CN111308547A - 一种基于复合干涉仪的六维地震波测量装置 - Google Patents

一种基于复合干涉仪的六维地震波测量装置 Download PDF

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CN111308547A CN202010203947.8A CN202010203947A CN111308547A CN 111308547 A CN111308547 A CN 111308547A CN 202010203947 A CN202010203947 A CN 202010203947A CN 111308547 A CN111308547 A CN 111308547A
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Abstract

本发明提供的是一种基于复合干涉仪的六维地震波测量装置。装置包括光纤传感壳体12，传感模块13，复合干涉仪14，光电转换模块15；数据采集处理模块16；复合干涉仪14光路主要包括光源输入，环形器143，耦合器144、146，起偏器142，波分复用器145，光纤环，相位调制器140，偏振分束器147、148，本发明采用马赫曾德干涉仪与萨格纳克干涉仪复合光学结构，通过双保偏光路消除温度对测量的影响，通过芯轴式集成结构实现对地震波的六维测量，实现了光纤地震计的小型化设计。

Description

一种基于复合干涉仪的六维地震波测量装置
技术领域
本发明涉及的是一种地震波测量装置，具体地说是一种基于光纤干涉仪的地震波测量装置。
背景技术
地震观测是关乎人民财产安全的前沿领域，对于地震的传统认知建立在弾性模型基础上，认为地震波是横波，随着地震观测技术不断发展，现代地震理论认为地震波不仅包含平动分量，还包含旋转分量，因此，要完整地对地震引起的地质结构形变信息进行描述和分析，就必须要获得准确、精细、真实的全维度地震波信息。旋转地震波既能提供深源地震的观测信息，也能提供近场地震的完整真实波形信息，获取到了传统地震观测设备和手段都无法提供的地震信息，为地震前兆研究和分析提供了一个新的信息源和数据源，因此旋转地震波观测的研究意义重大。
对于地震运动的旋转分量，早在1962年，波兰地质研究院的Rosenbluth就提出了地震运动的六维分量模型；七十年代初Newmark提出行波分析法基本思想，假定地震波传播过程中途径的介质为弹性均匀介质，且地震波的传播速度不变，可通过测定弹性介质各个方向位移大小通过旋转张量微分可求得旋转运动分量，波兰华沙应用物理研究所基于光纤陀螺原理最早利用光纤测量地震运动中物体的旋转速度，1998年新西兰坎特伯雷大学利用地下30m处大型环形激光陀螺仪记录了该地区5.3级地震中的旋转地震波信号(McLeod DP,Stedman G E,Webb T H,et al.Comparison of standard and ring laser rotationalseism,ograms[J].Bulletin of the Seismological Society of America,1998,88(6):1495-1503.)，2002年起，波兰军事技术学院的Jaroszewicz L.R等人研制了光纤转动地震计(FORS)，该光纤转动地震计采用光纤Sagnac干涉仪结构，利用双四极子缠绕法缠绕传感光纤，并在每层传感光纤之间用0.2mm厚的聚四氟乙烯绝缘材料粘接，以提高系统工作温度稳定性。2013年，意大利国家计量研究院和都灵理工大学的C.Cilvati等人设计了种基于多路复用光纤网络的大尺度光纤陀螺仪用于地震旋转波监测(Clivati C,Calonico D,Costanzo G A,et al.Large-area fiber-optic gyroscope on a multiplexed fibernetwork[J].Optics letters,2013,38(7):1092-1094.)。该大尺寸光纤陀螺仪布设在意大利都灵的城市边界，利用长度为47km的单模光纤构造而成，利用Sagnac光纤干涉仪结构实现旋度的探测。虽然大型环形激光陀螺仪具有高灵敏度、高精度的优势，但却同样具有不可忽视的劣势：一方面，由于大型环形激光陀螺仪仪器自身结构复杂、调节困难，且对布设场地具有极高要求，无法广泛布设；另一方面，由于大型环形激光陀螺仪采用激光气体光源，因此使用寿命会受到限制，无法满足旋转地震波长期测量。
在光纤传感加速度测量领域，哈尔滨工程大学杨军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)；二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计(CN101865935A)；一种基于复合干涉仪的旋转地震波测量装置(CN106125131 A)；一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置(CN106643836 A)等，以上专利文件中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，但是容易受温度干扰从而影响测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现光纤地震计的小型化并且测量精度高的基于复合干涉仪的六维地震波测量装置。
