CN112946730B - 一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，外界信号在通过光纤地震计的拾取、放大等流程期间也受到双反馈的作用，最终得到的差分信号再经过信号采集和相位解调后便可得到一定位数的具体相位值；此相位值作为新反馈输入进入反馈流程后首先根据设定的双反馈输出位数之和来判断是否需要进位位数拓展，再将处理后的信号划分为与双反馈对应的低位数、高位数两部分，其中低位数部分通过第一相位调制器闭环回路进行反馈，高位数部分通过第二电磁闭环回路进行反馈。由此形成的双闭环反馈系统具有能够大幅度拓展系统的动态范围和工作低频带宽，并实现全量程反馈等优点，并可以广泛应用于多种光纤地震计。

Description

一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法
技术领域
本发明涉及一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
现有光纤地震计基本为开环结构，其性能过于依赖机械、光纤本身的性质，同时由于机械、光纤工艺改进困难，在性能的进一步提升方面遇到瓶颈。而传统闭环地震计已经很好地证明了反馈的引入对于地震计的性能有着突破性的提升，摆脱对机械的依赖，同时电子反馈还具有轻便、可调节等多种优势。
1972年inger等人首次在捷克斯洛伐克安装了一款反馈式宽频带地震计(Dziewonski,A.M..The Global Seismographic Network:Progress and Promise,inObservatory Seismology,University of California Press,Berkeley,California,1989)，其实现了300s～0.3s的低频宽频带的速度平坦响应。首次提出的利用反馈实现宽频带的概念，明显地展示出了反馈在地震计应用中的广阔前景。
1998年，中国地震局地震研究所公开了一种反馈式超宽频带地震计(CN98121724.9)，此专利采用三维结构，目的是实现在20Hz～360s响应频带的对地速度平坦响应，在360s～DC响应频带对地加速度平坦响应，同时获得140dB的动态范围。
2011年,珠海市泰德企业有限公司公布了一种力平衡反馈宽频带地震计(CN201120500621.8),其利用电磁机构配合比例、积分、微分控制。实现了50Hz～60s的宽频带平坦响应，其截至低频甚至可以拓展至120s，测量动态范围达140dB，灵敏度则为2000V/(m/s)。在保证大动态和高灵敏度得同时，实现了低频测量和宽频带的性能。
上述三种传统反馈式地震计，都提现了反馈对传统机电式地震计在低频延拓、频带展宽和动态范围提升上的重要作用，其早已成为传统地震计中不可获取的一部分。因此，将反馈引入到与传统地震计原理基本相同的开环光纤地震计中，理应会对现有开环性能由较大的提升。
2014年中国科学院半导体研究所的王兆刚等人提出了一种利用盘片和法布里-珀罗腔结合的光纤加速度计(Wang Z,et al.Diaphragm-Based Fiber Optic Fabry–PerotAccelerometer With High Consistency.Journal of Lightwave Technology,2014,32(24):4810-4815)。在工作频带10Hz～125Hz的范围内，灵敏度达到了36.07dB V/g，分辨率68.03ug，动态范围约为60dB。文中说明若更换解调方法，分辨率可能达到ng级，此时动态范围约为120dB。
2016年中国科学院声学研究所的吴学兵等人公开了一种干涉型光纤地震检波器(吴学兵,刘英明,高侃.干涉型光纤地震检波器研发及效果分析.石油物探,2016,55(2):303-308)。其采用了马赫-泽德干涉仪和芯轴式结构，工作频带为10Hz～800Hz，灵敏度约40dB rad/g，分辨率为0.1ug@100Hz，动态范围达120dB@100Hz。
2017年吉林大学的陈建冬等人发表了一种用于海底探测的三维光纤地听器(Chen,Jiandong,et al.A fiber-optic interferometric tri-component geophone forocean floor seismic monitoring.Sensors,2017,17(1):47)。通过光纤搭建迈克尔逊干涉仪，并使用了芯轴式结构，其工作频带为2Hz～150Hz，灵敏度达到50dB rad/g，分辨率为2ng，动态范围为116dB。
