一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置的制作方法
本发明属于光纤干涉仪测量领域，具体涉及到一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置。
背景技术：
地震测量是一项关系到人民财产安全，国家稳定发展的前沿测量领域。地震测量技术，自张衡发明地动仪以来已有千年历史，地震测量手段越来越丰富，地震理论模型越来越完整。现代地震测量学认为，地震所引起的地球介质运动不再是人们常见的平面活动，而是一种复杂的多维运动，该运动不仅包括三个独立的平动分量，而且还包括三个独立的旋转分量。以往的文献一直致力于如何记录分析水平方向的位移，随着近几十年大小地震频发，地震数据越来越丰富，其中屡屡表现出多起具有扭转特征结构破坏的例子，因此地震波中的旋转分量逐渐引起工程领域内的重视。
对于旋转地震波的研究最早始于1962年，波兰地质研究院的Rosenbluth提出的地震运动6维分量模型；但是至七十年代初期Newmark提出行波分析法的基本思想后，旋转地震波才真正被纳入科学研究领域中。该方法假定地震波传播过程中途径的介质是弹性均匀的，且地震波的传播速度不变，此时通过测定弹性介质各方向位移大小即可通过旋转张量定义微分，得出由三个方向平动分量产生的旋转运动分量。在此之后，University of Southern California的Trifunce于1982年发表的A note on rotational components of earthquake motions on ground surface for incident body waves.在传统的行波法上作出改进，对可变介质参数与地震波传播速度进行了讨论，使旋转波分析更加完整。在此之后，许多杂志都刊载了弹性介质力学发展的其他旋转分量估算方法，以上研究成果表明，旋转分量可能对某些结构的地震反应产生不可忽略的影响。
根据以上理论分析，地学家们开始进行旋转地震波的测量，目前对与旋转地震波测量的方法主要分为两类：1.利用以上的理论分析，通过假设平移信号受到旋转运动的影响非常小且假设经典弹性理论成立，间接求解得到旋转速度；2.通过旋转传感器直接观测“点”旋转。早期许多国家对以上两种观测手段都进行了尝试；前苏联科学家Galitzin很早就提出使用两个完全相同的地震摆安装在同一旋转轴的两侧，后来这一方案被Kharin和Simonov在1969年成功设计地震计，进行了旋转速度的记录。之后的几年，Droste和Teisseyre(1976)用地震仪的方位台阵，得到了附近矿山由岩爆产生的旋转地震图。Farrell(1969)制造了一个陀螺地震计，并于1968年4月9日博里戈山地震(震级6.5)期间在震中距为115km处获得了加利福尼亚拉霍亚1cm的静态位移和0.5微弧度的旋转。随着近几年激光技术与光纤传感技术的发展，大环形激光陀螺仪与光纤陀螺仪也被逐步应用至旋转速度的测量中，该方案相比传统的测量手段具有更高的精度与更大的动态范围。
基于以上分析，本专利公开一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置。本装置结合传统的光纤陀螺与迈克尔逊干涉仪，将两个干涉仪在光路上进行复用，既减小了体积，同时增加了测量功能。在光纤传感加速度测量领域，哈尔滨工程大学杨军，吴冰等人提出多种光纤应变，位移测量方案。如一种超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器及光纤应变仪(CN201210381978.8)，一种短基线差分式激光应变测量仪(CN201210381976.9)，一种超短基线差分盘式光纤位移传感器及光纤应变仪(CN201210381977.3)等，以上专利阐述了如何利用迈克尔逊干涉仪测量地震波产生的应变，轴向加速度，其应变测量分辨率(10-11～10-12ε)，动态范围大于180dB。光纤陀螺的角速度测量分辨率为10-9rad/s，其萨格纳克干涉仪结构与迈克尔逊干涉仪可以进行光路复用，将这两种结构制作在同一个复合光路中进行旋转分量与加速度的同时测量，该装置在地质勘探，地震测量领域内有广阔的发展空间与应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置。
一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置，包括光纤传感探头10，复用干涉仪20以及外围设备；在复合干涉仪中，输入光源204连接至第二环形器212的a端口，第二环形器212的b端口连接至第一环形器211的a端口；第一环形器211的b端口连接至1号光栅221之后连接2号探测器202，第一环形器211的c端口连接至1号探测器201；第二环形器212的c端口连接至耦合器231的一个输入端，耦合器231的另外一个输入端连接至第三环形器213的a端口，第三环形器213的b端口连接至2号光栅222，第三环形器213的c端口连接至3号探测器203；耦合器231的一个输出端连接至上光纤环251，之后连接3号光栅223，之后连接相位调制器241，再经过下光纤环252，最后返回至耦合器231的另外一个输出端口。
