基本信息
- 項目名稱：
- 多參數(shù)深地光纖探針
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品為一種基于光纖傳感技術的多功能地震監(jiān)測裝置。本作品針對已有地震監(jiān)測儀器測量頻帶窄、環(huán)境適應性差、價格昂貴等缺點，以多種光纖傳感技術為基礎，結合先進的光纖制作工藝，實現(xiàn)了通過單纖對深地振動、溫度、應變參量的無源高精度測量。它具有頻帶寬、環(huán)境適應性強、穩(wěn)定性好、易安裝等優(yōu)點。同時由于光纖傳輸損耗低的固有優(yōu)點，本作品能夠利用多臺機器進行大范圍、立體式的臺網(wǎng)監(jiān)測，除可廣泛應用于地震監(jiān)測外，也可用于石油勘探、地質活動勘察、國防工程等深地狀態(tài)的監(jiān)測工作。
- 詳細介紹：
- 項目背景：5?12汶川大地震，對神州大地造成了重大的創(chuàng)傷，地震的預測再次成為人們最為關心的話題。然而目前人們對于地震波和地震相關參量的探測完全停留在地表，而地震震源往往在地底下數(shù)十千米或更深處，通過深入地下對震源進行探測，無疑將提高地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和有效性，能夠為地震預測提供更加強有力的依據(jù)。 由于光纖傳感器具有耐高溫、耐腐蝕、抗干攏能力強、靈敏度高等優(yōu)點，其在深地探測方面將具有無可比擬的優(yōu)勢?；谶@些優(yōu)點，通過鉆探將光纖傳感頭送至地下2~4千米處，即可高精度地獲得深地地震波、溫度、應力、形變、微電流、靜電、電磁波、水氡含量、地下水位、地下水PH值等有效的深地信息。 系統(tǒng)結構：工作波長為1550nm的分布式反饋激光器（DFB）通過光環(huán)形器，與工作波長為980nm的泵浦源，經980/1550nm±30nm的WDM合波后，由一根傳輸光纜從中央控制端傳入地下的多參量復合傳感頭。兩只激光器由同步電流調制成脈沖光信號。在地下傳感頭中，脈沖光信號首先通過四端口DWDM分波后分別輸入振動、溫度和應變傳感單元。四端口的DWDM采用特殊結構參數(shù)設計，Com口對1550±30nm/980nm光通過，1端口對1550nm±1nm光通過，2端口對1545±3nm(此波長根據(jù)傳感頭設計選擇)/980nm通過，3端口對1552±3nm(此波長根據(jù)傳感頭設計選擇)/980nm通過。DWDM從1端口濾出1550nm光，作為邁克爾遜振動傳感單元的信號光；980nm泵浦光等功率分配后分別從2、3端口輸出，作為溫度、應變激光傳感單元的泵浦光。攜帶了振動波信息的信號光從振動傳感單元返回，再次從1端口輸入DWDM；攜帶了溫度和應變信息的特定波長激光從溫度、應變傳感單元返回，再次從2、3端口輸入DWDM。三個波長的傳感信號經DWDM合波后通過傳輸光纜耦合入WDM，并從1550nm端口濾出，通過光環(huán)形器和3dB光纖耦合器進入光電探測單元。多參量復合傳感頭采用時分復用技術實現(xiàn)對三個參量的同時監(jiān)測。深地參量引起光纖布拉格光柵的中心波長漂移時，光纖布拉格光柵的反射譜與F-P腔濾波器吸收譜相疊加的部分會產生變化，使F-P腔濾波器對布拉格光纖光柵的反射波長的吸收隨波長的改變而改變 ，通過兩只光電高速探測器PD1與PD2接收攜帶了傳感信息的返回信號光，檢測信號的損耗即可對應檢測出波長的變化量。