（光学工程专业论文）激光多普勒参考光检波技术的研究.pdf

中文摘要 为了勘探石油、天然气等矿藏及地热、水文地质、工程地质等地下资源和信 息，人们开发研究各种勘探方法，其中地震勘探方法是发展历史最长，技术最成 熟，应用最广，最有效的- k o 勘探方法。传统的地震检波器由于检测精度不够大、 灵敏度不够高、易受电磁干扰等缺点，已经不能满足日益发展的地震勘探的要求。 而激光多普勒测量方法由于具有精度高、频带宽、动态响应快、线性度好、测量 范围大、非接触测量等优点，应用和发展很快。本文研究了激光多普勒测振技术， 提出用激光多普勒参考光检波系统来测量地震波所引起的振动，并对其进行了原 理性实验。 主要完成了以下： 作： 1 根据多曾勒效应测振技术的理论分析，设计了激光多普勒参考光检波光路， 实现了激光频移和光路的外差。 2 在谐振腔中插入光阑得到了基横模激光输出，并采用倒置的望远镜对激光进 行扩束准直，提高了激光的方向性，改善了光斑质量，提高了信号质量。 3 引入特伦逆向反射系统对光路进行优化，分析了其多普勒频移与物体振动速 度之间的关系，提高了光学测量系统的测量精度和抗偏摆、横移的能力。 4 研究声光调制器的调制原理，通过实验确定了二氧化碲声光调制器衍射光与 入射光偏振态之间的关系，并通过在光路中插入1 4 波片使测量光与参考光的偏 振态达到匹配，提高了信号强度和信噪比。 5 研究锁相环电路原理，用n e 5 6 8 a 单片锁相环来解调调频信号。 6 完成了对整个系统的调试，数据的记录及实验数据的分析。实验证明系统的 测量精度可达1 。 关键词：激光多普勒效应振动测量特伦逆向反射声光调制 a b s t r a c t t od e t e c tm i n e r a lr e s o u r c e sa n do t h e ri n f o r m a t i o nu n d e r g r o u n d ，m a n yd e t e c t i o n m e t h o d sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d ，i nw h i c ht h em e t h o do fs e i s m i c p r o s p e c t i n gi so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d s i th a sb e e na p p l i e dw i d e s p r e a d l y a n dt h et e c h n o l o g ya b o u ti th a sd e v e l o p e dr a p i d l y h o w e v e r , o no n eh a n ds e i s m i c d e t e c t o ri si m p o r t a n tt o o lo fs e i s m i cp r o s p e c t i n g ，t r a d i t i o n a ls e i s m i cd e t e c t o r sh a v e n o ts a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to fs e i s m i cp r o s p e c t i n gd e v e l o p i n gi n c r e a s i n g l yd u et o l o wm e a s u r e m e n t a c c u r a c y , l o wr e s p o n s e a n ds e n s i t i v et o e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e o nt h eo t h e rh a n d ，b e c a u s eo fh i g ha c c u r a c y , w i d eb a n d ，q u i c kd y n a m i c r e s p o n s e ，g o o dl i n e a r i t y , l a r g em e a s u r e m e n tr a n g ea n du n t o u c h e dm e a s u r e m e n t ，l a s e r d o p p l e rm e a s u r e m e n td e v e l o p sr a p i d l y ht h i sp a p e r b a s e do nan e wm e t h o do f s e i s m i cp r o s p e c t i n g ，t h a ti sr e m o t e rm e a s u r e m e n ts c h e m et os e i s m i cw a v e ，l a s e r d o p p l e rm e a s u r e m e n to fv i b r a t i o ni sr e s e a r c h e d ，a n dl a s e rd