CN112099075A - 单模消偏结构的全光纤旋转地震仪 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，包括光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环、光电探测器以及解调电路，其中，第一耦合器的第一端口连接光源，第二端口连接光电探测器，第三端口连接起偏器的一端；起偏器的另一端连接第一消偏器的一端；第二耦合器的第一端口连接第一消偏器另一端，第三端口连接相位调制器的一端，第四端口连接第二消偏器的一端；相位调制器的另一端连接单模环的一端，第二消偏器的另一端连接单模环的另一端；解调电路连接光电探测器及相位调制器，输出角速度。本申请的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪成本低，采用光纤结构直接测量地震信号的旋转分量，具有高灵敏度。
Description
技术领域
本申请属于光纤干涉仪测量技术领域，具体地，涉及一种单模消偏结构的全光纤旋转地震仪。
背景技术
现有的地震信号监测普遍监测的是三分量平移，涉及位移、速度或者加速度各三个变量，然而根据地震现象和有关研究表明，地震时还会产生包括三分量转动量在内的六自由度地震信号，只靠三个平移分量完全不足以探究复杂的地震波在地表和建筑结构中的传播过程。因此，研究三分量的转动量对于完善基于六自由度的地震信号监测，以及研究震源特性、地震波传播特性、结构物体的抗震性能及地标浅层结构都具有重要意义。
旋转地震仪是一种转动传感器，用来测定其所在载体上的转动角速度。旋转地震仪的基础结构是萨格纳克干涉仪，该结构需要满足分束器互易、单模互易以及偏振互易等互易性条件，互易性保证了光的传播状态及路径完全一致，起到了“共模抑制”的作用，用以消除多种寄生效应造成的偏差。
现有的，采用保偏光纤是保证萨格纳克干涉仪结构的互异性一个有效手段，也是目前萨格纳克干涉仪实用化的主要方案。在传统的保偏光纤萨格纳克干涉仪中，只有一种偏振模式的光被用于检测转动速率，并抑制另一个方向偏振的光以实现互易性，消除不利干扰。但在工程应用中，保偏光纤萨格纳克干涉仪存在成本高，以及因为对弯曲敏感对磁场敏感等带来的测量偏差问题。
发明内容
本发明提出了一种单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，旨在解决现有技术中旋转地震仪基于萨格纳克干涉仪结构成本高以及测量存在偏差的问题。
根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，包括光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环、光电探测器以及解调电路，其中：
第一耦合器的第一端口连接光源，第二端口连接光电探测器，第三端口连接起偏器的一端；
起偏器的另一端连接第一消偏器的一端；
第二耦合器的第一端口连接第一消偏器的另一端，第三端口连接相位调制器的一端，第四端口连接第二消偏器的一端；
相位调制器的另一端连接单模环的一端，第二消偏器的另一端连接单模环的另一端；
解调电路连接在光电探测器及相位调制器之间，输出角速度。
可选地，第一消偏器包括第一保偏光纤和第二保偏光纤，第一保偏光纤和第二保偏光纤以45°的角度熔接；第二消偏器包括第三保偏光纤和第四保偏光纤，第三保偏光纤和第四保偏光纤以45°的角度熔接。
可选地，第二保偏光纤的长度是第一保偏光纤的二倍，第四保偏光纤的长度是第三保偏光纤的二倍。
可选地，第一保偏光纤长度为8m，第三保偏光纤长度为2m。
可选地，光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环以及光电探测器之间，通过单模光纤相连接。
可选地，光源为ASE宽谱光源，其中心波长为1550nm，其谱宽为50nm，其相干长度为47μm至49μm之间。
可选地，第一耦合器以及第二耦合器采用分光比为50：50的单模光纤耦合器。
可选地，单模环的光纤环长度可调节。
可选地，单模环采用的光纤环长度为2KM，光纤环直径为70mm。
可选地，相位调制器为压电陶瓷调制器或铌酸锂调制器。
采用本申请的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，包括光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环、光电探测器以及解调电路，其中，第一耦合器的第一端口连接光源，第二端口连接光电探测器，第三端口连接起偏器的一端；起偏器的另一端连接第一消偏器的一端；第二耦合器的第一端口连接第一消偏器另一端，第三端口连接相位调制器的一端，第四端口连接第二消偏器的一端；相位调制器的另一端连接单模环的一端，第二消偏器的另一端连接单模环的另一端；解调电路连接光电探测器及相位调制器，输出角速度。本申请的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪成本低，采用光纤结构直接测量地震信号的旋转分量，具有高灵敏度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1中示出了具有最小互易性的全光纤形式的萨格纳克干涉仪的结构图；
