一种地震物理模型光纤超声检测系统及其检测方法

1.本发明属于地震物理模型检测领域，具体涉及一种地震物理模型光纤超声检测系统及其检测方法。


背景技术：

2.地震物理模型是按实际地质结构等比例缩小的模拟结构。地震物理模型超声检测技术是通过超声发射与扫描完成对地质模型内部结构信息的采集，对地震波在不同地质结构体内的传播进行实验室模拟，通过反演算法推导重构真实三维模型结构。地震物理模型超声检测技术的核心器件为超声换能器，可以分为电类超声换能器及光纤超声传感器。为了实现对大型复杂物理模型的快速扫描与检测，需研究物理模型数据快速采集技术。
3.目前常用的超声检测方法是利用压电陶瓷式超声换能器完成超声波的发射和接收，超声波发射探头与接收探头放置于地震物理模型模型同侧或者对侧，发射探头将电信号转化为超声波信号，接收探头将超声波信号转化为电信号。光纤传感器作为接收超声波信号的光学器件，在超声检测方面呈现宽频带、体积小、抗电磁干扰等优点，近些年已经得到了较好的发展。
4.对于地震物理模型超声检测，压电陶瓷换能器已有阵列式扫描方式的报道，但多通道的压电陶瓷超声换能器模型检测技术存在尺寸大、频带窄、分辨率低、易受电磁干扰、系统设计复杂等不足，限制了其在复杂模型快速检测方面的应用。光纤传感器更适用于地震物理模型超声检测，而目前仅为单点单通道检测，尚无地震物理模型光纤快速检测方面的报道。例如在发明专利cn201310581163.9提出了一种多道的地震物理模型数据采集装置，实现了物理模型的地震道多道同时采集。外文文献“highly sensitive ultrasonic sensor based on polymer bragg grating and its application for 3d imaging of seismic physical model.journal of lightwave technology,2022,40(15):5294-5299.”提到了一种地震物理模型光纤超声检测系统，该系统设计的光纤为单点检测方式。


技术实现要素：

5.针对现有技术中地震物理模型光纤超声检测技术均为单点单通道检测，且存在检测效率低、数据采集慢的问题，本发明提供了一种地震物理模型光纤超声检测系统及其检测方法，实现对地震物理模型的快速检测，从而解决现有技术中单点单通道检测存在的检测效率低、数据采集慢等不足，不利于大型复杂模型的快速检测的问题。
6.一种地震物理模型光纤超声检测系统，包括：
7.光源输入模块，用于向光纤超声检测系统提供光源；
8.多通道光电探测模块，其输入端与所述光源输入模块连接；
9.多个光纤环形器，其入射端分别与所述多通道光电探测模块的多路输出端连接；
10.超声发生模块，用于在地震物理模型表面产生超声波；
11.多个光纤超声传感器，一个所述光纤超声传感器与一个所述光纤环形器的反射端
连接；且每个所述光纤超声传感器放置在水箱内的地震物理模型上方；
12.多通道光电转换器，其输入端与所述光纤环形器的出射端连接；
13.数据处理模块，与所述多通道光电转换器连接。
14.进一步地，所述超声发生模块包括压电陶瓷换能器和信号发生器；所述压电陶瓷换能器通过同轴电缆与所述信号发生器相连接；所述压电陶瓷换能器放置在水箱内的地震物理模型上方；
15.所述压电陶瓷换能器与多个光纤超声传感器分别固定于三维位移台上。
16.进一步地，所述光源输入模块包括：可调谐激光器和光隔离器；所述可调谐激光器通过光纤与所述光隔离器连接，所述光隔离器与所述多通道光电探测模块的输入端相连接。
17.进一步地，所述数据处理模块包括：数据采集卡和计算机；所述光电转换器的输出端通过同轴电缆与所述数据采集卡的输入端相连接，所述数据采集卡的输出端通过数据线与所述计算机相连接。
18.进一步地，所述多通道光电探测模块为1
×
n路，n为大于等于2的整数。
19.进一步地，所述多通道光电转换器为n
×
n路，n为大于等于2的整数。
20.进一步地，所述光纤超声传感器的数量为n个，n为大于等于2的整数。
21.进一步地，所述光纤超声传感器为光纤光栅型传感器或干涉型光纤传感器。
