（光学工程专业论文）光纤光栅地震检波器信号解调系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着地震检波技术的迅速发展，对其频率、动态范围、精度及分辨率的要求也日益 提高，而传统的地震检波器存在着频带窄、动态范围小、精度和分辨率低、抗干扰能力 差等缺点，已经越来越不能满足现在地震勘探的要求。光纤光栅作为目前最有发展前途、 最具有代表性的光纤无源器件，若将其用于振动传感则具有传统探测器无可比拟的优 点：( 1 ) 用波长编码信号，便于构成分布式传感网络( 2 ) 灵敏度高( 3 ) 动态范围大( 4 ) 抗干扰 能力强。 基于光纤光栅的传感网络中，如何检测、处理传感光栅中心波长的微小偏移量，即 对波长编码的信号实现解调是整个系统实用化的关键。对光纤b r a g g 光栅传感器信息的 采集和处理，实验室一般借助于光谱仪等光学仪器，在实际工程应用中，该方法有很多 缺点，如何开发一套高精度、大动态范围适合实际工程应用的波长位移检测系统已经成 为近年来研究的热点。 本文由教育部光电信息技术科学重点实验室开放课题( 2 0 0 5 - 1 6 ) “基于s a g n a c 环的 光纤光栅传感器解调系统的研究”基金资助，致力于开发一种适用于地震检波器的信号 解调系统，主要从以下几方面展开研究： 1 系统介绍了光纤b r a g g 光栅及其传感原理；分析了温度和应变以及二者交叉敏感 对传感特性的影响；对光纤b r a g g 光栅传感应用中的各种关键技术做了详细的介绍并重 点分析和比较了各种解调方案的优缺点。 2 系统介绍了光纤b r a g g 光栅地震检波器探测系统的结构和工作原理，并对其灵 敏度等性能进行详尽的理论分析，最后对整个探测系统进行性能测试。 3 从解调系统的功能和设计要求出发选定解调方案，给出了方案中光路系统和光 电信号的处理系统的具体设计方法并搭建实验系统 4 依据所搭建的实验系统进行静态温度传感解调实验，在给出实验结果的基础上 总结方案的优缺点、提出改进措旌。 关键词：光纤b r a g g 光栅地震检波器边缘滤波解调 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e i s m i ce x p l o r a t i o n , t h ed e m a n do ff r e q u e n c y , d y n a m i c r a n g e , p r e c i s i o n a n dr e s o l u t i o nr a t i o ni si n c r e a s e d b u tt h et r a d i t i o n a l g e o p h o n eh a s d i s a d v a n t a g e so fn a r r o w e rb a n d w i d t h ，l o w e rd y n a m i cr a n g ea n dr e s o l u t i o n , a n dc a nn o tm e e t t h en e wn e e d so fs e i s m i ce x p l o r a t i o n a so n eo ft h em o s tp o t e n t i a la n ds u c c e s s f u lo p t i c p a s s i v ed e v i c e ，f i b e rb r a g gg r a t i n gh a sp a r t i c u l a ra d v a n t a g es u c ha s ：( 1 ) t h es e n s i n g i n f o r m a t i o ni sc o d e di nt h ew a v e l e n g t h ，c a nc o n s t r u c ts e n s i n gn e t w o r ke a s i l y ( 2 ) h i g h e r a c c u r a c y ( 3 ) l a r g e rd y n a m i cr a n g e ( 4 ) b e t t e ri m m u n i t y i nt h es e n s i n gn e t w o r kb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g , t h ek e yt om a k ef b gu s em o r e w i d e l yi st od e t e c ta n dp r o c e s st h et i n yo f f s e to fc e n t e rw a v e l e n g t h ，i e t od e m o d u l a t et h e w a v e l e n g t hs i g n a lo ff b g1 1 壕a c q u i s i t i o na n dp r o c e s so fs e n s i n gs i g n a lo ff b gm a i n l yr e l y o ns o m eo p t i c a li n s t r u m e n t ss u c h 鹤o s a b u ti np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , i th a s m a n yd i s a d v a n t a g e s ，h o wt od e v e l o pas y s t e mo fw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o nt h a th a sh i g h c r a c c u r a c y , l a r g e rd y n a m i ca n df i tf o re n 西n e e r i n ga p p l i c a t i o nh a sb e c o m i n go n eo ft h ec u r r e n t h e a tr e s e a r c hf i e l d s n es u s t e n t a t i o nf u n do ft h i sp a p e ri so p e np r o b l e m ( 2 0 0 5 1 6 ) - r e s e a r c ho ff i b e rb r a g g g r a t i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do ns a g n a cl o o p s u p p o r t e db yp h o t o e l e c t r i ci n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yl a bb e l o n g st om i n i s t r yo fe d u c a t i o n i ti sd e v o t e dt od e v e l o pad i s t r i b u t e d w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e mt h a ta d a p t e dt of i b e rb r a g gg r a t i n gg e o p h o n e t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 f b ga n dt h et h e o r yo fs e n s i n gw i t hf b ga r ei n t r o d u c e d ；t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ， s t r a i na n dt h eg r o s ss e n s i t i v eo ft h e ma r ea n a l y z e d ；t h ed e m o d u l a t i o nm e t h o d so ff i b e r g r a t i n g sa r ei n t r o d u c e d , e s p e c i a l l ya d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o da r ea n a l y z e d a n dc o n t r a s t e d 2 t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h es e n s i n gp r o b eo ff b gg e o p h o n ea r ei n t r o d u c e d ；t h e s e n s i t i v i t ya n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s i n gp r o b ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ；as i m p l e p e r f o r m a n c et e s to fs e n s i n gp r o b ei sm a d e 3 d e m o d u l a t i o ns c h e m ei sg i v e nf r o mt h ef u n c t i o no fd e m o d u l a t i o ns y s t e ma n dd e s i g n r e q u e s t ；t h es y s t e mo fo p t i c a lu n i ta n dt h ed e s i g nm e t h o do fe l e c t r i cc i r c u i t sa r eg i v e ni nd e t a i l ； e x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e df m a l l y 4 s o m ee x p e r i m e n t sa r es e tt ot e s tt h ed e m o d u l a t i o nm e t h o da b o v e , o nt h ef o u n d a t i o no f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g sa r ec o m m e n t a t e d , t h eu s eo ft h i s d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei sb e e np r o s p e c t e d k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n gg e o p h o n ec d g cf i l t e r d e m o d u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨逮墨墨盘望 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彦防踢签字日期：冽年，月，乞日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生墨墨盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡兰盘垒可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：阂剥踢 签字日期：沙1 年月f 日 导师签名：豳奄以 签字日期：y 0 年，月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤光栅传感技术及其发展动态 随着低损耗光波导在2 0 世纪6 0 年代的实现，光纤已经发展成为现代通信和光传感 网络的代名词。当时，对基于光纤的网络而言，一个主要的缺陷是必须依靠体积光学来 调整和控制导波光束【1 - 2 1 。 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l l l 等人首次发现了掺锗光纤的光敏性， 从而导致了一种所谓光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 的新型光纤内纤型无源器件 的出现，尤其是1 9 8 9 年美国东哈特福德技术中心的g m e l t z 发明的横向干涉制作技术 5 1 ，1 9 9 3 年k o h i l l 提出的相位掩膜制作方法以及p j l e m a i r e 等人发现的低温高压载氢 敏化处理技术1 6 - 7 1 ，使高性能光纤光栅的批量生产成为可能，光纤光栅逐步走向实用化， 广泛用于光纤通信、光纤传感两大领域，被认为是继掺饵光纤放大器( e d f a ) 之后，最有 发展前途和最具代表性的光纤无源器件之一。 光纤光栅传感器是利用外界物理量( 温度或压力) 的变化引起光纤光栅的光栅周期或 折射率变化，从而使光纤光栅的反射中心波长发生改变以达到温度和压力传感目的。在 光纤光栅传感系统中，外界物理量是以光纤光栅的反射波长为载体来传递的。基于光纤 光栅的传感过程是通过外界参量对其b r a g g 波长的调制来获取传感信息，这是一种波长 ( 或光栅) 调制型光纤传感器作为传感单元，光纤光栅具有以下优点 s - l o ： ( 1 ) 波长编码是一种绝对测量方式，具有自校正功能。在对光纤进行定标后，光纤 光栅的波长信息就提供了一种绝对变化值，即无需知道前一时刻的测量值。其特点是系 统重新启动后，传感系统获得的传感信息不会丢失。与此相比，相对测量方法就必须知 道前一时刻的测量值；若重新启动传感系统后，传感信息会丢失，即关闭系统前后获得 的两段传感信息没有关系 ( 2 ) 抗干扰能力强。一方面，若忽略光纤中的非线性效应，普通的传输光纤不会影 响光的频率特性。另一方面，光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干 扰，因为光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等都不可能影响传 感信号的波长特性。 ( 3 ) 传感探头的结构简单，尺寸小( 其外径和光纤本身相同) 。 ( 4 ) 测量结果具有良好的重复性。 ( 5 ) 便于构成各种形式的光纤传感网络。 ( 6 ) 光纤光栅的写入工艺日渐成熟，便于规模化生产。 由于光纤光栅传感器具有许多其它传感器无法比拟的独特优点，因而受到各国专家 广泛的注意并参与研究国际上，美、英、加拿大等西方发达国家以及亚洲的日本、韩 国利用其在光通信领域的优势和巨大的资金投入，处于光纤光栅传感领域的领先地位， 主要研究机构有：美国的海军实验室( n r l ) 、国家航空航天管理局( n a s a ) 的实验室 第一章绪论 ( l a r g e rr e s e a r c hl a b ) 、b l u er o d er e s e a r c h 公司、m i c r o no p t i c s 公司等；英国的k e n t 大 学、c i t y 大学、s m a r t f i b e r s 公司等；加拿大的p h o t o n i c s r e s e a r c h 公司以及韩国的国家 光电子研究中心l i l - 1 2 1 等，研究内容涵盖：航天航空结构( 如机翼部件) 材料的损伤探测和 应力、应变状况的实时监测；桥梁、边坡、隧道、楼宇等工程中混凝土结构的自监测和 自诊断；地震、海啸等地质灾害的预测；医学热疗过程中的温度监控等。研究的热点已 从军用逐步转向民用，从单元器件的关键技术攻关和小规模传感组网测试转向多参量、 大规模传感网络的工程化、实用化研究和开发【l m 4 1 。据统计光纤光栅可以制成用于检测 应力、应变、温度、压力、振动、磁场和电流等多种参量的光纤传感器和传感网络。