光纤地震测量信号解调系统的若干实用化研究

发布时间：2020-10-31 22:49

　　 光纤地震计作为一种新的地震测量手段,具有灵敏度高,抗干扰能力强等优点,常用于地震前兆监测,矿物勘探,地质结构测量等领域。光纤地震计以相位型干涉仪为机理原型,将加速度,速度,位移等物理量等效为干涉仪中的相位变化从而测得实际物理量大小。虽然光纤传感技术提出多年而且经过许多人的研究与探索,光纤地震计在实际工程化应用过程中仍存在一些待解决的问题,比如静态工作点设定,系统工作带宽等,这些问题在一定程度上制约了光纤地震计的大规模应用与工业化量产。本文从原理与设计过程上分析了光纤地震计在实际工程化应用中遇到的问题,对某些参数进行了建模分析,提高了光纤地震计的实用度。主要工作体现在:(1)对当前存在的光纤干涉仪相位解调算法进行了实用化分析,比较了各个算法的优缺点以及存在的问题。建模计算了相位载波(PGC)生成算法的工作参数与静态工作点设定方法,详细描述了伴生调幅效应,调制深度偏移,调相波参数选取等问题。在计算分析的基础上,对PGC算法进行了工作参数优化,包括调制深度的设定以及伴生调幅抑制,提出了一种将3×3耦合器与PGC相结合的实用化相位解调算法,有效解决了伴生调幅与静态工作点漂移等问题。(2)设计制作了相位解调系统的工作硬件,包括模拟前端电路以及数字采集解调电路,分析了电路系统的噪声,工作带宽以及电路设计过程中的实际应用问题。深入研究了模拟电路的噪声因素以及高速数字电路的信号线铺设要求。在制作完成的硬件上设计编写了相位解调算法的工作软件,包括DPS, FPGA以及上位机部分的软件编程。实现网络数据接收,数据实时显示,数据记录等功能,操作界面友好,使用简单。(3)对相位解调系统进行集成实用一体化样机制作,将光源与解调电路封装入样机机箱内部后,为了增加系统实用化范围,增加GPS授时功能与天线防雷设计,增加电源热备份工能,增加温度采集补偿处理等功能。(4)利用以上样机进行光纤地震计数据采集与记录实验,对系统的相位分辨率以及解调噪声做了分析,使用地震计进行多次地震信号测量,得到多组疑似地震数据。其中部分数据与现役地震计进行了对比,可以看出某些时刻光纤地震计对于振动信号具有更高的6-1 OdB的信噪比。研究结果表明:光纤地震测量相位解调系统在实际应用过程中其相位分辨率为4×10-5rad/√Nz,工作带宽为10kHz。地震探测实验中,可以得到与现役地震计相似波形。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：P315.62
【部分图文】：

?丨?Ｉ?…：一二?—＾?｜?ＳＵＢ?［－？［?／?［??［ｃｏｓｔｔｕｉｐｔ）?｜??图１．２原始ＰＧＣ相位解调算法??ＰＧＣ算法原理是利用输入信号与本地调相波进行差频处理，得到两路被测相位的正??交值，再利用正交值与原始信号进行交叉微分相乘，通过三角函数关系与积分处理得到??被测相位值。该算法的提出大大简化了光纤传感解调系统的复杂度，整个处理流程可以??在模拟电路上使用加法器，乘法器，滤波器完成，没有除法操作，在８０年代数字电路??不是很发达的情况下该算法的提出很好的解决了工程实用化的问题。但是该算法存在几??个问题，首先是其工作的动态范围受调相波信号影响很大，调相波频率过低则无法完成??对大幅度相位变化的求解，还有就是该系统工作于开环状态下，没有反馈回路保证系统??的长期工作稳定性［４４］。??对于大动态范围信号的解调与高频信号分析，１９８１年美国海军实验室的Ｓａｎｇ?Ｋ．提??出了一种基于３ｘ３耦合器的解调方法

