面向海洋地球物理研究的光纤激光水下多参量传感器

Marine geophysics has many applications in resource exploration, and national defense security. Underwater multi-parameter detecting sensor of underwater acoustic, geomagnetic, and seismic is necessary. In this proposal, a novel method that using the resonant cavity of fiber laser to simultaneously detect multi-parameter is presented. We will focus on the noise characteristic and the manufacturing process of the single longitudinal mode and narrow line width fiber laser, the theory on the detection and improving sensitivity of the multi-parameter sensor, high resolution demodulating technologies on Phase Generated Carrier (PGC) and laser beat frequency, and the method to separate the signal of multi-parameters. The mechanical frequency-selecting technology on the multi-parameter detecting sensor and the signal recognition based on the mechanical filter and digital filter are the key problems in this proposal. How to simultaneously detect and separate multi-parameter signals using only one sensing element is a frontier scientific issue. Based on this research, a new technique for marine geophysics is proposed, which has significant scientific value and potential application on deep seabed resources explorations, and national defense security.

海洋地球物理学在资源勘探、国防安全领域有着重大的应用。本项目面向海洋地球物理研究中水下声场、磁场、地震多参量同时探测的需求，提出一种利用光纤激光器的谐振腔对多物理场同时耦合的多参量探测原理，重点开展单纵模窄线宽光纤激光器噪声特性与制作工艺、多参量传感器的信号拾取与增敏机理、基于相位载波和激光拍频的高精度信号解调技术、多参量信号的解耦技术研究，拟突破多参量传感器的机械选频技术、多参量信号的机械滤波与数字滤波联合解耦技术等关键技术，解决水下单一敏感元件的多参量探测与解耦机理这一科学问题。本项目对水下多参量探测的光纤传感基础问题开展研究，不仅推动光纤传感理论与技术的发展，而且有望为海洋地球物理研究提供一种新的技术手段，具有重要的科学意义；在海洋资源勘探、国防安全等领域也具有重大的实用价值。

本项目针对海洋地球物理研究和应用中对于水下地震、水声、地磁、温度等多个静态、动态参量同时探测的需求，利用光纤激光器、光纤干涉仪作为传感元件，发展了基于光纤激光器、光纤干涉仪和相位解调技术的水下地震、地磁、水声、温度多参量同时探测方法，突破了基于随机激光的低噪声光纤激光器，突破了基于光纤激光器和光纤干涉仪的震、声、磁、温多参量信号同步解调与解耦关键技术，阐明了基于单一光纤激光器传感元件的声、震、磁共点共址多参量探测与解耦机理，成功研发出了基于倒立摆结构的宽频带光纤地震传感器，地震波等效噪声加速度达到1.4 ng/√Hz@1 Hz，为同类传感器国际报道的最佳水平；研发出了基于洛伦磁力和光纤激光器的磁场传感器，磁场分辨率达到0.86 nT∕pHz@100 mA；研发了基于双模片和随机激光器的光纤水声传感器，水声等效噪声压达到100 μPa/√Hz @ 100 Hz；研发了基于光纤光栅谐振腔的高分辨率温度传感器，温度分辨率达到0.11 mK，为同类传感器国际报道的先进水平。同时，项目组还基于光纤干涉式传感和时分复用技术研发出了集光纤地震、地声、应变、温度等多参量传感器，并成功应用于一带一路地震台网、安徽省地震局地震台站建设、深圳市地铁隧道入侵监测、第二次青藏高原科学考察等项目。本项目共计发表SCI收录论文13篇，EI收录论文31篇，申请发明专利3项，培养研究生5名。本项目对水下多参量探测的光纤传感基础问题开展研究，不仅推动光纤传感理论与技术的发展，而且有望为海洋地球物理研究提供一种新的技术手段，具有重要的科学意义；在海洋资源勘探、国防安全等领域也具有重大的实用价值。