CN117270031A - 长基线激光干涉测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种长基线激光干涉测量系统及其测量方法，采用长基线激光干涉测量系统利用复合干涉测量方法，利用两种干涉结构：迈克尔逊干涉结构和萨格纳克干涉结构，可以实现同时测量平动地震波和旋转地震波，具有较高的平动地震波测量灵敏度；长基线激光干涉测量系统利用光程匹配方法，使用宽谱光源和匹配光纤，调节两干涉臂的臂长差，使两路光程差接近宽谱光源的相干长度，可极大抑制窄线宽激光干涉的频率噪声。本发明采用复合干涉光路，实现同时测量平动地震波及旋转地震波，可获取丰富的地质活动信息，为研究地质运动提供丰富的数据，提高资源利用率；长基线激光干涉测量系统可对地区经济发展具有一定程度的推动作用。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种长基线激光干涉地震波复合测量技术和方法，属于地震波监测和测量技术领域，具体是一种长基线激光干涉测量系统及其测量方法。
背景技术
我国国土辽阔，对地震波的监测和预警有着重要意义，普通地震波监测装置系统复杂，无法同时测量平动地震波和旋转地震波，因此，研发同时测量平动地震波、旋转地震波的专用仪器，可为地震波场完整信息获取以及近场地震观测提供一种新的监测手段，为地震前兆信息获取和地震孕震过程监测提供一种有效的监测方法。
发明专利ZL 99116620.5公开了一种SS-Y型短基线伸缩仪。该仪器选用特种铟钢棒作为基线，并垂直自由悬挂，选用电涡流传感器或差动变压器作为位移传感器，应变分辨率优于10-9，但基线长度大于5米。
发明专利ZL200610018250.3公开了一种差分式短基线伸缩仪。该仪器的应变分辨率优于10-9并且有较强的抗共模干扰能力，保持高灵敏度高稳定性，但其基线长度仍然大于5米。
发明专利ZL 200710053069.0公开了一种超短基线伸缩仪。该仪器采用位移分辨率为0.1nm的电容传感器，使测量基线长度减小到1米的同时，应变分辨率还能保持在1×10-10，但电容传感器的防潮和密封问题，易受到强电磁干扰，不适合于在电磁污染严重的环境中使用。
发明专利CN202021868499.5公开了一种压电陶瓷地震波监测装置。该装置利用横向和纵向两个方向的检测机构分别对地震波横波和纵波进行检测，能够对比分析，为最终检测判断提供了更多的数据，但无法同时测量旋转地震波。
发明专利CN201710323196.1公开了一种用于监测旋转地震波的地震仪。该仪器通过圆柱体内的弹性应变片的应变间接测量旋转地震波，并且设由蓄电池和控制器，但是测量精度无法达到要求，而且，蓄电池易受环境影响。
发明专利CN202111392765.0公开了一种GNSS双天线辅助陀螺的地震旋转测量系统及方法。该测量系统利用三周陀螺仪以及地震旋转量融合处理模块，对GNSS双天线扭转角和陀螺仪角速度观测值进行融合估计，获得无基线漂移误差的宽频带地震旋转量，具有高精度和高可靠性优点，但是无法同时测量平动地震波。
发明专利CN202310195300.9公开了一种基于双偏振光纤角加速度计的三分量旋转地震监测装置。该装置使用三个双偏振光纤角加速度计两两正交排布实现三维空间内旋转信号的探测，具有灵敏度高、带宽宽等优点，但是仍然无法同时测量平动地震波。
综上所述，国际国内对于平动地震波、旋转地震波的测量均是独立测量，并且主要应用电学类传感器，虽然有较好的分辨率，但是易受环境影响。近年来，激光干涉仪被广泛应用于地震波测量，大型环形激光陀螺仪具有较高的灵敏度及精度，对旋转地震波的观测具有较明显的优势，但是其功能单一，效费比不高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种长基线激光干涉测量系统，实现平动地震波与旋转地震波的同时测量，适应长基线激光干涉测量装置，可以实现平动地震波与旋转地震波信息的同时拾取与分离，且在长基线激光干涉空间光路布置的条件下，实现精确控制干涉臂长差，光源频率噪声抑制。