o p p l e rr e f e r e n c eo p t i c s t r u c t u r eo fd e m o d u l a t i o ns y s t e mi sp u tf o r w a r dt om e a s u r et h ev i b r a t i o nc a u s e db y s e i s m i cw a v e s ，a n dt h ep r i n c i p l ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sa r ec o m p l e t e d ： 1 t h e o r yo ft h em e a s u r e m e n to fv i b r a t i o nu s i n gl a s e rd o p p l e re f f e c t a r e r e s e a r c h e da n dr e f e r e n c el a s e rd o p p l e ro p t i c a ls y s t e ma r ed e s i g n e d e s p e c i a l l y ， a c o u s t o o p t i cm o d u l a t o ri su s e di nt h i ss y s t e mt oi m p l e m e n tl a s e rh e t e r o d y n e ，w h i c h c a ni m p r o v et h es i g n a l s s n ra n da n t i - j a m m i n ga b i l i t yo f t h eo p t i c a ls y s t e m 2 a c c o r d i n gt ot h e o r yo fl a s e rd o p p l e rm e a s u r e m e n t ，o p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e m i so p t i m i z e d i n t r o d u c i n gt r e n tr e v e r s e dr e f l e c t i o ns t r u c t u r et oi m p r o v em e a s u r e m e n t a c c u r a c yo f o p t i c a ls y s t e ma n dt h ea b i l i t yo f a n t i - t r a v e r s i n ga n da n t i - b e a t i n g 3 p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) c i r c u i ti sr e s e a r c h e dt od e t e c ta n dd e m o d u l a t ew e a k d o p p l e rs i g n a l sw i t hm o n o l i t h i cp l lc i r c u i tn e 5 6 8 a n i sd a q c a r di su s e dt o a c q u i r ed a t a t h ea d j u s t m e n to ft h ew h o l es y s t e m ，a c q u i s i t i o no f d a t aa n da n a l y s i so f e x p e r i m e n td a t aa r ec o m p l e t e d i nt h ee n d ，t h es o f t w a r el a b v i e wi sa p p l i e dt og e t a m p l i t u d ea n d 丘e q u e n c yp a r a m e t e r so f v i b r a t i o n k e yw o r d s ：l a s e rd o p p l e re f f e c t ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，t r e n tr e v e r s e d r e f l e c t i o n ，a c o u s t o o p t i cm 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己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：云。1 坌风签字f 1 期：沙可 年1 月”日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂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印件和磁盘。 ( 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_ 易j 金鼠 签字日期：w 做年1 月f ；日 0 导师签名： 侧、口窃睡 签字日期：z 夕蓼年祝月岁日 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 为了勘探石油、天然气、矿藏、地热、水文地质、工程地质等地下资源和信 息，人们开发研究各种勘探方法，其中地震勘探方法是发展历史最长，技术最成 熟，应用最广，最有效的一种勘探方法。 所谓的地震勘探就是利用人工方法引起地壳振动】，如利用炸药爆炸产生人 工地震，再用精密仪器记录下爆炸后地面上各点的震动情况。利用记录下来的资 料，推断地下地质构造的特点。在地面上某点打井放炮后，爆炸产生的地震波向 下传播。地震波遇到地层( 速度与密度的乘积有差异) 的分界面时，通常会发生反 射；同时另一部分地震波还会继续向下传播，碰到相似的地层界面后还会产生反 射和透射，即一部分地震波的能量反射回地面，另一部分继续向下传播。与此同 时，地面上精密的仪器把来自各个地层分界面的反射波引起地面振动的情况记录 下来。然后根据地震波从地面开始向下传播的时刻和地层分界面反射波到达地面 的时刻，得出地震波从地面向下传播到达地层分界面，又反射回地面的总时间， 再用别的方法测定出地震波在岩层中传播的速度，最后就可得到地层分界面的埋 藏深度了。 沿着地面上的一条测线，一段一段地进行观测，对观测结果进行处理后，就 可得到形象地反映地下岩层分界面埋藏深度起伏变化的资料一地震剖面图。在一 个工区( 可能有矿藏的区域) 内，布置多条测线，形成测线网，并在多条测线上 进行这种观测之后，可得到地下地层起伏的完整概念，再综合其它物探方法和地 质、钻井等各方面的资料，进行去伪存真，去粗取精，由此及彼，由表及晕的分 析、研究，就能查明可能储存油气的地质构造，最后确定钻探的井位。 概括地说，所谓的地震勘探，就是通过人工方法激发地震波，研究地震波在 地层中传播情况，查明地下地质构造，为寻找油气田或其它勘探目标的- t 十物探 方法。 地震勘探方法被广泛地应用于石油、天然气、煤网的普查与勘探中。同时，地震 勘探方法在水文地质及工程地质中可解决厂址、坝基、桥址的探测，潜水位和含 水层的探测，及追索断裂破碎带等。 第一章概述 1 2 地震检波器 地震勘探基本工作包括激发地震波、接收记录地震波和处理解释地震资料三 个方面【2 j 。地震勘探仪是为了接收和计量地震波而专门设计的一种精密的物理、 电子组合装置。地震检波器是测量地震波的传感器，它把人为激发震源的地震信 号转换成电信号，然后输入到地震仪器。地震检波器性能的好坏直接影响地震记 录质量和地震资料的解释工作。因此，地震检波器直接影响地震仪的分辨率、频 带宽度等性能。 地震检波器的发展大致经历了3 个阶段口】：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( 3 0 d b ) 为主，型号也比较单一；8 0 年代中期，地震 仪器实现数字化，计算机数据处理也相继发展，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、 滩海及海上) ，地震检波器在性能及型号和品种上发生了根本性的变化，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；8 0 年代中末期至现在，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1 2 个系列2 5 种型号的检波器应用于地震勘探之中。 尽管各种地震检波器的功能和适用环境不同，勘探的目标与对象也不相同， 但目前所使用的各类地震检波器从工作原理上仅分为动圈式、涡流式和压电式三 种。 1 , 2 1 动圈式地震检波器口1 电动式检波器的基本工作原理是利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上， 组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外 壳固定在一起( 图1 ) 。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运 动，两线圈产生感应电动势，感应电动势的大小随检波器外壳振动变化，振动幅 度越大，感应电动势也大，反之亦然。在输出端输如相应的电信号，传输给地震 仪器。检波器的自然频率主要取决于弹簧片的材料强度，强度越大，频率越高， 反之亦然。 动圈式检波器的使用至今已有半个多世纪的历史，但研究发现，当线圈在非 线性磁场中运动时，检波器的输出电压与线圈的相对速度是不成正比的。这样， 第一章概述 检波器的输出波形就产生了明显的非线性畸变。减小这种失真的唯一方法是提高 磁场的线性程度，但这是很难做到的。 1 2 2 涡流式检波器【3 】 图l i 电动式检波器结构 ( a ) 外形：( b ) 内部结构 ( b ) 把一块金属导体放在磁场中，或使其在固定磁场中运动时，在金属导体中便 会感应出相互闭合的电流，称为涡流。非磁性的导体在永久磁场中运动会产生涡 流，利用这原理制成的地震检波器，称为涡流检波器。