doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-223-231


УДК 681.787

Исследование влияния ограничений динамического диапазона волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы на качество регистрируемых сейсмограмм

Аржаненкова А.Н., Плотников М.Ю., Мирошниченко Г.П., Дмитращенко П.Ю.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Аржаненкова А.Н., Плотников М.Ю., Мирошниченко Г.П., Дмитращенко П.Ю. Исследование влияния ограничений динамического диапазона волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы на качество регистрируемых сейсмограмм // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 2. С. 223–231. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-223-231


Аннотация
Предмет исследования. Представлены результаты оценки влияния ограничений динамического диапазона схемы обработки сигналов волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы на качество получаемых сейсмограмм. В отличие от существующих гидроакустических систем на пьезокерамических преобразователях, ограничения динамического диапазона в волоконно-оптической буксируемой косе приводят не к клипированию акустических сигналов, а к сложным нелинейным искажениям. Такие искажения оказывают влияние как на амплитудно-частотные, так и на фазочастотные характеристики регистрируемых сигналов. Основной задачей представленной работы является оценка искажений сейсмограмм, получаемых из акустических сигналов, регистрируемых в условиях ограничения динамического диапазона волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы. Метод. Для решения поставленной задачи использованы сейсмические сигналы, полученные во время натурных испытаний различных типов сейсмических кос в акватории Кольского залива. Акустические сигналы, зарегистрированные в виде цифровых отсчетов, пересчитаны в радианы с учетом известного коэффициента чувствительности гидрофонов буксируемой сейсмической косы и преобразованы в цифровые отчеты оптических интерференционных сигналов. Интерференционные сигналы в цифровом виде эквивалентны реальным оптическим сигналам, регистрируемым приемным трактом в блоке обработки сигналов волоконно-оптической косы. Цифровая форма зарегистрированных акустических сигналов позволяет усилить их за счет умножения на заданный коэффициент усиления, имитируя различные уровни энергии акустического источника. Полученные сигналы обработаны с применением специальной математической модели, с учетом фундаментального ограничения динамического диапазона. Эти ограничения обусловлены конечной частотой дискретизации интерференционного сигнала, фиксированной частотой вспомогательной фазовой модуляции и конечной полосой пропускания используемых фильтров низких частот. Выполнено моделирование процесса регистрации акустических сигналов волоконно-оптической буксируемой сейсмической косой без искажений и в условиях ограничения динамического диапазона. Сигналы с выхода модели использованы для построения сейсмограмм одного и того же участка шельфа с разными уровнями акустического усиления с применением метода отраженных волн. Основные результаты. Полученные результаты показали, что ограничения динамического диапазона схемы обработки сигналов волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы оказывают существенное влияние на качество сейсмограмм. Происходит снижение детализации сигналов, а также уменьшение более чем в 5 раз амплитуды регистрируемых волн. Показано, что значительно снижается качество сейсмограмм в областях резкого перехода между слоями с различной плотностью, дающими наиболее отчетливые и сильные отраженные сейсмические колебания. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют оценить влияние сложных нелинейных искажений акустических сигналов на получаемые сейсмограммы в условиях ограничения динамического диапазона схемы обработки сигналов. Актуальность работы обусловлена отсутствием мировых аналогов разрабатываемой волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы. Построенная модель тракта обработки сигналов позволяет по известной чувствительности волоконно-оптических гидрофонов косы выбирать оптимальную энергию акустического источника для проведения сейсмической разведки с максимально эффективным использованием динамического диапазона волоконно-оптической косы.

Ключевые слова: волоконно-оптическая коса, сейсмоакустические исследования, интерферометрические измерения, динамический диапазон, метод отраженных волн, общая глубинная точка

Благодарности. Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Программа стратегического академического лидерства «Приоритет-2030»).