本发明是通过如下技术方案实现的，一种长基线激光干涉测量系统，包括主测量点和远端测量点，逆时针依次排布且形成位于环形光路的第三消偏振分光棱镜、第二扩束器、第二反射镜、第一反射镜、第一扩束器、调制反射镜、第三偏振分光棱镜，所述远端测量点包括镜面垂直设置第二反射镜和第一反射镜，所述主测量点包括光路内的其他节点；
所述主测量点还包括激光光源、位于激光光源和第三消偏振分光棱镜之间的光隔离器，激光光源激光的偏振态与第三偏振分光棱镜光轴夹角为45°，以及位于第三消偏振分光棱镜侧面的第一光电探测器，所述第三偏振分光棱镜的两侧面分别设有光程匹配模块和解调模块；
第三消偏振分光棱镜将光束均分为等光强的透射的光束LRS和反射的光束LRN，光束LRN沿着光路顺时针传播，经过第三偏振分光棱镜分光，光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜反射，成为光束LRN-S，进入光程匹配模块，通过位移台匹配光程，由自聚焦透镜射入匹配光纤，最终经过法拉第旋镜反射形成光束LRN2-P，回到第三偏振分光棱镜，光束LRN2-P透射经过第三偏振分光棱镜进入解调模块；
光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜透射，形成光束LRN-P，沿着光路顺时针传播，依次经过调制反射镜、第一扩束器、第一反射镜、第二反射镜和第二扩束器，最终经过第三消偏振分光棱镜反射进入第一光电探测器；光束LRS沿着光路逆时针传播，依次经过第二扩束器、第二反射镜、第一反射镜以及调制反射镜，经过第三偏振分光棱镜分光，光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜反射形成光束LRS-S进入解调模块；光束LRS中的P偏振光透射经过第三偏振分光棱镜形成光束LRS-P，光束LRS-P经过第三消偏振分光棱镜透射进入第一光电探测器；
本发明在使用时，采用复合干涉光路，实现同时测量平动地震波及旋转地震波，可获取丰富的地质活动信息，为研究地质运动提供丰富的数据，提高资源利用率；同时长基线激光干涉测量系统可用于石油勘探、矿产资源开发，对地区经济发展具有一定程度的推动作用。
作为优选，所述激光光源包括窄线宽激光光源和宽谱光源，窄线宽激光光源用于地震波场的测量；宽谱光源用于激光干涉测量系统干涉臂光程匹配，以抑制光源频率噪声，两个光源独立使用，系统调试时接入宽谱光源，系统测量时接入窄线宽光源。
作为优选，所述光程匹配模块包括沿光线传送方向依次排布的位移台、自聚焦透镜、匹配光纤、法拉第旋镜，所述法拉第旋镜反射光束LRN-S。
作为优选，所述解调模块包括横向排布的第一消偏振分光棱镜和第一偏振分光棱镜，固定在第一消偏振分光棱镜透光面上第一1/2波片，连接第一消偏振分光棱镜和第一偏振分光棱镜的第一1/4波片，第一消偏振分光棱镜的反射出光面上还固接有第二偏振分光棱镜，光线沿横向从第一1/2波片进入。
作为优选，窄线宽激光光源用于产生窄线宽激光，工作波长1550±20nm；输出功率大于1mW；光谱线宽小于1pm；所述宽谱光源，以中心波长λ＝850nm，谱宽Δλ＝40nm。
长基线激光干涉测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：宽谱光源输出宽谱光，进行系统调试，通过匹配光纤长度来调节两干涉臂的臂长差，使光束LRN2-P与LRS-S光程差接近宽谱光源的相干长度，从而极大抑窄线宽激光干涉的频率噪声；
