【摘要】：在地震勘探中,高效采集地質(zhì)信息,科學(xué)認(rèn)知地層結(jié)構(gòu),探明油氣藏分布規(guī)律,是開(kāi)發(fā)和利用油氣資源的重要前提和保障。地震物理模型光纖超聲波成像技術(shù),通過(guò)多類型物理模型模擬現(xiàn)場(chǎng)地震勘探,可在近乎理想的模型條件下反演及預(yù)測(cè)油氣藏地球物理波場(chǎng)的傳輸規(guī)律及特征,如“橋梁”作用連接地震勘探現(xiàn)場(chǎng)與理論計(jì)算。光纖超聲波傳感器,是采集地震物理模型結(jié)構(gòu)信息的核心元件,相比于常規(guī)壓電換能器具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)(如寬頻響應(yīng)及信號(hào)高保真?zhèn)鬏數(shù)?。本文基于光纖光柵型超聲波傳感器和干涉型超聲波傳感器的基本結(jié)構(gòu)和響應(yīng)機(jī)制,研制了四種新型高性能光纖超聲波傳感器。相比于課題組前期工作,本文在傳感器響應(yīng)靈敏度、空間分辨率、成像方式等方面均有大幅提升。同時(shí),搭建了地震物理模型超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī),利用所設(shè)計(jì)的四種光纖超聲波傳感器,均實(shí)現(xiàn)了對(duì)系列復(fù)雜地震物理模型的高質(zhì)量檢測(cè)及成像。具體內(nèi)容包括:(1)從理論方面闡述了光纖超聲波傳感的基本機(jī)理,包括超聲波的傳播特性(聲發(fā)射)和光纖超聲波傳感器的基本原理(聲接收)。主要介紹了超聲波場(chǎng)的波動(dòng)方程和特征參量,建模分析了壓電圓片式超聲波換能器的縱波聲場(chǎng)特性,并詳細(xì)闡述了光纖光柵型超聲波傳感器和干涉型超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)特征和傳感機(jī)理。此部分工作為本文光纖超聲波傳感器的設(shè)計(jì)及表征奠定了理論基礎(chǔ)。(2)針對(duì)常規(guī)裸纖與超聲波之間“點(diǎn)式”或“線式”等直接耦合方式的不足,提出了一類基于聲耦合錐的光纖光柵超聲波傳感器。聲耦合錐具有聚焦效果,可將超聲波能量高效聚焦于傳感光纖,從而大幅增加傳感器靈敏度;結(jié)合封裝殼體結(jié)構(gòu),提高了傳感器機(jī)械強(qiáng)度。從不同的傳感元件、不同的錐與光纖耦合方式,以及不同的錐體材料三個(gè)方面,組合研制了八款高靈敏聲耦合錐型光纖超聲波傳感器,并從理論模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比優(yōu)化了此八款傳感器。使用優(yōu)化后的傳感結(jié)構(gòu)分別對(duì)分層型、半圓柱型、階梯型和凹陷型物理模型進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描,根據(jù)渡越時(shí)間法,獲得了系列物理模型的高質(zhì)量二維剖面圖像。(3)利用相位調(diào)制干涉型光纖傳感器高靈敏度的本質(zhì)優(yōu)勢(shì),提出了一類基于金膜的高靈敏Fabry-Perot干涉超聲波傳感器。基于不同的傳感光纖(單�；蚨嗄９饫w),結(jié)合超薄金膜,研制了兩款傳感結(jié)構(gòu);基于多模光纖的光準(zhǔn)直效應(yīng),傳感器靈敏度更優(yōu)。二者實(shí)現(xiàn)了空氣中分層型、凹陷型、半圓柱型地震物理模型的掃描成像。相比于上一章工作,此類傳感器結(jié)構(gòu)更緊湊,靈敏度更高,可檢測(cè)空氣中的弱超聲場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了空氣中地震物理模型的掃描成像,簡(jiǎn)化了成像系統(tǒng)。(4)空間分辨率是決定地震物理模型成像精度的關(guān)鍵因素,為此提出了一種基于懸芯光纖的高空間分辨率超聲波傳感器,僅需將柚子型光纖經(jīng)酸腐蝕成自由懸芯結(jié)構(gòu)即得。超細(xì)的懸芯結(jié)構(gòu)既有利于提高傳感器空間分辨率,同時(shí)也可保證傳感器具有較高的響應(yīng)靈敏度。傳感器可高靈敏響應(yīng)寬頻帶超聲波,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)半圓柱型和級(jí)聯(lián)半圓柱型物理模型的高空間分辨率成像(2.5mm(300kHz)~151.05μm(5MHz))。就空間分辨率、響應(yīng)靈敏度和器件制作三方面綜合而言,在地震物理模型超聲波檢測(cè)中,懸芯光纖傳感器是比較合適的選擇。(5)區(qū)別于地震物理模型超聲波成像線性機(jī)械掃描方式,提出了基于集成式內(nèi)窺鏡探頭的物理模型光纖超聲波內(nèi)窺鏡成像方法。通過(guò)集成超聲波發(fā)射源和傳感器接收端,內(nèi)窺鏡探頭包括金膜型光纖傳感器、壓電換能器和旋轉(zhuǎn)式聲反射鏡,三者共軸裝配,可提供360度全方位側(cè)向掃描。探頭可嵌入管式物理模型內(nèi)部,對(duì)其內(nèi)壁進(jìn)行周向掃描,重建模型內(nèi)壁結(jié)構(gòu)圖像。此集成式探頭提供了一種重構(gòu)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的內(nèi)窺鏡成像新方法,且系統(tǒng)更高效、穩(wěn)定性更好、結(jié)構(gòu)更緊湊、裝配更方便且成本較低,提升了超聲波光纖檢測(cè)系統(tǒng)的整體聲學(xué)性能。(6)搭建了“地震物理模型光纖超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)”系統(tǒng)平臺(tái)。光纖超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了地震物理模型超聲波檢測(cè)的小型化、集成化及儀器化,提高了各部分的關(guān)聯(lián)性和整體的穩(wěn)定性,滿足不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的需求。配合自適應(yīng)系統(tǒng),該樣機(jī)既可實(shí)現(xiàn)超聲波單點(diǎn)檢測(cè),也能夠利用外部平移導(dǎo)軌或直流齒輪電機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)物理模型的高分辨率掃描成像。
【圖文】：