由于内部结构与普通电 动式检波器不同，所以它是一种加速度型检波器。 o 接线柱 上1 啦盖 蛙嘲 碰钢 f 弹簧j 管簧 8 悟髓 固t 弹链片 绒桨 紫崩片 外壳 f 底盏 图1 2 涡流 蹙城器的内郡缔构 ( a ) 内部结构；( b ) 涡流在铜玉：f ：中产生； ( c ) 涡流磁场在铜环中产生 图1 2 为涡流检波器酮网鄙雏构图。祸梳彼凝器是将一个铜质圆筒作为惯 性体，圆筒通过弹簧片与外壳连接，置于磁钢、极靴、线圈及外壳构成的磁通回 路的间隙中。线圈固定在外壳上，并与接线桩连接。当外壳运动时，铜圆筒对外 壳及磁钢作相对运动而切割磁力线，在圆筒导体中产生感应电动势。此时，感应 电势的方向与磁力线方向垂直，感应电势的幅值与圆筒、磁钢和外壳的相对运动 第一章概述 检波器的输出波形就产生了明显的非线性畸变。喊小这种失真的唯一方法是提高 磁场的线性程度，但这是很难做到的。 1 2 2 涡流式检波器口 图l l 电动式检波器结构 ( a ) 外形；( b ) 内部结构 把块金属导体放在磁场中，或使其在同定磁场中运动时，在金属导体巾便 会感应出相互闭合的电流，称为涡流。非磁- 陛的导体在永久磁场中运动会产生涡 流，利用这一原理制成的地震检波器，称为涡流检波器。由于内部结构与普通电 动式检波器不同所以它是一种加速度型检波器。 o 接线隹 上埙盏 牲嘲 诎钢 f 弹嚼片 昔赞 卡管 固l 掸簧片 囝线柴 紫钭h 外壳 r 底盏 图1 2 涡流检波器的内部结构 ( a ) 内部结构：( b ) 涡流在铜珂中产生 ( c ) 涡流磁场在铜环中产生 图l2 为涡流检波器明内鄙雏掏圜。祸梳检凝器是将个铜质圆筒作为惯 性体，圆筒通过弹簧片与外壳连接，置于磁钢、极靴、线圈及外壳构成的磁通回 路的间隙中。线圈固定在外壳上，并与接线柱连接。当外壳运动时，铜圆筒对外 壳及磁钢作相对运动而切割磁力线，在圆筒导体中产生感应电动势。此时，感应 电势的方向与磁力线方向垂直，感应电势的幅值与圆筒、磁钢和外壳的相对运动 电势的方向与磁力线方向垂直，感应电势的幅值与圆筒、磁钢和外壳的相对运动 第一章概述 速度成正比，圆筒中的感应电势使闭合回路生成感应电流，这种电流即为涡流。 在涡流检波器中，由于涡流的大小及方向都是变化的，因此，产生涡流的磁 场也随之变化，从而导致在固定线圈上产生感应电势和电流，该电流信号就是由 涡流检波器输出的振动信号。 涡流检波器体积小，重量轻，改善了与地面的耦合 9 】，并且结构简单，坚固 耐用，减少了维修工作i l 。而且，它对高频的补偿作用明显优于动圈式检波器， 具有独特的频率响应特性【“，极大地改善了分辨率。 涡流检波器和动圈式检波器一样，均由永磁材料提供工作磁场。磁体的性能 容易受下列因素的影响：温度，外加磁场，振动和冲击。而且，即使在常温和没 有外界因素影响的条件下，磁体的磁感应强度或气隙磁通也会随时间缓慢下降。 因此这两类检波器的使用寿命一般只有1 3 年。 1 2 3 压电式检波器【3 1 压电式检波器在海洋地震勘探中广泛使用。这种检波器是根据某些物质的压 电效应制成的。当沿一定方向对某些电介质施力使其变形时，介质内部就产生极 化现象。压电检波器正是利用这种压电效应，将地震波引起的水压变效应转变为 电信号的一种机电转换装置。当压电片受力时，在电极的一个极板上聚集正电荷， 另一个极板上聚集负电荷，这两种电荷量相等。两极板上聚集电荷的中间为绝缘 体，使它成为一个电容器，两极板问电压为v = q c 。因此，可把压电传感器等 效成一个电荷源( 图3 a ) 和等效成一个电压源( 图3 b ) 。 fa ) ( b ) 图1 3 压电式传感器的等效电路 ( a ) 电荷等效电路；( b ) 电肤等效电路 在实际使用中，并不是单一地使用一个压电传感器，丽是多个传感器并联或 串并联使用，需要用低电容低噪声的电缆连接起来。 1 2 4 传统地震检波器存在的问题 随着地球物理勘探技术的发展，对地震资料的分辨率以及利用地震属性对油 气藏进行检测等方面的要求也越来越高。目前，地震记录仪性能已有了大幅度的 提高，它的等效输入噪声已达到微伏级，地震激发与观测方式的发展，也使地震 勘探技术有了长足的进步。但是，用于接收地震信号的检波器( 即传感器) 却没有 国 k u 鸥h 蟠 第一章概述 大的突破，仍然沿用传统的机电转换模式和模拟信号传输。它们用来描写波动特 性的输出是电压，在1 0 一4 0h z 的频谱段比较丰富，大于5 0h z 的信号较弱，其 检测精度和灵敏度不够高，在很大程度上受到限制，而且容易受到电磁的干扰， 无论是从频率的范围、测量的深度以及灵敏度的大小上来说，还是从勘探的条件 上来说都无法满足现代勘探技术的要求。 传统地震检波器主要存在以下问题： ( 1 ) 灵敏度不够高。随着仪器数字化的发展，仪器的动态范围已经达到1 d b 以上，可以满足记录微弱地下反射信号的要求。但是，我们使用的检波器灵敏度 只能达到5 0 一6 0 d b ，浪费了仪器的记录能力。作为地震波接收的第一道工序， 就把地下微弱的反射信号拒之门外，显然是不行的。 ( 2 ) 抗干扰能力太差。 ( 3 ) 不能进行高频提升。 ( 4 ) 与地面耦合性太差。 ( 5 ) 现场施工检波器的组合图形复杂，组合个数太多。 