步骤二：将宽谱光源换成窄线宽激光光源，窄线宽激光光源输出窄带激光通过隔离器后，要保证其激光的偏振态与第三偏振分光棱镜光轴夹角为45°，入射到第三消偏振分光棱镜上，第三消偏振分光棱镜将光束均分为等光强的光束LRS和光束LRN，光束LRN沿着光路顺时针传播，经过第三偏振分光棱镜反射和透射，光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜反射后成为S偏振光LRN-S进入光程匹配模块，通过位移台匹配光程，由自聚焦透镜射入匹配光纤，最终经过法拉第旋镜反射形成P偏振光LRN2-P回到第三偏振分光棱镜，光束LRN2-P经过第三偏振分光棱镜透射进入解调模块；
光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜透射，成为P偏振光LRN-P，沿着光路顺时针传播，依次经过调制反射镜、第一扩束器、第一反射镜、第二反射镜和第二扩束器，经过第三消偏振分光棱镜反射进入第一光电探测器；
光束LRS沿着光路逆时针传播，依次经过第二扩束器、第二反射镜、第一反射镜以及调制反射镜，经过第三偏振分光棱镜反射和透射，光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜反射形成的S偏振光LRS-S进入解调模块；光束LRS中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜透射形成P偏振光LRS-P，光束LRS-P经过第三消偏振分光棱镜透射进入第一光电探测器；
步骤三：在第一光电探测器(7)处汇合的光束LRS-P与LRN-P都是P光，均会透射通过第三偏振分光棱镜(4)，将会产生干涉信号，且光束LRS-P与LRN-P的光程路径分别是逆时针、顺时针传播了一周，它们形成的干涉信号中，将包含有激光干涉测量系统环路的转动信息；
在解调模块(9)处，合束的是光束LRN2-P与LRS-S，其中LRS-S沿着激光干涉测量系统环路逆时针传播一周，其光路包含了2倍的主测量点(A)和远端测量点(B)相对振动位移变化信息，而光束LRN2-P并未经过主测量点(A)和远端测量点(B)之间传播，所以两束光LRN2-P与LRS-S形成的干涉信号中，就包含了主测量点(A)和远端测量点(B)两点之间的相对位移、振动信息。从而实现平动地震波和旋转地震波的同时测量；
光束LRN2-P与光束LRS-S的偏振态相互垂直，无法直接形成干涉光，通过解调模块(9)可以检测光束LRN2-P与光束LRS-S的相位差，根据偏振相关理论得：
第一1/2波片，使偏振光偏振方向旋转45°，矩阵表达式为：
第一1/4波片，使偏振光偏振方向旋转90°，矩阵表达式为：
在解调模块中，第一1/2波片固定在第一消偏振分光棱镜透射出光面上，快轴的初始位置与z轴顺时针旋转呈22.5°，使入射光偏振方向旋转45°，并等分为两束，第一反射光和第一透射光；第一1/4波片固定在第一消偏振分光棱镜的透光面与第一偏振分光棱镜之间，快轴初始位置与z轴顺时针旋转呈45.0°，使第一透射光偏振方向旋转90°，并通过第一偏振分光棱镜根据偏振方向的不同分为两束光，第二反射光和第二透射光，分别进入第七光电探测器和第六光电探测器；第二偏振分光棱镜固定在第一消偏振分光棱镜反射出光面，使第一反射光通过第二偏振分光棱镜，根据偏振方向的不同分为两束光，第三反射光和第三透射光，分别进入第八光电探测器和第九光电探测器；根据偏振光学原理，可知四个光电探测器分别接收到的出射光强为：
第六光电探测器接收的光强为：
第七光电探测器接收的光强为：
第八光电探测器接收的光强为：
第九光电探测器接收的光强为：
根据得到的四路光强信号可知，四路信号的相位差依次相差π/2，我们使用相应的信号处理方法就能得到位相差φ。
采用正切信号处理方法：
本发明的有益效果为：
1.采用复合干涉光路，实现同时测量平动地震波及旋转地震波，可获取丰富的地质活动信息，为研究地质运动提供丰富的数据，提高资源利用率；
