光电集成加速度地震检波器的理论与实验研究

论文摘要

现代工业的飞速发展,对油气能源的需求日益增加。随着油气勘探开发的不断深入,面对的勘探目标越来越隐蔽,越来越复杂,提高勘探技术已成当务之急。地震勘探法是查明地下地质构造,寻求油气田或其他勘探目标的一种物探方法。地震检波器是地震勘探仪器正常工作的第一个环节,是任何一代地震勘探仪器不可缺少的一个组成部分,它的性能好坏对勘探系统有着直接的影响。本研究为国家自然科学基金资助项目“光电集成加速度地震检波技术理论和实验研究”(NO.40274047)的主课题。光电集成加速度地震检波器是一种新型微光机电加速度地震检波器,具有高精度、高灵敏度、体积小、集成度高等优点,适合在高温高寒等恶劣环境下稳定工作。本论文主要完成以下工作:1.详细分析了光电集成加速度地震检波器的工作原理。对简谐振子和波导干涉仪进行了详尽的理论和工艺实验研究,并获得了有参考价值的工艺参数。2.对光电集成加速度地震检波器的调制方法进行了深入研究,提出了两种调制方案。首先对声光波导相位调制器进行了理论和实验研究。根据声光调制的机理,从弹性波的理论出发,系统地分析了声表面波的激励及传播方式,对叉指换能器的工作机理进行了详细的分析推导。对氧化锌薄膜和叉指换能器进行优化设计,并深入探讨了氧化锌薄膜、叉指换能器的制备工艺,进行了大量实验研究,取得了较好的工艺参数。3.鉴于声光波导相位调制器制作工艺复杂,考虑系统单片集成的工艺性,本课题采用激光光源调制方案实现光电集成加速度地震检波器的信号调制。详细分析了带有反馈系统的半导体激光光源调制和信号处理电路的工作原理,提出了基于FPGA的数字信号处理电路的设计方案,该方案提高了电路的稳定性、灵活性,增强了抗干扰能力,而且具有修改简单的优点。详细讨论了低通滤波模块设计过程,基于ROM查找表法的分布式算法具有硬件资源占用少,结构紧凑,工作频率高的突出优点。进行了仿真验证,为系统的数字化奠定了基础。4.在理论分析、设计、计算和工艺实验的基础上,研制出光电集成加速度地震检波器实验样机,并进行了模拟实验研究,实验结果表明,所设计的样机在地震勘探频带范围内有良好的线性和较高的输出,各项性能指标达到设计要求。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地震勘探仪器的发展背景
• 1.3 地震检波器概况
• 1.3.1 地震检波器的类型
• 1.3.2 我国地震检波器研究进展
• 1.3.3 新型地震检波器的发展动向
• 1.4 光波导传感器
• 1.4.1 光波导传感器的优点
• 1.4.2 光波导传感器的分类
• 1.4.3 光波导传感器的工作原理
• 1.4.4 光波导加速度传感器
• 1.5 MEMS传感器
• 1.5.1 MEMS传感器概述
• 1.5.2 MEMS加速度传感器的分类与工作原理
• 1.6 MOEMS传感器
• 1.7 国内外MEMS/MOEMS加速度传感器发展历史及研究现状
• 1.8 FPGA 的发展和应用
• 1.8.1 概述
• 1.8.2 FPGA的分类
• 1.8.3 FPGA的设计实现
• 1.9 本文主要研究工作
• 第二章 光电集成加速度地震检波器的工作原理及工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 干涉原理
• 2.3 传感原理
• 2.3.1 应力应变效应
• 2.3.2 温度应变效应
• 2.4 加速度地震检波器工作原理
• 2.4.1 加速度地震检波器静动态分析
• 2.4.1.1 简谐振子质量块
• 2.4.1.2 简谐振子十字梁形变分析
• 2.4.1.3 相位变化分析
• 2.4.2 加速度地震检波器动态分析
• 2.4.3 加速度计相位灵敏度
• 2.4.4 加速度计量程
• 2.5 M-Z光波导干涉仪工作原理
• 2.5.1 介质光波导
• 2.5.2 有效折射率法
• 2.5.3 Y分支波导与波导转向镜
• 2.6 简谐振子的工艺研究
• 2.6.1 简谐振子制作工艺流程
• 2.6.2 简谐振子的制作
• 2.6.2.1 清洗
• 2薄膜'>2.6.2.2 热氧化SiO₂薄膜
• 2.6.2.3 光刻
• 2 薄膜'>2.6.2.4 HF 酸腐蚀SiO₂薄膜
• 2.6.2.5 各向异性溶液腐蚀硅
• 2.6.3 简谐振子的制作结果
• 2.7 波导干涉仪的工艺研究
• 2.7.1 波导干涉仪制作工艺流程
• 2.7.2 分支波导的制作
• 2.7.3 波导反射镜的制作
• 2.7.4 波导干涉仪的制作结果
• 2.8 小结
• 第三章 声光波导相位调制器的工作原理与实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 声光效应调制原理
• 3.2.1 弹性波的波方程
• 3.2.2 声表面波（SAW）
• 3.2.3 叉指换能器的工作原理
• 3.3 ZnO薄膜
• 3.4 波导光的调制
• 3.5 声光相位调制器的设计
• 3.6 声光相位调制器的工艺研究
• 3.6.1 声光相位调制器制作工艺流程
• 3.6.2 ZnO薄膜的制作
• 3.6.3 叉指换能器的制作
• 3.7 声光相位调制器的制作结果
• 3.7.1 ZnO薄膜的厚度
• 3.7.2 ZnO薄膜的结晶状态
• 3.7.3 ZnO薄膜的表面形貌
• 3.7.4 ZnO薄膜的择优取向性
• 3.7.4.1 不同衬底温度的影响
• 3.7.4.2 不同退火温度的影响
• 3.7.5 IDT 的性能测试
• 3.7.5.1 IDT 的微观结构
• 3.7.5.2 IDT 的厚度
• 3.8 小结
• 第四章 半导体激光光源调制与信号处理系统的研究
• 4.1 引言
• 4.2 信号处理电路工作原理
• 4.2.1 外差相位解调法
• 4.2.2 零差相位解调法
• 4.2.2.1 无源零差相位解调法
• 4.2.2.2 有源零差相位解调法
• 4.2.2.3 相位载波零差解调法
• 4.3 激光光源调制与信号处理系统工作原理
• 4.4 数字信号处理系统设计
• 4.4.1 数字信号处理系统的结构
• 4.4.2 通用模块的规范化设计
• 4.4.3 滤波器模块LPF的设计
• 4.4.3.1 基于MATLAB 的FIR 滤波器设计
• 4.4.3.2 分布式算法介绍
• 4.4.3.3 DA算法的FPGA实现
• 4.4.4 解调模块的综合结果
• 4.5 小结
• 第五章 光电集成加速度地震检波器的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 信号处理电路的测试
• 5.3 系统测试
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文完成的主要工作
• 6.2 工作中的主要创新点
• 6.3 工作的下一步展望与计划
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