
8.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，還包含光波長傳感器，所述光波長傳感器光耦合至所述至少一條光纖，并且其中所述至少一條光纖其上包含布拉格光柵，以使所述橫梁的偏斜軸相對于地心引力的取向通過由所述布拉格光柵反射的光的波長變化的測量而是可確定的。
9.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，還包含第二光纖，所述第二光纖被固定到所述橫梁以使所述橫梁的偏斜改變所述第二光纖的長度，所述第二光纖其上具有布拉格光柵，所述第二光纖光耦合至波長探測器以使所述加速計(jì)相對于地心引力的取向通過由所述布拉格光柵反射的光的波長變化的測量而是可確定的。
10.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，其中所述橫梁在其至少一個(gè)縱向末端被支撐。
11.如權(quán)利要求2所述的加速計(jì)，其中所述橫梁在其兩個(gè)縱向末端被支撐，至少一個(gè)縱向末端被支撐以便在所述橫梁被偏斜時(shí)能夠縱向移動。
12.如權(quán)利要求1所述的加速計(jì)，其中所述外殼包含活塞，所述活塞在一側(cè)與所述外殼內(nèi)部液壓連通并且在其另外一側(cè)與所述外殼外部液壓連通，以便于向所述外殼提供壓力補(bǔ)償。
13.一種多元地震傳感器系統(tǒng)，包含至少兩個(gè)加速計(jì)，每個(gè)加速計(jì)包含至少一條光纖，所述至少一條光纖被固定到用于根據(jù)加速度改變所述光纖的長度的相應(yīng)部件，所述至少兩個(gè)加速計(jì)被定向成以使其對至少部分沿著相互垂直方向的加速度是敏感的；用于感測每個(gè)所述加速計(jì)中所述光纖長度變化的部件；以及壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?，每個(gè)加速計(jì)被設(shè)置于所述外殼內(nèi)，所述外殼充滿了基本上不能壓縮的流體和凝膠的至少其中一種。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中用于改變長度的所述部件的每一個(gè)包含橫梁，并且其中所述每條光纖被固定到所述相應(yīng)橫梁的一側(cè)，以使所述橫梁的偏斜改變固定于此的所述光纖的長度。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)加速計(jì)還包含附加的光纖，被固定到所述橫梁的另一側(cè)以使所述橫梁的偏斜改變所述附加光纖的長度，所述附加光纖的長度變化與被固定到所述橫梁一側(cè)的所述至少一條光纖的長度變化極性相反。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包含被固定到每個(gè)橫梁的塊，以使每個(gè)橫梁的所述偏斜的大小關(guān)于施加在每個(gè)橫梁上的加速度的大小而增加。
17.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中用于感測的所述部件包含邁克耳孫干涉儀。
18.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中用于感測的所述部件包含法布里-珀羅干涉儀。
19.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中用于感測的所述部件包含馬赫-曾德干涉儀。
20.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包含光波長傳感器，所述光波長傳感器光耦合至每個(gè)加速計(jì)中的所述至少一條光纖，并且其中每個(gè)加速計(jì)中的所述至少一條光纖其上包含布拉格光柵，以使每個(gè)橫梁的偏斜軸相對于地心引力的取向通過由每個(gè)布拉格光柵反射的光的波長變化的測量而是可確定的。
21.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包含三個(gè)加速計(jì)，每個(gè)加速計(jì)包含橫梁和被固定到所述橫梁一側(cè)的至少一條光纖以使所述橫梁的偏斜改變所述光纖的長度，所述至少三個(gè)加速計(jì)被定向成以使其對至少部分沿著相互垂直方向的加速度是敏感的；用于感測每個(gè)所述加速計(jì)中所述光纖長度的變化的部件；以及其中每個(gè)加速計(jì)中的所述至少一條光纖其上包含布拉格光柵，以使每個(gè)橫梁的偏斜軸相對于地心引力的取向通過由所述布拉格光柵反射的光的波長變化的測量而是可確定的，以使所述系統(tǒng)相對于地心引力的取向是可確定的。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)加速計(jì)中的所述光纖是相同的光纖，所述相同的光纖其上具有布拉格光柵，其中所述相同的光纖被固定到每個(gè)橫梁，每個(gè)布拉格光柵反射選擇的光的波長。
23.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)橫梁在其兩個(gè)縱向末端被支撐，至少一個(gè)縱向末端被支撐以便使每個(gè)橫梁被偏斜時(shí)能夠縱向移動。
24.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述外殼包含活塞，所述活塞在一側(cè)與所述外殼內(nèi)部液壓連通并且在其另外一側(cè)與所述外殼外部液壓連通，以便于向所述外殼提供壓力補(bǔ)償。