2.长基线激光干涉测量系统可用于石油勘探、矿产资源开发，对地区经济发展具有一定程度的推动作用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为光束LRS和光束LRN的传播示意图；
图3为光束LRN-S和光束LRS-S的传播示意图；
图4为光程匹配模块处的光路图；
图5为解调模块的光路示意图；
图中所示：
1、激光光源，2、光隔离器，3、第三消偏振分光棱镜，4、第三偏振分光棱镜，5、光程匹配模块，6、压电陶瓷，7、第一光电探测器，9、解调模块，51、位移台，52、自聚焦透镜，53、匹配光纤，54、法拉第旋镜，61、调制反射镜，71、第一扩束器，72、第二扩束器，81、第一反光镜，82、第二反光镜，91、第一1/2波片，92、第一消偏振分光棱镜，93、第一1/4波片，94、第一偏振分光棱镜，95、第二偏振分光棱镜，96、第六光电探测器，97、第七光电探测器，98、第八光电探测器，99、第九光电探测器。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参照附图1-5，本发明涉及一种长基线激光干涉测量系统及其测量方法，测量系统包括主测量点A和远端测量点B，主测量点A由激光光源1、光隔离器2、第三消偏振分光棱镜3、第三偏振分光棱镜4、光程匹配模块5；位移台51、自聚焦透镜52、匹配光纤53、法拉第旋镜54、压电陶瓷6、与压电陶瓷连接的调制反射镜61、第一扩束器71、第二扩束器72、第一光电探测器7以及解调模块9，远端测量点B包括由第一反射镜81和第二反射镜82
第三消偏振分光棱镜3、第二扩束器72、第二反射镜82、第一反射镜81、第一扩束器71、调制反射镜61、第三偏振分光棱镜4沿逆时针依次排布且形成光路。
光隔离器2位于激光光源1和第三消偏振分光棱镜3之间，激光在经过光隔离器2后，激光的偏振态与第三偏振分光棱镜4光轴夹角为45°，以及位于第三消偏振分光棱镜3侧面的第一光电探测器7，所述第三偏振分光棱镜4的两侧面分别设有光程匹配模块5和解调模块9；
激光在第三消偏振分光棱镜3上形成的透射的光束LRS和反射的光束LRN，光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜4反射，成为S偏振光光束LRN-S，进入光程匹配模块5，最终经过法拉第旋镜54反射形成P偏振光束LRN2-P，回到第三偏振分光棱镜4，光束LRN2-P透射经过第三偏振分光棱镜4进入解调模块9；光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜4透射，成为P偏振光束LRN-P，沿着光路顺时针传播，最终经过第三消偏振分光棱镜3反射进入第一光电探测器7；光束LRS沿着光路逆时针传播，经过第三偏振分光棱镜4反射和透射分光，光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜4反射形成的光束LRS-S进入解调模块9；光束LRS中的P偏振光透射经过第三偏振分光棱镜4形成P偏振光束LRS-P，光束LRS-P经过第三消偏振分光棱镜3透射进入第一光电探测器7；
激光光源1包括窄线宽激光光源101和宽谱光源102，窄线宽激光光源101用于地震波场的测量；宽谱光源102用于干涉仪干涉臂光程匹配，以抑制光源频率噪声，两个光源独立使用，系统调试时接入宽谱光源102，系统测量时接入窄线宽光源，窄线宽激光光源101用于产生窄线宽激光，工作波长1550±20nm；输出功率大于1mW；光谱线宽小于1pm；所述宽谱光源102，以中心波长λ＝850nm，谱宽Δλ＝40nm。
所述光程匹配模块5包括沿光线传送方向依次排布的位移台51、自聚焦透镜52、匹配光纤53、法拉第旋镜54，所述法拉第旋镜反射的光束LRN-S，经过第三偏振分光棱镜4反射的光束进入位移台51进行光程匹配，通过自聚焦透镜52射入匹配光纤53，最终由匹配光纤53末端的法拉第旋镜54反射回第三偏振分光棱镜4，此时光的偏振态发生了变化，透射通过第三偏振分光棱镜4，进入解调模块9，形成干涉信号。