22.进一步地，所述光纤环形器的数量为n个，n为大于等于2的整数。
23.进一步地，一种地震物理模型光纤超声检测系统的检测方法，包括以下步骤：
24.通过光源输入模块发出窄线宽激光射入多通道光电探测模块；
25.经过多通道光电探测模块将射入的激光分为多路功率相同的激光并且分别射入多个光纤环形器的入射端；
26.通过超声发生模块在地震物理模型表面产生超声波；
27.光纤超声传感器接收地震物理模型表面反射的超声波后导致光纤环形器反射端中的激光信号发生变化；
28.通过光纤环形器的出射端将发生变化后的激光信号传输至多通道光电转换器中将光信号转换为电信号；
29.利用数据处理模块对电信号进行采集处理。
30.本发明提供了一种地震物理模型光纤超声检测系统及其检测方法，具备以下有益效果：
31.本发明通过信号发生器驱动压电陶瓷换能器发出超声波脉冲，超声波经水传播至地震物理模型上，通过光纤超声传感器接收地震物理模型反射的超声信号，使得光纤环形器中的激光信号发生变化，通过光纤环形器的出射端将变化的激光信号传输至多通道光电转换器中将光信号转换为电信号进行采集；通过空分或时分等复用技术构建多通道地震物理模型光纤超声检测系统，实现对大型复杂地震物理模型的快速扫描检测，大幅缩减海量模型数据的采集时间。
附图说明
32.图1是本发明系统的结构示意图；
33.图2是本发明采集的地震物理模型超声信号时域谱示意图。
34.图中：1-可调谐激光器，2-光隔离器，3-多通道光电探测模块，4-光纤超声传感器，5-光纤环形器，6-多通道光电转换器，7-数据采集卡，8-计算机，9-信号发生器，10-压电陶瓷换能器，11-水箱，12-地震物理模型，13-三维位移台。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
36.一种地震物理模型光纤超声检测系统，包括可调谐激光器1、光隔离器2、多通道光电探测模块3、光纤超声传感器4、光纤环形器5、多通道光电转换器6、数据采集卡7、计算机8、信号发生器9、压电陶瓷换能器10、水箱11、地震物理模型12、三维位移台13连接构成。
37.一种地震物理模型光纤超声检测系统，包括：可调谐激光器1通过光纤与光隔离器2连接，光隔离器2与多通道光电探测模块3的输入端相连，光电探测模块3将激光分为多路功率相等的光，光电探测模块3的多路输出端传输至多个光纤环形器5入射端，在多个光纤环形器5的反射端接入多个光纤超声传感器4，多个光纤环形器5的出射端将激光信号传输至多通道光电转换器6的输入端，光电转换器6将光信号转化为电信号，光电转换器6的输出端通过同轴电缆与数据采集卡7输入端相连，数据采集卡7的输出端通过数据线与计算机8相连，完成对信号的采集及处理；
38.压电陶瓷换能器10通过同轴电缆与信号发生器9相连，由信号发生器9驱动压电陶瓷换能器10发出超声波；利用夹具将压电陶瓷换能器10固定在三维位移台13上并固定好位置和方向，在水箱11中放置地震物理模型12并注水直至完全淹没。
39.一种地震物理模型光纤超声检测系统的检测方法，包括以下步骤：
40.通过可调谐激光器发出窄线宽激光射入多通道光电探测模块；
41.经过多通道光电探测模块将射入的激光分为多路功率相同的激光并且分别射入多个光纤环形器的入射端；
42.通过信号发生器驱动压电陶瓷换能器发出超声波脉冲，超声波经水传播至地震物理模型上，一部分被地震物理模型上表面反射，另一部分被地震物理模型下表面反射；
43.光纤超声传感器在地震物理模型上下表面反射的超声波的作用下发生微弯曲或者微形变，使光纤超声传感器的光谱特性发生变化，导致光纤环形器反射端中的激光信号发生变化，从而使光纤环形器出射端接收到的激光信号发生变化；
44.通过光纤环形器的出射端将发生变化后的激光信号传输至多通道光电转换器中将光信号转换为电信号；
45.利用数据采集卡对电信号进行采集；
46.通过计算机对采集到的数据进行存储与处理。
47.实施例1，可调谐激光器1通过光纤与光隔离器2连接，光隔离器2与多通道光电探测模块3的输入端相连，多通道光电探测模块3为1
