Разработка, создание и исследование волоконно-оптического донного сейсмического модуля для морских геофизических исследований

Казачкова И.Д., Коннов К.А., Коннов Д.А., Плотников М.Ю., Савин В.В., Волков А.В., Куликов А.В.

Ссылка для цитирования:

Казачкова И.Д., Коннов К.А., Коннов Д.А., Плотников М.Ю., Савин В.В., Волков А.В., Куликов А.В. Разработка, создание и исследование волоконно-оптического донного сейсмического модуля для морских геофизических исследований // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 11. С. 63–73. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-63-73

Kazachkova I.D., Konnov K.A., Konnov D.A., Plotnikov M.Yu., Savin V.V., Vol kov A.V., Kulikov A.V. Development, creation and research of a fiber-optic bottom seismic module for marine geophysical research [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 11. P. 63–73. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-63-73

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Параметры схемы опроса и алгоритма демодуляции сигналов волоконно-оптического донного сейсмического модуля. Цель исследования. Создание волоконно-оптического донного сейсмического модуля на базе интерферометров Майкельсона с расширенным динамическим диапазоном. Метод. Частота опроса выбрана путем математического моделирования задержек распространения оптических импульсов в массиве интерферометров с учетом длин чувствительных волокон и расстояний между датчиками. На выбранной частоте опроса оценена верхняя граница динамического диапазона алгоритма гомодинной демодуляции. Экспериментальная проверка проведена путем сравнения амплитуд вертикальных компонент геофонов модуля и опорных при ударных воздействиях на вибростенде. Основные результаты. Обоснована и реализована схема многоканальной регистрации сейсмических сигналов от пяти датчиков в составе единого донного сейсмического модуля, в которой за счет выбора частоты опроса 1 МГц обеспечивается динамический диапазон 140 дБ (98 рад) на частоте 500 Гц относительно уровня шумов 10 мкрад/Гц^1/2. Получены калибровочные коэффициенты для волоконных геофонов (0,009 рад/(мм/с)). Подтверждена высокая корреляция спектральных характеристик с аналогами в диапазоне 1–100 Гц, проблемном для геофонов других типов. Практическая значимость. Полученные результаты применимы при разработке волоконно-оптических сейсмических систем, удовлетворяющих требованиям современной морской геофизики.

Ключевые слова:

волоконно-оптический датчик, сейсмический модуль, интерферометр Майкельсона, гомодинная демодуляция, динамический диапазон, сейсморазведка, геофон

Благодарность:

работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).

Коды OCIS: 060.0060, 230.0230, 250.0250

Список источников:

1. De Freitas J.M. Recent developments in seismic seabed oil reservoir monitoring applications using fibre-optic sensing networks // Meas. Sci. Technol. 2011. V. 22. № 5. P. 052001. doi: 10.1088/0957-0233/22/5/052001.

2. Zhang M., Ma X., Wang L., et al. Progress of optical fiber sensors and its application in harsh environ ment // Photon. Sens. 2011. V. 1. P. 84–89. doi: 10.1007/s13320-010-0012-1.

3. Удд Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Пер. с англ. Шкадиной И.Ю. / М.: Техносфера, 2008. 520 с. Udd E. (ed.) Fiber optic sensors: An introduction for engineers and scientists. New York: John Wiley & Sons, 1991. 496 p.

4. Nakstad H., Kringlebotn J.T. Realisation of a fullscale fibre optic ocean bottom seismic system // Proc. SPIE. 2008. V. 7004. P. 700436. doi: 10.1117/12.791158.

5. Kringlebotn J.T., Nakstad H., Eriksrud M. Fibre optic ocean bottom seismic cable system: From innovation to commercial success // Proc. SPIE. 2009. V. 7503. P. 75037U. doi: 10.1117/12.837636.

6. Paulsson B.N.P., Toko J.L., Thornburg J.A., et al. A high performance fiber optic seismic sensor system // Proc. 38th Workshop Geotherm. Reservoir Eng. 2013. P. 8.

7. Nash P., Strudley A., Crickmore R., et al. High efficiency TDM/WDM architectures for seismic reservoir monitoring // Proc. SPIE 7503, 20th International Conf. Opt. Fibre Sensors. 2009. P. 75037T. doi: 10.1117/12.835391.

8. Дмитращенко П.Ю., Плотников М.Ю., Лавров В.С. и др. Компенсация шумов буксировки волоконно-оптической сейсмической косы с использованием вспомогательного интерферометра // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 9. С. 69–74. doi: 10.17586/1023-5086-2021-88-09-69-74.

Dmitrashchenko P.Yu., Plotnikov M.Yu., Lavrov V.S., et al. Compensation of the towing noise of a fiber-optic streamer using an additional interferometer // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. № 9. P. 532–535. doi: 10.1364/JOT.88.000532.

9. Lin G., Ma J., Li M., et al. Large dynamic range in acoustic detection realized by a dual-diaphragm based sensing system with IQ-PGC phase demodulation // IEEE Sens. J. 2022. V. 22. № 9. P. 8996–9004. doi: 10.1109/JSEN.2022.3160730.

10. Kirkendall C.K., Dandridge A. Overview of high performance fibre-optic sensing // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. V. 37. № 18. P. R197–R216. doi:10.1088/0022-3727/37/18/R01.

11. Plotnikov M.J., Kulikov A.V., Strigalev V.E., et al. Dynamic range analysis of the phase generated carrier demodulation technique // Adv. Opt. Technol. 2014. V. 2014. P. 815108. doi: 10.1155/2014/815108.

12. Zhang Y., Wang N., Li X., et al. Study of PGC demodulation scheme for interferometric fiber-optic sensors // Symp. Photon. Optoelectron. (SOPO). Shanghai, China. May 21–23, 2012. P. 1–4. doi: 10.1109/SOPO.2012.6270912.

13. Xie J., Yan L., Chen B., et al . Extraction of carrier phase delay for nonlinear errors compensation of PGC demodulation in an SPM interferometer // J. Lightwave Technol. 2019. V. 37. № 13. P. 3422–3430. doi: 10.1109/JLT.2019.2917041.

14. Аржаненкова А.Н., Плотников М.Ю., Мирошниченко Г.П. и др. Исследование влияния ограничений динамического диапазона волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы на качество регистрируемых сейсмограмм // Науч.-техн. вест. инф. технол., механики и оптики. 2022. Т. 22. № 2. С. 223–231. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-223-231.

Arzhanenkova A.N., Plotnikov M.Yu., Miroshnichen ko G.P., et al. Investigation of the dynamic range restrictions influence of the fiber-optic towed seismic streamer on the seismogram quality // Sci. Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt. 2022. V. 22. № 2. P. 223–231. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-223-231.

15 Miroshnichenko G.P., Arzhanenkova A.N., Plotni kov M.Yu. Errors of in-phase and quadrature demodulation method created by low-pass filter // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2024. V. 15. № 3. P. 325–331. doi: 10.17586/2220-8054-2024-15-3-325-331.