所述解调模块9包括横向排布的第一消偏振分光棱镜92和第一偏振分光棱镜94，固定在第一消偏振分光棱镜92透光面上第一1/2波片，连接消偏第一振分光棱镜和偏振第一分光棱镜的第一1/4波片，第一消偏振分光棱镜92的反射出光面上还固接有第二偏振分光棱镜95，光束沿横向从第一1/2波片进入，第一偏振分光棱镜94的透射面一侧还设有第六光电探测器96，第一偏振分光棱镜94的反射面的一侧设有第七光电探测，第二偏振分光棱镜95的透射面一侧还设有第九光电探测器99，第二偏振分光棱镜95的反射面的一侧设有第八光电探测器98。
长基线激光干涉测量系统采用复合干涉光路：萨格纳克干涉结构和迈克尔逊干涉结构，采用干涉测量原理，经过第三消偏振分光棱镜3反射的光束LRN和透射的光束LRS都含有P偏振光，均可透过第三偏振分光棱镜4，分别成为光束LRN-P和LRS-P，且光束LRN-P与LRS-P的光程路径分别是顺时针、逆时针传播了一周，在第一光电探测器7处产生干涉，它们形成的干涉信号中，将包含有激光干涉测量系统环路的转动信息；光束LRS经过第三偏振分光棱镜4反射形成光束LRS-S，与光束LRN2-P合束，其中LRS-S沿着激光干涉测量系统环路逆时针传播，这部分路径包含了2倍的主测量点A和远端测量点B相对振动位移变化信息；LRN2-P光束并未经过主测量点A和远端测量点B之间传播，所以两束光LRN2-P与LRS-S形成的干涉信号中，就包含了主测量点A和远端测量点B两点之间的相对位移、振动信息。
光程匹配模块5光路所示，为了保证平动地震波测量时两干涉臂的光程一致，我们在光路调试阶段，将光源由单频激光光源101换成宽谱光源102，利用相干长度与光源的谱宽的关系为：
常见的宽谱光源，以中心波长λ＝850nm，谱宽Δλ＝40nm，可得知，宽谱光源的相干长度约为18μm左右，即干涉臂的臂长差在18μm之内才会产生白光干涉信号。利用宽谱光相干长度极短的这个特点，采用精密光程扫描结构来调节两干涉臂的臂长差，使光束LRN2-P与LRS-S的光程差接近宽谱光源的相干长度，可极大抑窄线宽激光干涉的频率噪声。
长基线激光干涉测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：宽谱光源102输出宽谱光，进行系统调试，通过匹配光纤53长度来调节两干涉臂的臂长差，使LRN2-P与LRS-S光程差接近宽谱光源的相干长度，从而极大抑窄线宽激光干涉的频率噪声；
步骤二：将宽谱光源102换成窄线宽激光光源101，窄线宽激光光源101输出窄带激光通过隔离器后，要保证其激光的偏振态与第三偏振分光棱镜光轴夹角为45°，入射到第三消偏振分光棱镜3上，第三消偏振分光棱镜3将光束均分为等光强透射的光束LRS和反射的光束LRN，光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜4反射，成为S偏振光束LRN-S,，进入光程匹配模块5，经过法拉第旋镜54反射形成P偏振光束LRN2-P，回到第三偏振分光棱镜4，光束LRN2-P经过第三偏振分光棱镜4透射进入解调模块9；光束LRN2-P和光束LRS-S在解调模块9处形成干涉信号；
光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜4透射，成为P偏振光束LRN-P，沿着光路顺时针传播，经过第三消偏振分光棱镜3反射进入第一光电探测器7；
光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜4反射形成光束LRS-S进入解调模块9，光束LRS中的P偏振光透射经过第三偏振分光棱镜4形成光束LRS-P，经过第三消偏振分光棱镜3透射进入第一光电探测器7；
