CN111006753B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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。

作为可能的一些实现方式，所述芯轴式振动探头缠绕有传感光纤，将环境振动转化为传感光纤的轴向长度变化，所述芯轴式振动探头内置法拉第旋镜，连接在传感光纤的末端，用于使传感臂光信号反射回光纤耦合器。

作为可能的一些实现方式，所述压电陶瓷光纤拉伸器连接有法拉第旋镜，用于使参考臂光信号反射回光纤耦合器。

作为可能的一些实现方式，还包括反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器；

光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号并输出给反馈控制模块，反馈控制模块根据环境振动的测量需求输出反馈信号给相位延迟补偿模块；

相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给驱动器；

驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给相位控制器，使相位控制器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。

作为进一步的限定，所述芯轴式振动探头、光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器和法拉第旋镜组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统；

所述反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器组成上述闭环控制系统的反馈回路。

作为可能的一些实现方式，所述滤波器用于对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度；

作为可能的一些实现方式，所述调频信号的角频率为ω_c，一倍频信号和二倍频信号相位同步，角频率分别为ω_c和2ω_c，且与调频信号之间存在固定的相位延迟

作为可能的一些实现方式，所述隔离器的输出光送给光纤耦合器的第一端口，用于隔离激光器与后面光纤链路，防止光纤耦合器第一端口的反射光影响激光器的稳定性。

作为可能的一些实现方式，所述相位控制器为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，所述驱动器为压电陶瓷驱动器。

本公开第二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

包括信号发生器、激光器、隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、盘片式振动探头、相位控制器、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第一光纤耦合器的第一端口；

第一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盘片式振动探头上，感知环境振动，并将光信号传输给第二光纤耦合器；

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，并将光信号传输给第二光纤耦合器；

第二光纤耦合器的第一端口和第二端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第四端口形成干涉光，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。

作为可能的一些实现方式，还包括反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器；

光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号并输出给反馈控制模块，反馈控制模块根据环境振动的测量需求输出反馈信号给相位延迟补偿模块；

相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给驱动器；

驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给相位控制器，使相位控制器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。

作为进一步的限定，所述盘片式振动探头、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器和相位控制器组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统；且反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器和相位控制器组成了上述闭环控制系统的反馈回路。

作为可能的一些实现方式，所述滤波器用于对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度；

作为可能的一些实现方式，所述调频信号的角频率为ω_c，一倍频信号和二倍频信号相位同步，角频率分别为ω_c和2ω_c，且与调频信号之间存在固定的相位延迟

作为可能的一些实现方式，所述隔离器的输出光送给光纤耦合器的第一端口，用于隔离激光器与后面光纤链路，防止光纤耦合器第一端口的反射光影响激光器的稳定性。

作为可能的一些实现方式，所述相位控制器为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，所述驱动器为压电陶瓷驱动器。

本公开第三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方法。

一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量方法，利用本公开第一方面或者第二方面所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，包括以下步骤：

激光器输出带有频率调制的，适合光纤传输的连续光；

连续光经过包括传感臂和参考臂的光纤干涉仪，在光纤耦合器输出端口形成干涉光信号；

干涉光经过相位解调模块，得到能够反映环境振动的相位信号；

相位信息经过反馈回路，使缠绕在参考臂中相位控制器的光纤轴向长度发生变化；

在反馈回路的作用下，组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统；

带反馈的相位信息经过滤波，滤除工作频带外的噪声，改善工作频带内的平坦度；

根据相位信号，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、位移等测量数据。

作为可能的一些实现方式，闭环控制系统输出的相位信息相对于环境振动加速度的传递函数被调整为：

其中，

表示闭环控制系统输出的相位信号，

为相位解调模块输出的反映环境振动的相位信号，

表示环境振动的加速度，A₁和A₂表示直流增益，

表示二阶响应模型，L_rb为参考臂光纤长度变化。

本公开第四方面提供了一种光纤干涉地震仪，包括本公开第一方面或者第二方面所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、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。

2、本公开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。

附图说明

图1为本公开实施例1提供的通用的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置的结构示意图图。

图2为本公开实施例3提供相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置的结构示意图。

图3为本公开实施例2或实施例4或实施例6提供的无反馈传递函数结构图。

图4为本公开实施例2或实施例4或实施例6提供的有反馈传递函数结构图。

图5为本公开实施例5提供相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置的结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种通用的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置具体包括：信号发生器、激光器、隔离器、光纤耦合器、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、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、滤波器和处理器。

信号发生器输出3路信号，包括调频信号，1倍频信号和2倍频信号。调频信号的角频率为ω_c，输出给激光器；1倍频信号和2倍频信号相位同步，角频率分别为ω_c和2ω_c，且与调频信号之间存在固定的相位延迟