该方案利用ＰＧＣ算法中的调相波信号作为椭圆拟合校正算法的启动条件，因为有了调??相波信号的引入，使千涉仪相位变化超过７１／２，才能正确使用椭圆拟合校正算法对伴生??调幅进行修正，降低了输出结果的谐波失真。该方案有效消除３ｘ３耦合器因为制作工艺??原因导致的三路输出信号相位差不对称问题［５２，５３］。??１．３研究需要解决的问题??目前，光纤地震计的传感原理已经比较成熟，许多高校与科研单位针对实际情况，??各自对应用领域内的重要参数进行了算法优化。但是，光纤地震计大规模应用到地震监??测与勘探场合中，仍需要解决一些工程化与应用化的问题。??１．光纤地震计在工作过程中需要面临髙频率，大幅度信号的解调，如何保证在保证??解调系统低相位分辨率的情况下拓展其解调动态范围是光纤地震计实用化研究的重点??之一。另外，在光纤千涉仪的实际光路在工作过程中会遇到伴生调幅，静态工作点漂移??等问题，如何对传统相位解调算法进行优化，适当增加闭环反馈控制系统的工作稳定性??同样是光纤地震计实用化过程中需要面临的问题。??

?ＡＴＡＮ?隨岫）ｌ丨??广，”本令－￣分Ｃ?ｒ：?ｔ?／Ｌ＾＿＿?－?為产二乂式；八???＾?？？?ｊ??图１．４椭圆拟合校正算法与ＰＧＣ算法结合方案??该方案利用ＰＧＣ算法中的调相波信号作为椭圆拟合校正算法的启动条件，因为有了调??相波信号的引入，使千涉仪相位变化超过７１／２，才能正确使用椭圆拟合校正算法对伴生??调幅进行修正，降低了输出结果的谐波失真。该方案有效消除３ｘ３耦合器因为制作工艺??原因导致的三路输出信号相位差不对称问题［５２，５３］。??１．３研究需要解决的问题??目前，光纤地震计的传感原理已经比较成熟，许多高校与科研单位针对实际情况，??各自对应用领域内的重要参数进行了算法优化。但是，光纤地震计大规模应用到地震监??测与勘探场合中，仍需要解决一些工程化与应用化的问题。??１．
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈运泰;杨智娴;张勇;刘超;;从汶川地震到芦山地震[J];中国科学:地球科学;2013年06期

2 白龙;杨华勇;罗洪;马明祥;;基于光纤布拉格光栅加速度传感器的研究进展[J];半导体光电;2012年06期

3 刘文义;张文涛;李丽;黄稳柱;李芳;;光纤传感技术——未来地震监测的发展方向[J];地震;2012年04期

4 张华勇;王利威;施清平;田长栋;张敏;廖延彪;;光纤水听器时分复用系统通过3×3耦合器信号解调的一种新算法[J];中国激光;2011年05期

5 赵纪东;张志强;;地震预警系统的发展、应用及启示[J];地质通报;2009年04期

6 张雁滨;蒋骏;廖盈春;李胜乐;钟铁涛;;宽频地震计及倾斜、重力仪对长周期波动信号的综合观测[J];地震学报;2008年06期

7 崔鹏;韦方强;何思明;游勇;陈晓清;李战鲁;党超;杨成林;;5·12汶川地震诱发的山地灾害及减灾措施[J];山地学报;2008年03期

8 郭华军;刘庆成;;地震属性技术的历史、现状及发展趋势[J];物探与化探;2008年01期

9 陈德胜;肖灵;崔杰;刘亭亭;孙德兴;;光纤干涉信号的3×3耦合器解调及偏振衰落分析[J];光电子.激光;2007年05期

10 洪广伟;贾波;华中一;;一种基于3×3耦合器构造干涉仪的被动解调新方法[J];仪器仪表学报;2006年04期

相关硕士学位论文 前2条

1 周锐;光纤地震波信号解调技术研究[D];西北大学;2011年

2 吕文磊;模式分裂对F-P干涉型光纤水听器工作稳定性的影响[D];哈尔滨工程大学;2007年

本文编号：2864616