步骤三：在第一光电探测器7处汇合的光束LRN-P与LRS-P都是P光，均会透射通过第三偏振分光棱镜4，将会产生干涉信号，且LRN-P与LRS-P的光程路径分别是顺时针、逆时针传播了一周，它们形成的干涉信号中，将包含有激光干涉测量系统环路的转动信息；
在解调模块9处，合束的是光束LRN2-P与LRS-S，其中LRS-S沿着激光干涉测量系统环路逆时针传播，这部分路径包含了2倍的主测量点A和远端测量点B相对振动位移变化信息；LRN2-P光束并未经过主测量点A和远端测量点B之间传播，所以两束光LRN2-P与LRS-S形成的干涉信号中，就包含了主测量点A和远端测量点B两点之间的相对位移、振动信息。
光束LRN2-P与光束LRS-S的偏振态相互垂直，无法直接形成干涉光信号，所以需要通过解调模块9来检测光束LRN2-P与光束LRS-S的相位差，根据偏振相关理论得：
第一1/2波片，使偏振光偏振方向旋转45°，矩阵表达式为：
第一1/4波片，使偏振光偏振方向旋转90°，矩阵表达式为：
在解调模块9中，第一1/2波片固定在第一消偏振分光棱镜92透射出光面上，快轴的初始位置与z轴顺时针旋转呈22.5°，使入射光偏振方向旋转45°，并等分为两束，第一反射光和第一透射光；第一1/4波片固定在第一消偏振分光棱镜92的透光面与第一偏振分光棱镜94之间，快轴初始位置与z轴顺时针旋转呈45.0°，使第一透射光偏振方向旋转90°，并通过第一偏振分光棱镜94根据偏振方向的不同分为两束光，第二反射光和第二透射光，分别进入第七光电探测器97和第六光电探测器96；第二偏振分光棱镜95固定在第一消偏振分光棱镜92反射出光面，使第一反射光通过第二偏振分光棱镜95，根据偏振方向的不同分为两束光，第三反射光和第三透射光，分别进入第八光电探测器98和第九光电探测器99；根据偏振光学原理，可知四个光电探测器分别接收到的出射光强为：
第六光电探测器接收的光强为：
第七光电探测器接收的光强为：
第八光电探测器接收的光强为：
第九光电探测器接收的光强为：
根据得到的四路光强信号可知，四路信号的相位差依次相差π/2，我们使用相应的信号处理方法就能得到位相差φ。
采用正切信号处理方法：
本发明采用长基线激光干涉测量系统利用复合干涉测量方法，利用两种干涉结构：迈克尔逊干涉结构和萨格纳克干涉结构，可以实现同时测量平动地震波和旋转地震波，具有较高的平动地震波测量灵敏度；长基线激光干涉测量系统利用光程匹配方法，使用宽谱光源和匹配光纤，调节两干涉臂的臂长差，使两路光程差接近宽谱光源的相干长度，可极大抑制窄线宽激光干涉的频率噪声。
本发明采用复合干涉光路，实现同时测量平动地震波及旋转地震波，可获取丰富的地质活动信息，为研究地质运动提供丰富的数据，提高资源利用率；长基线激光干涉测量系统可对地区经济发展具有一定程度的推动作用
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (6)
1.一种长基线激光干涉测量系统，其特征在于：包括主测量点A和远端测量点B，以及逆时针依次排布且形成位于环形光路上的第三消偏振分光棱镜(3)、第二扩束器(72)、第二反射镜(82)、第一反射镜(81)、第一扩束器(71)、调制反射镜(61)、第三偏振分光棱镜(4)，所述远端测量点(B)包括镜面垂直设置第二反射镜(82)和第一反射镜(81)，所述主测量点A包括光路内的其他节点；
所述主测量点A还包括激光光源(1)、位于激光光源(1)和第三消偏振分光棱镜(3)之间的光隔离器(2)，激光光源(1)激光的偏振态与第三偏振分光棱镜(4)光轴夹角为45°，以及位于第三消偏振分光棱镜(3)侧面的第一光电探测器(7)，所述第三偏振分光棱镜(4)的两侧面分别设有光程匹配模块(5)和解调模块(9)；