Список литературы
1. Kirkendall C., Barock T., Tveten A., Dandridge A. Fiber optic towed arrays: Technical Report / Naval Research Laboratory,Washington, DC, USA, 2007.
2. Souto F. Fibre optic towed array: The high tech compact solution for naval warfare // Proc. of the Annual Conference of the Australian Acoustical Society 2013, Acoustics 2013: Science, Technology and Amenity. 2013. P. 297–301.
3. Stolkin R., Sutin A., Radhakrishnan S., Bruno M., Fullerton B., Ekimov A., Raftery M. Feature based passive acoustic detection of underwater threats // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6204. P. 620408. https://doi.org/10.1117/12.663651
4. Crickmore R.I., Nash P.J., Wooler J.P.F. Fiber optic security systems for land- and sea-based applications // Proceedings of SPIE. 2004. V. 5611. P. 79–87. https://doi.org/10.1117/12.578904
5. Borowski B., Sutin A., Roh H.-S., Bunin B. Passive acoustic threat detection in estuarine environments // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6945. P. 694513. https://doi.org/10.1117/12.779177
6. De Freitas J.M. Recent developments in seismic seabed oil reservoir monitoring applications using fibre-optic sensing networks // Measurement Science and Technology. 2011. V. 22. N 5. P. 052001. https://doi.org/10.1088/0957-0233/22/5/052001
7. Zhang M., Ma X., Wang L., Lai S., Zhou H., Zhao H., Liao Y. Progress of optical fiber sensors and its application in harsh environment // Photonic Sensors. 2011. V. 1. N 1. P. 84–89. https://doi.org/10.1007/s13320-010-0012-1
8. Paulsson B.N.P., Toko J.L., Thornburg J.A., Slopko F., He R., Zhang C. A high performance fiber optic seismic sensor system // Proc. of the 38th Workshop Geothermal Reservoir Engineering. 2013. P. 8.
9. Kringlebotn J.T., Nakstad H., Morten E. Fibre optic ocean bottom seismic cable system: From innovation to commercial success // Proceedings of SPIE. 2009. V. 7503. P. 75037U. https://doi.org/10.1117/12.837636
10. Berg C., Langhammer J., Nash P. Lifetime stability and reliability of fibre-optic seismic sensors for permanent reservoir monitoring // Proc. of the Society of Exploration Geophysicists International Exposition and 82nd Annual Meeting (SEG). 2012. P. 1472–1476. https://doi.org/10.1190/segam2012-1236.1
11. Meng Z., Chen W., Wang J., Hu X., Chen M., Zhang Y. Recent progress in fiber-optic hydrophones // Photonic Sensors. 2021. V. 11. N 1. P. 109–122. https://doi.org/10.1007/s13320-021-0618-5
12. Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists / ed. by E. Udd, W.B. Spillman. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2011. 512 p.
13. Yin S., Ruffin P.B., Yu F.T.S. Fiber Optic Sensors. 2nd ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2008. 496 p.
14. Дмитращенко П.Ю., Плотников М.Ю., Лавров В.С., Волков А.В., Шарков И.А., Годовова А.С. Компенсация шумов буксировки волоконно-оптической сейсмической косы с использованием вспомогательного интерферометра // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 9. С. 69–74. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-09-69-74
15. Cranch G.A., Nash P.J. Large-scale multiplexing of interferometric fiber-optic sensors using TDM and DWDM // Journal of Lightwave Technology. 2001. V. 19. N 5. P. 687–699. https://doi.org/10.1109/50.923482
16. Kersey D., Dandridge A. Comparative analysis of multiplexing techniques for interferometric fiber sensors // Proceedings of SPIE. 1989. V. 1120. P. 236–246. https://doi.org/10.1117/12.960993
17. Беликин М.Н., Плотников М.Ю., Стригалев В.Е., Куликов А.В., Киреенков А.Ю. Экспериментальное сравнение алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 6. С. 1008–1014. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2015-15-6-1008-1014
18. Christian T.R., Frank P.A., Houston B.H. Real-time analog and digital demodulator for interferometric fiber optic sensors // Proceedings of SPIE. 1994. V. 2191. P. 324–336. https://doi.org/10.1117/12.173962
19. Dandridge A., Tveten A.B., Giallorenzi T.G.  Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated carrier // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V. 18. N 10. P. 1647–1653. https://doi.org/10.1109/JQE.1982.1071416
20. He J., Wang L., Li F., Liu Y. An ameliorated phase generated carrier demodulation algorithm with low harmonic distortion and high stability // Journal of Lightwave Technology. 2010. V. 28. N 22. P. 3258–3265. https://doi.org/10.1109/JLT.2010.2081347
21. Tong Y., Zeng H., Li L., Zhou Y. Improved phase generated carrier demodulation algorithm for eliminating light intensity disturbance and phase modulation amplitude variation // Applied Optics. 2012. V. 51. N 29. P. 6962–6967. https://doi.org/10.1364/AO.51.006962
22. Yan L., Zhang Y., Xie J., Lou Y., Chen B., Zhang S., Zhou Y. Nonlinear error compensation of PGC demodulation with the calculation of carrier phase delay and phase modulation depth // Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. N 8. P. 2327–2335. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3049481
23. Sun Z., Liu K., Jiang J., Xu T., Wang S., Guo H., Zhou Z., Xue K., Huang Y., Liu T. Dynamic phase extraction in an ameliorated distributed vibration sensor using a highly stable homodyne detection // IEEE Sensors Journal. 2021. V. 21. N 23. P. 27005–27014. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3122133
24. Plotnikov M.J., Kulikov A.V., Strigalev V.E., Meshkovsky I.K. Dynamic range analysis of the phase generated carrier demodulation technique // Advances in Optical Technologies. 2014. P. 815108. https://doi.org/10.1155/2014/815108
25. Plotnikov M.Y., Lavrov V.S., Dmitraschenko P.Y., Kulikov A.V., Meshkovskiy I.K. Thin cable fiber-optic hydrophone array for passive acoustic surveillance applications // IEEE Sensors Journal. 2019. V. 19. N 9. P. 3376–3382.  
26. Rissons A., Mollier J.C. The vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) and electrical access contribution // Optoelectronics-Devices and Applications. 2011. P. 227–254. https://doi.org/10.5772/18299
27. Gdeisat M., Lilley F. One-Dimensional Phase Unwrapping Problem. Liverpool John Moores University, 2012.
28. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 13. P. 4143–4150. https://doi.org/10.1109/JSEN.2017.2704287
29. Wang G.Q., Xu T.W., Li F. PGC demodulation technique with high stability and low harmonic distortion // IEEE Photonics Technology Letters. 2012. V. 24. N 23. P. 2093–2096. https://doi.org/10.1109/LPT.2012.2220129
30. Hou L., Peng F., Yang J., Yuan Y., Yan D., Wu B., Yuan L. An improved PGC demodulation method to extend dynamic range and compensate low-frequency drift of modulation depth // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9634. P. 96345Y. https://doi.org/10.1117/12.2195867
31. Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сейсморазведка: учебник для вузов. Тверь: АИС, 2006. 744 с.
32. Гайнанов В.Г. Практикум по обработке данных сейсморазведки МОВ-ОГТ: Руководство к практическим занятиям по курсу «Сейсморазведка»: учебное пособие. 2-e изд, перераб. М.: КДУ, Добросвет, 2018.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика