【摘要】：地震物理模型超聲成像是通過高靈敏地震波傳感技術(shù),有效獲取物理模型表面及內(nèi)部反射的超聲波信號(hào),并經(jīng)反演獲得物理模型剖面圖像。針對(duì)國內(nèi)外地震物理模型超聲成像存在的空間分辨率低、掃描效率低等難點(diǎn)問題,本文研究了基于光纖光柵的高靈敏超聲傳感技術(shù),從理論和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了光纖布拉格光柵用于地震波檢測(cè)及地震物理模型成像的機(jī)理及技術(shù),對(duì)有效提高超聲波探測(cè)靈敏度、減小超聲檢波器尺寸、增強(qiáng)超聲檢波器復(fù)用能力,提高成像質(zhì)量,具有十分重要意義。根據(jù)不同地震物理模型成像需求及光纖傳感機(jī)理,研制了以下三種不同結(jié)構(gòu)的光纖光柵超聲傳感器。利用相移光纖布拉格光柵制作了一種基于端面直接耦合型的超聲傳感器,超聲波通過光纖端面耦合并沿光纖傳輸至光纖光柵(傳感區(qū)),經(jīng)超聲調(diào)制后的光柵反射光譜傳輸至探測(cè)單元,基于光譜邊帶濾波技術(shù),將光柵反射波長信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息,并利用光電探測(cè)器獲得地震物理模型不同界面反射的超聲脈沖信號(hào)(300 KHz)。該光纖超聲傳感器結(jié)構(gòu)緊湊,適用于小型地震物理模型的高空間分辨率成像。利用傾斜光纖布拉格光柵制作了一種基于側(cè)向直接耦合型的超聲傳感器,此方案中,超聲波可直接耦合至光纖光柵,相比于第一種方案中光纖端面耦合超聲波的方式,極大提高了超聲耦合效率,從而提高光纖光柵感測(cè)超聲靈敏度,配合上述相似的光譜邊帶濾波技術(shù),可實(shí)現(xiàn)超聲波(300 KHz)高靈敏探測(cè)。此外,光纖光柵斜口封裝的方式,不僅可以有效改善光纖光柵機(jī)械強(qiáng)度,便于傳感檢測(cè)安裝和移動(dòng),而且其非對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其對(duì)不同方向超聲波激勵(lì)具有響應(yīng)差異性,可用于未知超聲源的方向識(shí)別。利用光纖布拉格光柵制作了一種基于光纖端面間接耦合型的超聲傳感器,此方案中,超聲波通過鋁錐端面耦合至光纖,可有效提高超聲波耦合效率。配合上述光譜邊帶濾波及探測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超聲波(300 KHz)的高靈敏探測(cè)。此外,由于該光纖傳感器全金屬的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)光纖的保護(hù)使得傳感器的機(jī)械強(qiáng)度有了極大提高,極大增加了其機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該傳感器的定向性(聲場(chǎng)僅可從鋁錐端面耦合至傳感區(qū)),適用于已知聲源的超聲波探測(cè),同時(shí)可避免來自其它方向聲波信號(hào)的干擾,適合于地震物理模型超聲成像。
[Abstract]:Ultrasonic imaging of seismic physical model is an effective way to obtain the ultrasonic signals reflected from the surface and interior of the physical model by using highly sensitive seismic wave sensing technology, and the physical model profile image is obtained by inversion. Aiming at the problems of low spatial resolution and low scanning efficiency in ultrasonic imaging of seismic physical models at home and abroad, a highly sensitive ultrasonic sensing technology based on fiber Bragg grating (FBG) is studied in this paper. The mechanism and technology of fiber Bragg grating used in seismic wave detection and seismic physical model imaging are systematically studied in theory and experiment. It can effectively improve the sensitivity of ultrasonic detection and reduce the size of ultrasonic detector. It is very important to enhance the multiplexing ability of ultrasonic geophone and improve the imaging quality. According to the imaging requirements of different seismic physical models and the mechanism of fiber optic sensing, three kinds of fiber Bragg grating ultrasonic sensors with different structures are developed. A kind of ultrasonic sensor based on the direct coupling of the end face is fabricated by using the phase-shifted fiber Bragg grating. The ultrasonic wave is coupled through the end surface of the fiber and transmitted along the fiber to the fiber grating (sensing region). The reflection spectrum of the grating modulated by ultrasonic is transmitted to the detection unit. Based on the spectral sideband filtering technique, the reflected wavelength information of the grating is converted into the intensity information. The ultrasonic pulse signal (300 KHz).) reflected from different interfaces of seismic physical model was obtained by using photodetector. The fiber optic ultrasonic sensor is compact and suitable for high spatial resolution imaging of small seismic physical models. An ultrasonic sensor based on lateral direct coupling is fabricated by using tilted fiber Bragg grating. In this scheme, ultrasonic wave can be directly coupled to fiber Bragg grating, compared with the method of fiber end coupling ultrasonic wave in the first scheme. The ultrasonic coupling efficiency is greatly improved and the ultrasonic sensitivity of fiber Bragg grating is improved. Combined with the similar spectral sideband filtering technique, the ultrasonic (300 KHz) high sensitivity detection can be realized. In addition, the fiber grating oblique port encapsulation method not only can improve the mechanical strength of fiber grating effectively, and is convenient to detect, install and move, but also its asymmetric structure makes it have different response to ultrasonic excitation in different directions. It can be used for direction recognition of unknown ultrasonic source. A fiber Bragg grating (FBG) is used to fabricate an ultrasonic sensor based on the indirect coupling of fiber end face. In this scheme, the ultrasonic coupling efficiency can be improved effectively by coupling the ultrasonic wave to the fiber through the aluminum cone end. Combined with the above spectral sideband filtering and detection techniques, the high sensitivity detection of ultrasonic (300 KHz) can be realized. In addition, the mechanical strength of the fiber sensor is greatly improved, and the mechanical strength and stability of the sensor are greatly enhanced because of the protection of the fiber optic fiber by the all-metal encapsulation structure of the fiber optic sensor. The directionality of the sensor (the sound field can only be coupled from the aluminum cone to the sensing area) is suitable for ultrasonic detection of known sound sources, while avoiding interference from acoustic signals in other directions, so it is suitable for ultrasonic imaging of seismic physical models.
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P631.4;TB559

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本文編號(hào)：2423313