×
3通道光电探测模块，多通道光电探测模块3将激光分为3路功率相等的光，并将3路激光通过光纤传输至3个光纤环形器5入射端，在3个光纤环形器5的反射端接入3个光纤超声传感器4，光纤超声传感器为光纤光栅型传感器，3个光纤环形器5的出射端将激光信号通过光纤传输至多通道光电转换器6的输入端，多
通道光电转换器6为3
×
3通道光电转换器，由多通道光电转换器6将光信号转化为电信号，多通道光电转换器6输出端通过同轴电缆与数据采集卡7输入端相连，数据采集卡7的输出端通过数据线与计算机8相连，完成对信号的采集及处理；压电陶瓷换能器10通过同轴电缆与信号发生器9相连，由信号发生器9驱动压电陶瓷换能器10发出超声波，利用夹具将压电陶瓷换能器10固定在三维位移台13上并固定好其位置和方向，在水箱11中放置地震物理模型12并注水直至完全淹没，移动位移台完成对地震物理模型的扫描。
48.实施例2，可调谐激光器1通过光纤与光隔离器2连接，光隔离器2与多通道光电探测模块3的输入端相连，多通道光电探测模块3为1
×
3通道光电探测模块，多通道光电探测模块3将激光分为3路功率相等的光，并将3路激光通过光纤传输至3个光纤环形器5入射端，在3个光纤环形器5的反射端接入3个光纤超声传感器4，光纤超声传感器为干涉型光纤传感器，3个光纤环形器5的出射端将激光信号通过光纤传输至多通道光电转换器6的输入端，多通道光电转换器6为3
×
3通道光电转换器，由多通道光电转换器6将光信号转化为电信号，多通道光电转换器6输出端通过同轴电缆与数据采集卡7输入端相连，数据采集卡7的输出端通过数据线与计算机8相连，完成对信号的采集及处理；压电陶瓷换能器10通过同轴电缆与信号发生器9相连，由信号发生器9驱动压电陶瓷换能器10发出超声波，利用夹具将压电陶瓷换能器10固定在三维位移台13上并固定好其位置和方向，在水箱11中放置地震物理模型12并注水直至完全淹没，移动位移台完成对地震物理模型的扫描。
49.实施例3，可调谐激光器1通过光纤与光隔离器2连接，光隔离器2与多通道光电探测模块3的输入端相连，多通道光电探测模块3为1
×
6通道光电探测模块，多通道光电探测模块3将激光分为6路功率相等的光，并将6路激光通过光纤传输至6个光纤环形器5入射端，在6个光纤环形器5的反射端接入6个光纤超声传感器4，光纤超声传感器为光纤光栅型传感器，6个光纤环形器5的出射端将激光信号通过光纤传输至多通道光电转换器6的输入端，多通道光电转换器6为6
×
6通道光电转换器，由多通道光电转换器6将光信号转化为电信号，多通道光电转换器6输出端通过同轴电缆与数据采集卡7输入端相连，数据采集卡7的输出端通过数据线与计算机8相连，完成对信号的采集及处理；压电陶瓷换能器10通过同轴电缆与信号发生器9相连，由信号发生器9驱动压电陶瓷换能器10发出超声波，利用夹具将压电陶瓷换能器10固定在三维位移台13上并固定好其位置和方向，在水箱11中放置地震物理模型12并注水直至完全淹没，移动位移台完成对地震物理模型的扫描。
50.实施例4，可调谐激光器1通过光纤与光隔离器2连接，光隔离器2与多通道光电探测模块3的输入端相连，多通道光电探测模块3为1
×
6通道光电探测模块，多通道光电探测模块3将激光分为6路功率相等的光，并将6路激光通过光纤传输至6个光纤环形器5入射端，在6个光纤环形器5的反射端接入6个光纤超声传感器4，光纤超声传感器为干涉型光纤传感器，6个光纤环形器5的出射端将激光信号通过光纤传输至多通道光电转换器6的输入端，多通道光电转换器6为6
×
6通道光电转换器，由多通道光电转换器6将光信号转化为电信号，多通道光电转换器6输出端通过同轴电缆与数据采集卡7输入端相连，数据采集卡7的输出端通过数据线与计算机8相连，完成对信号的采集及处理；压电陶瓷换能器10通过同轴电缆与信号发生器9相连，由信号发生器9驱动压电陶瓷换能器10发出超声波，利用夹具将压电陶瓷换能器10固定在三维位移台13上并固定好其位置和方向，在水箱11中放置地震物理模型12并注水直至完全淹没，移动位移台完成对地震物理模型的扫描。
