光纤检波器的动态特性研究

In order to realize the wide application of optical fiber seismometer in seismic wave detection, this program will focus on research on the dynamic characteristics of the optical fiber seismometer based on the heterodyne demodulation scheme. The main research contents include: (1) Combining the kinetic model and the micro-element model, giving a complete mathematical description of the dynamic response of the optical fiber seismometer under the heterodyne demodulation scheme; (2) Based on the micro-element model, theoretical analyzing the relationship between the damping ratio and the material parameters and structural design given of the optical fiber seismometer. Next proposing the method to improve the damping ratio and verifying it through simulation. (3) Realizing the broadband and large-dynamic-range heterodyne demodulation scheme by optimizing the demodulation parameters and adopting DC phase point control. This demodulation scheme will essential to verify the dynamic performance of the optical fiber seismometer...The successful implementation of this program will help us to understand the dynamic characteristics of the optical fiber seismometer more completely. It can reveal the influencing factors of the dynamic performance of the optical fiber seismometer, and then propose the improvement of the dynamic performance. The developed broadband and large-dynamic-range heterodyne demodulation scheme will promote the practical use of the optical fiber seismometer in turn, laying the foundation for its application in seismic exploration/monitoring. At the same time, the program will promote the integration of the disciplines of optics, mechanics, informatics and geophysics, etc.

为了推动光纤检波器在地震波探测等领域的实用化，本项目拟结合外差解调方案，围绕光纤检波器的动态特性展开研究。主要研究内容包括：（1）结合动力学模型和微元模型，给出在外差解调方案下，光纤检波器的动态响应的完整数学描述；（2）在微元模型的基础上，理论分析光纤检波器阻尼比与材料参数和结构设计的关系，给出改进阻尼比的方法并进行仿真验证；（3）通过优化外差解调中的参数设置、采用直流相位点控制等方法，实现宽频带、大动态范围的光纤检波器解调系统，对光纤检波器的动态性能进行实验验证。. 本项目的成功实施，有助于我们更加完整地了解光纤检波器的动态性能，揭示光纤检波器动态性能的影响因素，指导光纤检波器动态性能的改善；在此过程中实现的宽频、大动态范围的解调系统，将会反过来促进光纤检波器的实用化，为其在地震勘探/监测领域的应用打下基础。同时，本项目也会推动所涉及的光学、机械力学、信息学及地球物理学等学科的交叉融合。

光纤检波器的动态特性对动态信号的接收质量具有重要影响，在推动光纤检波器的实用化进程中发挥着重要作用。本项目主要围绕光纤检波器动态特性的影响机理，改善方法和实际应用展开，取得的主要研究成果如下：.1. 分析了光纤检波器动态特性的影响因素，建立了动态特性对接收信号影响的研究方法：以油田现场中的微地震监测为例，采用雷克子波作为研究对象，建立了光纤检波器接收雷克子波的频域描述方法，仿真得到了不同阻尼系数与雷克子波衰减时间、归一化谐振强度之间的关系，得到了不同子波频率下对阻尼系数的要求。进一步提出了动态特性的改善方案，提升了阻尼系数，并用实际数据对该方案的效果进行了验证。.2. 为了满足动态特性研究的需要，基于外差解调方案，降低了系统噪声本底，提升了动态范围：采用3×3耦合器对系统的直流相位点进行跟踪，部分消除了共模噪声抑制中的噪声本底波动，稳定地获得了低于-100 dB ref rad/sqrt(Hz)的噪声水平。为了抑制时分复用阵列中混叠噪声的影响，提出了采用匹配滤波器进行混叠噪声抑制的方案，进一步抑制噪声本底至-114 dB，为同类方案中已报道的最优水平。在提升动态范围方面，提出了一种采用大外差频率进行调制解调的方案，相比传统解调方法，至少可提高动态范围2倍，实验中在10 Hz~20 kHz的范围内对动态范围的提升超过10 dB。.3. 基于以上研究内容，将光纤检波器应用到实际的动态信号接收场景中，并取得了良好的效果。项目组研制了一套动态性能优化的光纤检波器阵列，整体性能水平与商用电子检波器相当。将研制的光纤检波器阵列应用于微地震监测，成功监测到了微地震事件，并完成了事件的定位反演与裂缝刻画，证明了研究成果的实用性。.除此之外，依靠本项目的支持，部分研究成果拓展到水声监测，光纤气体监测，分布式声波传感等相关领域。本项目共产出学术论文13篇（其中1篇已接收待发表），其中SCI期刊论文9篇，EI期刊论文1篇，EI会议论文3篇，授权发明专利3项。培养硕士研究生7人（其中毕业3人）。.