输出到相位解调模块。

激光器应具有窄线宽特性，在信号发生器调频信号的激励下，产生带有波长调制的窄线宽连续光，输出给隔离器。

隔离器的输出光送给光纤耦合器的1端口，起到隔离激光器与后面光纤链路的作用，防止光纤耦合器1端口的反射光影响激光器的稳定性。

光纤耦合器的3、4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。不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质；敏感部分光纤缠绕在振动探头上，感知环境振动。

振动探头缠绕有传感光纤，将环境振动转化为传感光纤的轴向长度变化。振动探头内置法拉第旋镜，连接在传感光纤的末端，使传感臂光信号反射回光纤耦合器。

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。

相位控制器连接有法拉第旋镜，使参考臂光信号反射回光纤耦合器。

光纤耦合器的3、4端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在2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1倍频信号、2倍频信号和干涉电信号，使用经典的微分交叉相乘(DCM)或者反正切解调方法，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并输出给滤波器和反馈控制模块。

反馈控制模块根据环境振动的测量需求，拥有合适的二阶或者更高阶输入输出响应特性，输出反馈信号给相位延迟补偿模块。

相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给驱动器。

驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给相位控制器，使相位控制器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。

其中，振动探头、光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器、法拉第旋镜组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统。反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器组成了该闭环控制系统的反馈回路，用于改变闭环控制系统的响应特性，提高系统对特定频率范围内环境振动的测量灵敏度。

滤波器对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度，输出给处理器。

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、位移等测量数据，并进行记录。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量方法，包括以下步骤：

步骤一：激光器输出带有频率调制的，适合光纤传输的波长为1550nm或1330nm的连续光，该连续光的电场表达式为：

其中，E_L(t)表示激光器输出连续光的电场强度，E_C表示电场强度的幅度值，v_L(t)带有频率调制的光频，

表示随时间随机变化的激光器相位噪声，v_C表示光频的直流分量，K_v表示光频调制系数，

表示光频调制的初始相位，t表示时间。

步骤二：连续光经过包括传感臂和参考臂的光纤干涉仪，在光纤耦合器输出端口形成干涉光信号：

其中，I_inter(t)表示干涉光，K_ct和K_cc分别表示光纤耦合器的直通系数和耦合系数，K_M表示振动探头中和参考臂的法拉第旋镜的反射系数，n表示光纤折射率，L_A和L_B分别表示传感臂和参考臂光纤的初始长度，L_ra(t)表示环境振动通过振动探头引起的传感臂光纤轴向长度变化，t₁表示光波在传感臂光纤来回程的时间延迟，t₂表示光波在参考臂光纤来回程的时间延迟。

步骤三：干涉光经过相位解调模块，得到能够反映环境振动的相位信号，此时相位信号相对于环境振动加速度的传递函数为：

其中，

表示相位信号，

表示环境振动的加速度，A₁和A₂表示直流增益，

表示二阶响应模型，其中ζ是阻尼系数，ω_n是固有频率，s＝jω是拉普拉斯算子，ω表示角频率。A₁、ζ、ω_n由振动探头的物理参数，以及缠绕在振动探头上的光纤长度决定，均为常量。

由光频的直流分量v_C、光纤折射率n和光速c决定，也为常量。

需要进一步指出的是，相位信号相对于环境振动加速度的传递函数，可以分解为传感臂光纤长度变化相对于环境振动加速度传递函数(公式4-1)，以及相位信号相对于传感臂光纤长度变化传递函数(公式4-2)的叠加。

步骤四：相位信息经过反馈回路，使缠绕在参考臂中相位控制器的光纤轴向长度发生变化。参考臂光纤长度变化相对于相位信息的传递函数为：

其中，m和n分别表示传递函数分母和分子项的最高阶次，α^m、α^m-1、α^m-2、…、α¹、α⁰表示分母项中对应阶次的系数，βⁿ、β^n-1、β^n-2、β¹、β⁰表示分子项中对应阶次的系数。该传递函数由反馈回路的反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器的参数决定。

步骤五：在反馈回路的作用下，振动探头、光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器、法拉第旋镜组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统。该闭环控制系统输出的相位信息相对于环境振动加速度的传递函数被调整为：

通过选择合适的反馈回路参数，可以提高工作频带内相位信息相对于环境振动加速度的灵敏度。

步骤六：带反馈的相位信息经过滤波器，滤除工作频带外的噪声，改善工作频带内的平坦度。然后根据相位信号，以及相位信号相对于环境振动的响应特性，可以计算得到环境振动的速度、加速度、位移等测量数据。

实施例3：

如图3所示，本公开实施例3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，将实施例1中的相位控制器替换为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测；将驱动器替换为压电陶瓷驱动器，其他结构设置与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例4：

