發(fā)布時間：2020-10-31 22:49

　　 光纖地震計作為一種新的地震測量手段,具有靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,常用于地震前兆監(jiān)測,礦物勘探,地質(zhì)結(jié)構(gòu)測量等領(lǐng)域。光纖地震計以相位型干涉儀為機(jī)理原型,將加速度,速度,位移等物理量等效為干涉儀中的相位變化從而測得實際物理量大小。雖然光纖傳感技術(shù)提出多年而且經(jīng)過許多人的研究與探索,光纖地震計在實際工程化應(yīng)用過程中仍存在一些待解決的問題,比如靜態(tài)工作點設(shè)定,系統(tǒng)工作帶寬等,這些問題在一定程度上制約了光纖地震計的大規(guī)模應(yīng)用與工業(yè)化量產(chǎn)。本文從原理與設(shè)計過程上分析了光纖地震計在實際工程化應(yīng)用中遇到的問題,對某些參數(shù)進(jìn)行了建模分析,提高了光纖地震計的實用度。主要工作體現(xiàn)在:(1)對當(dāng)前存在的光纖干涉儀相位解調(diào)算法進(jìn)行了實用化分析,比較了各個算法的優(yōu)缺點以及存在的問題。建模計算了相位載波(PGC)生成算法的工作參數(shù)與靜態(tài)工作點設(shè)定方法,詳細(xì)描述了伴生調(diào)幅效應(yīng),調(diào)制深度偏移,調(diào)相波參數(shù)選取等問題。在計算分析的基礎(chǔ)上,對PGC算法進(jìn)行了工作參數(shù)優(yōu)化,包括調(diào)制深度的設(shè)定以及伴生調(diào)幅抑制,提出了一種將3×3耦合器與PGC相結(jié)合的實用化相位解調(diào)算法,有效解決了伴生調(diào)幅與靜態(tài)工作點漂移等問題。(2)設(shè)計制作了相位解調(diào)系統(tǒng)的工作硬件,包括模擬前端電路以及數(shù)字采集解調(diào)電路,分析了電路系統(tǒng)的噪聲,工作帶寬以及電路設(shè)計過程中的實際應(yīng)用問題。深入研究了模擬電路的噪聲因素以及高速數(shù)字電路的信號線鋪設(shè)要求。在制作完成的硬件上設(shè)計編寫了相位解調(diào)算法的工作軟件,包括DPS, FPGA以及上位機(jī)部分的軟件編程。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收,數(shù)據(jù)實時顯示,數(shù)據(jù)記錄等功能,操作界面友好,使用簡單。(3)對相位解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行集成實用一體化樣機(jī)制作,將光源與解調(diào)電路封裝入樣機(jī)機(jī)箱內(nèi)部后,為了增加系統(tǒng)實用化范圍,增加GPS授時功能與天線防雷設(shè)計,增加電源熱備份工能,增加溫度采集補(bǔ)償處理等功能。(4)利用以上樣機(jī)進(jìn)行光纖地震計數(shù)據(jù)采集與記錄實驗,對系統(tǒng)的相位分辨率以及解調(diào)噪聲做了分析,使用地震計進(jìn)行多次地震信號測量,得到多組疑似地震數(shù)據(jù)。其中部分?jǐn)?shù)據(jù)與現(xiàn)役地震計進(jìn)行了對比,可以看出某些時刻光纖地震計對于振動信號具有更高的6-1 OdB的信噪比。研究結(jié)果表明:光纖地震測量相位解調(diào)系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中其相位分辨率為4×10-5rad/√Nz,工作帶寬為10kHz。地震探測實驗中,可以得到與現(xiàn)役地震計相似波形。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：P315.62
【部分圖文】：

?丨?Ｉ?…：一二?—＾?｜?ＳＵＢ?［－？［?／?［??［ｃｏｓｔｔｕｉｐｔ）?｜??圖１．２原始ＰＧＣ相位解調(diào)算法??ＰＧＣ算法原理是利用輸入信號與本地調(diào)相波進(jìn)行差頻處理，得到兩路被測相位的正??交值，再利用正交值與原始信號進(jìn)行交叉微分相乘，通過三角函數(shù)關(guān)系與積分處理得到??被測相位值。該算法的提出大大簡化了光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜度，整個處理流程可以??在模擬電路上使用加法器，乘法器，濾波器完成，沒有除法操作，在８０年代數(shù)字電路??不是很發(fā)達(dá)的情況下該算法的提出很好的解決了工程實用化的問題。但是該算法存在幾??個問題，首先是其工作的動態(tài)范圍受調(diào)相波信號影響很大，調(diào)相波頻率過低則無法完成??對大幅度相位變化的求解，還有就是該系統(tǒng)工作于開環(huán)狀態(tài)下，沒有反饋回路保證系統(tǒng)??的長期工作穩(wěn)定性［４４］。??對于大動態(tài)范圍信號的解調(diào)與高頻信號分析，１９８１年美國海軍實驗室的Ｓａｎｇ?Ｋ．提??出了一種基于３ｘ３耦合器的解調(diào)方法

