光学地震测量方法与关键技术研究

论文摘要

近年来，随着地壳活动越来越频繁，地震、海啸等重大地质灾害频发，防震减灾成为国计民生的重大需求，引起了越来越多的关注，并渴望能在地震前兆获取方面有所突破。激光干涉技术在地球物理、地壳形变、地震海啸监测等方面的应用显示了它与传统地震计相比的巨大优势：高灵敏度、宽频带、大动态范围。本文开展了激光干涉测量技术在地震监测方面的关键技术研究，包括干涉系统的设计理论及噪声分析，整体集成小型化设计、光学地震监测系统中真空环境的营造与实现、室内样机的若干技术测试几个方面：1.第一方面，首先是推导了整个系统的传递函数，研究了系统输出的相频特性和幅频特性。基于光学地震监测系统的设计原理，对系统中的每一个单元进行研究，最后获得系统的传递函数。其次基于光学干涉仪测量位移的原理，研究了光源噪声对干涉仪测量精度的影响；最后，基于干涉仪的结构，设计了光学地震监测系统的布设结构。2.第二方面，提出了光学地震监测系统核心光路的集成方法，从理论上分析了客观因素对分立式干涉仪的影响，阐述了集成化的必要性，并详细分析了设计思想，包括外围调节机构和整体封装结构，并且结合长臂光学干涉仪的结构设计了光束质量监测系统。3.第三方面，主要针对大气对光学干涉仪的影响，搭建了真空系统。首先研究了影响光学地震监测系统精度的客观因素，提出了一些抑制措施，重点探讨了气压变化引起的大气折射率波动、大气湍流等影响。然后为了抑制大气环境对测量精度的影响，设计了一套真空系统，与光学干涉仪系统进行配合，并对整个真空系统进行了测试，研究了气压变化与测量误差之间的关系。4.第四方面，进行了光学地震监测系统样机的性能测试实验。首先对整个系统进行标定，包括系统的分辨率，动态范围和频带范围。然后对整个系统的稳定性进行测试，这也是对整个系统的测量稳定性进行把握；并针对空气的影响进行了单端抽气实验。最后对光学地震监测系统的噪声本底进行分析，把安装过程中每个步骤的噪声情况进行比较，探寻噪声产生的根源因素。最后对室内样机进行了测试，室内样机总长度为22m，在10Hz~90Hz的频带内，系统的测量分辨率可以达到0.0098nm，动态范围超过120dB。实验证明了，基于平衡臂差动Michelson干涉仪原理的光学地震监测系统，可以用于对大地微小振动的测量，实现对地震监测的功能，为该领域的研究提供一个有效的平台，同时它具有分辨率高、频带宽、动态范围大的优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 激光干涉测量方法相比其他手段的优势
• 1.3 激光干涉测量方法及其在地球物理中的应用
• 1.4 本课题的内容
• 第2章 激光干涉微振动测量原理
• 2.1 激光干涉仪测量原理
• 2.2 光源噪声分析
• 2.3 高精度激光干涉仪结构
• 2.4 激光干涉仪信号解调原理
• 2.5 激光干涉微振动测量系统传递函数
• 2.6 本章小结
• 第3章 光学干涉仪的集成方法及其实现
• 3.1 光学干涉仪集成方案
• 3.2 干涉仪封装与调节结构的设计
• 3.3 集成光路的光学特性分析
• 3.4 光路监测结构的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 真空环境的构建
• 4.1 干涉仪外围环境的选定与构建
• 4.1.1 实验室内安装环境的介绍
• 4.1.2 测量墩的设计
• 4.2 光学测量管路的建设
• 4.2.1 管路及罐体抗压设计
• 4.2.2 整体管路密封的设计
• 4.2.3 整体管路的准直设计
• 4.3 真空环境的实现与检测
• 4.4 折射率变化对干涉仪的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 光学地震监测系统的样机测试
• 5.1 激光干涉仪的实验室标定试验
• 5.1.1 光学地震监测样机的分辨率测量
• 5.1.2 动态范围测量
• 5.1.3 频率测量范围
• 5.2 激光干涉仪的稳定性试验
• 5.2.1 测量稳定性实验
• 5.2.2 大气因素对干涉仪稳定性的影响试验
• 5.3 激光干涉仪状态监测试验
• 5.4 系统的噪声谱分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 论文的创新点与结论
• 6.2 下一步工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