本公开实施例4提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量方法，将实施例2中的相位控制器替换为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测；将驱动器替换为压电陶瓷驱动器，其他方法步骤与实施例2相同，这里不再赘述。

实施例5：

如图5所示，本公开实施例5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，具体包括：信号发生器、激光器、隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、盘片式振动探头、压电陶瓷光纤拉伸器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、压电陶瓷驱动器、滤波器和处理器。

信号发生器输出三路信号，包括调频信号，一倍频信号和二倍频信号。调频信号的角频率为ω_c，输出给激光器；一倍频信号和二倍频信号相位同步，角频率分别为ω_c和2ω_c，且与调频信号之间存在固定的相位延迟

输出到相位解调模块。

激光器应具有窄线宽特性，在信号发生器调频信号的激励下，产生带有波长调制的窄线宽连续光，输出给隔离器。

隔离器的输出光送给第一光纤耦合器的1端口，起到隔离激光器与后面光纤链路的作用，防止第一光纤耦合器1端口的反射光影响激光器的稳定性。

第一光纤耦合器的3、4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。不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质；敏感部分光纤缠绕在盘片式振动探头上，感知环境振动。

盘片式振动探头缠绕有传感光纤，将环境振动转化为传感光纤的轴向长度变化，传感臂光信号传输到第二光纤耦合器的1端口。

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；敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测，参考臂光信号传输到第二光纤耦合器的2端口。

第二光纤耦合器的4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，使用经典的微分交叉相乘(DCM)或者反正切解调方法，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并输出给滤波器和反馈控制模块。

反馈控制模块根据环境振动的测量需求，拥有合适的二阶或者更高阶输入输出响应特性，输出反馈信号给相位延迟补偿模块。

相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给压电陶瓷驱动器。

压电陶瓷驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给压电陶瓷光纤拉伸器，使压电陶瓷光纤拉伸器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。

其中，盘片式振动探头、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、压电陶瓷驱动器和压电陶瓷光纤拉伸器组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统。

反馈控制模块、相位延迟补偿模块、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷光纤拉伸器组成了该闭环控制系统的反馈回路，用于改变闭环控制系统的响应特性，提高系统对特定频率范围内环境振动的测量灵敏度。

滤波器对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度，输出给处理器。

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、位移等测量数据，并进行记录。

实施例6：

本公开实施例6提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量方法，包括以下步骤：

步骤一：激光器输出带有频率调制的，适合光纤传输的波长为1550nm或1330nm的连续光。该连续光的电场表达式为：

其中，E_L(t)表示激光器输出连续光的电场强度，E_C表示电场强度的幅度值，v_L(t)带有频率调制的光频，

表示随时间随机变化的激光器相位噪声，v_C表示光频的直流分量，K_v表示光频调制系数，

表示光频调制的初始相位，t表示时间。

步骤二：连续光经过包括传感臂和参考臂的光纤干涉仪，在第二光纤耦合器输出端口形成干涉光信号：

其中，I_inter(t)表示干涉光，K_ct和K_cc分别表示第二光纤耦合器的直通系数和耦合系数，K_M表示振动探头中和参考臂的法拉第旋镜的反射系数，n表示光纤折射率，L_A和L_B分别表示传感臂和参考臂光纤的初始长度，L_ra(t)表示环境振动通过振动探头引起的传感臂光纤轴向长度变化，t₁表示光波在传感臂光纤传输与在探头和第二光纤耦合器之间传输的时间延迟，t₂表示光波在参考臂光纤传输与在探头和第二光纤耦合器之间传输的时间延迟。

步骤三：干涉光经过相位解调模块，得到能够反映环境振动的相位信号，此时相位信号相对于环境振动加速度的传递函数为：

其中，

表示相位信号，

表示环境振动的加速度，A₁和A₂表示直流增益，

表示二阶响应模型，其中ζ是阻尼系数，ω_n是固有频率，s＝jω是拉普拉斯算子，ω表示角频率。A₁、ζ、ω_n由振动探头的物理参数，以及缠绕在振动探头上的光纤长度决定，均为常量。

由光频的直流分量ν_c、光纤折射率n和光速c决定，也为常量。

需要进一步指出的是，相位信号相对于环境振动加速度的传递函数，可以分解为传感臂光纤长度变化相对于环境振动加速度传递函数(公式10-1)，以及相位信号相对于传感臂光纤长度变化传递函数(公式10-2)的叠加。该传递函数结构图如图3所示。