本发明的目的是这样实现的：包括传感壳体12、传感模块13、双偏振复合干涉光路14、光电转换模块15、数据采集处理模块16，1550nm光源112与1310nm光源113分别通过传感壳体12底部第一法兰盘126、第二法兰盘127注入双偏振复合干涉光路14及传感模块13，干涉信号通过光电转换模块15转换为电信号，通过传感壳体12底部角速度输出端口124、加速度输出端口125输出至数据采集卡161最终输入计算机160进行数据处理分析记录。
本发明还可以包括：
1.所述的传感模块13具体包括：
中间为质量块130通过六根相同的弹性柱体连接外围环形结构，其中X方向第一弹性柱1301、第二弹性柱1302两端连接第一环形结构131，Y方向第三弹性柱1303、第四弹性柱1304两端连接第二环形结构132，Z方向第五弹性柱1305、第六弹性柱1306两端连接第三环形结构133，第一光纤环1431缠绕至X方向左方第一弹性柱1301；第二光纤环1432缠绕至X方向右方第二弹性柱1302；第三光纤环1433缠绕至Y方向后方第三弹性柱1303；第四光纤环1434缠绕至Y方向前方第四弹性柱1304；第五光纤环1435缠绕至Z方向下方第五弹性柱1305；第六光纤环1436缠绕至Z方向上方第六弹性柱1306上；X方向第一弹性柱1301、第二弹性柱1302两侧通过方形卡口结构连接至第一环形结构131，方形卡口中间掏空以通过光纤；第一光纤环1431一端通过光纤1404连入双偏振复合干涉仪14、另一端通过方形卡口中间绕至第一环形结构131上半部并通过光纤1406连接至双偏振复合干涉仪14；第二光纤环1432一端通过光纤1414连入双偏振复合干涉仪14、另一端通过方形卡口中间绕至第一环形结构131下半部并通过光纤1407连接至双偏振复合干涉仪14；Y方向第三弹性柱1303、第四弹性柱1304两端通过方形卡口连接至第三环形结构133上，方形卡口中间掏空以通过光纤，第三光纤环1433一端通过光纤1413连入双偏振复合干涉仪14、另一端通过弹性柱端部中间掏空部分绕至第三环形结构133左半部分并通过光纤1415连接至双偏振复合干涉仪14；第四光纤环1434一端通过光纤1414连入双偏振复合干涉仪14、另一端通过弹性柱端部中间掏空部分绕至第三环形结构133左半部分并通过光纤1416连接至双偏振复合干涉仪14；Z方向第五弹性柱1305、第六弹性柱1306两端通过方形卡口连接至第二环形结构132，方形卡口中间掏空以通过光纤，第五光纤环1435一端通过光纤1423连入双偏振复合干涉仪14、另一端通过方形卡口中间绕至第二环形结构132前半部分并通过光纤1425连接至双偏振复合干涉仪14；第六光纤环1436一端通过光纤1422连入双偏振复合干涉仪14、另一端通过方形卡口中间绕至第二环形结构132前半部分并通过光纤1424连接至双偏振复合干涉仪14。
2.1)所述的双偏振复合干涉仪14包括第一光纤隔离器141a、第二光纤隔离器141b、第三光纤隔离器141c，第一起偏器142a、第二起偏器142b、第三起偏器142c，第一环形器143a、第二环形器143b、第三环形器143c，第一耦合器144a、第二耦合器146a、第三耦合器144b、第四耦合器146b、第五耦合器144c、第六耦合器146c，第一波分复用器145a、第二波分复用器145b、第三波分复用器145c，第一偏振分束器147a、第二偏振分束器148a、第三偏振分束器147b、第四偏振分束器148b、第五偏振分束器147c、第六偏振分束器148c；
所述的光电转换模块15包括第一至第十五探测器151a、151b、151c、152a、152b、152c、153a、153b、153c、154a、154b、154c、155a、155b、155c。
2)第一复合干涉仪141中，1310nm光源113通过第一光纤隔离器141a后连接至第一起偏器142a，经过45°保偏焊接后连接至第一耦合器144a的一个输入端；第一耦合器144a的另一个输入端与第一环形器143ab端口连接，第一环形器143aa端口与1550nm光源112连接，c端口通过光纤1403连接至第一探测器151a；第一耦合器144a的一个输出端与第一相位调制器140a相连，然后通过光纤1404连接第一光纤环1431，第一光纤环1431的输出光纤光纤1406连接至第一波分复用器145a的一个输入端；第一波分复用器145a的另一个输入端与第二光纤环1432输出光纤1407相连，第二光纤环1432另一端通过光纤1405连接至第一耦合器144a的另一个输出端；第一波分复用器145a的两个输出端经过相同的两根光纤与耦合器146a的两个输入端相连，第二耦合器146a的两个输出端分别连接第一偏振分束器147a、第二偏振分束器148a，第一偏振分束器147a两个输出端分别连接第二探测器152a、第三探测器153a；第二偏振分束器148a两个输出端分别连接第四探测器154a、第五探测器155a；