图2中示出了加相位调制器的萨格纳克干涉仪的结构图；
图3中示出了根据本申请实施例的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪的结构图；
图4中示出了根据本申请实施例中的第一/第二消偏器的结构示意图；
图5中示出了根据本申请实施例的全光纤旋转地震仪输出角速度值的时域数据图；
图6中示出了根据本申请实施例的全光纤旋转地震仪测试高铁产生地震动信号的时域数据图。
具体实施方式
在实现本申请的过程中，发明人发现地震信号监测中，研究三分量的转动量对于完善基于六自由度的地震信号监测，以及研究震源特性、地震波传播特性、结构物体的抗震性能及地标浅层结构都具有重要意义。现有技术中，并没有采用全光纤结构的旋转地震仪用于监测地震信号，而采用全光纤的旋转地震仪不包含运动部件，对地震动中的平动分量完全不敏感，只对转动分量敏感，检测到的只有转动角速度，因此，克服了现有测量中平动分量的干扰影响。
旋转地震仪的原理基于萨格纳克效应(Sagnaceffect)，在闭和光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光发生干涉，通过检测两束光发生干涉的相位差或干涉条纹的变化，可以测出闭合光路的旋转角速度。
萨格纳克效应的一种常见表达方式是，基于顺时针方向和逆时针方向传输的两束光而产生的正比于旋转角速度的相位差，这个相位差被称作萨格纳克相移，萨格纳克相移φs的计算公式(1)如下：
公式(1)中，L为光纤线圈长度，D为光纤线圈直径,λ为信号光的中心波长，c为真空中的光速，Ω为系统转动角速度。
由公式(1)可以看出，萨格奈克效应及其相移φs大小与光纤线圈长度L成正比，与介质的折射率无关。
因此，旋转地震仪的基础结构是基于萨格纳克效应的萨格纳克干涉仪，萨格纳克干涉仪需要满足分束器互易、单模互易以及偏振互易等互易性条件。而互易性保证了光的传播状态及路径完全一致，起到了“共模抑制”的作用，以消除多种寄生效应造成的偏差。
图1中示出了具有最小互易性的全光纤形式的萨格纳克干涉仪的结构图。
如图1所示，光和光从彼此分开到汇合后产生干涉之间的过程中，两束光经历的光路完全相同。两个耦合器的使用是为了保证两束光经过耦合器的累计相移相同，即保证耦合器互易性。而偏振器保证了两束光传播在同一偏振模式，即偏振互易性。
当萨格纳克相移φs很小时，旋转地震仪的输出对旋转速率的灵敏度接近于零；而且由于响应曲线的对称性，无法确定萨格奈克相移的符号或旋转的方向。为了解决检测灵敏度和旋转方向的问题，可以施加一个偏置相位，使旋转地震仪工作在响应灵敏度最大或不为零的点上，常在光纤环一端加上一个相位调制器。
图2中示出了加相位调制器的萨格纳克干涉仪的结构图。
如图2所示，相位调制器使两束光波在不同时间受到一个完全相同的相位调制φm(t)，则可以产生一个时变相位差，时变相位差Δφ(t)计算公式(2)如下：
Δφ(t)＝φCCW(t)-φCW(t)＝φm(t)-φm(t-τ)公式(2)
其中，φCW、φCCW分别为光纤环中沿顺时针和逆时针方向传播的光波相位；
其中，τ表示光通过整个光纤环长度的传输时间，τ＝neffL/c；neff是光纤的有效折射率。
施加相位调制器调制后，干涉信号为：
ID＝I0{1+cos[φs+Δφ(t)]}公式(3)
在Δφ(t)形式已知时，通过对公式(3)所表达信号进行合适的解调就可以得到萨格纳克相移φs，从而根据公式(1)进一步得到转动角速度Ω。
采用保偏光纤是保证萨格纳克干涉仪结构的互异性一个有效手段，这也是目前实用化萨格纳克干涉仪的主要方案。在传统的保偏光纤萨格纳克干涉仪中，只有一种偏振模式的光被用于检测转动速率，而抑制另一个方向偏振的光以实现互易性，并消除不利干扰。但在工程应用中，保偏光纤萨格纳克干涉仪依然存在成本高，对弯曲敏感，对磁场敏感等问题。
因此，本申请提出了消偏方案，一种单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，采用消偏器和单模光纤搭建较低成本的萨格纳克干涉仪结构。
采用本申请的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，包括光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环、光电探测器以及解调电路，其中，第一耦合器的第一端口连接光源，第二端口连接光电探测器，第三端口连接起偏器的一端；起偏器的另一端连接第一消偏器的一端；第二耦合器的第一端口连接第一消偏器另一端，第三端口连接相位调制器的一端，第四端口连接第二消偏器的一端；相位调制器的另一端连接单模环的一端，第二消偏器的另一端连接单模环的另一端；解调电路连接光电探测器及相位调制器，输出角速度。本申请的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪成本低，采用光纤结构直接测量地震信号的旋转分量，具有高灵敏度。
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，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
图3中示出了根据本申请实施例的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪的结构图。