激光在第三消偏振分光棱镜(3)上形成的透射的光束LRS和反射的光束LRN，光束LRN沿着光路顺时针传播，经过第三偏振分光棱镜(4)反射和透射分光，光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射，成为S偏振光光束LRN-S，进入光程匹配模块(5)，通过位移台(51)匹配光程，由自聚焦透镜(52)射入匹配光纤(53)，最终经过法拉第旋镜(54)反射形成P偏振光束LRN2-P，回到第三偏振分光棱镜(4)，光束LRN2-P透射经过第三偏振分光棱镜(4)进入解调模块(9)；
光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜(4)透射，成为P偏振光束LRN-P，沿着光路顺时针传播，依次经过调制反射镜(61)、第一扩束器(71)、第一反射镜(81)、第二反射镜(82)和第二扩束器(72)，最终经过第三消偏振分光棱镜(3)反射进入第一光电探测器(7)；
光束LRS沿着光路逆时针传播，依次经过第二扩束器(72)、第二反射镜(82)、第一反射镜(81)以及调制反射镜(61)，经过第三偏振分光棱镜(4)反射和透射分光，光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射形成的光束LRS-S进入解调模块(9)；光束LRS中的P偏振光透射经过第三偏振分光棱镜(4)形成P偏振光束LRS-P，光束LRS-P经过第三消偏振分光棱镜(3)透射进入第一光电探测器(7)。
2.根据权利要求1所述的长基线激光干涉测量系统，其特征在于：所述激光光源(1)包括窄线宽激光光源(101)和宽谱光源(102)，窄线宽激光光源(101)用于地震波场的测量；宽谱光源(102)用于激光干涉测量系统干涉臂光程匹配，以抑制光源频率噪声，两个光源独立使用，系统调试时接入宽谱光源(102)，系统测量时接入窄线宽光源(101)。
3.根据权利要求2所述的长基线激光干涉测量系统，其特征在于：所述光程匹配模块(5)包括沿光线传送方向依次排布的位移台(51)、自聚焦透镜(52)、匹配光纤(53)、所述法拉第旋镜(54)。
4.根据权利要求3所述的长基线激光干涉测量系统，其特征在于：所述解调模块(9)包括横向排布的第一消偏振分光棱镜(92)和第一偏振分光棱镜(94)，固定在第一消偏振分光棱镜(92)透光面上第一1/2波片(91)，连接第一消偏振分光棱镜(92)和第一偏振分光棱镜(94)的第一1/4波片(93)，第一消偏振分光棱镜(92)的反射出光面上还固接有第二偏振分光棱镜(95)，光线沿横向从第一1/2波片(91)进入。
5.根据权利要求4所述的长基线激光干涉测量系统，其特征在于：窄线宽激光光源(101)用于产生窄线宽激光，工作波长1550±20nm；输出功率大于1mW；光谱线宽小于1pm；所述宽谱光源(102)，以中心波长λ＝850nm，谱宽Δλ＝40nm。
6.根据权利要求5所述的长基线激光干涉测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：宽谱光源(102)输出宽谱光，进行系统调试，通过匹配光纤(53)长度来调节两干涉臂的臂长差，使光束LRN2-P与光束LRS-S光程差接近宽谱光源(102)的相干长度，从而极大抑窄线宽激光干涉的频率噪声；
步骤二：将宽谱光源(102)换成窄线宽激光光源(101)，窄线宽激光光源(101)输出窄带激光通过光隔离器(2)后，要保证其激光的偏振态与第三偏振分光棱镜(4)光轴夹角为45°，入射到第三消偏振分光棱镜(3)上，第三消偏振分光棱镜(3)将光束均分为等光强的透射的光束LRS和反射的光束LRN，光束LRN沿着光路顺时针传播，经过第三偏振分光棱镜(4)分光，光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射，成为光束LRN-S，进入光程匹配模块(5)，通过位移台(51)匹配光程，由自聚焦透镜(52)射入匹配光纤(53)，最终经过法拉第旋镜(54)反射形成光束LRN2-P，回到第三偏振分光棱镜(4)，光束LRN2-P透射经过第三偏振分光棱镜(4)进入解调模块(9)；