上述三种光纤地震计/加速度计均为开环式结构，都没引入闭环反馈控制，导致上述系统均无法工作在较低频带，同时动态范围受限于开环性能而无法提升至更高。
2012年浙江大学的王冬云等人公开一种闭环控制的干涉型光纤加速度计(CN201210220303.5)，其利用光纤光路中的Y波导，对干涉仪两臂中的光相位差进行调制，实现相位反馈，该方法可提升测量精度、线性度好、动态范围大。
2020年吉林大学的常天英等人发表了一种利用PZT相位反馈的闭环芯轴式光纤地震计(Chang T,et al.Fiber optic interferometric seismometer with phasefeedback control.Optics Express,2020,28(5):6102-6122)，在0.1Hz～10Hz的频段内实现了90dB rad/(m/s)的灵敏度。
上述两种光纤加速度计/地震计均在开环的基础上施加了闭环反馈结构，并成功地在某一方面或某几方面对系统性能进行了提升，证明了闭环反馈对于提升当前光纤加速度计/地震计具有重要作用和意义。
本发明针对当前光纤地震计的不足之处，提出了一种全新的低频大动态双闭环反馈方案。通过结合电磁反馈和相位调制器反馈，实现超大信号和超小信号同时测量和全量程反馈，使光纤地震计获得超大的动态范围；同时通过调整双反馈的参数设置使双闭环系统的能够工作在更低频的频带上，获得更多的地震低频信息；本发明可应用于多种不同类型的开环光纤地震计上，具有适用范围广泛的优点。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，利用此方法可以有效提升光纤地震计的测量上限，实现超大信号和超小信号同时测量以及全量程反馈，获得超大的动态范围；同时能够延拓系统响应频带的截止低频，实现低频乃至超低频信号的测量。
本发明的目的是这样实现的：包含开环信号处理流程、反馈判断流程、第一相位闭环反馈流程、第二电磁闭环反馈流程，具体如下；
第一：在时刻tn，系统输出L位相位量，此L位相位量同时输入至反馈判断流程，再分别通过第一相位闭环反馈流程和第二电磁闭环反馈流程与系统下一时刻tn+1的振动信号输入在开环信号处理流程中相互作用，最终在闭环系统输出端得到L位差分量，此L位差分量既作为tn+1时刻的系统输出，也作为tn+2时刻的反馈流程输入；
第二：每一次反馈判断流程接收到L位相位量时，先根据设定的双反馈总输出位数之和，判定是否需要进行位数拓展，最后得到的L'位的相位值；此L'位相位值接下来被输入至反馈范围判断流程，根据相位调至器反馈的反馈位数N和电磁反馈的反馈位数M划分反馈范围，其中L'位相位值的低N位由相位调制器反馈负责，L'位相位值的高M位由电磁反馈负责；
第三：由分配的低N位相位值部分输入到第一相位闭环反馈流程中的相位反馈量，在通过PID控制一转变为相应的电压/电流反馈量后，将传递至光纤放大流程中的相位调制器，形成第一闭环反馈；
第四：由分配的高M位相位值部分输入到第二电磁闭环反馈流程中的电磁反馈量，在通过PID控制二转变为相应的电压/电流反馈量后，输出至电磁反馈装置，产生的电磁反馈力最终作用在机械拾振流程里的惯性质量上，实现第二闭环反馈。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述的位数判断流程和位数拓展流程具体为：由开环信号处理流程输入的L位相位量，与设定的第一相位闭环反馈流程的输出位数N、第二电磁闭环反馈流程的输出位数M之和进行比较，若N+M≤L，则不需要进行位数扩展，直接传递至反馈范围判断流程，此时L'＝L；若N+M>L，则转至位数拓展流程，最后得到位数为L'的相位值，此时L'＝N+M，再输出至反馈范围判断流程。