所述的光纤传感探头10，包括壳体上盖110，壳体外壁120以及壳体底座130，其特征是：壳体上盖110通过8个内六角螺丝111与壳体外壁120固定在一起，中间夹层有气密垫112；弹性盘片121固定于壳体外壁120上，上光纤环251粘贴于弹性盘片121的上表面，下光纤环252粘贴于弹性盘片121的下表面；弹性盘片121中间掏空，用于固定质量感应块126；光电转换模块140，光路器件141与相位调制器241位于壳体底座130的上表面；第二环形器212通过输入连接光纤m连接至输入光法兰盘134；耦合器231通过第一连接光纤a与第二连接光纤b连接至上光纤环251与下光纤环252；下光纤环252通过第三连接光纤c与第四连接光纤d连接至相位调制器241；相位调制器241通过屏蔽线s连接至光电转换模块140；调相波输入接口131，加速度输出端口132，旋转角速度输出端口133，输入光法兰盘134位于壳体底座130的前表面；调相波输入接口131，加速度输出端口132与旋转角速度输出端口133连接至光电转换模块140。
所述的外围设备，包括计算机13，数据采集卡12与光源11；其特征是：光源11连接至输入光法兰盘134；数据采集卡12的输出信号连接至调相波输入接口131，数据采集卡12的输入信号连接至加速度输出端口132与旋转角速度输出端口133；传感系统输出数据通过数据采集卡12连接至计算机13。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)将利用光路复用结构，使迈克尔逊干涉仪与萨格纳克干涉仪共用同一个光源与传感臂，减小了系统制作成本；
(2)利用单一传感头即可测量旋转地震波中的轴向加速度与旋转速度，相比于传统单一测量传感器，功能更具拓展性；
(3)体积小，抗干扰能力强，输出动态范围大，具备光纤传感器的优势；
附图说明
图1是一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置系统结构图；
图2是传感装置侧面剖面图；
图3是一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置原理图；
图4是传感装置底层俯视图；
图5是弹性盘片俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置，该传感装置由迈克尔逊干涉仪与萨格纳克干涉仪复合组成。其中迈克尔逊干涉仪的两个传感臂拼接成萨格纳克干涉仪的传感光纤环，利用分布式布拉格光栅的分光特性将同一输入光源的光路不同成分用作两套干涉仪中，同时控制迈克尔逊干涉仪的臂长差保证干涉仪正常工作。该装置能够有效同时测量旋转角速度与轴向加速度，在旋转地震波测量等领域内具有广泛的应用前景。
光路复用结构：
本装置用于测量旋转地震波，即同时测量本地位置的轴向加速度与旋转角速度，测量原理图如图3所示。其工作方式如下：
该光路为迈克尔逊干涉仪与萨格纳克干涉仪复合而成，共用同一光源与相同的传感光纤环，利用分布式光栅将输入光信号分离，注入到不同干涉仪的光路中；其中萨格纳克干涉仪用于测定旋转角速度，迈克尔逊干涉仪用于测定轴向加速度；
迈克尔逊干涉仪工作过程如下：输入光源204将宽谱光注入到第二环形器的a端口处，在b端口输出至耦合器231；耦合器输出光一路经过上光纤环251，到达3号光栅223；此时满足分布式光栅反射条件的光被反射至上光纤环251，同时再次进入耦合器231；耦合器231的另一路输出光至下光纤环252，同样到达3号光栅223，满足分布式光栅反射条件的光被反射至下光纤环252，再次到达耦合器231；此时两束光在耦合器231内发生干涉，该干涉发生条件与光路相干长度有关，分布式光栅反射谱宽度大约为<100M，即对应相干长度<3m，所以为了保证干涉仪正常工作，上下光纤环的臂长差应在几米范围内，否则不会产生干涉现象；耦合器231输出信号分成两路，一路输出至第三环形器213的a端口，在b端口输出后，满足反射条件的光被反射回第三环形器213的c端口输出至3号探测器203；耦合器231另一路输出信号输入至第二环形器212的b端口，然后在c端口输出至第一环形器的a端口，在b端口输出，满足反射条件的光被1号光栅201反射至c端口输出至1号探测器201；此时，1号探测器201与3号探测器203处为迈克尔逊干涉仪干涉信号；该干涉信号其相位变化携带有轴向加速度信息；