光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜(4)透射，形成光束LRN-P，沿着光路顺时针传播，依次经过调制反射镜(61)、第一扩束器(71)、第一反射镜(81)、第二反射镜(82)和第二扩束器(72)，最终经过第三消偏振分光棱镜(3)反射进入第一光电探测器(7)；
光束LRS沿着光路逆时针传播，依次经过第二扩束器(72)、第二反射镜(82)、第一反射镜(81)以及调制反射镜(61)，经过第三偏振分光棱镜(4)分光，光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射形成光束LRS-S进入解调模块(9)；光束LRS中的P偏振光透射经过第三偏振分光棱镜(4)形成光束LRS-P，光束LRS-P经过第三消偏振分光棱镜(3)透射进入第一光电探测器(7)；
步骤三：在第一光电探测器(7)处汇合的光束LRS-P与LRN-P都是P光，均会透射通过第三偏振分光棱镜(4)，将会产生干涉信号，且光束LRS-P与LRN-P的光程路径分别是逆时针、顺时针传播了一周，它们形成的干涉信号中，将包含有激光干涉测量系统环路的转动信息；
在解调模块(9)处，合束的是光束LRN2-P与LRS-S，其中LRS-S沿着激光干涉测量系统环路逆时针传播一周，其光路包含了2倍的主测量点(A)和远端测量点(B)相对振动位移变化信息，而LRN2-P光束并未经过主测量点(A)和远端测量点(B)之间传播，所以两束光LRN2-P与LRS-S形成的干涉信号中，就包含了主测量点(A)和远端测量点(B)两点之间的相对位移、振动信息。从而实现平动地震波和旋转地震波的同时测量；
光束LRN2-P与光束LRS-S的偏振态相互垂直，无法直接形成干涉光，通过解调模块(9)可以检测光束LRN2-P与光束LRS-S的相位差，根据偏振相关理论得：
第一1/2波片(91)，使偏振光偏振方向旋转45°，矩阵表达式为：
第一1/4波片(93)，使偏振光偏振方向旋转90°，矩阵表达式为：
在解调模块(9)中，第一1/2波片(91)固定在第一消偏振分光棱镜(92)透射出光面上，快轴的初始位置与z轴顺时针旋转呈22.5°，使入射光偏振方向旋转45°，并等分为两束，第一反射光和第一透射光；第一1/4波片(93)固定在第一消偏振分光棱镜(92)的透光面与第一偏振分光棱镜(94)之间，快轴初始位置与z轴顺时针旋转呈45.0°，使第一透射光偏振方向旋转90°，并通过第一偏振分光棱镜(94)根据偏振方向的不同分为两束光，第二反射光和第二透射光，分别进入第七光电探测器(97)和第六光电探测器(96)；第二偏振分光棱镜(95)固定在第一消偏振分光棱镜(92)反射出光面，使第一反射光通过第二偏振分光棱镜(95)，根据偏振方向的不同分为两束光，第三反射光和第三透射光，分别进入第八光电探测器(98)和第九光电探测器(99)；根据偏振光学原理，可知四个光电探测器分别接收到的出射光强为：
第六光电探测器(96)接收的光强为：
第七光电探测器(97)接收的光强为：
第八光电探测器(98)接收的光强为：
第九光电探测器(99)接收的光强为：
根据得到的四路光强信号可知，四路信号的相位差依次相差π/2，我们使用相应的信号处理方法就能得到位相差φ。
采用正切信号处理方法：
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2023
- 2023-09-14 CN CN202311189347.0A patent/CN117270031B/zh active Active
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