3)第二复合干涉仪142中，1310nm光源113通过第二光纤隔离器141b后连接至第二起偏器142b，经过45°保偏焊接后连接至第三耦合器144b的一个输入端；第三耦合器144b的另一个输入端与第二环形器143bb端口连接，第二环形器143ba端口与1550nm光源112连接，c端口通过光纤1412连接至第六探测器151b；第三耦合器144b的一个输出端与第二相位调制器140b相连，然后通过光纤1413连接第三光纤环1433，第三光纤环1433的输出光纤光纤1415连接至第二波分复用器145b的一个输入端；第二波分复用器145b的另一个输入端与第四光纤环1434输出光纤1414相连，第四光纤环1434另一端通过光纤1416连接至第三耦合器144b的另一个输出端；第二波分复用器145b的两个输出端经过相同的两根光纤与第四耦合器146b的两个输入端相连，第四耦合器146b的两个输出端分别连接第三偏振分束器147b、第四偏振分束器148b，第三偏振分束器147b两个输出端分别连接第七探测器152b、第八探测器153b；第四偏振分束器148b两个输出端分别连接第九探测器154b、第十探测器155b；
4)第三复合干涉仪143中，1310nm光源113通过第三光纤隔离器141c后连接至第三起偏器142c，经过45°保偏焊接后连接至第五耦合器144c的一个输入端；第五耦合器144c的另一个输入端与第三环形器143cb端口连接，第三环形器143ca端口与1550nm光源112连接，c端口通过光纤1421连接至第十一探测器151c；第五耦合器144c的一个输出端与第三相位调制器140c相连，然后通过光纤1423连接第五光纤环1435，第五光纤环1435的输出光纤光纤1425连接至第三波分复用器145c的一个输入端；第三波分复用器145c的另一个输入端与第六光纤环1436输出光纤1424相连，第六光纤环1436另一端通过光纤1422连接至第五耦合器144c的另一个输出端；第三波分复用器145c的两个输出端经过相同的两根光纤与耦合器146c的两个输入端相连，第六耦合器146c的两个输出端分别连接第五偏振分束器147c、第六偏振分束器148c，第五偏振分束器147c两个输出端分别连接第十二探测器152c、第十三探测器153c；第六偏振分束器148c两个输出端分别连接第十四探测器154c、第十五探测器155c。
3.传感壳体12顶部上盖120通过螺丝1201将传感器密封，传感器上盖120与其下方气密胶垫121共同固定；传感壳体12底部包括调相波输入端口123，通过信号线1202与第一相位调制器140a、第二相位调制器140b、第三相位调制器140c相连；角速度输出端口124，通过信号线1203与第一探测器151a、第六探测器151b、第十一探测器151c相连；加速度输出端口125通过信号线1204连接第二探测器152a、第三探测器153a、第四探测器154a、第五探测器155a、第七探测器152b、第八探测器153b、第九探测器154b、第十探测器155b、第十二探测器152c、第十三探测器153c、第十四探测器154c、第十五探测器155c；第一法兰盘126外部连接1310nm光源113，内部通过光纤1402接入双偏振复合干涉仪14；第二法兰盘127外部连接1550nm光源112，内部通过光纤1402接入双偏振复合干涉仪14；数据采集处理模块16包括计算机160、数据采集卡161。
本发明公开一种基于复合干涉仪的六维地震波测量装置。本装置结合萨格纳克干涉仪与马赫曾德干涉仪结构，将两个干涉仪在光路上进行复合，既减小了体积，同时增加了测量功能，通过双偏振光纤光路将温度的影响与地震波产生的平动加速度与旋转角速度多参量相分离，实现温度参量的隔离，提高总体复合干涉仪的温度稳定性。将萨格纳克干涉仪与马赫曾德干涉仪进行光路复用，可以利用光纤陀螺原理测量传感器的旋转速度，对比当前光纤陀螺测量精度，该装置角速度测量分辨率为10-9rad/s。该方案在大规模阵列式地震测量领域内有广阔的发展空间与应用前景。
1.加速度测量原理：
马赫曾德干涉仪用于测量轴向加速度变化，当弹性盘片301上的质量块302在加速度作用下会带动弹性盘片301发生形变，该形变应力会挤压拉伸弹性盘片301上下表面的光纤环，改变光纤环的长度，该长度变化体现为干涉仪光路中的光程差变化，干涉信号输出相位的变化，利用调制器对马赫曾德干涉仪进行调制，可以得到干涉光输出信号形式为：
Figure BDA0002420307350000051
其中I1，I2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，φ(t)为干涉相位的变化值，
此时可知相位φs(t)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，可以得到干涉号的电压表示形式：
Figure BDA0002420307350000052
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，此时根据干涉信号相位变化可以得到加速度的解。
2.旋转角速度测量原理：
本装置利用萨格纳克干涉仪完成对旋转速度的测量。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：
Figure BDA0002420307350000053
Figure BDA0002420307350000061