利用雙通道測量法，取通過F-P腔濾波器和未通過F-P腔濾波器兩路信號功率的比值，在不同的時刻分別測得振動、溫度和應變的信息，這樣不僅消除了光源輻射時的起伏影響，而且在一定程度上消除了雜散光引起的不穩(wěn)定性。通過雙通道高速數(shù)據(jù)采集卡采集光電轉化信號，并在計算機中進行數(shù)據(jù)處理及可視化圖形界面顯示，軟件主要功能包括：靈敏度調節(jié)、參數(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)設置和波形顯示，以及發(fā)出預警信號。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 5?12汶川大地震，對神州大地造成了重大的創(chuàng)傷，地震的預測再次成為人們最為關心的話題。然而現(xiàn)有地震監(jiān)測儀器測量頻帶窄、環(huán)境適應性差、價格昂貴。本作品的設計目的為利用光纖傳輸技術優(yōu)點，集成多種光纖傳感技術，發(fā)明一種無源深地光纖探針，實現(xiàn)對地底2~4千米處振動、應變、溫度三個參量的精確測量，實現(xiàn)對深地環(huán)境的實時監(jiān)測。 基本思路：作品由中央控制終端、特制光纜與地下傳感探頭組成。特制光纜與地下傳感探頭構成多功能無源探測結構，完成對振動、溫度、應變的精確傳感。中央控制終端集成了光收發(fā)模塊以及雙通道數(shù)據(jù)自動化采集、處理模塊，與特制光纜、地下傳感探頭構成深地多參數(shù)傳感平臺。 創(chuàng)新點： 1.高精度：本系統(tǒng)的各指標均已達到或超過地震預測的精度要求。 2.多參數(shù)：集成度較高，提高了系統(tǒng)性價比。 3.易組網(wǎng)：維護及應用簡單，能夠充分利用地下管道、廢棄礦井等現(xiàn)有設施實現(xiàn)安裝并組網(wǎng)。 技術關鍵： 1.采用無源探測結構，抗干擾能力強。 2.激光傳感測應變和溫度，精度高。 3.采用雙傳感臂邁克爾遜微振動傳感器測量振動信號，精度高。 4.定制特種光纖，與生產廠商合作開發(fā)，可以使其長期工作的溫度上限為300℃，抗壓上限為20MPa。 技術指標： 1.監(jiān)測距離：100m～10km； 2.測量精度：溫度為0.01°C 應變?yōu)?.1uε 振動為DC~5kHz； 3.響應頻率：100hz～5khz； 4.響應時間：<2s。
科學性、先進性
- 1.適應性強：利用光纖傳感器具有的抗電磁干擾和原子輻射、耐高溫、耐腐蝕等能夠適應極端惡劣環(huán)境的優(yōu)勢，與生產商長飛公司合作，可以制作特種光纖以使光纖傳感器具備更好的適應性和精確度。（特種光纖，能夠適應深地環(huán)境，承受高溫300℃，承受高壓20MPa） 2.高精度解調：利用相位解調和波長解調技術，實現(xiàn)參量的高精度解調。 3.易于組網(wǎng)：應用簡單，能夠充分利用下水道、廢棄的礦井等現(xiàn)有設施實現(xiàn)安裝和組網(wǎng)。 4.體積小、損耗低：該光纖探針體積小，具有靜態(tài)/動態(tài)響應，高靈敏度和高分辨率（0.01%滿量程）等特點，可不受光纖彎曲的影響遠距離傳輸信號，實現(xiàn)工程單位絕對量度適合用到地震探測領域。 5.軟件自適應功能：由于所探測的外界信息的變化，其對采集卡的工作狀態(tài)提出了不同的要求，如地震波的強度每變化一個里氏級數(shù)，其振幅就會改變一個量級。為了能夠以最好的方式采集到所探測的外界信號，軟件實現(xiàn)了對外界變量的自適應功能，即根據(jù)外界信號的變化自動調整采集卡的狀態(tài)，以使其始終工作在最佳狀態(tài)。
