光栅谐振子检测地震波的理论和方法研究

论文摘要

地震勘探工作中,地震勘探仪器通过地震检波器接收地震波信号。地震检波器的性能好坏,直接影响着地震记录质量和地震资料的解释工作。本课题在深入地分析与研究地震波特性和现有地震波检测方法的基础上,以光栅谐振子作敏感元件,完成了光栅谐振子检测地震波的理论研究、方法研究和检测装置的设计与实验研究。主要包括:1.设计了光栅谐振子检测地震波装置。主要包括结构设计、光栅谐振子设计、光学系统设计、阻尼系统设计等。外壳采用轻质铝合金材料,光栅谐振子的“弹簧——质量系统”由主光栅、横向限振片和阻尼筒组成。光栅谐振子采用铝制光栅支架固定主光栅,通过具有横向限振功能的弹簧片与外壳连接,拾取被测地震波信号。光学系统由源系统、指示光栅和光电接收元件组成。光学系统采用白光灯加准直镜,以平行光照射光栅面,通过光栅副产生莫尔条纹。2.对阻尼系统进行了深入地研究。采用涡流阻尼原理,将阻尼筒与谐振子光栅支架进行一体化设计,磁钢则固定于与外壳相连的阻尼调节机构上,根据需要可准确调整阻尼比大小,实现了弹性系统阻尼的连续可调。3.研究了基于光栅倍增技术的提高系统灵敏度方法。采用不同参数的主光栅和指示光栅组成谐振子,指示光栅采用闪耀光栅以提高莫尔条纹的对比度,主光栅为振幅型粗光栅。4.实现了光栅振动检测系统构成与信号再现,将光栅传感器、硬件辨向与细分电路、PIC单片机细分单元和计算机相结合,构成了测试系统,利用软件实现被测振动信号的再现,并完成了对光栅测振系统的性能分析。5.对光栅谐振子检测地震波装置进行了实验研究。光栅地震检波器性能测试系统是保证检波器性能分析的必要手段,本文设计了光栅数字地震检波器静态和动态特性测试系统,对光栅谐振子检测地震波装置进行了性能测试与分析。为了验证该检测装置能够真实再现地震波信号,本文完成了被测信号重构系统及与现有地震采集站的衔接技术。本研究成果可用于石油、矿藏、地热、工程和水文地质等地震勘探领域。特别是应用于高精度、高分辨力地球物理勘探。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地震勘探方法概述
• 1.3 地震波的检测方法概述
• 1.3.1 传统的磁电式
• 1.3.2 海洋用压电式
• 1.3.3 半导体材料式
• 1.3.4 光纤式
• 1.4 国内外本领域技术现状
• 1.5 地震波检测方法的技术发展趋势
• 1.5.1 光栅检波器
• 1.5.2 光纤检波器
• 1.5.3 MEMS 检波器
• 1.5.4 技术与工艺性对比
• 1.5.5 本课题研究中应考虑的问题
• 1.5.6 综合检测地震波方法得出结论
• 1.6 本课题研究的目的与主要工作
• 第二章 地震波的特性分析
• 2.1 地震波的传播特点
• 2.2 反射地震波的时距特性分析
• 2.2.1 反射波时距曲面方程的建立
• 2.2.2 水平层的反射波时距曲线
• 2.3 地震波传播的运动学特征和动力学特征
• 2.3.1 地震波传播的运动学特征
• 2.3.2 地震波传播的动力学特征
• 2.4 地震波特征参数提取
• 2.4.1 地震信号建模
• 2.4.2 Prony 算法
• 2.4.3 自回归模型特征参数
• 2.4.4 功率谱特征参数
• 2.4.5 多参数
• 2.5 油气勘探技术对拾取地震信号的地震检波器要求
• 2.6 本章小结
• 第三章 光栅谐振子检测地震波的理论研究
• 3.1 光栅动态检测信号的描述
• 3.1.1 动态莫尔条纹信号的产生
• 3.1.2 动态莫尔条纹信号的特点描述
• 3.1.3 光栅莫尔条纹信号频率估算
• 3.2 光栅谐振子检测地震波的工作原理
• 3.3 地震波的振动幅值与光栅莫尔条纹的关系
• 3.4 莫尔条纹与光电器件输出电压的关系
• 3.5 本章小结
• 第四章 光栅谐振子检测地震波的方法设计
• 4.1 光栅谐振子检测地震波装置的结构设计
• 4.2 光栅系统研究与设计
• 4.2.1 垂直入射光学系统
• 4.2.2 光源出射光角度的确定
• 4.2.3 光栅间隙的确定
• 4.2.4 光电信号中谐波的消除
• 4.3 阻尼系统的研究与设计
• 4.3.1 涡流阻尼方式与作用机理
• 4.3.2 圆柱形永磁铁的磁场分布
• 4.3.3 铝筒受到的电磁力
• 4.4 光栅谐振子检测地震波装置横向限振技术的研究与设计
• 4.5 提高系统检测灵敏度的方法研究
• 4.5.1 莫尔条纹倍增技术的理论研究
• 4.5.2 莫尔条纹倍增的实现
• 4.6 光栅谐振子检测地震波装置的参数计算
• 4.6.1 固有频率
• 4.6.2 分辨力
• 4.6.3 动态范围
• 4.7 本章小结
• 第五章 光栅谐振子检测地震波信号采集与处理系统技术研究
• 5.1 光栅振动信号的辨向原理
• 5.1.1 辨向电路
• 5.1.2 四细分辨向输出信号的波形
• 5.2 基于SPARTAN 3E FPGA 的信号处理总体设计方案
• 5.3 数据采集与AD 转换设计
• 5.3.1 系统对A/D 转换器的要求
• 5.3.2 FPGA 控制下的数据采集与A/D 转换
• 5.3.3 AD 转换实现
• 5.3.4 AD 转换结果
• 5.4 数据缓存设计
• 5.4.1 异步FIFO 存储器在FPGA 内部的实现
• 5.4.2 仿真验证
• 5.5 基于FPGA 的软件细分设计
• 5.5.1 软件细分原理——幅值相位法
• 5.5.2 反正切函数的实现
• 5.5.3 软件细分的实现
• 5.5.4 整周期莫尔条纹计数器设计
• 5.5.5 显示实现
• 5.6 系统运行
• 5.6.1 引脚与位置约束
• 5.6.2 配置下载与系统调试
• 5.7 基于小波变换的信号去噪研究
• 5.7.1 去噪问题描述
• 5.7.2 小波信号处理的过程
• 5.7.3 小波阈值去噪算法
• 5.7.4 针对检测装置输出信号的小波消噪算法设计
• 5.7.5 应用Atmega 32 单片机进行信号处理
• 5.7.6 光栅检波器信号在Labwindows/CVI 中的处理
• 5.8 本章小结
• 第六章 光栅谐振子检测地震波装置实验研究
• 6.1 光栅谐振子检测地震波装置静态特性测试
• 6.2 光栅谐振子检测地震波装置动态特性测试
• 6.3 检测装置阻尼特性实验
• 6.4 莫尔条纹个数与地震波振幅的对应关系试验
• 6.5 测试数据重构实验
• 6.6 天津计量所的测试报告
• 6.7 光栅谐振子检测地震波装置与地震采集站衔接实验
• 6.8 结论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要工作内容
• 7.2 主要创新工作
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