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相位差为：
Figure BDA0002420307350000062
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以转换为对萨格纳克干涉仪输出信号相位变化Δφ的测量。
3.旋转角速度增敏原理：
基于Sagnac干涉仪的旋转角速度传感器灵敏度由光电探测器的散粒噪声决定。光电探测器输出的光生电流I0的散粒噪声对应的相位噪声为：
Figure BDA0002420307350000063
式中e为电子电量，B为光电探测器监测带宽。结合Sagnac效应中旋转角速度与相位之间的关系得到旋转角速度传感器灵敏度测量极限为：
Figure BDA0002420307350000064
式中c为真空光速，λ为光源波长，L为传感光纤长度，D为Sagnac干涉仪的光纤环直径。
由上式可知，在光源与光电探测器已确定的情况下，旋转地震波的灵敏度测量基线长度变化由传感光纤长度L和Sagnac干涉仪的光纤环直径D确定。通过选取7000m传感光纤长度，Sagnac干涉仪光纤环直径为0.5m时，角速度测量灵敏度达到6.2*10-10rad/s，可满足旋转地震波测量需要。
4.通过双偏振光路将温度影响与待测多参量产生的应变特征分离原理：
基于马赫曾德干涉仪偏振光路慢轴与快轴之间的相位差可表示为：
Figure BDA0002420307350000065
式中Δφx、Δφy分别为不保偏光纤慢轴、快轴的相位变化，k为波数，L为传感臂长度，nx、ny分别为保偏光纤慢轴快轴的折射率，Δnx、Δny分别为慢轴、快轴的折射率变化，Δk，为波数变化，ΔL为传感臂长度变化。
Figure BDA0002420307350000066
其中
Figure BDA0002420307350000071
为与保偏光纤参数相关的常数，可通过理论数值计算得到，式中Δφx、Δφy分别为保偏光纤慢轴、快轴的相位变化。在实际实验测量中，Δφx中、Δφx-Δφy，可通过干涉仪输出信号得到，从而实现了干涉信号中温度影响与待测多参量产生的应变特征的分离，进而消除温度影响，提高测量系统的温度稳定性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)利用双偏振光路使得光信号在快轴慢轴同时传输，两两干涉，共同感知外界应力和温度影响，实现了温度与多参量产生的应变特征分离，提高了测量系统的温度稳定性。
(2)设计六维地震波传感结构，与现有的三个盘式结构组合相比，将xyz方向上传感机构集成起来，大大简化了仪器结构，提高系统集成度，降低仪器体积与安装复杂程度。
(3)通过选取特定传感光纤长度与光纤环直径参数组合，增加了干涉仪灵敏度，抑制了噪声与交叉敏感对测量的影响，提升信号解调性能，提高了系统测量极限。
附图说明
图1是一种基于复合干涉仪的六维地震波测量装置结构示意图；
图2为该传感装置光路原理图
图3为该传感模块剖视图；
图4为该传感装置的内部光器件图；
图5为该传感装置的光电转换模块接线图；
图6为传感壳体底部端口图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明的基于复合干涉仪的六维地震波测量装置做进一步说明：
本发明的基于复合干涉仪的六维地震波测量装置包括传感壳体12、传感模块13、双偏振复合干涉光路14、光电转换模块15、数据采集处理模块16；
1550nm光源112与1310nm光源113分别通过传感壳体12底部第一法兰盘126、第二法兰盘127注入双偏振复合干涉光路14及传感模块13，干涉信号通过光电转换模块15转换为电信号，通过传感壳体12底部角速度输出端口124、加速度125输出端口至数据采集卡161，最终输入计算机160进行数据处理分析记录。
所述的传感模块13中间为质量块130，通过相同材料大小的六根弹性柱体连接外围环形结构，其中X方向第一弹性柱1301、第二弹性柱1302两端连接第一环形结构131，Y方向第三弹性柱1303、第四弹性柱1304两端连接第二环形结构132，Z方向第五弹性柱1305、第六弹性柱1306两端连接第三环形结构133，第一光纤环1431缠绕至X方向左方第一弹性柱1301；第二光纤环1432缠绕至X方向右方第二弹性柱1302；第三光纤环1433缠绕至Y方向后方第三弹性柱1303；第四光纤环1434缠绕至Y方向前方第四弹性柱1304；第五光纤环1435缠绕至Z方向下方第五弹性柱1305；第六光纤环1436缠绕至Z方向上方第六弹性柱1306上；X方向第一弹性柱1301、第二弹性柱1302两侧通过方形卡口结构连接至第一环形结构131，方形卡口中间掏空以通过光纤；第一光纤环1431一端通过光纤1404连入双偏振复合干涉仪14，另一端通过方形卡口中间绕至第一环形结构131上半部并通过光纤1406连接至双偏振复合干涉仪14；第二光纤环1432一端通过光纤1414连入双偏振复合干涉仪14，另一端通过方形卡口中间绕至第一环形结构131下半部并通过光纤1407连接至双偏振复合干涉仪14；Y方向第三弹性柱1303、第四弹性柱1304两端通过方形卡口连接在第三环形结构133上，方形卡口中间掏空以通过光纤，第三光纤环1433一端通过光纤1413连入双偏振复合干涉