51.在上述实施例1-4中，多通道光电探测模块3与多通道光电转换器6分别为1
×
n路及n
×
n路，，光纤超声传感器4的数量为n个，光纤超声传感器4可为光纤光栅型传感器或干涉型光纤传感器，光纤环形器5的数量为n个，n为大于等于2的整数，其他零部件及零部件的连接关系与相应的实施例相同。
52.为了验证本发明的有益效果，根据实施例的结构进行以下实验：
53.在水箱中放置一块厚度为2cm的半圆柱体型地震物理模型12，可调谐激光器1作为传感光源，可调谐激光器1发出的窄线宽激光通过光纤射入至光隔离器2，光隔离器2通过光纤连接至1
×
6通道的光电探测模块3，多通道光电探测模块3将激光分为6路功率相同的激光，分别进入6个光纤环形器5的入射端，光纤超声传感器4采用中心波长为1550nm的光纤光栅型传感器，将6个中心波长相同的光纤超声传感器固定于三维位移台13上。由信号发生器9驱动压电陶瓷换能器10发出频率为1mhz的超声波脉冲，压电陶瓷换能器10固定于三维位移台13上。超声波经水传播至地震物理模型后，一部分被模型上表面反射，一部分被模型下表面反射，反射的超声信号由光纤超声传感器4接收，导致其中心波长发生漂移，使得系统中传输的光信号强度发生改变，由光纤环形器5的出射端传输至6
×
6通道光电转换器中并将光信号转化为电信号，再通过同轴电缆与数据采集卡7相连，采集卡7与计算机8相连，由计算机8进行数据的存储及处理，完成对地震物理模型12的快速扫描检测。
54.光纤布拉格光栅(fbg)型传感器是一种沿光纤轴向的周期性折射率调制的波导结构，其本质是一种阻带滤波器，只反射特定波长光。fbg型光纤传感器的光谱特性在于：当光波长位于fbg型传感器的中心波长处，光反射率最高；当光波长偏离中心波长处，光反射率会发生剧烈下降，导致系统反射光功率减少。利用边带滤波法，在实验开始前，将可调谐激光器的波长设置在fbg传感器的3db带宽处，边带滤波法具有操作简单、响应速度快等特点，在此波长处，fbg传感器的灵敏度最大。
55.超声波可以看作是一系列周期性均匀变化的膨胀和收缩波，当超声波在水中传输时，仅有纵波可以在
56.水中进行传导，而横波和表面波则可以忽略，因此在水中由压电陶瓷换能器在特定时刻t，特定位置z激发出的超声波可以写为：
[0057][0058]
式中，pm为超声波声压场的振幅，λs为超声纵波波长，z为超声波的声程，ω为超声波角频率。
[0059]
当超声波作用在fbg上时，会使传感器在轴向处于被拉伸或者压缩的状态，导致fbg的中心波长λb发生漂移。fbg的中心波长可以写为：
[0060]
mλb＝2n
eff
λ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0061]
式中，n
eff
为有效折射率，λ为折射率调制周期，即fbg周期，m为fbg的阶数。
[0062]
从式(2)中可知，超声波导致λb发生漂移的原因包括两方面：一是超声波声压场导致fbg周期λ变化；二是超声波声压场导致fbg有效折射率n
eff
发生变化。当fbg中心波长发生变化时，可写为：
[0063]
δλb＝2δn
eff
λ+2n
eff
δλ
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0064]
实验结果：实验结果如图2。图2是本系统实时探测到的地震物理模型上下表面反
射的超声信号时域谱，6通道信号具有较好的一致性和稳定性，且均能清晰反映地震物理模型的分层信息。本发明作为一种地震物理模型光纤超声检测系统，实现了地震物理模型的多点同时检测，大幅提高了模型数据采集效率。
