激光多普勒效应地震波实时测量技术的研究

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1、二○○四年·第三期新技术应用3激光多普勒效应地震波实时测量技术的研究1133211黄福祥　杜振辉　李朝阳　吕丽娜　蒋诚志(11天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室　天津　300072)(21天津大学无线电厂　天津　300072)摘　要　传统的磁电式地震检波器易于受到电磁干扰、存在非线性;提出一种应用激光多普勒技术的地震波检测方法,采用优化设计的差动光路结构方案、信号处理单元的适宜带宽。通过F/V转换可以实时地得到被测速度、位移、加速度和频率。实现线性测量的频率范围110～1000Hz,动态范围100dB。关键词　地震检波器　

2、多普勒效应　地震勘探　振动测量　　地震波勘探是检测、记录人工地震在选定时间/f0V△f1=(cos•3-cos•1)地点反射和折射的能量,并对记录的数据处理、反c(f0+fc)V演,推断地下地质层的边界、形状以及地藏物质的属△f2=(cos•3-cos•2)(1)c性;是一种最有效的近代地球物理勘探方法,高分辨光电接收器得到的交流电流为:率已经成为其主要发展方向。近年来,地震信号记i(t)=kE1E2cos[2π△ft+△<](2)录仪器、信号处理方法和技术手段都有长足的进步;2V•其中:△f=△f1-△f2=fc+sin(3)

3、而所使用的地震传感器仍然具有50多年历史的“永λ2磁-动圈”式电磁检波器,这种检波器的灵敏度低、•=•2-•1存在非线性、易于受到外界干扰。地震检波器的性在多普勒频移中包含了被测速度的信息。虽然能已成为制约高分辨率地震数据采集发展的瓶颈1,散射光的频移是接收方向(•3)的函数,但是散射光的频差△f与接收方向(•3)无关。而新型地震检波器的开发研究受到国内外的关注,如美国I/O公司的Vector系列MEMS数字加速度2计、AD公司的ADXL系列MEMS加速度计,天津大3学研制的光纤地震检波器。激光多普勒测量技术以它精度高、线性度好

4、、动态响应快、测量范围大、非接触测量等特点在各种运4,5动测量中得到很大的发展。本文研究基于激光多普勒效应的地震波测量、采集技术。图1　差动激光多普勒测量原理1　测量原理112　振动测量信号对于正弦振动信号,其速度为:111　多普勒频移(·x)=A(w)(4)0wxcosxt+

5、式,忽略直流分量,得光光束Ⅰ和光束Ⅱ,其频率分别为f0、f0+fc,经透到测量振动的差拍信号为:镜会聚在被测物表面上,被测物以速度V运动。光i(t)=2I+1I-1cos[wct+2πdA0wxcos(wxt+束Ⅰ和光束Ⅱ与速度V的夹角分别为•1,•2,散射光

6、henhui@twtmail.tju.cn17现代仪器二○○四年·第三期令:mp=2πdA0,S0=2I+1I-1得到:212　信号处理电路i(t)=S0cos[wct+mpwxcos(wxt+

7、余频差,具有良好的sin(mpwxcos(wxt+<Ûx)t)sinwct]频率跟踪特性;其环路滤波器具有窄带滤波特性,能=S0[J0(mp)+够将混进输入信号小的噪声和杂散干扰滤除。+∞锁相环输出的调制信号,通过频率/电压变换器2∑J2n(mp)cos(2nwxt)]coswct-n=1(F/V)得到多普勒频率波形,即被测物体的速度波形。+∞S0[2∑J2n-1(mp)sin(2n-1)wxt]sinwc由速度波作微分可以得到加速度波形、或积分得到位n=1+∞移波形,速度波形变化的周期相应于振动的周期。=S0∑Jn(mp)co

8、s(wc+nwx)t-∞注:其中Jn(mp)为n阶贝塞尔函数。3　实验和误差分析理论上差拍波中会包含无穷多个频谱项,但是,进行实际测量实验装置(见图2)。激光器采用随n的增加,贝塞尔函数Jn(mp)的最大值逐渐下He-Ne激光管及配套稳频电源,功率112mW;信