步骤四：相位信息经过反馈回路，使缠绕在参考臂中相位控制器的光纤轴向长度发生变化。

参考臂光纤长度变化相对于相位信息的传递函数为：

其中，m和n分别表示传递函数分母和分子项的最高阶次，α^m、α^m-1、α^m-2、…、α¹、α⁰表示分母项中对应阶次的系数，βⁿ、β^n-1、β^n-2、β¹、β⁰表示分子项中对应阶次的系数。该传递函数由反馈回路的反馈控制模块、相位延迟补偿模块、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷光纤拉伸器的参数决定。

步骤五：在反馈回路的作用下，芯轴式振动探头、光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷光纤拉伸器、法拉第旋镜组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统。该闭环控制系统输出的相位信息相对于环境振动加速度的传递函数被调整为：

通过选择合适的反馈回路参数，可以提高工作频带内相位信息相对于环境振动加速度的灵敏度。该传递函数结构图如图4所示。

步骤六：带反馈的相位信息经过滤波器，滤除工作频带外的噪声，改善工作频带内的平坦度。然后根据相位信号，以及相位信号相对于环境振动的响应特性，可以计算得到环境振动的速度、加速度、位移等测量数据。

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。

实施例7：

本公开实施例7提供了一种光纤干涉地震仪，包括本公开实施例1或者实施例3或者实施例5所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，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、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，所述激光器产生的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；

还包括反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器；

光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号并输出给反馈控制模块，反馈控制模块根据环境振动的测量需求输出反馈信号给相位延迟补偿模块；

相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给驱动器；

驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给相位控制器，使相位控制器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。

2.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述芯轴式振动探头、光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器和法拉第旋镜组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统；

所述反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器组成上述闭环控制系统的反馈回路。

3.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述滤波器用于对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度。

4.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述调频信号的角频率为ω_c，一倍频信号和二倍频信号相位同步，角频率分别为ω_c和2ω_c，且与调频信号之间存在固定的相位延迟

5.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述隔离器的输出光送给光纤耦合器的第一端口，用于隔离激光器与后面光纤链路，防止光纤耦合器第一端口的反射光影响激光器的稳定性。

6.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述相位控制器为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，所述驱动器为压电陶瓷驱动器。

7.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述芯轴式振动探头缠绕有传感光纤，将环境振动转化为传感光纤的轴向长度变化，所述芯轴式振动探头内置法拉第旋镜，连接在传感光纤的末端，用于使传感臂光信号反射回光纤耦合器。

8.如权利要求6所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述压电陶瓷光纤拉伸器连接有法拉第旋镜，用于使参考臂光信号反射回光纤耦合器。

9.一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，包括信号发生器、激光器、隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、盘片式振动探头、相位控制器、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第一光纤耦合器的第一端口；

第一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盘片式振动探头上，感知环境振动，并将光信号传输给第二光纤耦合器；

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，并将光信号传输给第二光纤耦合器；

第二光纤耦合器的第一端口和第二端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第四端口形成干涉光，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；

还包括反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器；

光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号并输出给反馈控制模块，反馈控制模块根据环境振动的测量需求输出反馈信号给相位延迟补偿模块；

相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给驱动器；

驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给相位控制器，使相位控制器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。

10.如权利要求9所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述滤波器用于对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度。

11.如权利要求9所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述调频信号的角频率为ω_c，一倍频信号和二倍频信号相位同步，角频率分别为ω_c和2ω_c，且与调频信号之间存在固定的相位延迟

12.如权利要求9所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述隔离器的输出光送给光纤耦合器的第一端口，用于隔离激光器与后面光纤链路，防止光纤耦合器第一端口的反射光影响激光器的稳定性。

13.如权利要求9所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述相位控制器为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，所述驱动器为压电陶瓷驱动器。

14.一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量方法，其特征在于，利用权利要求1-13任一项所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，包括以下步骤：

激光器输出带有频率调制的，适合光纤传输的连续光；

连续光经过包括传感臂和参考臂的光纤干涉仪，在光纤耦合器输出端口形成干涉光信号；

干涉光经过相位解调模块，得到能够反映环境振动的相位信号；

相位信息经过反馈回路，使缠绕在参考臂中相位控制器的光纤轴向长度发生变化；

在反馈回路的作用下，组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统；

带反馈的相位信息经过滤波，滤除工作频带外的噪声，改善工作频带内的平坦度；

根据相位信号，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、位移测量数据。

15.如权利要求14所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量方法，其特征在于，闭环控制系统输出的相位信息相对于环境振动加速度的传递函数被调整为：

其中，

表示闭环控制系统输出的相位信号，

为相位解调模块输出的反映环境振动的相位信号，

表示环境振动的加速度，A₁和A₂表示直流增益，

表示二阶响应模型，L_rb为参考臂光纤长度变化。

16.一种光纤干涉地震仪，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置；

或者，包括权利要求9-13任一项所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置。

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