仪14，另一端通过弹性柱端部中间掏空部分绕至第三环形结构133左半部分并通过光纤1415连接至双偏振复合干涉仪14；第四光纤环1434一端通过光纤1414连入双偏振复合干涉仪14，另一端通过弹性柱端部中间掏空部分绕至第三环形结构133左半部分并通过光纤1416连接至双偏振复合干涉仪14；Z方向第五弹性柱1305、第六弹性柱1306两端通过方形卡口连接至第二环形结构132，方形卡口中间掏空以通过光纤，第五光纤环1435一端通过光纤1423连入双偏振复合干涉仪14，另一端通过方形卡口中间绕至第二环形结构132前半部分并通过光纤1425连接至双偏振复合干涉仪14；第六光纤环1436一端通过光纤1422连入双偏振复合干涉仪14，另一端通过方形卡口中间绕至第二环形结构132前半部分并通过光纤1424连接至双偏振复合干涉仪14。
所述的双偏振复合干涉仪14包括第一光纤隔离器141a、第二光纤隔离器141b、第三光纤隔离器141c，第一起偏器142a、第二起偏器142b、第三起偏器142c，第一环形器143a、第二环形器143b、第三环形器143c，第一耦合器144a、第二耦合器146a、第三耦合器144b、第四耦合器146b、第五耦合器144c、第六耦合器146c，第一波分复用器145a、第二波分复用器145b、第三波分复用器145c，第一偏振分束器147a、第二偏振分束器148a、第三偏振分束器147b、第四偏振分束器148b、第五偏振分束器147c、第六偏振分束器148c；
所述的光电转换模块15包括第一至第十五探测器151a、151b、151c、152a、152b、152c、153a、153b、153c、154a、154b、154c、155a、155b、155c；
1)第一复合干涉仪141中，1310nm光源113通过第一光纤隔离器141a后连接至第一起偏器142a，经过45°保偏焊接后连接至第一耦合器144a的一个输入端；第一耦合器144a的另一个输入端与第一环形器143ab端口连接，第一环形器143aa端口与1550nm光源112连接，c端口通过光纤1403连接至第一探测器151a；第一耦合器144a的一个输出端与第一相位调制器140a相连，然后通过光纤1404连接第一光纤环1431，第一光纤环1431的输出光纤光纤1406连接至第一波分复用器145a的一个输入端；第一波分复用器145a的另一个输入端与第二光纤环1432输出光纤1407相连，第二光纤环1432另一端通过光纤1405连接至第一耦合器144a的另一个输出端；第一波分复用器145a的两个输出端经过相同的两根光纤与耦合器146a的两个输入端相连，第二耦合器146a的两个输出端分别连接第一偏振分束器147a、第二偏振分束器148a，第一偏振分束器147a两个输出端分别连接第二探测器152a、第三探测器153a；第二偏振分束器148a两个输出端分别连接第四探测器154a、第五探测器155a；
2)第二复合干涉仪142中，1310nm光源113通过第二光纤隔离器141b后连接至第二起偏器142b，经过45°保偏焊接后连接至第三耦合器144b的一个输入端；第三耦合器144b的另一个输入端与第二环形器143bb端口连接，第二环形器143ba端口与1550nm光源112连接，c端口通过光纤1412连接至第六探测器151b；第三耦合器144b的一个输出端与第二相位调制器140b相连，然后通过光纤1413连接第三光纤环1433，第三光纤环1433的输出光纤光纤1415连接至第二波分复用器145b的一个输入端；第二波分复用器145b的另一个输入端与第四光纤环1434输出光纤1414相连，第四光纤环1434另一端通过光纤1416连接至第三耦合器144b的另一个输出端；第二波分复用器145b的两个输出端经过相同的两根光纤与第四耦合器146b的两个输入端相连，第四耦合器146b的两个输出端分别连接第三偏振分束器147b、第四偏振分束器148b，第三偏振分束器147b两个输出端分别连接第七探测器152b、第八探测器153b；第四偏振分束器148b两个输出端分别连接第九探测器154b、第十探测器155b；
3)第三复合干涉仪143中，1310nm光源113通过第三光纤隔离器141c后连接至第三起偏器142c，经过45°保偏焊接后连接至第五耦合器144c的一个输入端；第五耦合器144c的另一个输入端与第三环形器143cb端口连接，第三环形器143ca端口与1550nm光源112连接，c端口通过光纤1421连接至第十一探测器151c；第五耦合器144c的一个输出端与第三相位调制器140c相连，然后通过光纤1423连接第五光纤环1435，第五光纤环1435的输出光纤光纤1425连接至第三波分复用器145c的一个输入端；第三波分复用器145c的另一个输入端与第六光纤环1436输出光纤1424相连，第六光纤环1436另一端通过光纤1422连接至第五耦合器144c的另一个输出端；第三波分复用器145c的两个输出端经过相同的两根光纤与耦合器146c的两个输入端相连，第六耦合器146c的两个输出端分别连接第五偏振分束器147c、第六偏振分束器148c，第五偏振分束器147c两个输出端分别连接第十二探测器152c、第十三探测器153c；第六偏振分束器148c两个输出端分别连接第十四探测器154c、第十五探测器155c；