在 上述被测量中已有许多单元及中、小规模光纤光栅传感系统从实验室阶段发展为商品， 尤以温度和应变传感测量最为成熟。 我国是从2 0 世纪9 0 年代中后期开展光纤b r a g g 光栅的研究工作，由于时逢基础建 设高潮，加之国家自然基金、8 6 3 计划等国家基金以及其他部委专向基金的支持和资助， 光纤光栅的传感应用研究取得了丰硕成果。在传感理论方面，以清华大学、吉林大学、 中科院半导体所、上海光机所等为代表，对光纤的光敏性、成栅机理、光波传输规律等 问题进行了深入研究；在光纤传感的关键技术方面，武汉理工大学、南开大学、重庆大 学、深圳朗科、北京品傲光电等单位和公司做了各有特色的工作。其中，南开大学的研 究集中于光纤光栅的温度、应变等参量的区分和测量i b l 6 1 ；武汉理工大学、西安石油大 学在传感器的封装和埋覆方面贡献突出；重庆大学主要致力于长周期光栅的传感应用研 究；清华大学、北京品傲公司在光栅解调方面取得了显著的成绩。在工程应用方面，哈 尔滨工业大学、香港理工大学、上海紫栅光电公司已完成将光纤传感系统应用于呼兰河、 青马等桥梁的结构监测【1 7 l ；武汉理工大学、西安石油大学等单位也开展了将光纤光栅用 于压力、振动、电流等参量的传感应用研究，取得了不少阶段性的成果。 光纤光栅的传感研究虽然取得了一些成就，但在国内仍处于研发阶段，尚有许多关 键技术和工艺问题需要进一步深入研究和完善。当前，光纤光栅的传感器的发展趋势及 实际应用中需要解决的主要问题有： ( 1 ) 深入研究光纤光栅的基本性质，其中包括：光纤材料光敏本质的机理；光纤光栅 灵敏度，动态范围的提高途径；光纤光栅对外界物理量敏感的本质及其增敏和去敏的可 能方式；交叉敏感的解决途径等。 ( 2 ) 应进一步完善现有的光栅写入方法及其封装技术，发展新的写入方法，尤其是 非均匀光栅的写入方法，进一步降低光纤光栅的成本，提高其使用寿命等。 ( 3 ) 进一步研究波分复用、时分复用的多路传感器阵列，实现多参数、多变量的同 时测量。 ( 进一步研究和开发出高效低成本的信号解调系统，着重研究b r a g g 波长移位的 检测技术，应力求发展一些方便、价廉、灵敏度高的波长移位检测技术和设备，这将大 大促进光纤光栅传感及其网络技术的发展。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状和水平 本文致力于光纤光栅地震检波器信号解调系统的开发，给出了一种适用于低频振动 信号测试的解调方法。现从光纤光栅传感器的解调技术水平以及地震检波器的研究水平 两方面来分析现有的科技成果。 1 2 1 光纤光栅传感解调技术水平 光纤光栅传感技术中，信号检测过程是一个解调过程。它与传感过程正好相反，光 信号检测技术是研究从被调制的光信号中还原出原始信号的解调技术，还原得到的信号 将比例于被测信号。如何对光纤光栅的波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传感实 用化的关键，对中心波长移位的检测精度直接限制了整个系统的检测精度。因此用光纤 光栅构成的传感系统中必须有精密的波长检测装置。 对光纤光栅传感器的波长位移最直接的检测方法就是用光谱仪( 或单色仪) ，它在光 纤光栅传感器的前期研究中发挥了重要作用，但由于光谱仪体积大、价格高、分辨率低， 只适合作为基础实验研究。1 9 9 2 年ad k e r s e y 等人提出了非平衡m a t h z e h n d e r 干涉 仪法【埘，该法利用非平衡m a e h z e h n d e r 干涉仪将光纤光栅反射光的波长变化转化为相 位变化，通过检测相位变化得到波长变化的信息。该方法分辨率高，ad k e r s e y 等用 此方案在频率为5 0 0 h z 的动态情形下获得应变分辨率为0 6 n e i - i z 。此后，ad k e r s e y 等人又先后提出了锁模激光调制法、可调谐光纤f - p 滤波法和外加调制的非平衡m z 干涉法。1 9 9 2 1 9 9 4 年，s e r g em m e l l e 和m a d a v i s 等人提出被动解调法，该法利用 了信号通道和参考通道的比例运算以消除光强和连接损耗的影响，并且结构简单，其波 长分辨率决定于线性滤波器的斜率。1 9 9 3 年，d a j a c k s o n 等人提出了光栅匹配法，并 且提出了用于分布式光纤光栅传感系统的结构1 1 9 1 。1 9 9 4 年，g a b a l l 等人又提出了可调 谐窄带光源扫描法i 捌体全息解调技术1 2 1 】是在1 9 9 6 年由j a m e ssw 等提出的一种解调 方案，他们将b a t i 0 3 晶体作为体全息滤波元器件，对光栅阵列型传感器进行解调。利 用该方法可以探测到2 5 0 0 z e 的范围，其分辨率可达到锄d h z 。f e r d r a l a 等人在1 9 9 7 年提出利用伪外差匹配f b g z z 法进行传感解调。副载波调频滤波法i 矧是把信号光加载 到另外一个频段上，在接收端将有用信号从载波上下载并解调，是由c h a np e t e rkc 等 在1 9 9 9 年报道的。2 0 0 1 年s e u n g h w a n c h u n g 等报道了高双折射环镜边缘滤波解调法l 驯， 这种解调方法可用于静态和动态应交的测量，其分辨率分别能达到2 1 劫e 和7 7n e h z ， 可以进行高速解调。 