繼而改變反射光束的相位差，最終導(dǎo)致輸出的干涉光強(qiáng)發(fā)生變化。（2）Mach-Zehnder 干涉和 Michelson 干涉圖2.2.3 (a) MZI和(b) MI光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖�；� MZI 的光纖超聲波傳感器如圖 2.2.3(a)所示，主要由兩個(gè) 3dB、1×2 的光耦合器級(jí)聯(lián)而成。光源經(jīng)過(guò)第一個(gè)耦合器分成等強(qiáng)度的兩束光，分別經(jīng)傳感臂和參考臂光纖傳輸至第二個(gè)光耦合器，由于雙臂之間的長(zhǎng)度差異，到達(dá)第二個(gè)光耦合器的兩路光存在相位差異，發(fā)生干涉現(xiàn)象。與 MZI 傳感結(jié)構(gòu)不同的是，MI光纖傳感器為反射式結(jié)構(gòu)，如圖 2.2.3(b)所示，只使用一個(gè) 3dB、2×2 的光耦合器。傳輸光經(jīng)光耦合器分為兩束光，分別導(dǎo)入傳感臂與參考臂光纖，然后經(jīng)過(guò)兩

最終導(dǎo)致傳感器輸出的干涉特征變化，從而實(shí)現(xiàn)超聲波感測(cè)。（3）Sagnac 干涉圖2.2.4 Sagnac干涉結(jié)構(gòu)原理圖。如圖 2.2.4 所示，Sagnac 干涉結(jié)構(gòu)為閉合光路。光源經(jīng)由 3dB、2×2 的光耦合器分別導(dǎo)入光纖環(huán)路，相向傳輸。通常在光纖環(huán)路中熔入一段 PMF，基于 PMF內(nèi)光傳輸?shù)穆S與快軸差異，相向傳輸?shù)膬墒獬霈F(xiàn)相位差，在重新耦合回光耦合器時(shí)干涉。一般情況下，環(huán)內(nèi)接入 PMF 的 Sagnac 干涉結(jié)構(gòu)，其輸出的光強(qiáng)為cos sin2TI , (2.2.21)其中，2 BL , (2.2.22) 為兩相向傳輸光的相位差， 為傳輸光與 PMF 雙折射軸的夾角
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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1 單寧;趙雁;;光纖F-P超聲傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J];傳感器與微系統(tǒng);2010年11期

2 馬賓;徐健;隋青美;;耦合型光纖超聲傳感器實(shí)驗(yàn)研究[J];壓電與聲光;2010年01期

3 苑立波;;用于結(jié)構(gòu)整體與局部健康監(jiān)測(cè)的光纖超聲傳感器(英文)[J];黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào);2008年06期

4 禹大寬;賈振安;喬學(xué)光;劉欽朋;;光纖Bragg光柵流量傳感器的研究及進(jìn)展[J];光通信研究;2008年06期

5 趙洪;李敏;王萍萍;張影;;用于液體介質(zhì)中局放聲測(cè)的非本征光纖法珀傳感器[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2008年22期

6 梁藝軍;張森;徐彥德;鄧虎;;基于M-Z干涉儀原理的光纖超聲檢測(cè)[J];光學(xué)技術(shù);2006年04期

7 林鈞岫，，彭偉;光纖布拉格光柵及其應(yīng)用[J];光學(xué)技術(shù);1999年02期

本文編號(hào)：2676495