所述传感壳体12顶部上盖120通过8个内六角螺丝1201将传感器密封，传感器上盖120与其下方气密胶垫121共同固定；
所述的传感壳体12底部包括调相波输入端口123，通过信号线1202与第一相位调制器140a、第二相位调制器140b、第三相位调制器140c相连；角速度输出端口124，通过信号线1203与第一探测器151a、第六探测器151b、第十一探测器151c相连；加速度输出端口125通过信号线1204连接第二探测器152a、第三探测器153a、第四探测器154a、第五探测器155a、第七探测器152b、第八探测器153b、第九探测器154b、第十探测器155b、第十二探测器152c、第十三探测器153c、第十四探测器154c、第十五探测器155c；第一法兰盘126外部连接1310nm光源113，内部通过光纤1402接入双偏振复合干涉仪14；第二法兰盘127外部连接1550nm光源112，内部通过光纤1402接入双偏振复合干涉仪14；
所述的数据采集处理模块16包括计算机160、数据采集卡161。
本发明提供了一种基于复合干涉仪的地震波测量方式，该传感装置由马赫曾德干涉仪与萨格纳克干涉仪复合而成。其中马赫曾德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，利用波分复用器将两个波长的光分开，进入两个干涉仪中。该装置能够有效同时测量平动加速度与旋转角速度，并且通过双偏振光路实现了温度与多参量产生的应变特征分离，在旋转地震波测量等领域内具有广泛应用前景。
复合干涉仪光路：
本装置用于测量旋转地震波，即同时测量轴向加速度与旋转角速度，测量原理如图2所示，以第一复合干涉仪141为例，其工作方式如下：
该光路为马赫曾德干涉仪与萨格纳克干涉仪复合而成，1310nm与1550nm激光通过耦合器输入，通过波分复用器分光，注入到两个干涉仪中；其中萨格纳克干涉仪用于测量旋转角速度，马赫曾德干涉仪用于测量轴向加速度；
马赫曾德干涉仪工作过程如下：输入光源1310nm激光113通过第一光纤隔离器141a后经第一起偏器142a起偏，通过保偏光纤45°焊接分别注入到快轴和慢轴输出至第一耦合器144a，第一耦合器144a将输入光分为两路，一路输出光通过传感光纤及光纤环1432输出至第一波分复用器145a一个输入端，第一耦合器144a的另一路输出端通过传感光纤、第一相位调制器140a和光纤环1431输出至第一波分复用器145a的另一个输入端，第一波分复用器145a的两个输出端通过光纤连接至第二耦合器146a的两个输入端，此时两束光在第二耦合器146a内发生干涉，干涉信号通过两个偏振分束器后通过探测器差分探测。该干涉信号携带轴向加速度信息；
萨格纳克干涉仪工作过程如下：输入光源1550nm激光112输出至第一环形器143a的a端口，第一环形器143a的b端口连接至第一耦合器144a的另一个输入端，第一耦合器144a将输入光分为两路，一路光通过传感光纤和光纤环1432输出至第一波分复用器145a一个输入端，通过第一波分复用器145a通过传感光纤、光纤环212和第一相位调制器140a回到第一耦合器144a，第一耦合器144a的另一路输出光通过传感光纤、第一相位调制器140a和光纤环1431输出至第一波分复用器234的另一个输入端，通过第一波分复用器145a后通过传感光纤、光纤环1432后回到第一耦合器144a，两路光此时在第一耦合器144a出发生干涉，干涉信号通过第一环形器143a的c端口进入第一探测器151a，该干涉信号携带旋转角速度信息；
传感装置如图1、图2所示，器件参数如下：
1)输入光源112的波长为1550mm、半谱宽度大于45nm，出纤功率为1mW～10mw；
2)环形器中心波长为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；
3)耦合器工作波长1550nm，分光比50.5％/49.5％，两路插入损耗分别为3.3dB，3.12dB；
4)第一光纤环1431、第二光纤环1432、第三光纤环1433、第四光纤环1434、第五光纤环1435、第六光纤环1436、环串扰＜-18dB，环衰减＜1dB/km，光纤长度200m；
5)传感光纤长3.5km；
6)质量感应块130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)弹性柱为弹性材料，长度在5～30mm之间，外径在10～60mm之间；
8)相位调制器140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。

Claims (5)

1.一种基于复合干涉仪的六维地震波测量装置，包括传感壳体(12)、传感模块(13)、双偏振复合干涉光路(14)、光电转换模块(15)、数据采集处理模块(16)，其特征是：1550nm光源(112)与1310nm光源(113)分别通过传感壳体(12)底部第一法兰盘(126)、第二法兰盘(127)注入双偏振复合干涉光路(14)及传感模块(13)，干涉信号通过光电转换模块(15)转换为电信号，通过传感壳体(12)底部角速度输出端口(124)、加速度输出端口(125)输出至数据采集卡(161)最终输入计算机(160)进行数据处理分析记录。
