高精度激光干涉地表声振动测量技术研究

摘要

海啸、地震等重大自然灾害，对人类的生存产生巨大的威胁。本文试图构建一种基于激光干涉测量地表声振动的方法，开展基于Michelson干涉原理的激光干涉仪的研究，设计总长度达到94m的干涉仪；采用稳频激光光源和平衡干涉臂布设方式，通过PGC信号解调技术，实现对地表次声振动信号的测量。其目标是感知与预报地震、海啸等重大地质灾害。本文主要开展的工作如下：
　　 (1)研究了基于激光干涉声振动测量原理，设计一套实用化的Michelson干涉仪的光路结构，将稳频激光器、分光元件、光学调制元件、光束偏转元件等干涉仪的元件有机地集成在一起，构成一套实用的高精度激光干涉测量系统，并给出最优化的光学调节方法；
　　 (2)研究了干涉系统的各种噪声来源，根据干涉系统噪声计算结果，设计平衡臂的干涉仪结构，以降低相位噪声和频率噪声对干涉系统测量精度的影响；
　　 (3)提出一种折叠臂式光学增敏方法，通过光信号多次反射增加干涉仪光程，提高干涉系统的测量灵敏度；
　　 (4)提出一种干涉仪在线标定方法，通过在光学调制器(PZT)的中频载波的基础上，增加己知幅度的低频驱动信号，实现干涉仪的在线自标定；
　　 (5)研究了温度变化、气压变化、大气湍流对于涉系统的影响。采用环境隔离的方法减少外部环境对干涉系统的影响；开展地表声振动传输实验的研究，在实验室环境内，研究了干涉仪对模拟声振动的测量实验；在外场条件下，测量地表声波真实传输的情况，以及环境噪声，恶劣气候环境对干涉仪测量的影响。
　　 外场试验结果验证了激光地声信息提取的可行性，总长度为94m的长臂激光干涉仪，在0～500Hz频率范围内，振动幅值测量分辨率达到0.1nm，等效应变阶10-12。说明平衡臂差动Michelson干涉仪，适用于高精度振动信号测量，它具有测频率范围宽、幅值分辨率高、动态范围大等方面的优势。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1地表声振动信号测量的目的意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究方法和拟开展的工作

第2章地表声振动测量原理

2.1地表声振动信号的分类与传播规律

2.1.1地表声振动信号体波传播规律

2.1.2地表声振动信号瑞利波传播规律

2.2激光干涉测量光路原理

2.3高精度激光干涉仪结构

2.4激光干涉声致滤波原理分析

2.5本章小结

第3章高精度激光干涉实用化技术

3.1折叠式激光干涉仪的放大技术

3.2激光干涉仪信号解调原理

3.3干涉系统噪声分析

3.4在线标定技术

3.5本章小结

第4章地表声振动测量的若干实用化技术

4.1实验环境地点选定

4.2测量墩的设计与考虑

4.3光学测量管路的建设

4.3.1折射率变化对干涉仪的影响

4.3.2大气湍流对激光传输的影响

4.3.3环境波动影响的抑制与消除

4.4本章小结

第5章地表声振动测量实验

5.1信号解调实验

5.2环境噪声实验

5.2.1实验室内振动对干涉仪的影响；

5.2.2海试中发电机振动对干涉仪的影响；

5.2.3恶劣天气对环境干涉仪的影响

5.2.4地噪声实验

5.3声波传输实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致 谢