獲獎情況及鑒定結果
- 2008年12月，獲得本校“求是杯”全校大學生課外學術科技作品競賽一等獎 2009年6月，獲得省級第七屆“挑戰(zhàn)杯”課外學術科技作品競賽一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實物產品，現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明：利用已有的石油鉆井將多參數(shù)深地光纖探針送至地下十千米處，用解調器對地下傳輸上來的信號解調，便獲得深地各種參數(shù)的信息。 技術特點和優(yōu)勢: 多參數(shù)深地光纖探針具有長距離，分布式，多參數(shù)，多功能，實時性強，集成度高，適應性強等特點。 適應范圍及推廣前景：該作品具有獲取精確深地參量的能力，能廣泛應用于地震監(jiān)測，地下資源勘探如:石油勘探等領域。
同類課題研究水平概述
- 就世界范圍來說，人類目前尚不能深入到高溫、高壓狀態(tài)的地球內部設置觀察儀器來對震源進行直接觀測，地震學家只能在地球表面很淺的內部設置稀疏不均勻的觀測臺站，這樣獲取的數(shù)據(jù)很不完整也不充分，難以據(jù)此推測地球內部震源的情況。地震預測仍處于經驗性的探索階段，總體水平不高， 特別是短期和臨震預測的水平與社會需求相差甚遠。就國內來說，雖然中國地震監(jiān)測臺網(wǎng)已經具一定的監(jiān)測能力，但是對地殼深部的探測，依然處于”入地無門”的狀態(tài)，對地球內部的情況和地震發(fā)生的規(guī)律的認知還十分有限，地震預報水平還將長期處于探索和經驗積累階段，我們目前只能在一定條件下，對某些類型的地震作出一定程度的預報。 地震預報研究可以通過模擬試驗積累判斷地質運動情況的經驗，還可以利用雷達遙感測距衛(wèi)星分析地理數(shù)據(jù)，準確判斷斷層情況，但目前全球雷達遙感測距衛(wèi)星數(shù)量還不夠多。 目前地震檢測手段：壓磁應力監(jiān)測儀和在野生動物園、養(yǎng)豬場、養(yǎng)雞場設立宏觀觀測點，對地表的數(shù)據(jù)：地形變、地下水位、地磁、地應力、地聲、地溫的監(jiān)測，以及經典慣性擺地震儀、深井地聲觀測儀。 經典慣性擺地震儀是地震預報人員的最重要的觀測手段。但是這種儀器很不完善，它是一種運動學元件，只放置在地表沒有與地殼緊密結合，因此所測信號的放大倍數(shù)不是特別大。另外，它受限于自身彈簧-擺系統(tǒng)的自振頻率，頻寬很窄，無法觀測到它的頻帶范圍之外的地殼運動。 深井地聲觀測是將儀器安裝在擾動干擾小的深井中，能記錄到上百公里外的高頻極微震與地聲信息。 地應力監(jiān)測能采集地下一千米左右地層破裂中靜摩擦力、動態(tài)摩擦以及因此而產生的熱量、溫度異常。 本作品即多參數(shù)深地光纖探針是一種多參數(shù)多功能探針，利用光學傳感效應和特殊光纜等器件，能同時，實時監(jiān)測深地環(huán)境信息。多參數(shù)深地光纖探針的傳感距離能達到10km以上，但限于鉆井的深度，安放深度定為2~4千米。而且本產品抗干擾能力強，靈敏度高，探頭封裝的特殊設計使其能適應深地高溫高壓的惡劣環(huán)境。經過系統(tǒng)升級后，本產品能實現(xiàn)對地下2~4千米處溫度、應力、形變、地震波、微電流、靜電、電磁波、水氡含量、地下水位以及地下水PH值等多種參量的分布式監(jiān)測和精確傳感。由于其具有獲取精確深地參量的能力，能廣泛應用于地震監(jiān)測，地下資源勘探如:石油勘探等領域。