2.根据权利要求1所述的基于复合干涉仪的六维地震波测量装置，其特征是所述的传感模块(13)具体包括：
中间为质量块(130)通过六根相同的弹性柱体连接外围环形结构，其中X方向第一弹性柱(1301)、第二弹性柱(1302)两端连接第一环形结构(131)，Y方向第三弹性柱(1303)、第四弹性柱(1304)两端连接第二环形结构(132)，Z方向第五弹性柱(1305)、第六弹性柱(1306)两端连接第三环形结构(133)，第一光纤环(1431)缠绕至X方向左方第一弹性柱(1301)；第二光纤环(1432)缠绕至X方向右方第二弹性柱(1302)；第三光纤环(1433)缠绕至Y方向后方第三弹性柱(1303)；第四光纤环(1434)缠绕至Y方向前方第四弹性柱(1304)；第五光纤环(1435)缠绕至Z方向下方第五弹性柱(1305)；第六光纤环(1436)缠绕至Z方向上方第六弹性柱(1306)上；X方向第一弹性柱(1301)、第二弹性柱(1302)两侧通过方形卡口结构连接至第一环形结构(131)，方形卡口中间掏空以通过光纤；第一光纤环(1431)一端通过光纤(1404)连入双偏振复合干涉仪(14)、另一端通过方形卡口中间绕至第一环形结构(131)上半部并通过光纤(1406)连接至双偏振复合干涉仪(14)；第二光纤环(1432)一端通过光纤(1414)连入双偏振复合干涉仪(14)、另一端通过方形卡口中间绕至第一环形结构(131)下半部并通过光纤(1407)连接至双偏振复合干涉仪(14)；Y方向第三弹性柱(1303)、第四弹性柱(1304)两端通过方形卡口连接至第三环形结构(133)上，方形卡口中间掏空以通过光纤，第三光纤环(1433)一端通过光纤(1413)连入双偏振复合干涉仪(14)、另一端通过弹性柱端部中间掏空部分绕至第三环形结构(133)左半部分并通过光纤(1415)连接至双偏振复合干涉仪(14)；第四光纤环(1434)一端通过光纤(1414)连入双偏振复合干涉仪(14)、另一端通过弹性柱端部中间掏空部分绕至第三环形结构(133)左半部分并通过光纤(1416)连接至双偏振复合干涉仪(14)；Z方向第五弹性柱(1305)、第六弹性柱(1306)两端通过方形卡口连接至第二环形结构(132)，方形卡口中间掏空以通过光纤，第五光纤环(1435)一端通过光纤(1423)连入双偏振复合干涉仪(14)、另一端通过方形卡口中间绕至第二环形结构(132)前半部分并通过光纤(1425)连接至双偏振复合干涉仪(14)；第六光纤环(1436)一端通过光纤(1422)连入双偏振复合干涉仪(14)、另一端通过方形卡口中间绕至第二环形结构(132)前半部分并通过光纤(1424)连接至双偏振复合干涉仪(14)。
3.根据权利要求1或2所述的基于复合干涉仪的六维地震波测量装置，其特征是：
1)所述的双偏振复合干涉仪(14)包括第一光纤隔离器(141a)、第二光纤隔离器(141b)、第三光纤隔离器(141c)，第一起偏器(142a)、第二起偏器(142b)、第三起偏器(142c)，第一环形器(143a)、第二环形器(143b)、第三环形器(143c)，第一耦合器(144a)、第二耦合器(146a)、第三耦合器(144b)、第四耦合器(146b)、第五耦合器(144c)、第六耦合器(146c)，第一波分复用器(145a)、第二波分复用器(145b)、第三波分复用器(145c)，第一偏振分束器(147a)、第二偏振分束器(148a)、第三偏振分束器(147b)、第四偏振分束器(148b)、第五偏振分束器(147c)、第六偏振分束器(148c)；
所述的光电转换模块(15)包括第一至第十五探测器(151a)、(151b)、(151c)、(152a)、(152b)、(152c)、(153a)、(153b)、(153c)、(154a)、(154b)、(154c)、(155a)、(155b)、(155c)。
2)第一复合干涉仪(141)中，1310nm光源(113)通过第一光纤隔离器(141a)后连接至第一起偏器(142a)，经过45°保偏焊接后连接至第一耦合器(144a)的一个输入端；第一耦合器(144a)的另一个输入端与第一环形器(143a)b端口连接，第一环形器(143a)a端口与1550nm光源(112)连接，c端口通过光纤(1403)连接至第一探测器(151a)；第一耦合器(144a)的一个输出端与第一相位调制器(140a)相连，然后通过光纤(1404)连接第一光纤环(1431)，第一光纤环(1431)的输出光纤光纤(1406)连接至第一波分复用器(145a)的一个输入端；第一波分复用器(145a)的另一个输入端与第二光纤环(1432)输出光纤(1407)相连，第二光纤环(1432)另一端通过光纤(1405)连接至第一耦合器(144a)的另一个输出端；第一波分复用器(145a)的两个输出端经过相同的两根光纤与耦合器(146a)的两个输入端相连，第二耦合器(146a)的两个输出端分别连接第一偏振分束器(147a)、第二偏振分束器(148a)，第一偏振分束器(147a)两个输出端分别连接第二探测器(152a)、第三探测器(153a)；第二偏振分束器(148a)两个输出端分别连接第四探测器(154a)、第五探测器(155a)；