25.一種引力定向系統(tǒng)，包含三個(gè)加速計(jì)，每個(gè)加速計(jì)包含橫梁和被固定到所述橫梁一側(cè)的至少一條光纖以使所述橫梁的偏斜改變所述光纖的長度，所述三個(gè)加速計(jì)被定向成以使其對至少部分沿著相互垂直方向的加速度是敏感的；位于每個(gè)加速計(jì)中的所述至少一條光纖上的布拉格光柵；用于測量由每個(gè)布拉格光柵反射的光的波長的部件，以使每個(gè)橫梁的偏斜軸相對于地心引力的取向通過由所述布拉格光柵反射的光的波長變化的測量而是可確定的，以使所述系統(tǒng)相對于地心引力的取向可確定；以及壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿ぃ鋈齻€(gè)加速計(jì)被設(shè)置于所述外殼內(nèi)，所述外殼充滿了基本上不能壓縮的流體。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中三個(gè)加速計(jì)是相互垂直的。
27.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)加速計(jì)橫梁其上包含反應(yīng)塊。
28.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)橫梁在其兩個(gè)縱向末端被支撐，至少一個(gè)縱向末端被支撐以便使每個(gè)橫梁被偏斜時(shí)能夠縱向移動。
29.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述外殼包含活塞，所述活塞在一側(cè)與所述外殼內(nèi)部液壓連通并且在其另外一側(cè)與所述外殼外部液壓連通，以便于向所述外殼提供壓力補(bǔ)償。
30.一種引力定向傳感器，包含至少一條光纖，其上具有布拉格光柵，所述光纖操作地耦合至塊，所述塊被安裝在框架中以便所述框架相對于地心引力的取向使地心引力作用于所述塊，所述光纖與所述塊的操作耦合被布置成以使由所述光纖上的所述光柵反射的波長變化與地心引力在所述塊上的作用相對應(yīng)；用于測量波長變化或所述布拉格光柵的周期的部件；以及壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?，所述至少一條光纖、所述塊和所述框架被設(shè)置于所述外殼內(nèi)，所述外殼充滿了基本上不能壓縮的流體。
31.如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中所述塊通過直線軸被承懸置在所述框架上。
32.如權(quán)利要求30所述的傳感器，還包含減震器，所述減震器被設(shè)置于所述框架上以使地心引力的作用將導(dǎo)致所述布拉格光柵的長度的相應(yīng)變化，而不用考慮所述框架相對于引力的取向。
33.如權(quán)利要求30所述的傳感器，還包含取向基本垂直的三個(gè)框架；每個(gè)都操作地耦合至各自的框架之一的三個(gè)塊，以使地心引力作用于每個(gè)塊與相應(yīng)的框架相對于引力的取向有關(guān)，所述塊被布置成可沿相應(yīng)的框架基本上直線移動；操作耦合至每個(gè)塊的布拉格光柵；以及用于測量每個(gè)布拉格光柵的長度變化的部件。
34.如權(quán)利要求33所述的傳感器，其中在單個(gè)光纖上形成所述三個(gè)布拉格光柵。
35.如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中所述外殼包含活塞，所述活塞在一側(cè)與所述外殼內(nèi)部液壓連通并且在其另外一側(cè)與所述外殼外部液壓連通，以便于向所述外殼提供壓力補(bǔ)償。
36.一種多元地震傳感器系統(tǒng)，包含三個(gè)加速計(jì)，每個(gè)加速計(jì)包含橫梁和被固定到所述橫梁一側(cè)的至少一條光纖以使所述橫梁的偏斜改變所述光纖的長度，所述三個(gè)加速計(jì)被定向成以使其對至少部分沿著相互垂直方向的加速度是敏感的；用于感測每個(gè)所述加速計(jì)中的所述光纖的長度變化的部件；三個(gè)框架，每個(gè)框架具有與所述加速計(jì)之一的敏感方向基本對準(zhǔn)的方向；三個(gè)塊，每個(gè)塊被操作地耦合至各自的框架之一，以使地心引力作用于每個(gè)塊與相應(yīng)框架相對于引力的取向有關(guān)，所述塊被布置成可沿相應(yīng)框架基本上直線地移動；操作地耦合至每個(gè)塊的布拉格光柵；用于測量每個(gè)布拉格光柵的長度變化的部件；以及壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿ぃ鋈齻€(gè)加速計(jì)、所述三個(gè)框架和所述三個(gè)塊被設(shè)置于所述外殼內(nèi)，所述外殼充滿了基本上不能壓縮的透聲材料。
37.如權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述外殼包含活塞，所述活塞在一側(cè)與所述外殼內(nèi)部液壓連通并且在其另外一側(cè)與所述外殼外部液壓連通，以便于向所述外殼提供壓力補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓力補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)加速計(jì)、光學(xué)傾斜計(jì)和地震傳感器系統(tǒng)，其中光學(xué)加速計(jì)包括用于根據(jù)加速度改變至少一條光纖長度的部件，用于改變長度的所述部件功能性地耦合至所述至少一條光纖。光纖和用于改變長度的部件被封入壓力補(bǔ)償?shù)耐鈿?。該外殼充滿了基本上不能壓縮的流體或凝膠。
文檔編號G01V1/16GK101038297SQ200710085249
公開日2007年9月19日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者S·J·馬斯 申請人:Pgs地球物理公司