萨格纳克干涉仪工作过程如下：输入光源204输出光至第二环形器212的a端口，在b端口输出至耦合器231；耦合器231输出信号分成两路，一路经过上光纤环251，至3号光栅223，此时光不满足光栅反射条件，继续通过下光纤环252，返回至耦合器231处；耦合器231输出的另一路光经反向进入光路，经过下光纤环252，至3号光栅223，此时同样不满足反射条件，继续通过上光纤环251至耦合器231，并与之前的光发生干涉；该干涉信号其相位变化携带有旋转角速度信息；
加速度测量原理：
迈克尔逊干涉仪用于测定轴向方向的加速度变化，当弹性盘片121上的质量感应块126受到加速度影响时，会带动弹性盘片121发生形变，该形变应力会挤压拉伸粘贴于弹性盘片121上下表面的光纤环，对应改变光纤环的长度，该长度变换体现为干涉仪光路中的光程差变化，并在干涉信号输出时体现为输出信号的相位变化；利用相位调制器对迈克尔逊干涉仪进行调制，可以得到干涉光输出信号形式为：
其中I1I2分别为两束干涉光光强，A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，为干涉相位变化值，该相位变化可表示为：
其中分别为干涉初相位，加速度引起的相位变化，调制信号引起的相位变化。调制信号变化量与光源调制频率ν有关，设干涉仪两臂的原始臂长差为l：
其中n为光纤折射率，l为两臂臂长差，c为光速，若此时的调制电流为i＝i0cosω0t则对应光源频率变化为ν＝Δνcosω0t，由公式(2-3)可以得到相位变化量为：
其中C为调制深度，是一个与光纤干涉仪以及调相波参数相关的固定常量，若不考虑干涉的初相位，公式(2-1)可化简为：
此时可知相位为加速度引起的相位变化，则相位解调算法需要对该相位变化进行求解。利用光电探测器与AD转换器对光信号进行电信号转换与采集，可以得到干涉信号的电压表示形式
即当惯性加速度作用使干涉仪两臂臂长差l发生改变时，对应干涉仪的相位变化发生改变，此时对加速度的求解即可反应为对干涉信号相位变化的求解。
旋转速度测量原理：
本装置利用萨格纳克干涉仪完成对旋转速度的测量。萨格纳克干涉光的两个分量同时经过上下光纤环，即无论光路中任意一段光纤发生任何变化，对这两路干涉信号都是同样的，其走过光路完全相同。设光在光纤中传播速度为c/n，其中c为真空中光速，n为光纤折射率。当整个环发生角速度为ω的旋转时，对应顺逆两束光实际的速度为
式中ca与cb分别为顺时针逆时针经过光路的两束光实际速度，R为外围环半径大小，此时两束光在外围光纤环绕行时间为：
对应顺时逆时针光路相差的时间与光程分别为：
式中A为外围光纤环面积，将光程差转换为相位差：
此时可以看出，外围光纤环旋转速度ω与环面积大小有关，已知外围光纤环面积后，对其旋转速度的测定可转换为对萨格纳克干涉仪输出信号相位变化的测量。
传感器装置如图1与图3所示，传感使用器件选择与参数如下：
(1)输入光源204的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率为1mW～10mW；
(2)1号光栅221，2号光栅222，3号光栅223中心波长为1550nm，相移点带宽<100MHz，反射率>99.5％，尾纤接头为FC/APC；
(3)第一环形器211，第二环形器212，第三环形器213中心波长为1550nm，插入损耗小于1dB，每通道最小隔离度40dB，最大串扰50dB，偏振模式色散0.1ps，结构为三端口，额定功率500mW；
(4)耦合器231工作波长1550nm，分光比50.5％/49.5％，两路插入损耗分别为3.03dB，3.12dB；
(5)上光纤环251工作波长1550nm，环串扰<-18dB，环衰减<1dB/km，环内径13～250mm，环外径30～260mm，光纤长度80～3000m，每层匝数8～250匝；
(6)下光纤环252工作波长1550nm，环串扰<-18dB，环衰减<1dB/km，环内径13～250mm，环外径30～260mm，光纤长度80～3000m，每层匝数8～250匝，由干涉长度计算公式，l＝λ2/Δλ，当使用100M带宽的光源时，保证与上光纤环长度差小于3m；
(6)质量感应块126为正方体，圆柱体或垂体重物，质量在1～20g之间，材料为铝合金，铝或钢制材料，其质量分布均匀，内部无缺陷，凹洞等，保证其热膨胀系数小于0.9×10-10/℃；
(7)弹性盘片121为铜，铝或合金圆盘，厚度在0.5～3mm，柔韧性好，质量分布均匀，其材质最终应能够良好传导应力变化。内径为10～50mm，外径为100～500mm。
(8)相位调制器241为圆柱形压电陶瓷环，谐振频率为2000Hz，谐振电阻小于200欧姆，电容量为50nF±30％，环厚度0.5～2mm，环高度10～300mm，环外径10～60mm，光纤缠于压电陶瓷环上并用强效胶水粘接。
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