該方案利用ＰＧＣ算法中的調(diào)相波信號作為橢圓擬合校正算法的啟動條件，因為有了調(diào)??相波信號的引入，使千涉儀相位變化超過７１／２，才能正確使用橢圓擬合校正算法對伴生??調(diào)幅進(jìn)行修正，降低了輸出結(jié)果的諧波失真。該方案有效消除３ｘ３耦合器因為制作工藝??原因?qū)е碌娜�路輸出信號相位差不對稱問題［５２，５３］。??１．３研究需要解決的問題??目前，光纖地震計的傳感原理已經(jīng)比較成熟，許多高校與科研單位針對實際情況，??各自對應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的重要參數(shù)進(jìn)行了算法優(yōu)化。但是，光纖地震計大規(guī)模應(yīng)用到地震監(jiān)??測與勘探場合中，仍需要解決一些工程化與應(yīng)用化的問題。??１．光纖地震計在工作過程中需要面臨髙頻率，大幅度信號的解調(diào)，如何保證在保證??解調(diào)系統(tǒng)低相位分辨率的情況下拓展其解調(diào)動態(tài)范圍是光纖地震計實用化研究的重點??之一。另外，在光纖千涉儀的實際光路在工作過程中會遇到伴生調(diào)幅，靜態(tài)工作點漂移??等問題，如何對傳統(tǒng)相位解調(diào)算法進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)增加閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性??同樣是光纖地震計實用化過程中需要面臨的問題。??

?ＡＴＡＮ?隨岫）ｌ丨??廣，”本令－￣分Ｃ?ｒ：?ｔ?／Ｌ＾＿＿?－?為產(chǎn)二乂式；八???＾?？？?ｊ??圖１．４橢圓擬合校正算法與ＰＧＣ算法結(jié)合方案??該方案利用ＰＧＣ算法中的調(diào)相波信號作為橢圓擬合校正算法的啟動條件，因為有了調(diào)??相波信號的引入，使千涉儀相位變化超過７１／２，才能正確使用橢圓擬合校正算法對伴生??調(diào)幅進(jìn)行修正，降低了輸出結(jié)果的諧波失真。該方案有效消除３ｘ３耦合器因為制作工藝??原因?qū)е碌娜�路輸出信號相位差不對稱問題［５２，５３］。??１．３研究需要解決的問題??目前，光纖地震計的傳感原理已經(jīng)比較成熟，許多高校與科研單位針對實際情況，??各自對應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的重要參數(shù)進(jìn)行了算法優(yōu)化。但是，光纖地震計大規(guī)模應(yīng)用到地震監(jiān)??測與勘探場合中，仍需要解決一些工程化與應(yīng)用化的問題。??１．
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳運泰;楊智嫻;張勇;劉超;;從汶川地震到蘆山地震[J];中國科學(xué):地球科學(xué);2013年06期

2 白龍;楊華勇;羅洪;馬明祥;;基于光纖布拉格光柵加速度傳感器的研究進(jìn)展[J];半導(dǎo)體光電;2012年06期

3 劉文義;張文濤;李麗;黃穩(wěn)柱;李芳;;光纖傳感技術(shù)——未來地震監(jiān)測的發(fā)展方向[J];地震;2012年04期

4 張華勇;王利威;施清平;田長棟;張敏;廖延彪;;光纖水聽器時分復(fù)用系統(tǒng)通過3×3耦合器信號解調(diào)的一種新算法[J];中國激光;2011年05期

5 趙紀(jì)東;張志強(qiáng);;地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用及啟示[J];地質(zhì)通報;2009年04期

6 張雁濱;蔣駿;廖盈春;李勝樂;鐘鐵濤;;寬頻地震計及傾斜、重力儀對長周期波動信號的綜合觀測[J];地震學(xué)報;2008年06期

7 崔鵬;韋方強(qiáng);何思明;游勇;陳曉清;李戰(zhàn)魯;黨超;楊成林;;5·12汶川地震誘發(fā)的山地災(zāi)害及減災(zāi)措施[J];山地學(xué)報;2008年03期

8 郭華軍;劉慶成;;地震屬性技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J];物探與化探;2008年01期

9 陳德勝;肖靈;崔杰;劉亭亭;孫德興;;光纖干涉信號的3×3耦合器解調(diào)及偏振衰落分析[J];光電子.激光;2007年05期

10 洪廣偉;賈波;華中一;;一種基于3×3耦合器構(gòu)造干涉儀的被動解調(diào)新方法[J];儀器儀表學(xué)報;2006年04期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 周銳;光纖地震波信號解調(diào)技術(shù)研究[D];西北大學(xué);2011年

2 呂文磊;模式分裂對F-P干涉型光纖水聽器工作穩(wěn)定性的影響[D];哈爾濱工程大學(xué);2007年

本文編號：2864616