单模VCSEL自混合传感在地震检波中的应用研究

摘要

能源是支撑国民经济和社会发展必不可少的战略物资,其充足的供给是一国经济持续增长的关键,也关系着国家经济的安全。鉴于易获得的资源已被发现和开采,为满足当今经济、科技和社会的高速发展,如何提高勘探、开采的技术,是能源战略的一个重要挑战。激光自混合测振技术具有精度高、动态响应快、测量范围大、抗电磁干扰、非接触性测量及对横向振动干扰不敏感等优点,是勘探信息获取技术的前沿领域之一,尤其是以单模VCSEL激光自混合效应为基础的微振动信息测量技术受到了越来越广泛的重视。本课题是在天津市高等学校科技发展基金和天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室开放基金资助项目“单模VCSEL自混合传感在地震检波中的应用研究”,主要完成了以下工作:
　　 1.对地震勘探及激光自混合基本理论作了简要的介绍,并提出了课题研究的目的和创新点,对后续试验设计起了指导作用。
　　 2.对地震波检测和自混合理论在测振领域的应用理论作了详细的描述,并构建了激光自混合系统的数学模型,为后面的硬件搭建和信号处理作了铺垫。
　　 3.硬件电路的设计,搭建了单模VCSEL的Emitter调制电路、滤波放大电路、提供激励的信号发生器电路及上述电路所需要的电源电路,并提出了抗干扰措施。
　　 4.利用相关函数估计和短时傅立叶变换辨识有用的多普勒自混合信号,就信号处理过程可能出现的问题,利用比值校正法进行频谱校正,利用小波变化去除奇异点,而后作了振动位移大小测定和利用对单模VCSEL进行了大频偏的三角波电流调制进行方向判断的理论分析。
　　 5.通过一系列的对比试验,定性测试系统性能；并对可能出现的误差作了分析。系统的测试结果表明,该测振系统结构简单、稳定性好,重复性实验标准差控制在微米级,位移大小的误差都控制在1％的范围内,实现了较高精确测量。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 地震勘探的研究背景

1.2 地震勘探的方法及新技术的研究进展

1.2.1 地震勘探的方法

1.2.2 地震勘探新技术的研究进展

1.3 自混合干涉理论及应用测振的研究进展

1.4 课题研究目的、主要内容与创新点

第二章 地震波检测及自混合测振的基本理论

2.1 地震波的传输模型

2.1.1 体波

2.1.2 面波

2.1.3 地震波勘探模型

2.2 地震检波器性能及发展瓶颈

2.2.1 地震检波器性能

2.2.2 地震检波器的发展瓶颈

2.3 激光自混合干涉的基本理论

2.3.1 三镜腔模型

2.3.2 自混合数学模型建立

2.4 本章小结

第三章 单模VCSEL自混合信号检测的电路设计

3.1 自混合测振系统

3.2 单模VCSEL的Emitter端电流调制

3.2.1 单模VCSEL型号的选择

3.2.2 单模VCSEL的调制特性

3.2.3 单模VCSEL的Emitter端调制电路

3.3 提供激励的信号发生器电路设计

3.3.1 信号发生器方案的选择

3.3.2 信号发生器电路

3.4 单模VCSEL的滤波放大电路

3.4.1 单模VCSEL的放大电路

3.4.2 单模VCSEL的有源滤波电路

3.5 硬件电路所需电源设计

3.6 课题总体电路及抗干扰设计

3.7 小结

第四章 自混合信号的处理

4.1 自混合频移信号的辨识

4.1.1 相关函数估计

4.1.2 短时傅立叶变换的时频分析

4.1.3 自混合信号频移的辨识

4.2 自混合信号的频谱校正

4.3 基于小波变换的自混合信号奇异点处理

4.4 测振位移的测定

4.4.1 振动位移大小的确定

4.4.2 三角波调制判断振动方向

4.5 小结

第五章 系统性能测试及结果分析

5.1 测量范围的确定

5.2 扬声器振动试验

5.3 振动频率的误差分析

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