2.所述的开环信号处理流程具体为：振动信号首先被由惯性质量和弹性体组成的拾振装置经过机械拾振流程拾取，期间拾振装置会与第二电磁闭环反馈流程作用；之后信号再通过与拾振装置相互作用的光纤进行光纤放大流程转变光纤中传输光的相位变化，此流程期间后受到第一相位闭环反馈流程的作用；由相位变化引起的光强变化信号会被探测采集流程拾取，最后通过相位解调流程得到一定位数的相位值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)该方法可以大幅度提高光纤地震计测量信号的幅值上限，并可以通过调节电磁反馈的设置来任意设定，在保证原有测量下限不变或变动不大的情况下，能够实现超大的动态范围；(2)该方法通过使用相位调制器反馈和电磁反馈的量程接续，实现超大动态范围的全量程反馈；(3)该方法通过引入双闭环反馈结构，能够改变系统的工作频带范围，提升系统的工作带宽，尤其是延拓了系统的截止工作低频，使光纤地震计能够拾取到更多的低频信息；(4)该方法以光纤光路中常见的相位调制器作为第一闭环反馈，以常见的电磁反馈约束拾振惯性体作为第二闭环反馈，其原理和装置设计可应用于多种不同类型的光纤地震计之中，具有适用性广泛的优点。
附图说明
图1是基于光纤地震计的双闭环反馈方法流程图；
图2是基于盘式光纤地震计的双闭环反馈原理图；
图3是双闭环反馈系统的数学模型图；
图4是双闭环反馈系统的幅频特性曲线图；
图5是双闭环反馈系统的相频特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，本发明的一种用于相位调制器反馈和电磁反馈的光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，包含开环信号处理流程1，反馈判断流程2，第一相位闭环反馈流程3，第二电磁闭环反馈流程4；
1)某一时刻tn，系统输出L位相位量，此L位相位量同时输入至反馈判断流程2，再分别通过第一相位闭环反馈流程3和第二电磁闭环反馈流程4与系统下一时刻tn+1的振动信号输入在开环信号处理流程1中相互作用，最终在闭环系统输出端得到L位差分量，此L位差分量既作为tn+1时刻的系统输出，也作为tn+2时刻的反馈流程输入；
2)每一次反馈判断流程2接收到L位相位量时，先根据设定的双反馈总输出位数之和，判定是否需要进行位数拓展21，最后得到的L'位的相位值；此L'位相位值接下来被输入至反馈范围判断流程23，根据相位调至器反馈的反馈位数N和电磁反馈的反馈位数M划分反馈范围，其中L'位相位值的低N位由相位调制器反馈负责，L'位相位值的高M位由电磁反馈负责；
3)由2流程分配的低N位相位值部分输入到第一相位闭环反馈流程3中的相位反馈量31，在通过PID控制一32转变为相应的电压/电流反馈量后，将传递至光纤放大12流程中的相位调制器，形成第一闭环反馈；
4)由2流程分配的高M位相位值部分输入到第二电磁闭环反馈流程4中的电磁反馈量41，在通过PID控制二42转变为相应的电压/电流反馈量后，输出至电磁反馈装置43，产生的电磁反馈力最终作用在机械拾振11流程里的惯性质量上，实现第二闭环反馈。
所述的位数判断流程21和位数拓展流程22，由开环信号处理流程1输入的L位相位量，与设定的第一相位闭环反馈流程3的输出位数N、第二电磁闭环反馈流程4的输出位数M之和进行比较，若N+M≤L，则不需要进行位数扩展，直接传递至反馈范围判断流程23，此时L'＝L；若N+M>L，则转至位数拓展流程22，最后得到位数为L'的相位值，此时L'＝N+M，再输出至反馈范围判断流程23。
所述的开环信号处理流程1，振动信号首先被由惯性质量和弹性体组成的拾振装置经过机械拾振11流程拾取，期间拾振装置会与第二电磁闭环反馈流程4作用；之后信号再通过与拾振装置相互作用的光纤进行光纤放大12流程转变光纤中传输光的相位变化，此流程期间后受到第一相位闭环反馈流程3的作用；由相位变化引起的光强变化信号会被探测采集13流程拾取，最后通过相位解调14流程得到一定位数的相位值。
基于相位调制器反馈和电磁反馈的双闭环反馈方法，其实现超大动态范围、超低工作频带等性能的原理可由附图2论证得到：
典型的机械拾振结构G1(s)和光纤放大结构G2(s)在复频域内由拉氏变换可以表示为：
G2(s)＝K2 (2)
其中：ξ为阻尼比，ωn为谐振角频率，K1为机械拾振增益系数，K2为光纤放大系数，s＝jω为拉普拉斯算子，j为虚数单位，ω为角频率。对于第一闭环反馈中的相位调制器的反馈控制采用PID方法，则整个相位反馈控制的传递过程可以表示为：
其中：Kyp、Kyi、Kyd分别为相位调制器反馈控制中的比例、积分、微分系数。
对于第二闭环反馈中的电磁反馈回路，根据质量块的运动方程和通电线圈受力分析有：
其中：FB为通电线圈提供的电磁推力，m为质量块质量，c为开环光纤地震计的等效阻尼系统，k为开环光纤地震计的等效刚度，y为质量块的绝对位移，x为地面的绝对位移，B为磁感应强度，l为线圈位于磁场中的有效长度，I为电流大小，L为线圈电感，U为两端电压，v为线圈在磁场中的运动速度，与质量块运动相同。
