基于激光干涉原理的海洋灾害预警关键技术研究

摘要

二十一世纪是海洋的世纪，海洋经济在很多国家的经济中所占的比重越来越大。然而，我国的海洋灾害频发，造成巨大的生命财产损失。做好海洋灾害预警工作可以有效地促进国家的经济发展和保障人民的生命财产安全。 本文依托于国家科技部国际科技合作计划项目“基于激光干涉原理的海洋灾害预警系统”(课题编号：2008DFR20230)。首先总结了我国海洋动力灾害的现状和世界各国使用的地球动力学检测技术；然后介绍了项目中所使用激光干涉测量装置，及其所获得的干涉图像的处理办法；最后以俄方建成的两个相距250公里的实验站为依托，完成了关于地球动力和地壳微形变之间关系的实验研究，并对实验数据进行了分析，得出了相关的结论。 本文创新性的提出了采用激光干涉技术来测量海洋动力灾害所引起的地壳的微小形变。采用的激光干涉测量装置的位移测量精度可达到10-11m，能够检测频率从0Hz开始的地壳振动，具有良好的低频响应特性，对地壳常见的低频振动具有良好的响应，这些特性是其它地球动力学检测方法所不具备的。 本文的主要工作如下： 1、检测装置的测量精度和稳定度完全取决于激光源的频率稳定性及其相干性，因此，选择频率非常稳定He-Ne激光器作为测量装置的光源，能够保证光束在长光程上同样具有非常好的相干特性。在光信号传输过程中采用增压光束导管，将光信号受传播噪声的影响降到最小。 2、在干涉仪的设计上，为了增加系统的灵敏度，采用了臂长为52.5m的迈克尔逊激光干涉仪。干涉仪的动镜是激光干涉仪中唯一不断运动的部件，其在运动过程中的平稳性保证干涉图像和复原光谱的质量。采用准猫眼动镜有效克服了动镜倾斜带来的对光谱质量的影响，并在文中分析了准猫眼动镜的工作原理，同时给出了准猫眼动镜的选择原则。激光干涉仪参考臂由具有调制和补偿功能的双PZT组构成，分析了双PZT组的最佳组合方式，及其在调制信号和反馈补偿信号作用下对干涉测量仪光程差的改变情况。上述这些方法最终解决了激光干涉仪测量低频微小振动中的关键技术问题。 3、我们通过使用间隔布置的激光干涉仪进行测量，发现了海洋内波和表面波可以造成地壳水平方向上的微应变。同时，我们从实验角度揭示了采用激光干涉仪测量地震先兆的可能性。 4、研究了水声波到声震波的转换。当水声源在岩基或斜坡后面时，地震波信号就会被不同的低频信号调制。在深海或浅海里安置低频水声源，通过激光干涉仪接收到的水声振荡波信号的变化，发现了水声波以接近临界角的方式作用在海底，并且最终转变为地震声波。 5、证实了海洋内波能量不转换为小规模湍流能量，而是转换为海底(岩石圈)弹性振动能量。海洋表面波和内波与海底交互作用过程中，能量大多以Rayleigh波的形式被岩石圈吸收。 6、本文分析了日本海大陆架区域由海洋内在重力波导致的低频岩石圈变形的数据，得出当波浪由大陆架边缘向日本海海岸传播时，周期可能会随着压力的增加而增大，并且伴随着地球重力波幅值增加的结论。 以上研究成果表明激光干涉测量技术可以为海洋动力灾害预警提供科学的检测数据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题的背景和意义

1.2地球动力学的国内外研究现状

1.3地球动力学研究中常用的测量技术

1.4选题的依据和主要研究内容

2激光干涉理论及其稳频技术

2.1光的干涉

2.2光干涉的基本技术

2.2.1分波前法和分振幅法

2.2.2分波前双光束干涉装置

2.2.3分振幅双光束干涉装置

2.3改善相干性措施

2.4激光稳频技术

2.4.1影响激光频率稳定的因素

2.4.2激光干涉仪的稳频方法

2.5 He-Ne激光器

2.6本章小结

3激光干涉仪原理及其组成

3.1简介

3.2迈克尔逊干涉仪测量原理

3.3激光干涉仪的光路结构的设计与优化

3.3.1准猫眼动镜分析

3.3.2光程差计算

3.4干涉条纹信号的光电接收处理

3.4.1光电转换的有效范围理论分析

3.4.2椭圆信号的采集拟合、校正与补偿

3.4.3条纹光电转换信号的获取

3.5激光干涉仪信号解调电路

3.6本章小结

4数字信号处理

4.1卡尔曼滤波器

4.2扩展卡尔曼滤波器

4.3离散傅里叶变换

4.4快速傅里叶变换

4.5利用FFT进行频谱分析

4.6干涉图像的处理技术

4.6.1各种切趾函数介绍

4.6.2模拟干涉图切趾

4.7干涉图相位校正

4.7.1 Forman卷积法

4.7.2 Mertz乘积法

4.7.3三点法

4.7.4改进的相位校正方法

4.7.5切趾函数对相位校正的影响

4.8本章小结

5海洋灾害预警实验站的构成以及实验结论

5.1实验站的整体结构

5.2激光干涉仪的光电接收及转换

5.2.1干涉条纹的光电信号转换电路

5.2.2光电信号的A/D转换

5.2.3高信噪比下提高干涉条纹光电接收频响范围的方法

5.3利用间隔放置的激光干涉仪测量记录地壳微应力变动

5.3.1实验布置

5.3.2实验结果分析

5.3.3海洋表面波与内波记录及分析

5.3.4地震先兆的检测

5.3.5实验结论

5.4利用水平和竖直方向的激光干涉仪对过渡区域岩石圈振动的研究

5.4.1实验研究

5.4.2实验结论

5.5激光微气压计应用于压力应变耦合的研究

5.5.1激光微气压计的结构及作用

5.5.2实验结果及分析

5.6内在重力波引起的低频岩石圈的变形

5.7本章小结

6结论与展望

6.1本文总结

6.2进一步的研究重点

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果