如图3所示，本实施例的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，包括光源10、第一耦合器20、起偏器30、第一消偏器40、第二耦合器21、第二消偏器41、相位调制器50、单模环60、光电探测器70以及解调电路80。
具体连接描述的，光源10连接第一耦合器20的第一端口，第一耦合器20的第二端口连接光电探测器70的一端，第一耦合器20的第三端口连接起偏器30的一端；起偏器30 另一端连接第一消偏器40的一端；第一消偏器40的另一端连接第二耦合器21的第一端口，第二耦合器21的第三端口以及第四端口分别连接单模环60的两端。
其中，在第二耦合器21的第三端口与单模环的一端相连接之间，设置相位调制器50。
其中，在第二耦合器21的第四端口与单模环的另一端相连接之间，设置第二消偏器41。
最后，解调电路连接光电探测器70以及相位调制器50。最后，高精度的测量所在载体上产生的旋转分量，即角速度，并具有较高的灵敏度。
具体的，本申请实施例中，解调电路80采用18bit、2MHz的AD转换器，将光电探测器70的模拟信号转换成数字信号；数字信号进入FPGA集成电路中进行放大、滤波等处理，处理后的数字信号进行直接数字频率合成技术，产生频率稳定且可调的数字信号；然后通过14bit的DA转换器，将此数字信号转换成正弦模拟电压信号，并输入至相位调制器 (50)对整个光路系统进行调制；最后，通过FPGA处理的数字信号采用相干解调的技术在STM32处理器做进一步解调处理，最后采用RS232协议通过串口输出角速度。
可选地，光源10、第一耦合器20、起偏器30、第一消偏器40、第二耦合器21、第二消偏器41、相位调制器50、单模环60以及光电探测器70之间，通过单模光纤相连接。
本实施例的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，首先，通过光源10发出信号光；光源发出的信号光经过第一耦合器20，经第一耦合器20后信号光产生两路光功率相等的光信号，接入起偏器30；经过起偏器后的偏振光再经过第一消偏器40后变成了消偏光，即光波随机地均匀分布在所有可能的偏振态；两束消偏光经过第二耦合器21后分别以CW方向和CCW方向进入单模环60；从单模环60回来的消偏光己经携带有转动信息，在第二耦合器21处干涉叠加，然后再一次来到第二消偏器41时可逆地还原为双偏振光；双偏振光被起偏器30 分束成为线偏振光，再经第一耦合器20进入光电探测器70进行检测。
图4中示出了根据本申请实施例中的第一/第二消偏器的结构示意图。
第一消偏器40以及第二消偏器41均包括两端保偏光纤，结构相似，本实施例以第一消偏器结构进行说明，如图4所示，第一消偏器40包括第一保偏光纤a和第二保偏光纤b，第一保偏光纤a和第二保偏光纤b以45°的角度熔接。
具体的，第二保偏光纤b的长度是第一保偏光纤a的二倍。两段保偏光纤的段长为(L0,2L0)；其中，长度段长L0的计算公式(4)如下：
L0＝Ld/Δn公式(4)
公式(4)中，Δn为该保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差；Ld为所述宽谱光源的去相干长度，
λ0为所述宽谱光源的中心波长，Δλ为所述宽谱光源的谱宽。
具体的，第二消偏器包括第三保偏光纤和第四保偏光纤，第三保偏光纤和第四保偏光纤也以45°的角度熔接，具体结构参见第一消偏器。
本实施例中，具体应用时，第一消偏器40的第一保偏光纤a长度L0为8m，第二消偏器41的第三保偏光纤a长度L0为2m，其长度是根据单模环60的长度来定。
具体的，光源10为ASE宽谱光源，其中心波长为1550nm，其谱宽为50nm，其相干长度为47μm至49μm之间，约48μm。
此外，除了采用ASE宽谱光源，还可采用SLD等类型光源。
本申请采用宽谱光源可以减少瑞利背向散射的影响，由于瑞利背向散射产生的一种相干噪声，宽谱光源其相干长度短，可以减小背向散射影响。
具体的，第一耦合器20以及第二耦合器21采用分光比为50：50的单模光纤耦合器即 3dB，信号光产生两路光功率相等的光信号。
第一耦合器20得一端端口连接起偏器30。因为理想单模光纤存在两个正交的简并偏振模式，光纤的双折射会产生一个寄生相位差，因而必须采用起偏器使两束反向传输光波是同一种偏振模式，消除掉相位误差，从而消除光波偏振态变化对旋转地震仪的性能影响。
综上，本申请实施例的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，在单模环的两端接入两个消偏器，可以有效地降低偏振误差，尤其是两个消偏器的两个对轴角度一致时，进一步减少了偏振误差，提高精确度。
具体的，单模环的光纤环长度可调节。本申请实施例中，单模环60采用的光纤环长度为2KM，光纤环直径为70mm。
具体的，相位调制器50为低成本的压电陶瓷调制器或铌酸锂调制器。本申请实施例中，相位调制器50为低成本的压电陶瓷调制器，可自行绕制设计；其中，第一消偏器40及第二消偏器41同样为自主绕制，大大降低了成本。
具体的，本申请实施例中，调制电路可采用自主研发设计的高速低噪声电路，大大降低了成本。
实施例2