已提出的光纤光栅波长解调方法很多，但投入实际应用的产品并不多见。目前，技 术上较为成熟、实用的典型方案主要有被动解调法和可调f - p 滤波法。美国m i c r o no p t i c s 公司在光纤光栅传感解调产品的研制方面处于领先地位，他们推出的分布式光纤温度 应变监测系统一光纤布里渊分析仪，能实现对温度和应变的分布式测量，测量精度分别 为1 和2 嘶c ，测试距离可达3 0 k m 3 第一章绪论 1 2 2 国内外地震检波器研究现状 地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的机电转换装置，是应用于地质勘探及 工程测量领域的专用振动传感器。它主要分为速度型、加速度型和压电型三种。压电型 检波器主要用于水域及海洋的地层勘探；速度型和加速度型检波器主要用于陆地上的地 震勘探。 地震检波器的发展大致经历了3 个阶段：1 、1 9 7 8 年以前，地震检波器以窄频带( 1 4 - 6 0 h z ) 、低灵敏度0 0 d b ) 为主，型号也比较单一。2 、年代中期，地震仪器实现数字化， 计算机数据处理也得到了相应的发展，更重要的是三维地震、高分辨率地震、v s p 地震 测井等技术的出现，扩大了地震勘探领域( 山地、戈壁、沙漠、海滩及海上) ，地震检波 器在性能及型号和品种上发生根本性的变化，一大批不同技术指标的高通检波器相继出 现，检波器的灵敏度、自然频率、失真系数、假频系数等技术指标都得到较大的改进， 其性能及使用范围大大提高，井中检波器，海上压电检波器等相继研制成功。3 、年 代中末期到现在，三维地震、高分辨率地震日益成熟，出现了四维地震、多波多分量勘 探、井间地震等新技术和新方法，与之相适应，检波器的型号和品种也越来越丰富，如 三分量检波器、四分量检波器、涡流检波器、高性能压电检波器等。据初步统计，目前 共十二个系列2 5 种型号的检波器应用于地震勘探之中。 近年来，随着人们的不断实践发现，地震检波器的性能已成为制约高分辨率地震数 据采集的瓶颈【瑚。为了满足高分辨率地震勘探的需求，国内外各检波器生产厂家和各研 究单位对地震检波器都作了系统的研究和开发。 我国的地震检波器在5 0 - 6 0 年代处于仿制阶段，到7 0 年代，开始自行研制和生产。 8 0 年代，我国引进的地震检波器生产线，不仅可以满足国内需求，而且还可用于出1 3 1 2 6 1 。 国内生产的地震检波器，从勘探方法上可以分为：纵波检波器和横波检波器。就品种而 言，不仅有用于接收纵波、横波的检波器，还有沼泽检波器、涡流检波器、三分量检波 器和压电晶体检波器。从机理上划分又可分为速度型、加速度型和压电型三种，压电型 检波器主要用于水域及海洋的地层勘探，速度型和加速度型检波器主要用于陆地上的地 震勘探；以自然频率分类，有低频、中频和高频检波器，频率范围有4 5 h z 、8 h z 、1 0 h z 、 1 4 h z 、2 8 h z 、3 5 h z 、4 0 h z 、6 0 f i z 、8 0 h z 、1 0 0 k 等各种不同自然频率的检波器，并已 实现系列化，基本上满足了国内地震勘探的需要。 速度型检波器方面，年代后期，西安石油勘探仪器总厂和石油天然气总公司物探 局仪器总厂先后引进荷兰s e n s o r 公司的s m - 4 系列和美国g e o s p a c e 的g s 2 0 d x 系 列数字地震检波器的技术和设备，经过消化吸收及改进，推进了我国地震检波器的发展， 把国内地震检波器的生产提高到一个新的台阶。到目前为止，两家分别生产的s n 4 和 j f - 2 0 d x 系列检波器在国内占据了大部分的市场，并出口到国外。9 0 年代，为了适应高 分辨率勘探的要求，西安石油勘探仪器总厂研制成功了达到同类产品国际先进水平的 “s n 7 c 系列超级检波器”1 2 7 ，河北俊峰公司也推出了j f - s d 高精度地震检波器【丝】，它们 都具有以下特点： 各项常规技术指标允差均为2 5 4 第一章绪论 1 具有1 0 0 0 h z 的宽频带 2 超过3 0 0 h z 的典型假频，适用于l m s 采样 3 失真系数小于0 1 为适应地震勘探的不同要求，西安石油勘探仪器总厂研制了s q j 8 系列高频检波器 ( 6 08 01 0 0h z ) 、三分量检波器、沼泽检波器等；物探局仪器总厂推出了c s g 系列地震 检波器( 1 06 0a z ) 等品种，使国内地震检波器能适应各种勘探要求。 1 9 9 5 年，西安石油勘探仪器总厂研制成功了s w j 2 系列涡流型加速度检波器，s w j 2 型检波器是高分辨率勘探比较理想的检波器。 从9 0 年代初期至今，地震勘探仪的发展进入了新一代历史时期2 4 位a d 遥测 仪器阶段。在1 0 多年的发展过程中，国外地震勘探仪器装备专业生产厂商经过激烈的 市场竞争、兼并、改组，基本上形成了以法国s e r c e l 公司和美国v o 公司占据世界主要 市场的新格局1 2 9 1 。其他公司也在激烈的市场竞争中，依据自身的优势与条件不断寻求生 存空间和发展机遇。 s e n s o r 公司生产的s m 4 检波器和g e o s p e a c e 公司生产的g s - - 2 0 d x 检波器 从8 0 年代中后期到现在仍占据了一定的市场。1 9 9 3 年，荷兰s e n s o r 公司率先推出了 与2 4 位遥测地震仪相配套的超级检波器s m - 4 h s ，参数允差从5 缩小为- + 2 5 ，失真系 数由o 2 降低为0 1 以下，但其假频只有1 8 0 h z 。 