高精度地震勘探地震数据采集，要求采集的数据，必须能达到高分辨能力、 离信噪比、高保真度、高清晰度、高精确度和高可信度( 六高) 。只有采集到的数 据达到“六高”的要求，才1 能实现真正的高分辨率数据处理，用地震勘探技术解决 复杂地质目标的能力才能得到加强。由此可见，尽管目前在地震接收系统方面， 方法上进行了大量的研究和改进，但地震检波器性能的好坏，仍然直接影响到地 震数据采集的质量。如检波器在组合方式与个数、埋置方式与条件等方面的改进， 取得了较好的预期效果，但由于检波器自身存在的弊端，制约了数据采集质量的 进一步提高。所以，提高检波器的性能是提高数据采集质量的关键之一。 近年来，地震检波器的发展主要集中在光纤、微机械电子传感元件和陆用压 电材料上。一些新式检波器如全光纤数字检波器、m e m s 地震检波器等逐渐被 研制出来。 1 2 5 光纤、光栅地震检波器 由于光纤本身既可以构成一种直接交换信息的基础。无需任何中间级就能把 待测的量和光纤内的导光联系起来，又是一种优良的低损耗传输线。因此，用光 纤做传感器有广泛的应用领域和极大的潜力【4 】。另外，光纤所具有的抗电磁干扰、 宽频带通信等性能还可以实现对所测量参数的远距离多点监控。基于干涉技术的 光纤加速度仪由于其精度高，应用范围广，一直是人们致力于研究的项目 5 1 3 1 8 o 全光纤地震检波器主要包括 4 1 l d 光源，检测振动加速度的光纤加速度仪系 统，完成光电转换的光探测器，信号处理系统和相位监测系统等。用光纤作加速 第璋概述 度仪能得到高的自然频率，光纤加速度仪是一种简谐振予的结构形式，振子是悬 挂在两根光纤之间的质量块，光纤加速度仪的灵敏度主要由简谐振于的系统结构 决定。振子系统的灵敏度和工作频带与质量块和变化部分的光纤长度之间的关系 互相矛盾，即灵敏度高则工作频带窄；要使工作频带宽则系统的灵敏度降低。它 的这种特点大大限制了它的动态测量范围。 光纤b r a g g 光栅传感技术是光纤传感技术发展的最新阶段，其地震检波器是 利用光栅的波长调制原理，即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距，再转化为 对应的波长变化量，通过检测波长的变化来测量加速度的大小。可知，它是以光 的波长为最小计量单位的，精度为一个波长。它具有抗干扰性强、寿命长、复用 性好、能实现对现场的实时在线绝对测量、测量范围广、稳定性能好等优点。 1 2 6m e m s 地震检波器 m e m s ( m i c r o e l e c t r o ，m e c h a n i c a l s y s t e m ) 是一项有着广泛应用前景的应用基 础技术。m e m s 通常称为微机电系统技术【6 】，其含义是指可批量制作的，集微型 机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、包括接口、通信和电 源等于一体的微型器件或系统。它是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密 机械加工技术的发展而发展起来的。利用m e m s 技术可以使电子设备中元器件实 现微型化、低功耗以及便携性等技术要求。m e m s 发展迅速，具有巨大的发展潜 力和应用前景。 利用m e m s 技术制成的加速度计，对于传统的检波器是个极大的技术挑战。 m e m s 加速度计具有直接数字输出、低谐波失真、高矢量保真度以及优异的低 频响应能力等诸多优点口1 。 美国i o 公司开发的m e m s 传感器主要由两部分器件组成【8 】f 1 2 ：一部分是利 用整体微机械加工技术生产的电容性加速度传感器：另一部分是用于信号转换、 具有闭环控制环路和信号幅值反馈电路的专用集成电路a s i c 。m e m s ) 3 1 速度传 感器主要由活动惯性震子、校验质量块、传感器框架以及悬挂在传感器周边框架 结构上的弹簧构成。通过调整弹簧的弹性系数，可将传感器的响应频率调整到千 赫范围之内( 当然，这一频率已经远远超出了地震信号频率范围) 。动圈式传感 器( 地震检波器) 同样具有悬挂质量块系统( 如检波器弹簧片) ，但由于机械结 构本身( 如尺寸大小、质量以及制造成本) 等方面原因限制，传统检波器响应频 率不得不设计成低于地震信号带宽频率( 如1 0 h z ) 。经过不懈努力，目前在工 程设计上将m e m s 加速度传感器的灵敏度调整到符合地震勘探行业标准要求已 不成问题。m e m s = b 1 1 速度传感器灵敏度范围已可做到1 9 6 m s 2 2 9 4 x t 0 州s 2 范围。 第一章概述 1 3 地震波遥测方案 目前，光纤地震检波器$ e m e m s 也震检波器都尚处于研制阶段，未投入使用。 地震勘探在段时间内还将继续依赖于传统检波器。无庸讳言，地震检波器已成 为地震勘探技术发展的“瓶颈”问题i l ，人们一方面不断改进传统地震检波器， 研制新型的地震检波器；另一方面，也有的人独辟蹊径，提出了摈弃地震检波器 的遥测技术。 美国壳牌石油公司( s h e l lo i lc o m p a n y ) 最早提出了摈弃地震检波器的革命 性“高空遥测”方案7 l 【1 8 ，并申请过专利，发表过相关论文。