[发明专利]一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法

说明书

本公开提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法，包括信号发生器、激光器、隔离器、光纤耦合器、芯轴式振动探头、反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器、相位控制器、法拉第旋镜、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；本公开利用反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器组成的反馈回路，控制光纤干涉仪参考臂的光纤长度变化，改变了超低频振动测量系统的响应特性，提高了系统对超低频特环境振动的测量灵敏度；在闭环控制系统基础上，带反馈的相位信息经过滤波器实现滤波处理，提高了振动测量精度，改善了工作频带内的平坦度。

技术领域

本公开涉及振动测量技术领域，特别涉及一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

现代地震仪通过探测地震波，得到地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身，并实现临震预报。但是，传统的地震波探测系统普遍存在着灵敏度低、动态范围小、漏电、供电困难等问题，限制了地震预报技术的发展。鉴于光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰、动态范围大、工作频带宽、灵敏度高、绝缘性好、利于组网及长距离传输等优点，光纤振动仪可以明显解决传统电动式地震仪的应用难题。目前，光纤振动仪主要包括光纤光栅类和光纤干涉类，前者利用光纤光栅测量环境振动，但由于动态范围小，灵敏度低，且无法测量长周期信号，一直未成功应用到自然地震监测中；后者采用非平衡迈克尔逊光纤干涉仪将环境振动转化为干涉仪相位变化。干涉仪输出的信号经过光电转换后，用采集卡转换为数字信号输入计算机，最后利用相位解调装置，得到与被测振动有关的相位信息，可以实现超低频振动信号的测量，代表了新一代地震仪的发展方向。

本公开发明人发现，现有的光纤干涉振动测量装置及方法，虽然相比较于传统电动式甚宽频地震仪具有诸多应用优势，但受激光器相位噪声水平的制约，其加速度最小可测水平在超低频范围内(低于0.1Hz)高于地球低背景噪声模型(NLNM)，使系统工作频带下限的截止频率较高，很难测量到超低频的自然地震信号。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法，实现了自然地震的无源、高灵敏度和高精度测量。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置。

一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，包括信号发生器、激光器、隔离器、光纤耦合器、芯轴式振动探头、相位控制器、法拉第旋镜、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；

所述信号发生器输出三路信号，分别为调频信号、一倍频信号和二倍频信号，调频信号传输给激光器，所述激光器产生带有波长调制的窄线宽连续光通过隔离器后传输到光纤耦合器的第一端口；

光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接传感臂光纤和参考臂光纤，传感臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在芯轴式振动探头上用于感知环境振动；

参考臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在相位控制器上，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测；

光纤耦合器的第三端口和第四端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第二端口形成干涉光，输出给光电探测器；

光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号，输出给相位解调模块，相位解调模块利用输入的一倍频信号、二倍频信号和干涉电信号，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并通过滤波器滤波后传输给处理器；

处理器根据输入的相位信号以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度和位移测量数据。