1 9 9 4 年，s e n s o r 公司又推出了低失真、高假频s m 2 4 超级地震检波器，假频指 标已由sm 4 h s 的1 8 0 h z 提高到2 4 0 h z ，参数允差艺5 ，失真羽1 ，是国际物探市 场最早推向市场的真正的满足2 4 位数字地震仪的超级检波器。 1 9 9 3 年后，美国西方地球物理公司( 、) l 啪r ng e o p h y s i c a l ) 推出的1 0 1 8 型检 波器，虽然假频已提高3 0 0 h z ，失真已降低为0 1 2 ，但参数允差仍为5 。日本的o y o 公司推出了g s - - - 3 0 c t 超级检波器，各项允差均为2 ，失真 o 1 2 ，但假频指标仅为 1 6 0 h z 随后，又推出了g s - - 3 2 c t 超级检波器。 美国m a h k 公司为满足国际物探市场需要，也积极开发超级检波器，1 9 9 5 年在s e g 杂志上宣布推出了一种低失真的m a r k 2 超级检波器，各项指标允差2 5 ，开路涡流 阻尼为6 8 2 5 为减少失真，采用了一种独特线架结构，磁钢选用航天航空工业常 用的高矫顽力、高剩磁、低温度系数的衫钴磁钢，失真系数达到典型值 o 0 2 ，肌2 0 最大失真 1 3 0 5 ，假频达到2 5 0 h z ，是代表目前国际先进水平的最新一代超级检波器。 该检波器现已在美国欧洲专利局，澳大利亚的国际知识产权( p c t ) 组织申报了专利并得 到了批准，在p c t 组织中申报的专利中涉及5 5 个国家( 其中包括中国) 和3 5 个地区。 当前，国内外主要地震仪器类型可分为4 类：有线遥测地震仪、无线遥测地震仪、 有线与无线一体化遥测地震仪和存储式数据回收遥控地震仪。在这4 类遥测地震仪中， 有线遥测地震仪仍处于主导地位，占据世界市场的绝大多数份额。无线遥测地震仪则以 其在特殊地表条件下施工的灵活性，也占据有一定的市场。真正有线与无线一体化设计 的遥测地震仪只有i ，o 公司最新推出的i m a g e t m 系统存储式数据回收遥测地震仪是 一种特殊类型的地震仪，目前只有美国i o 公司生产的r s r 型仪器1 3 0 j 目前世界上正 在使用的大部分型号的地震勘探仪器仍具有较强的生命力，主要是指仪器所具有的技术 5 第一章绪论 性能和技术指标仍能满足当前石油勘探的需要。 1 3 课题的提出与研究意义 地震勘探是以人工地震反射波为被测信号的一种最有效、应用最广泛的地球物理勘 探方法，主要用于石油、金属矿藏、煤炭、工程地质、水文地质和地热等的探测。目前， 高分辨率地震反射法勘探已经越来越多地应用在环境、水文和工程勘探中，但高频地震 波在地层内衰减很快，到达地表时能量已经很小，因此检波器对微弱信号的检测是十分 重要的。 由上一节的分析发现，现有地震检波器存在着以下一些问题：( 1 ) 频带窄；( 2 ) 动态 范围小；( 3 ) 精度和分辨率较低( 4 ) 抗干扰能力差等。因此，研究与探索高精度地震勘探 的新型地震检波器技术理论迫在眉睫。 近年来，光纤b r a g g 光栅a f b g ) 以其可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀，能在复杂的 化学环境下工作等优势在传感领域的应用越来越引起人们的重视把b r a g g 光栅用于测 量温度、应变、位移等方面的研究很多，但用于地震波检测还是一个新鲜课题，特别是 国内这方面的报道并不多，实用性的商品也没有。因此开发一种高灵敏度、大动态范围、 适合高分辨力勘探的基于光纤光栅的地震检波器很有实用价值。而对于光纤b r a g g 光栅 振动传感器，影响其传感应用的关键是对其波长编码信号的解调。传感解调系统的作用 在于它能及时、准确地提取出信号幅值的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过 程，对待测信息不仅要精确地测量其幅值，而且需要记录或跟踪其整个变化过程。 本论文“光纤光栅地震检波器信号解调系统的研究”正是在这样的基础上提出的。 其目的是设计开发出一种精度高、光能利用率高、价格低廉、操作简便、适合于地震勘 探应用的传感器波长解调系统。 目前国内对光纤b r a g g 光栅的研究还仅限于高校和科研院所，基本上还处于理论研 究和实验研究阶段，而且实验研究的重点也仅放在光纤b r a g g 光栅的物理特性的研究方 面，少有应用性的研究成果问世因此如何设计和开发出一种高精度的光纤b r a g g 光栅 波长解调系统，实现光纤光栅传感器的广泛应用，不论是从理论研究上还是实际应用上 来看都具有重大的意义和实际价值。 1 4 本论文的主要内容和研究方法 本次课题的研究设计了利用长周期光栅作为边缘滤波器的边缘滤波解调方案，整个 探测系统采用不同于传统悬臂梁结构的谐振子式，其振动信息耦合方式直接，而且避免 了粘胶引起检测信号的失真，因此可能会获得更高的检测精度。 论文需要完成的主要内容如下： 净系统介绍光纤光栅传感理论； ”分析检波器探测系统，进行性能测试； 6 第一章绪论 ”确定解调方案，组建光纤光栅地震检波器解调实验系统； 进行传感解调实验研究； 诤总结已完成的工作，并对进一步的研究做出规划。 本课题的研究主要采取实验的方法。对实验系统进行不断的优化，开发出具有较高 分辨率，误差较小，测量范围较大的解调系统，实现准确地检测多点应变，直接得到测 量结果等功能。