光纖地震計(jì)作為一種新的地震測(cè)量手段,具有靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),常用于地震前兆監(jiān)測(cè),礦物勘探,地質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)量等領(lǐng)域。光纖地震計(jì)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(cè)得實(shí)際物理量大小。雖然光纖傳感技術(shù)提出多年而且經(jīng)過(guò)許多人的研究與探索,光纖地震計(jì)在實(shí)際工程化應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些待解決的問(wèn)題,比如靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定,系統(tǒng)工作帶寬等,這些問(wèn)題在一定程度上制約了光纖地震計(jì)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(jì)過(guò)程上分析了光纖地震計(jì)在實(shí)際工程化應(yīng)用中遇到的問(wèn)題,對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行了建模分析,提高了光纖地震計(jì)的實(shí)用度。主要工作體現(xiàn)在:(1)對(duì)當(dāng)前存在的光纖干涉儀相位解調(diào)算法進(jìn)行了實(shí)用化分析,比較了各個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)以及存在的問(wèn)題。建模計(jì)算了相位載波(PGC)生成算法的工作參數(shù)與靜態(tài)工作點(diǎn)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(wèn)題。在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上,對(duì)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(shí)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(diǎn)漂移等問(wèn)題。(2)設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)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(hào)線鋪設(shè)要求。在制作完成的硬件上設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示,數(shù)據(jù)記錄等功能,操作界面友好,使用簡(jiǎn)單。(3)對(duì)相位解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行集成實(shí)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(shí)用化范圍,增加GPS授時(shí)功能與天線防雷設(shè)計(jì),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(jì)數(shù)據(jù)采集與記錄實(shí)驗(yàn),對(duì)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(jì)進(jìn)行多次地震信號(hào)測(cè)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(jì)進(jìn)行了對(duì)比,可以看出某些時(shí)刻光纖地震計(jì)對(duì)于振動(dòng)信號(hào)具有更高的6-1 OdB的信噪比。研究結(jié)果表明:光纖地震測(cè)量相位解調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中其相位分辨率為4×10-5rad/√N(yùn)z,工作帶寬為10kHz。地震探測(cè)實(shí)驗(yàn)中,可以得到與現(xiàn)役地震計(jì)相似波形。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(hào)與本地調(diào)相波進(jìn)行差頻處理，得到兩路被測(cè)相位的正??交值，再利用正交值與原始信號(hào)進(jìn)行交叉微分相乘，通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系與積分處理得到??被測(cè)相位值。該算法的提出大大簡(jiǎn)化了光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜度，整個(gè)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(méi)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(shí)用化的問(wèn)題。但是該算法存在幾??個(gè)問(wèn)題，首先是其工作的動(dòng)態(tài)范圍受調(diào)相波信號(hào)影響很大，調(diào)相波頻率過(guò)低則無(wú)法完成??對(duì)大幅度相位變化的求解，還有就是該系統(tǒng)工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，沒(méi)有反饋回路保證系統(tǒng)??的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性［４４］。??對(duì)于大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的解調(diào)與高頻信號(hào)分析，１９８１年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)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(hào)作為橢圓擬合校正算法的啟動(dòng)條件，因?yàn)橛辛苏{(diào)??相波信號(hào)的引入，使千涉儀相位變化超過(guò)７１／２，才能正確使用橢圓擬合校正算法對(duì)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?yàn)橹谱鞴に??原因?qū)е碌娜份敵鲂盘?hào)相位差不對(duì)稱問(wèn)題［５２，５３］。??１．３研究需要解決的問(wèn)題??目前，光纖地震計(jì)的傳感原理已經(jīng)比較成熟，許多高校與科研單位針對(duì)實(shí)際情況，??各自對(duì)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(jì)大規(guī)模應(yīng)用到地震監(jiān)??測(cè)與勘探場(chǎng)合中，仍需要解決一些工程化與應(yīng)用化的問(wèn)題。??１．光纖地震計(jì)在工作過(guò)程中需要面臨髙頻率，大幅度信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍是光纖地震計(jì)實(shí)用化研究的重點(diǎn)??之一。另外，在光纖千涉儀的實(shí)際光路在工作過(guò)程中會(huì)遇到伴生調(diào)幅，靜態(tài)工作點(diǎn)漂移??等問(wèn)題，如何對(duì)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(jì)實(shí)用化過(guò)程中需要面臨的問(wèn)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(hào)作為橢圓擬合校正算法的啟動(dòng)條件，因?yàn)橛辛苏{(diào)??相波信號(hào)的引入，使千涉儀相位變化超過(guò)７１／２，才能正確使用橢圓擬合校正算法對(duì)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?yàn)橹谱鞴に??原因?qū)е碌娜份敵鲂盘?hào)相位差不對(duì)稱問(wèn)題［５２，５３］。??１．３研究需要解決的問(wèn)題??目前，光纖地震計(jì)的傳感原理已經(jīng)比較成熟，許多高校與科研單位針對(duì)實(shí)際情況，??各自對(duì)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(jì)大規(guī)模應(yīng)用到地震監(jiān)??測(cè)與勘探場(chǎng)合中，仍需要解決一些工程化與應(yīng)用化的問(wèn)題。??１．
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2864616