在此方案中他们 提出，将激光测量系统放置到飞机、直升机、气球或其它任何地面之上的空中运 动平台上，使用连续或脉冲激光束照射待测地面；一种叫做回射器的装置安置在 地面感受地震波，并使产生多普勒频移的激光返回平台上的测量系统；使用外差 技术测量反射信号的多普勒频移，得到地震波的有关信息；同时使用时间飞逝法 ( t i m e o f - f l i g h t m e a s u r e m e n t ) 测量地形的高度。实验室研究表明，使用氩离子激 光器( 5 1 4 5 r i m ) 校准的振动台，最低可测量的速度为2 - 3 n n s ，其低频灵敏度 ( o 1 0 0 h z ) 优于地震检波器。 地震波遥测是一种颇有潜力的测量方法，它摈弃了传统地震勘探方法中不可 或缺的地震检波器，克服了测量精度受检波器工作地形、地势影响的缺点，而且 它无需埋置、连接和回收电缆，提高了工作效率，降低了测量成本。最重要的一 点是，它解决了一直困扰传统地震检波器发展的动态范围不够大、分辨力不够高 的问题。因此，可以说地震波遥测技术是解决地震勘探瓶颈问题的一个可行的办 法，研究和探索激光遥测测量系统及其信号的采集、处理方法有着重要意义。 激光多普勒测量由于具有精度高、频带宽、动态响应快、线性度好、测量范 围大、非接触测量等优点，应用和发展很快。在流体的流速测量方面它取得了令 人满意的效果，如检测流体速度的分布，分析湍流、血管内血液的流动，风速( 洞) 遥测等等。近年来国内外开展了大量研究，进一步把它用于固体目标的运动速度、 加速度、位移和振动的测量【2 0 - 2 3 。激光多普勒信号不受环境条件和温度的影响， 在本质上能跟上任何快速运动目标，其信号频率与目标运动速度呈线性关系，能 同时测定速度的大小和方向，适于研究任何复杂的物体运动；另一方面，激光多 普勒测量方法还具有抗电磁干扰，移动方便，数据获取成本低，易于实现遥测等 优点。因此，将激光多普勒技术用于实现高精度的地震波遥测是具有明显优势的 一种现代化测量方法。开拓研究多普勒地震波遥测技术，以满足高效率、高分辨 力、高精度的地球物理勘探的需要，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 第一章概述 1 4 本文的主要工作 本论文是课题组课题“激光多普勒效应在地球物理勘探中的方法和理论研 究”的部分研究工作。针对地震波遥测的特点，作者主要研究振动频率为o h z l o o h z 范围内的多普勒纵向振动检测技术。 主要完成了以下工作： 1 根据多普勒效应测振技术的理论分析，设计了激光多普勒参考光检波光路， 实现了激光频移和光路的外差。 2 在谐振腔中插入光阑得到了基横模激光输出，并采用倒置的望远镜对激光进 行扩柬准直，提高了激光的方向性，改善了光斑质量。 3 引入特伦逆向反射系统对光路进行优化，分析了其多普勒频移与物体振动速 度之间的关系，提高了光学测量系统的测量精度和抗偏摆、横移的能力。 4 研究声光调制器的调制原理，通过实验确定了二氧化碲声光调制器衍射光与 入射光偏振态之间的关系，并通过在光路中插入1 4 波片使测量光与参考光的偏 振态达到匹配，提高了信号强度和信噪比。 5 研究锁相环电路原理，用n e 5 6 8 a 单片锁相环来解调调频信号。 6 完成了对整个系统的调试，数据的记录及实验数据的分析。实验证明系统的 测量精度已达到令人满意的水平。 本文研究了激光多普勒测振方法和微弱信号检测技术及信号处理方法，设计 出一种高精度、高信噪比和高分辨力的激光多普勒参考光检波系统，并把该系统 用于o h z 2 0 0 h z 的振动检测，实验证明其频率测量精度可达到1 ，振幅测量 精度可以达到1 。 第二章激光多普勒测振技术 第二章激光多普勒测振技术 本章着重介绍了激光多普勒的相关知识，激光多普勒测振的原理、优缺点及 其相关技术。另外，又简单介绍了其它几种常见的激光非接触测量方法，经过分 析比较，选用激光多普勒测振方案。 2 1 激光多普勒测振理论 对振动的测量按测量方式可分为两种：接触式和非接触式。接触式测量方法 需要把振动传感器附着于待测物体表面。这种接触式安装往往会破坏被测物体原 有的振动状态，影响测量精度，因此大大限制了它的应用范围【2 ”。使用非接触测 量方法就无需担心这些问题，现代测试计量技术的高精度、高效率、无损伤等要 求，决定了测试计量技术向着非接触测量方向发展【2 6 】1 2 7 1 1 2 8 】。而激光测量由于具 有非接触、精度高等特点，越来越多地被用于各种测量中。地震波遥测方案需要 对地震波引起的振动进行非接触测量。 激光多普勒测量法是一种比较常用的非接触测振方法。二十世纪6 0 年代发 展起来的激光多普勒效应最初用于流体流速的测量，如今其应用已发展到很多场 合，如风速测量、血液流速测量、位移测量、振动测量等等。 激光多普勒技术起源于声学的多普勒效应。任何形式的波的传播，由于波源、 接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，都会使频率发生变化。奥地利 科学家多普勒于1 8 4 2 年首次研究了这个现象，后来就把这种频率变化称作多普 勒频移。光的多普勒频移就是指，光源与接收器之间发生相对运动时，光的频率 发生的变化。 