УДК 550.8.08+535.92

PACS 91.30.–f


Использование волоконно-оптических линий связи
с фазочувствительным рефлектометром
для регистрации сейсмических колебаний


© 2020 г. Д.А. Ильинский1,2, А.Э. Алексеев3,4, О.Ю. Ганжа2,
Д.Е. Симикин3,4, М. Оджа5


1 Московский физико-технический институт (государственный университет),
г. Долгопрудный, Московская обл., Россия

2 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва, Россия

3 ООО “Петрофайбер”, г. Москва, Россия

4 Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,
г. Фрязино, Московская обл., Россия

5 Совет по научным и промышленным исследованиям – Национальный геофизический
исследовательский институт, Хайдарабад, Индия

Автор для переписки: Д.А. Ильинский, e-mail: dilinskiy61@mail.ru


Аннотация. Методы регистрации и измерения распределенных акустических и вибрационных воздействий с помощью оптического волокна начали бурно развиваться с 2005 г. Одним из современных методов распределённых измерений динамических воздействий на оптическое волокно является когерентная фазочувствительная рефлектометрия, в основе которой лежит регистрация и анализ обратного рэлеевского рассеяния. Оптические импульсы с некоторым временным интервалом запускаются в оптическое волокно. Часть излучения, рассеянная в обратном направлении, регистрируется приемным оптическим модулем. Деформация волокна, обусловленная вибрационными или сейсмическими событиями, приводит к изменению фазы рассеянного поля и, как следствие, к изменению интенсивности регистрируемого сигнала. Анализ и обработка этого сигнала позволяет определить численные характеристики воздействия на конкретный участок волокна. Был проведен эксперимент по сравнению записей сейсмических возбуждений, сделанных с помощью стандартного сейсмического оборудования и с помощью рефлектометра. Ключевая особенность использованного в эксперименте когерентного фазочувствительного рефлектометра – применение двухимпульсной фазомодулированной оптической посылки в качестве зондирующего сигнала. Опыт проводился на прямой линии волоконно-оптического кабеля длиной 200 м, закопанного в землю на глубину 30 см. В качестве источника сейсмических колебаний использовалась удары кувалдой весом 5 кг. Удары наносились по металлической подложке, лежащей на земле. Синхронизация по времени сейсмических данных с данными рефлектометра производилась по выявленным первым вступлениям ударов. Опыт одновременной регистрации сейсмических возбуждений малой мощности показал, что непосредственное сравнение отклика оптоволоконной системы и геофонов некорректно; зарегистрированные данные необходимо преобразовывать к одинаковым физическим величинам. В конкретном опыте величины ускорения, измеренные сейсмической системой, преобразовывались в единицы смещения. Анализ преобразованных данных геофона и данных рефлектометра показал, что при небольших деформациях (менее 1 µε) волоконно-оптические измерения показывают хорошую повторяемость сигналов. Анализ данных рефлектометра, полученных при больших деформациях, показывает, что их можно использовать для целей инженерной сейсмики. Указанные данные позволяют получать надежные сейсмические разрезы, несмотря на некоторые расхождения в форме сигналов. За счет плотности пространственных каналов рефлектометра этот недостаток можно скомпенсировать.


Ключевые слова: сейсмические датчики, источники сейсмических колебаний, инженерная сейсмика, автономные трехкомпонентные сейсмометры, обработка сейсмических данных, волоконно-оптические линии связи, фазочувствительная рефлектометрия, рэлеевское рассеяние


Цитируйте эту статью как: Ильинский Д.А., Алексеев А.Э., Ганжа О.Ю., Симикин Д.Е., Оджа М. Использование волоконно-оптических линий связи с фазочувствительным рефлектометром для регистрации сейсмических колебаний // Сейсмические приборы. 2020.
Т. 56, № 4. C.5–28. https://doi.org/10.21455/si2020.4-1



Финансирование


Исследование было выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 19-55-45020.


Литература


Ильинский Д.А., Рогинский К.А., Ганжа О.Ю. Геофизические технологии для изучения процессов образования глубинной нефти // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2018. Т. 10, № 5. С.936–950. https://doi.org/10.21821/2309-5180-2018-10-5-936-950

Ильинский Д.А., Гинзбург А.А., Воронин В.В., Ганжа О.Ю., Манукин А.Б., Рогинский К.А. О создании цифровых донных сейсмических станций нового поколения: настоящее и взгляд в будущее // Геоэкология. Инженерная геология, гидрология, геокриология. 2019. № 2.
С.87–101.

