基于微光机械薄膜的光纤激光次声波探测技术研究

To fulfill the urgent requirement of infrasonic wave detection in analysis of earthquake precursor, our project will focus on the study of infrasound theory and measurement, and the high performance fiber laser sensing technology based on Micro Optical Mechanical Film(MOMF). The project will achieve ultra-fast frequency, narrow pulse and high power output by utilizing ultra short resonant cavity fiber laser based on MOMF and longitudinal modes phase-locking. The frequency of laser will correspond with the atmosphere pressure change which the thin film can accurately sense, thus realize the detection of signals. Our proposal has the advantages of high resolution and sensitivity,wide measurement range, small dimension and convenience for network connection. Our project will seek for the breakthroughs while testing the ultra-sensitivity of detecting the infrasound of 0.008Hz-20Hz, solving the problems of low frequency noise control on fiber laser, overall noise analysis, and exploring the solution of large-scale networking technology.

本项目针对地震前兆次声波异常监测方面的迫切需求，将高性能光纤激光传感技术引入次声波探测中，具体开展基于微光机械薄膜（MOMF）的光纤激光传感研究，研究次声波探测的基础理论与探测方法。该技术基于光纤激光微机械薄膜超短腔谐振结构，利用多纵模相位锁定技术，实现超快频率，窄脉冲和高能量的激光输出。当微机械薄膜感应外界气压变化，输出光的频率也将随之发生变化，由此实现信号的探测。该技术具有分辨率高、响应特性好、测量范围大、尺寸小、易于组网等优势。本课题将围绕极低频0.008Hz-20Hz超高灵敏度测试的关键科学问题、光纤激光器低频噪声控制技术、系统整体噪声的分析与控制及大规模组网技术开展研究，力争取得重点突破。

项目完成了高灵敏、高精度光纤次声探测技术的研究。主要内容包括：1)研究了基于光纤非本征法布里-珀罗干涉仪（EFPI）次声传感器。项目基于特殊研制的微光机械薄膜（MOMF）实现了高灵敏、高精度的次声传感，实验样机通过了国家权威机构测试；2)研究了多种具有特殊结构的新型光纤声波传感器，包括基于多纵模相位锁定光纤激光器的频率调制型声传感器、基于非标准光纤耦合器强度调制型声传感器、基于双光栅波长调制型声传感器、基于细芯超长周期光纤光栅的声传感器，以及基于内嵌长周期光纤光栅的萨格纳克声传感器。这些新型的声波传感器采用了特殊的传感结构，丰富了项目研究内容；3)研究了高精度声波解调技术，包括基于Q点（正交相位点）的强度解调和相位解调方法。将对称3×3耦合器被动零差解调方法应用于光纤准分布式传感，同时针对EFPI型声波传感器提出了基于微分交叉相乘（DCM）算法的双波长相位解调方法，能够有效解调各种具有不同腔长的EFPI型声波传感器，弥补了目前常见相位解调方法的缺点。另外，本项目开展了基于强度解调的声波与侧向压力的动静态双参量信号测量研究；4)最后，本项目研究了光纤准分布式声波传感技术。利用光纤布拉格光栅构成在线法布里珀罗腔，使用具有不同谐振波长的光纤布拉格光栅实现波分复用，基于多点复用技术实现了声传感器的成阵以及声源定位。所研究的光纤次声传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐恶劣环境、水下无电、体积小、重量轻、易于组成大规模阵列等特点，除了可以用于地震前兆次声波异常监测，在水下目标定位、石油勘探和海洋环境检测、构建水下监测系统、先进水声装备和水下信息网等方向都有重要的应用前景。. 项目共计发表论文40篇，其中期刊论文28篇，会议论文12篇。会议特邀报告3次。申请专利18项，其中授权6项；授权3项软件著作权。项目研究成果先后获得了中国通信学会科学技术奖一等奖、湖北省技术发明二等奖以及中国光学工程学会创新产品一等奖。