研究的方法如图1 - 1 所示。 确定解调方案 构建试验东统 实缝、获取数据 格度、误差分析 群调兼统确立 图1 1 课题研究的方法 第二章光纤光栅的传感理论研究 第二章光纤光栅的传感理论研究 光纤光栅是近几年来发展最为迅速的光无源器件之，它利用光纤材料的光敏性 ( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化) 制作而成。由于它具 有许多独特的优势，从问世以来就在光纤通信、光纤传感领域得到了广泛的应用。深入 研究光纤光栅的传感理论和性质是其在传感领域应用的基础。 2 1 光纤b r a g g 光栅的结构及传感原理 光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式 之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式 中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可被耦合到反向传 输模也可被耦合到前向包层模中，这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即 k = 反一厉= 2 石a ( a 为光栅周期) ( 2 1 ) 式中，a 是由模式1 耦合到模式2 所需的光栅周期，反、芦：分别为模式l 和模式 2 的传输常数。若要将正向传播导波模式耦合到反向传播导波模式，从前面给的相位匹 配条件可得： 2 石，a 一声，一色一风。一( 一风。) 一2 p o 。 ( 2 2 ) 如图2 1 所示，若值较大，则a 很小( a 万d ) n 2 ，这样上式可以写成： 九一2 a n 市肚 ( 2 6 ) a 为光栅的栅距。 2 峰值反射率r 光栅的最大反射率r 可按下式求出： r - t a n h 2 ( 也)( 2 7 ) 式中，工为光栅的长度，k 是一个与厶，打一调制程度等参量有关的量，通过实验 测定。 3 反射光谱的带宽峨 如果光栅反射光的波长是厶，那么它的带宽可按下式计算： 一九2 防2 + ( 地) 2 r 2 2 二 ( 2 8 ) 由( 2 3 ) 式可知，当受到外界干扰时，光栅的周期 和有效折射率h 。都将因外界环 境影响而发生变化a 和o ，导致符合b r a g g 条件的反射波长发生移位a a 。由b r a g g 条件可得： 从一2 a n d r + 2 ，l d a a ( 2 9 ) 该式表明反射波长漂移与光纤纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关p 。当光纤 光栅受到轴向应力作用或温度变化影响时，a 和n 。都会发生变化。光纤光栅的传感机 制包括应变【3 2 】引起的弹性形变和弹光效应，温度1 3 3 j 引起的热膨胀效应和热光效应，以及 磁场【蚓引起的f a r a d a y 效应，如表z 1 所示 表2 1 光纤光栅的传感原理 测量参量传感原理参数 热膨胀引起的光栅栅隔的变 热光系数：一0 6 8 x 1 0 4 7 锄 c 温度 化；热光效应引起的光纤光栅 折射率变化 热膨胀系数：a a 一0 5 5 x 1 0 - 6 n c q 。c 弹性形变导致光栅栅隔的变 应力、应变化；弹光效应引起光栅折射率 弹光张量：p 1 1 一o 1 1 3 ，p 2 0 2 5 2 变化p o s s i o n 比： ，一0 1 6 磁场引起左、右旋光的偏振折 磁场 v c r d c t 常数：矿一8 1 0 r a d g m ( 1 3 0 0 n m ) 射率的变化 9 第二章光纤光栅的传感理论研究 2 2 光纤光栅的传感特性研究 由上节的分析可知，在所有引起光纤b r a g g 光栅波长漂移的外界因素中，最直接、 最重要的因素为应变和温度参量。因为无论是对光纤b r a g g 光栅进行拉伸还是挤压，都 势必导致光纤b r a g g 光栅周期的改变，并且光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率 也随外界应力状态的变化而改变，从而引起光纤b r a g g 光栅波长的漂移。因此有必要介 绍一下应变和温度对光纤b r a g g 光栅波长的影响机理。 2 2 1 温度传感特性 从物理本质来看，温度对光纤材料的影响主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤 热光效应以及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能够得到光纤光栅温度传感的模 型，对研究的光栅做以下假设p 5 1 ： 1 仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物体由于热效应而引发的其他 物理过程。很显然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层、不同的被测物体经历 同样的温度变化将对光栅产生极为不同的影响，所以在此仅对光纤光栅自身进行研究。 2 仅考虑光纤的线性热膨胀区，并忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的 软化点在2 7 0 0 0 c 左右，所以在常温范围完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为 热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。 