2 1 1 多普勒频移的相对论推导旧【5 5 1 【5 6 】 由于光速不变原理，我们应该运用相对论原理来处理光的多普勒频移问题。 我们的讨论涉及两个参考系。其一，观察者为静止而且位于原点0 ，在这个 坐标系中来判断接收的辐射频率和波长。另一参考系原点为0 ，其中的源是静止 的，发出的辐射起源于这个参考系。 第二章激光多普勒测振技术 乏 p y 2 ) do 障一。二每 搽 ，尺 影 o 械斗 酗2 - 1 ( a ) 相对运动中参考系之间的坐标变换 图2 - 6 ( b ) 波源是静止时坐标系中的平面波 图2 1 ( a ) 描述了在两个参考系中p 点的空间坐标。相对速度向量决定了x 轴的方向，由于仅考虑平面波，因而本质上是个二维空间问题，和第三方向z 没 有关系，所以不必考虑。需要注意一点，相对论中时间坐标f 要换成f 。 现考虑以光速c ( 真空中) 在参考系0 中移动的平面波。波可以表示为： e = e 。c o s 2 z v ( t 一二) + 占 ( 2 - - 1 ) c e 是系统o 中点p ( x ，y ) 处随时间变化的波特性( 也即光学电场) ；v 是频率；，是波 沿传播方向的距离；占是相位常数。 如果0 是波传播方向和x 轴之间的夹角，可从图2 一l ( b ) 看到 因此 r = o n + n p = x c o s o + y s i n 0 e 呱c o s 2 训卜_ x e o s 0 一半】 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 现在假设原点为o 的参考系以速度y 在x 方向相对另一参考系o 作移动，在参 考系o 中点的坐标为x ，y 和f 。可以用洛仑兹( l o r e n t z ) 变换从一个参考系转 换到另一个参考系中去： 。：兰，二丝! ，：，扛笔垒丝 ( 2 4 ) 。2 j 彳三丽y 2 y 2 j i 三丽 。2 4 假设在f ：t = 0 时原点d 和o 熏合。将式( 2 - - 4 ) 代入( 2 - - 3 ) 则有： e = e 0c o s 2 删( r7 一x c _ o s o y s c i n 0 ) + 占 ( 2 - - 5 ) 第二章激光多酱勒测振技术 其中 p 可由下式确定 此而击1 1 蒂( ，+ 导c 。s 臼)1 2 c 2 、 c 。口，：! ! ! ! 竺竺 1 + ( v c ) c o s 臼 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 根明显方程( 2 5 ) 代表一个在0 系统中频率为v 的波，它的传播方向和x 方 向的夹角为臼。口7 和目的差别代表了在系统o 中光的方向相对于系统d 的改变。 般矿 c ，所以c o s 曰* c o s ，由于d 的运动在0 系统中观察到的多普勒频移 为： a v = v i - v = ，【r 1 + 厂( v c 磊) c o s o 一l 】 ( 2 8 ) l y2 c 2 。 可利用式( 2 7 ) 把偏移的频率和没有偏移的频率之比的公式用角度口写出来 1 。：v ! ! 二堕! ：。v ! ! 二兰：壁( 2 9 ) = 一一 l z 一可j 1 一( y c ) c o s 8 1 一( y c ) e o s a 多普勒频移近似为： y = v i - p = v ( v c 1 c o s 曰 ( 2 1 0 ) 对于这个近似口和口之间的差别是不重要的。 2 1 2 散射面激光多普勒频移 对于振动物体散射光的频移，光源和观察者可看作是相对静止的。可以把这 种情况当作一个双重多普勒频移来考虑，先从光源到移动的物体，然后由物体到 观察者。、 p 图2 2 由移动物体p 产生的多普勒频移计算图 在图2 2 中，考虑从光源s 发出的频率为v 的光被物体p 散射，在q 处来 第二章激光多背勒测振技术 观察散射光。运动方向和p s 及p q 所成的角度用鼠0 2 来表示。p 所观察到的 频率由方程( 2 6 ) 给出： v 2 南c - + 詈c 。s 口t ，( 2 - - 1 1 ) 该频率的光又被p 重新发射出来，在q 处接收到的频率为v ”，它由方程( 2 - - 9 ) 确定： 。：型! 二! ：笙( 2 一1 2 ) 1 一( 矿c ) c o s 岛 由于这种情况中0 ：角是根据观察者来测定的。因此： 竺：! ! 型尘! ! 璺 ( 2 一1 3 ) 一一 、 v 1 一( y c ) c o s 0 2 一般来说速度矿比c 要小得多，则可以把v c 展开后取其一次项，由此： v - - - - - v - - v 坐( c 。s b + 。s 岛) ：昙( c 。s q + c 。s 0 2 ) ( 2 1 4 ) 经三角变换可得： 虮等c o s ( 华) c o s ( 生手) ( 2 - - 1 5 ) 由图2 2 可知： 口= 刀一( o i + 护2 ) ( 2 - - 1 6 ) 其中a 是散射角，而且 q n 里：c o s 刍刍 ( 2 1 7 ) s l 一= 一 1 i ， 22 还有 生兰：p ( 2 - 1 8 ) p 是速度向量和p b 之间的夹角，p b 是p s 和p q 夹角的平分线ap b 是散射向 量的方向。 