其中U(s)同样由PID进行控制，有：
H2(s)＝Kp+Ki/s+Kds (6)
其中Kp、Ki、Kd分别为电磁反馈控制中的比例、积分、微分系数。
最终双闭环系统的数学传递可以表示为：
其中：
A1＝KydLm
B1＝cKydL+Lm+KypLm+KydmR
C1＝-B2K1Kydl2+cL+kKydL+cKypL+KyiLm+cKydR+mR+KypmR
D1＝BK1K2Kdl-K1B2l2-B2K1Kypl2+kL+cKyiL+kKypL+cR+kKydR+cKypR+KyimR
E1＝BK1K2Kpl-B2K1Kyil2+kKyiL+kR+cKyiR+kKypR
F1＝BK1K2Kil+kKyiR
C2＝K1K2Lm
D2＝K1K2mR
根据公式(7)，以现有开环地震计能够确定m、k、c、K1、K2的取值，之后通过设计并调整其他参数便能够改变闭环系统的响应频带，实现系统响应函数的工作频带向更低频拓展。考虑到实际器件的参数取值范围，并调整第一、第闭环反馈流程中的PID参数，闭环系统延拓截止低频的实现，可如图3、图4所示。同时根据FB＝BIl可以得知，通过调节相应参数可以控第二闭环反馈流程中的电磁反力的上限，即系统动态范围的上限，可以较容易地将其设定在等效加速度为100m/s2的水平；若在引入反馈后，设定最小拾取信号等效的加速度为10-8m/s2，则闭环系统动态范围将达到20log(100/10-8)＝200dB，即实现超大动态范围。
基于电磁反馈和相位调制器反馈的低频大动态双闭环反馈方法，其反馈原理图如附图5所示。由光源201发出的光经过相位调制器202后进入光纤干涉仪的两臂，光纤干涉仪的两光纤干涉臂分别盘绕成第一光纤环203、第二光纤环204并固定于弹性体206上，质量块205拾取振动信号首先传递到与其紧密组合的弹性体206上，再通过第一光纤环203与第二光纤环204将信号放大为光纤中传输光的相位变化，上述过程同时受到由计算机210通过第一反馈线路213和第二反馈线路214发出的反馈信号作用，其中第一反馈线路213作用在相位调制器202上，第二反馈线路214作用在由永磁体211、反馈线圈212组成的电磁反馈装置上，进而作用在质量块205上；随后此经过双反馈作用的差分信号经过2×2光纤耦合器207、第一光电探测器208、第二光电探测器209后，通过计算机210内的相位解调14计算得到具体的L位的相位值。此L位相位值即为闭环系统输出，同时也作为新的反馈输入参与双闭环反馈，其首先会在计算机210内部经过位数判断21来决定是否拓展位数，得到L'位的相位量，再将L'位相位量划分为低N位的相位反馈量和高M位的电磁反馈量，两部分反馈量经过各自的控制算法转变为相应的电压/电流反馈量后，分别通过第一反馈线路213传递相位调制器202，形成第一闭环反馈和第二反馈线路214传递至由永磁体211、反馈线圈212组成的电磁反馈装置，形成第二闭环反馈，其中永磁体211固定在外壳中心的位置上，而反馈线圈212则固定于质量块205的中心位置。
本发明的装置原理如附图2所示，双反馈装置的器件选择和参数如下：
(1)激光光源的中心波长1550nm，出纤功率大于1mW；
(2)相位调制器工作波长1550nm，1×2分束，分束比为50:50，消光比大于20dB，插入损耗小于0.5dB，输入、输出为保偏光纤；
(3)第一光纤环和第二光纤环均为保偏光纤，长度大于100m；
(4)2×2耦合器工作波长1550nm，分光比50:50，消光比大于20dB，输入、输出均为保偏光纤；
(5)第一光电探测器、第二光电探测器，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.9A/W；
(6)质量块材质为不锈钢，质量为400g；
(7)永磁体内形成的磁场的磁感应强度0.5T；
(8)反馈线圈缠绕半径10mm，缠绕匝数200。
双反馈方法的具体流程如下：
1)某一tn时刻，闭环系统输出一16位相位量此16位相位量也会作为新反馈输入量，设定闭环系统的第一相位闭环反馈和第二项位闭环反馈均输出16位信号，则输入的16位相位量在经过位数判断21流程后会转至位数拓展22流程，最终扩展为32位信号量
2)由1)步得到的32位信号量会被输出至反馈范围判断流程，根据闭环系统设定会将32位的划分为高16位和低16位两部分，其中低16位的/>会传递至相位反馈量，高16位的/>会传递至电磁反馈量，且在数值计算上有/>