3)第二复合干涉仪(142)中，1310nm光源(113)通过第二光纤隔离器(141b)后连接至第二起偏器(142b)，经过45°保偏焊接后连接至第三耦合器(144b)的一个输入端；第三耦合器(144b)的另一个输入端与第二环形器(143b)b端口连接，第二环形器(143b)a端口与1550nm光源(112)连接，c端口通过光纤(1412)连接至第六探测器(151b)；第三耦合器(144b)的一个输出端与第二相位调制器(140b)相连，然后通过光纤(1413)连接第三光纤环(1433)，第三光纤环(1433)的输出光纤光纤(1415)连接至第二波分复用器(145b)的一个输入端；第二波分复用器(145b)的另一个输入端与第四光纤环(1434)输出光纤(1414)相连，第四光纤环(1434)另一端通过光纤(1416)连接至第三耦合器(144b)的另一个输出端；第二波分复用器(145b)的两个输出端经过相同的两根光纤与第四耦合器(146b)的两个输入端相连，第四耦合器(146b)的两个输出端分别连接第三偏振分束器(147b)、第四偏振分束器(148b)，第三偏振分束器(147b)两个输出端分别连接第七探测器(152b)、第八探测器(153b)；第四偏振分束器(148b)两个输出端分别连接第九探测器(154b)、第十探测器(155b)；
4)第三复合干涉仪(143)中，1310nm光源(113)通过第三光纤隔离器(141c)后连接至第三起偏器(142c)，经过45°保偏焊接后连接至第五耦合器(144c)的一个输入端；第五耦合器(144c)的另一个输入端与第三环形器(143c)b端口连接，第三环形器(143c)a端口与1550nm光源(112)连接，c端口通过光纤(1421)连接至第十一探测器(151c)；第五耦合器(144c)的一个输出端与第三相位调制器(140c)相连，然后通过光纤(1423)连接第五光纤环(1435)，第五光纤环(1435)的输出光纤光纤(1425)连接至第三波分复用器(145c)的一个输入端；第三波分复用器(145c)的另一个输入端与第六光纤环(1436)输出光纤(1424)相连，第六光纤环(1436)另一端通过光纤(1422)连接至第五耦合器(144c)的另一个输出端；第三波分复用器(145c)的两个输出端经过相同的两根光纤与耦合器(146c)的两个输入端相连，第六耦合器(146c)的两个输出端分别连接第五偏振分束器(147c)、第六偏振分束器(148c)，第五偏振分束器(147c)两个输出端分别连接第十二探测器(152c)、第十三探测器(153c)；第六偏振分束器(148c)两个输出端分别连接第十四探测器(154c)、第十五探测器(155c)。
4.根据权利要求1或2所述的基于复合干涉仪的六维地震波测量装置，其特征是：传感壳体(12)顶部上盖(120)通过螺丝(1201)将传感器密封，传感器上盖(120)与其下方气密胶垫(121)共同固定；传感壳体(12)底部包括调相波输入端口(123)，通过信号线(1202)与第一相位调制器(140a)、第二相位调制器(140b)、第三相位调制器(140c)相连；角速度输出端口(124)，通过信号线(1203)与第一探测器(151a)、第六探测器(151b)、第十一探测器(151c)相连；加速度输出端口(125)通过信号线(1204)连接第二探测器(152a)、第三探测器(153a)、第四探测器(154a)、第五探测器(155a)、第七探测器(152b)、第八探测器(153b)、第九探测器(154b)、第十探测器(155b)、第十二探测器(152c)、第十三探测器(153c)、第十四探测器(154c)、第十五探测器(155c)；第一法兰盘(126)外部连接1310nm光源(113)，内部通过光纤(1402)接入双偏振复合干涉仪(14)；第二法兰盘(127)外部连接1550nm光源(112)，内部通过光纤(1402)接入双偏振复合干涉仪(14)；数据采集处理模块(16)包括计算机(160)、数据采集卡(161)。
5.根据权利要求3所述的基于复合干涉仪的六维地震波测量装置，其特征是：传感壳体(12)顶部上盖(120)通过螺丝(1201)将传感器密封，传感器上盖(120)与其下方气密胶垫(121)共同固定；传感壳体(12)底部包括调相波输入端口(123)，通过信号线(1202)与第一相位调制器(140a)、第二相位调制器(140b)、第三相位调制器(140c)相连；角速度输出端口(124)，通过信号线(1203)与第一探测器(151a)、第六探测器(151b)、第十一探测器(151c)相连；加速度输出端口(125)通过信号线(1204)连接第二探测器(152a)、第三探测器(153a)、第四探测器(154a)、第五探测器(155a)、第七探测器(152b)、第八探测器(153b)、第九探测器(154b)、第十探测器(155b)、第十二探测器(152c)、第十三探测器(153c)、第十四探测器(154c)、第十五探测器(155c)；第一法兰盘(126)外部连接1310nm光源(113)，内部通过光纤(1402)接入双偏振复合干涉仪(14)；第二法兰盘(127)外部连接1550nm光源(112)，内部通过光纤(1402)接入双偏振复合干涉仪(14)；数据采集处理模块(16)包括计算机(160)、数据采集卡(161)。
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