Alekseev A.E., Vdovenko V.S., Gorshkov B.G., Potapov V.T., Simikin D.E. A phase-sensitive optical time-domain reflectometer with dual-pulse phase modulated probe signal // Laser Phys. 2014a. V. 24, N 11. 5106. http://dx.doi.org/10.1088/1054-660X/24/11/115106

Alekseev A.E., Vdovenko V.S., Gorshkov B.G., Potapov V.T., Sergachev I.A., Simikin D.E. Phase-sensitive optical coherence reflectometer with differential phase-shift keying of probe pulses // Quantum Electron. 2014b. V. 44, N 10. P.965–969. http://dx.doi.org/10.1070/QE2014v044n10ABEH015470

Alekseev A.E., Tezadov Y.A., Potapov V.T. Intensity noise limit in a phase-sensitive optical time-domain reflectometer with a semiconductor laser source // Laser Phys. 2017. V. 27, N 5. 055101. https://doi.org/10.1088/1555-6611/aa6378

Alekseev A.E., Tezadov Y.A., Potapov V.T. Sensitivity of a phase-sensitive optical time-domain reflectometer with a semiconductor laser source // Laser Phys. 2018. V. 28, N 6. 065105. http://dx.doi.org/10.1088/1555-6611/aab488

Alekseev A.E., Gorshkov B.G., Potapov V.T., Taranov M.A., Simikin D.E. Dual-pulse phase-OTDR response to propagating longitudinal disturbance // Laser Phys. 2020. V. 30. 035107. 10 p. http://dx.doi.org/10.1088/1555-6611/ab70b0

Fernández-Ruiz M.R., Soto M.A., Williams E.F., Martin-Lopez S., Zhan Z., Gonzalez-Herraez M., Martins H.F. Distributed acoustic sensing for seismic activity monitoring // APL Photonics. 2020. V. 5, Iss. 3. 030901. https://doi.org/10.1063/1.5139602

Hartog A.H. An Introduction to Distributed Optical Fibre Sensors (Series in Fiber Optic Sensors). 1st Edition. London; New York: LLC CRC Press, Taylor & Francis Group, an Informa business, 2017. 472 p. ISBN 978-1482259575

Ilinskiy D.A., Ganzha O.Y., Elnikov A.I., Roginskiy К.А. Self-Popup Node Surveying Features and Application to Arctic Shelf Investigation. Extended abstract // EAGE conference & Exibitions: Marine Technologies. Gelendzik. Russia. 22-26 April 2019. https://doi.org/10.3997/2214-4609.201901820

Jousset Ph., Reinsch Th., Ryberg T., Blanck H., Clarke A., Aghayev R., Hersir G.P., Henninges J., Weber M., Krawczyk Ch.M. Dynamic strain determination using fibre-optic cables allows imaging of seismological and structural features // Nature Communications. 2018. V. 9. 2509. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04860-y

Masoudi A., Newson T.P. Distributed optical fibre dynamic strain sensing // Rev. Sci. Instrum. 2016. V. 87. 011501. https://doi.org/10.1063/1.4939482

Shatalin S. High definition seismic and microseismic data acquisition using distributed and engineered fiber optic acoustic sensors // Distributed Acoustic Sensing in Geophysics: Methods and Applications. (AGU Geophysical Monograph Series), 1st Edition, 2020.


Сведения об авторах


ИЛЬИНСКИЙ Дмитрий Анатольевич – Московский физико-технический институт (государственный университет). Россия, 141701, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., д. 9; Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Россия, 117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36. E-mail: dilinskiy61@mail.ru


АЛЕКСЕЕВ Алексей Эдуардович – ООО “Петрофайбер”. Россия, 105082, Москва, Спартаковская пл., д. 14, стр. 4, оф. 4101; Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН. Россия, 141190, Московская обл., Фрязино, пл. Введенского, д. 1. E-mail: aleksey_aled@mail.ru


ГАНЖА Олег Юрьевич – Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Россия, 117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36. E-mail: ganzhaoy@mail.ru


СИМИКИН Денис Евгеньевич – ООО “Петрофайбер”. Россия, 105082, Москва, Спартаковская пл., д. 14, стр. 4, оф. 4101; Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН. Россия, 141190, Московская обл., Фрязино, пл. Введенского, д. 1.
E-mail: denis.simikin@gmail.com


ОДЖА Махешвар – Совет по научным и промышленным исследованиям – Национальный геофизический исследовательский институт (CSIR-NGRI). Индия, 500007, Хайдарабад, Телангана, Уппала Роуд, NGRI. E-mail: maheswar_ojha@ngri.res.in