3)传递至相位反馈量16的经过控制算法一17，转化为相应的反馈电压量，施加于相位调制器202上，形成第一闭环反馈；传递至电磁反馈量18的/>经过控制算法二19，转化、放大为相应的反馈电流量，施加在电磁反馈装置的反馈线圈212中，产生电磁反馈力作用于质量块205上，形成第二闭环反馈；整体实现双闭环反馈；
4)当tn下一时刻tn+1输入信号时，此输入信号会与上述双反馈相互作用，最终得到16位的差分信号/>此16位/>既是tn+1时刻的闭环系统输出，也作为tn+2时刻系统反馈流程的新输入。
综上，本发明提供了一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，外界信号在通过光纤地震计的拾取、放大等流程期间也受到双反馈的作用，最终得到的差分信号再经过信号采集和相位解调后便可得到一定位数的具体相位值；此相位值作为新反馈输入进入反馈流程后首先根据设定的双反馈输出位数之和来判断是否需要进位位数拓展，再将处理后的信号划分为与双反馈对应的低位数、高位数两部分，其中低位数部分通过第一相位调制器闭环回路进行反馈，高位数部分通过第二电磁闭环回路进行反馈。由此形成的双闭环反馈系统具有能够大幅度拓展系统的动态范围和工作低频带宽，并实现全量程反馈等优点，并可以广泛应用于多种光纤地震计。

Claims (3)

1.一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，其特征在于：包含开环信号处理流程、反馈判断流程、第一相位闭环反馈流程、第二电磁闭环反馈流程，具体如下；
第一：在时刻tn，系统输出L位相位量，此L位相位量同时输入至反馈判断流程，再分别通过第一相位闭环反馈流程和第二电磁闭环反馈流程与系统下一时刻tn+1的振动信号输入在开环信号处理流程中相互作用，最终在闭环系统输出端得到L位差分量，此L位差分量既作为tn+1时刻的系统输出，也作为tn+2时刻的反馈流程输入；
第二：每一次反馈判断流程接收到L位相位量时，先根据设定的双反馈总输出位数之和，判定是否需要进行位数拓展，最后得到的L'位的相位值；此L'位相位值接下来被输入至反馈范围判断流程，根据相位调至器反馈的反馈位数N和电磁反馈的反馈位数M划分反馈范围，其中L'位相位值的低N位由相位调制器反馈负责，L'位相位值的高M位由电磁反馈负责；
第三：由分配的低N位相位值部分输入到第一相位闭环反馈流程中的相位反馈量，在通过PID控制一转变为相应的电压/电流反馈量后，将传递至光纤放大流程中的相位调制器，形成第一闭环反馈；
第四：由分配的高M位相位值部分输入到第二电磁闭环反馈流程中的电磁反馈量，在通过PID控制二转变为相应的电压/电流反馈量后，输出至电磁反馈装置，产生的电磁反馈力最终作用在机械拾振流程里的惯性质量上，实现第二闭环反馈。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，其特征在于：所述反馈判断流程具体为：由开环信号处理流程输入的L位相位量，与设定的第一相位闭环反馈流程的输出位数N、第二电磁闭环反馈流程的输出位数M之和进行比较，若N+M≤L，则不需要进行位数扩展，直接传递至反馈范围判断流程，此时L'＝L；若N+M＞L，则转至位数拓展流程，最后得到位数为L'的相位值，此时L'＝N+M，再输出至反馈范围判断流程。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于光纤地震计的低频大动态双闭环反馈方法，其特征在于：所述的开环信号处理流程具体为：振动信号首先被由惯性质量和弹性体组成的拾振装置经过机械拾振流程拾取，期间拾振装置会与第二电磁闭环反馈流程作用；之后信号再通过与拾振装置相互作用的光纤进行光纤放大流程转变光纤中传输光的相位变化，此流程期间后受到第一相位闭环反馈流程的作用；由相位变化引起的光强变化信号会被探测采集流程拾取，最后通过相位解调流程得到一定位数的相位值。
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一种基于COSTAS环的光纤地震计解调算法;马坤;吴海军;杨继勇;侯璐;;应用科技(06);全文 *

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