3 认为热光效应在我们所采用的波长范围和所研究的温度范围内保持一致，也即光 纤折射率温度系数保持为常数。 4 仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温差效应。因为一般光 纤光栅的尺寸仅1 0 m m 左右，所以认为它处于同一均匀温度场，并不会引起较显著的 误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力影响。 基于以上几点假设，我们将得出光纤光栅的温度传感数学模型。 设温度变化为a t ，则由热膨胀效应引起的光栅周期变化从为： a a 一口a r ( 2 1 0 ) 式中，口为光纤的热膨胀系数。 热光效应引起的有效折射率变化为： a h d 一再d 善r( 2 1 1 ) 式中，亭为光纤材料的热光系数。 由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) p 7 得，由温度变化产生的b r a g g 波长漂移为： a 盯a 肝i ( 口+ 亭) r - 7 5 1 0 4 a t ( 2 1 2 ) 可见，在无应变作用时，材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上为一与 材料系数相关的常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器可以得到很好 的输出线性由于光纤不同，所得参数也不尽相同，具体情况下需要考虑温度的范围， 如利用温度进行光纤光栅的波长调谐或利用光纤光栅进行温度传感等。光纤光栅作温度 传感器使用时，可利用光纤光栅的封套材料改变其温度灵敏度。例如，把光纤光栅置于 1 0 第二章光纤光栅的传感理论研究 铝套中，并使两者牢固粘接，则其温度灵敏度可提高约3 个数量级。 2 2 2 应变传感特性 在所有引起光栅b r a g g 波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。因为 无论是对光栅进行拉伸还是挤压，都将导致光栅周期人的变化，并且光纤本身具有的弹 光效应使得有效折射率以。也随着外界应力状态的变化而改变。 不同的外界应力状态将导致a 和妇。的不同变化。般情况下，由于光纤光栅属 于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力可在柱坐标下分解为以、和以三个方 向，只有正作用的情况称为轴向应力作用；只有q 和作用的情况称为横向应力作用； 三者同时存在称为体应力作用i “卅。 在具体讨论之前，亦有必要对所研究的光栅提出以下几点假设嗍： 1 光纤光栅作为传感元，其自身结构仅包括纤芯和包层两层，忽略所有外包层的 影响。这一假设是有意义的，首先从光纤光栅的制作工艺来说，要进行紫外曝光必须去 除光纤外包层以免除它对紫外光的吸收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤 状态：其次，对裸纤结构的分析能更直接的反映光纤本身的传感特性，而不至于被其它 因素所干扰。 2 由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循胡克 定理，且内部不存在切应变该假设与实际情况也非常接近，只要不接近光纤本身的断 裂极限，都可以认为该假设是成立的。 3 紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布，且这种光致折变不影 响光纤本身各向同性的特性，也即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。 4 有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间的变化情况。 基于以上几点假设，可以建立均匀轴向应变作用下光纤光栅应变传感模型。均匀轴 向应变是指对光纤光栅只受到拉伸或压缩应变，则轴向应变可表示为： e 一乩| l 一氏| 氏 利用材料张量岛与应变系数勺的关系岛= 1 e # - 1 n 刍则得： a n 疗。峨喀2 把式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 代入式( 2 9 ) 中，有： 魄# 圳粤守蚴酊a t 由材料的光弹性质有如下关系： 1 1 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章光纤光栅的传感理论研究 蝇 a b 2 地 a b 4 a b s a b 6 置。日： 丑， 昂只： oo 0o o0 只2 0 墨2 0 最。0 0 匕 00 00 00 00 00 00 匕0 0 匕 1 2 岛 o 0 o ( 2 1 6 ) 式中，置。，置：，匕为光纤的光弹系数，匕( p 1 。- p , ：) 2 由于切应变为零，即 。一岛一- 0 ，则依据式( 2 9 ) ，应变张量矩阵，5 可用轴向应变：表示为式( 2 1 6 ) 形式： - - e ：一：乞0 0o r ( 2 1 7 ) 式中，口为纤芯材料的泊松比。最后得到轴向应变引起的b r a g g 波长的相对变化为： 九k | 丸k _ q n 工z ( 2 1 8 ) 式中