将式( 2 - - 1 7 ) 和( 2 一1 8 ) 代入( 2 1 5 ) 式可得： 一a v ：里c o s p s i n 兰( 2 1 9 ) v c2 由此可见，多普勒频移依赖于散射半角的正弦值和v 在散射方向的分量矿c o s 。 第二章激光多普勒测振技术 方程( 2 一1 9 ) 也可以用波长咒( 对于这个近似，偏移的波长和没有偏移的波长都用 表示) 表示为： v _ 半c 。s 脚n 等( 2 - 2 0 ) 儿z 这是计算多普勒频移最常用的公式。 2 1 3 由反射引起的多普勒频移5 3 】 本课题研究的参考光检波系统与移动镜片引起的多普勒频移有关，因此，在 这里讨论由反射引起的多普勒频移是有实用意义的。由反射引起的多普勒频移与 一般散射的情况是完全一样的。可以把反射光看作散射光来处理，当然光仅能在 一个特殊方向上偏斜，偏斜角a 不是一个附加变量。图2 3 中我们研究以角度 0 入射到镜片上的一束光，反射角当然也是目。 很明显，镜片在自身平面内移动时反射特性不会发生变化，因此没有多普勒 频移。垂直于镜子平面的移动要产生一个频移，假设在这方向的速度为u 。图2 3 中画出了t 和抖6 f 瞬时的镜片位置，它们的间隔为u 6 t 。利用如图所示的 结构，可以看到在时间占t 期问入射波前血4 。和反射波前b b 之间的光程减少了 扭= n o + o q = 2 u & c o s 0 ( 2 2 1 ) 因此多普勒频移为 v：三一dl 2ucos0(2-22)v = = j 九d f九 假如像散射问题那样，用角盯表示反射方向的改变，则有 2 0 = 石一d( 2 2 3 ) 因此 v ：一2 us 1 n 竺 ( 2 2 4 ) a2 式2 2 4 即为由反射引起的多普勒频移的一般公式。 图2 3 反射引起的多普勒频移 第二章激光多普勒测振技术 2 1 4 光学差拍2 4 1 激光多普勒技术利用了光学多普勒效应和光学差拍技术。所谓光学差拍指， 使两束光相差拍混频，获得光拍频信号的技术。光频是一种目前电子技术无法探 测的极高频率，而光拍频在电子学频率范围内，可以通过检测和控制拍频来实现 对光频的检测和控制。 光拍频实际上是一种干涉原理。设两束光的频率分别为f f ：，它们到达 光探测器表面的电场强度分别为： 占l = e 【oc o s ( 2 x 工i t + 妒【) e 2 = e 2 0c o s ( 2 x 六2 f + 妒2 ) 式中：e o ，、e 。分别为两束光在光阴极表面处的振幅：p 。= 一竿a r i + p 几 一 妒：= 一等也+ 妒：。，觚，屹代表光程差，妒。，我。代表两束光的初始位相。它 们在光阴极表面叠加，合成的光强为 i = ( e l + e 2 ) 2 = 去c 吨+ 层刍) + e l o e 2 0c o s 2 万( 正l 一正2 v + ( 妒l 一妒2 ) 】+ 二 e l o e 2 0c o s 2 万1 + ：2 ，+ ( 妒l + p 2 ) 】十去e 孟c o s ( 4 矾1 f + 2 妒i ) + i 1l 2 2 0e o s ( 4 f , 2 t + 2 a q ) 2 ) 二 光电探测器的频响远跟不上光频，故上述光强表达式中可略去和频项及二倍频 项，仅保留差频项；再略去直流量项，得到 ，= e 1 。e 2 0 c o s 2 疗执。一正： + ( p 。一伊：) 】 ( 2 2 5 ) 式中：p l 一妒2 = 兰( ，l 也) + 0 i o 一伊2 0 ) 。 若f 。= 正：，且两束光的初相位差不随时间变化，由2 - - 2 5 式可知此时为传 统的干涉。为与拍频相区别，把它称为光程差干涉。若工工：，且在般情况 下衄一也a 常数，相位差纯伊：可近似视为常数，由式2 - - 2 5 知，强度i 以频率。一z ：) 随时间变化，差频抚一i s ：) 又称为拍频，这种强度的周期性变 化称之为拍频干涉。 光学差拍有零差和外差之分。若入射至物体前，两束光频率相同，当物体运 动速度为零时，正。= 正：= f o ，输出光电信号为直流。若入射至物体前两束光频 率不等，相差广，则即使物体运动速度为零，两束光混频后输出的信号频率为 工。一丘：= 六，成为交流信号。前者当物体运动时，多普勒信号可以看成是载在 零频上，后者则是载在一个固定频率f 上。在无线电中，常使本机振荡器与外 来信号混频而获得拍频，所以称此混频过程为外差；光学中，用激光作为本振信 号，把经过频移的信号作为外来信号，称此技术为激光外差技术( “】。所以，前者 第二章激光多普勒测振技术 称为零差，后者称为外差。两者的区别为，零差不能判别运动方向，而且难以消 除由直流引起的噪声。外差则可以判别运动的方向，并可用无线电中的外差技术 抑制噪声而大大提高信号的信噪比和低频微弱信号的检测灵敏度。 2 1 5 激光多普勒测振【3 6 1 【3 7 3 8 】 根据研究问题的角度不同，振动测量可以看作位移测量的扩展，按待测物体 振动的方向可以分为面内振动测量和离面振动测量。 对于面内振动的测量多用差动多普勒光路，接收的散射光为两束光经过多普 勒频移的光相干涉。如图2 4 所示，