本实施例2是基于实施例1的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，实验测量对象是地球自转角速度的实施例。
图5中示出了根据本申请实施例的全光纤旋转地震仪输出角速度值的时域数据图。
如图所示，实验测量对象是地球自转角速度，在实验室维度北纬度的水平面上，待测的理论值角速度为9.69°/h，数据输出频率为250HZ，测试时间长度10小时。
由此可见，数据输出稳定，且游走和漂移都很小。
实施例3
本实施例3是基于实施例1的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，实验测量对象是测试高铁产生地震动信号的实施例。
图6中示出了根据本申请实施例的全光纤旋转地震仪测试高铁产生地震动信号的时域数据图。
如图6所示，为旋转地震仪设置在高铁旁距离60m处，测得高铁列车震动产生的地震动的角速度信号时域图，纵坐标表示角速度值，单位为rad/s。
采用本申请的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，包括光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环、光电探测器以及解调电路，其中，第一耦合器的第一端口连接光源，第二端口连接光电探测器，第三端口连接起偏器的一端；起偏器的另一端连接第一消偏器的一端；第二耦合器的第一端口连接第一消偏器另一端，第三端口连接相位调制器的一端，第四端口连接第二消偏器的一端；相位调制器的另一端连接单模环的一端，第二消偏器的另一端连接单模环的另一端；解调电路连接光电探测器及相位调制器，输出角速度。本申请的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪成本低，采用光纤结构直接测量地震信号的旋转分量，具有高灵敏度。
现有技术中，还没有采用光纤结构来直接测量地震信号的旋转分量，即角速度。在地球物理领域，旋转地震仪关注于高灵敏度、噪声功率谱密度PSD及较宽、较平坦的频响范围。而本申请采用全光纤的旋转地震仪不包含运动部件，对地震动中的平动分量完全不敏感，只对转动分量敏感，检测到的只有转动角速度，因此，克服了现有测量中平动分量的干扰影响。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，包括光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环、光电探测器以及解调电路，其中：
所述第一耦合器的第一端口连接所述光源，第二端口连接所述光电探测器，第三端口连接所述起偏器的一端；
所述起偏器的另一端连接所述第一消偏器的一端；
所述第二耦合器的第一端口连接所述第一消偏器的另一端，第三端口连接所述相位调制器的一端，第四端口连接所述第二消偏器的一端；
所述相位调制器的另一端连接所述单模环的一端，所述第二消偏器的另一端连接所述单模环的另一端；
所述解调电路连接在所述光电探测器及相位调制器之间，并输出角速度。
2.根据权利要求1所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述第一消偏器包括第一保偏光纤和第二保偏光纤，所述第一保偏光纤和第二保偏光纤以45°的角度熔接；所述第二消偏器包括第三保偏光纤和第四保偏光纤，所述第三保偏光纤和第四保偏光纤以45°的角度熔接。
3.根据权利要求2所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述第二保偏光纤的长度是所述第一保偏光纤的二倍，所述第四保偏光纤的长度是第三保偏光纤的二倍。
4.根据权利要求2所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述第一保偏光纤长度为8m，所述第三保偏光纤长度为2m。
5.根据权利要求1所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述光源、第一耦合器、起偏器、第一消偏器、第二耦合器、第二消偏器、相位调制器、单模环以及光电探测器之间，通过单模光纤相连接。
6.根据权利要求1所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述光源为ASE宽谱光源，其中心波长为1550nm，其谱宽为50nm，其相干长度为47μm至49μm之间。
7.根据权利要求1所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述第一耦合器以及第二耦合器采用分光比为50：50的单模光纤耦合器。
8.根据权利要求1所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述单模环的光纤环长度可调节。
9.根据权利要求1所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述单模环采用的光纤环长度为2KM，光纤环直径为70mm。
10.根据权利要求1所述的单模消偏结构的全光纤旋转地震仪，其特征在于，所述相位调制器为压电陶瓷调制器或铌酸锂调制器。
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