[0065]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，包括：光源输入模块，用于向光纤超声检测系统提供光源；多通道光电探测模块(3)，其输入端与所述光源输入模块连接；多个光纤环形器(5)，其入射端分别与所述多通道光电探测模块(3)的多路输出端连接；超声发生模块，用于在地震物理模型(12)表面产生超声波；多个光纤超声传感器(4)，一个所述光纤超声传感器(4)与一个所述光纤环形器(5)的反射端连接；且每个所述光纤超声传感器(4)放置在水箱(11)内的地震物理模型(12)上方；多通道光电转换器(6)，其输入端与所述光纤环形器(5)的出射端连接；数据处理模块，与所述多通道光电转换器(6)连接。2.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述超声发生模块包括压电陶瓷换能器(10)和信号发生器(9)；所述压电陶瓷换能器(10)通过同轴电缆与所述信号发生器(9)相连接；所述压电陶瓷换能器(10)放置在水箱(11)内的地震物理模型(12)上方；所述压电陶瓷换能器(10)与多个光纤超声传感器(4)分别固定于三维位移台(13)上。3.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述光源输入模块包括：可调谐激光器(1)和光隔离器(2)；所述可调谐激光器(1)通过光纤与所述光隔离器(2)连接，所述光隔离器(2)与所述多通道光电探测模块(3)的输入端相连接。4.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：数据采集卡(7)和计算机(8)；所述光电转换器(6)的输出端通过同轴电缆与所述数据采集卡(7)的输入端相连接，所述数据采集卡(7)的输出端通过数据线与所述计算机(8)相连接。5.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述多通道光电探测模块(3)为1
×
n路，n为大于等于2的整数。6.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述多通道光电转换器(6)为n
×
n路，n为大于等于2的整数。7.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述光纤超声传感器(4)的数量为n个，n为大于等于2的整数。8.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述光纤超声传感器(4)为光纤光栅型传感器或干涉型光纤传感器。9.根据权利要求1所述的一种地震物理模型光纤超声检测系统，其特征在于，所述光纤环形器(5)的数量为n个，n为大于等于2的整数。10.一种根据权利要求1-9任一项所述的地震物理模型光纤超声检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：通过光源输入模块发出窄线宽激光射入多通道光电探测模块；经过多通道光电探测模块将射入的激光分为多路功率相同的激光并且分别射入多个光纤环形器的入射端；通过超声发生模块在地震物理模型表面产生超声波；光纤超声传感器接收地震物理模型表面反射的超声波后导致光纤环形器反射端中的
激光信号发生变化；通过光纤环形器的出射端将发生变化后的激光信号传输至多通道光电转换器中将光信号转换为电信号；利用数据处理模块对电信号进行采集处理。

技术总结
本发明公开了一种地震物理模型光纤超声检测系统及其检测方法，涉及光纤超声检测技术领域，包括：可调谐激光器通过光纤与光隔离器连接，光隔离器与多通道光电探测模块的输入端相连，光电探测模块的多路输出端传输至多个光纤环形器入射端，在多个光纤环形器的反射端接入多个光纤超声传感器，多个光纤环形器的出射端传输至多通道光电转换器的输入端，光电转换器将光信号转化为电信号，光电转换器的输出端通过同轴电缆与数据采集卡输入端相连，数据采集卡的输出端通过数据线与计算机相连，完成对信号的采集及处理；本发明可提供一种高扫描效率的多通道地震物理模型光纤超声检测系统，实现对大型复杂地震物理模型的快速检测。现对大型复杂地震物理模型的快速检测。现对大型复杂地震物理模型的快速检测。


技术研发人员：邵志华 张子宇 乔学光 阴欢欢
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/24