一种光纤重力梯度仪及重力梯度测量方法转让专利
申请号 : CN202010113877.7
文献号 : CN111308569B
文献日 : 2021-03-12
发明人 : 陈炳吉 , 陈彦钧 , 李正斌
申请人 : 北京大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种光纤重力梯度仪,其特征在于,包括光信号相位调制器,用于对输入的信号光进行光信号相位调制以提高信号的抗干扰特性;
干涉仪光路系统,用于接收光信号相位调制器输出调制后的信号光并产生干涉,其中该干涉仪光路系统的干涉光路上设有一光纤重力梯度探头,该光纤重力梯度探头与一驱动源连接,该驱动源用于控制该光纤重力梯度探头在竖直方向上振动,从而使该光纤重力梯度探头所在光路上的信号光相位变化;其中所述光纤重力梯度探头包括一定子和一质量块,定子与质量块之间通过光纤缠绕束缚;该光纤重力梯度探头所在光路上的信号光从该光纤的一端输入、另一端输出;通过探头驱动源对质量块进行驱动,驱动加速度为正弦方式,即驱动加速度aT(t)=Asin(ωt);
光电探测器,用于接收该干涉仪光路系统输出的信号光并将其转换为电信号;
模数转换器,与该光电探测器的输出端连接,用于将所述电信号转换为数字信号,并发送给解调系统进行解算,得到重力梯度;其中所述解调系统根据收到的信息计算出振动时干涉光路的光信号相位变化Δφ,然后通过公式 计算得到振动引起的光纤长度变化ΔL;然后根据公式 计算得到重力梯度 其中ΔL=x(t),光纤折射率为n,λ为光信号的波长,N为定子与质量块之间缠绕的光纤匝数,A为驱动源的最大驱动加速度。
2.如权利要求1所述的光纤重力梯度仪,其特征在于,该定子为一倒置的U型结构,开口固定于地面上,该质量块位于该定子的U型底部下方;该定子的U型底部与质量块之间通过所述光纤缠绕束缚。
3.如权利要求1或2所述的光纤重力梯度仪,其特征在于,所述质量块由比重大、物理化学性质稳定的固体或液体组成。
4.如权利要求1或2所述的光纤重力梯度仪,其特征在于,所述光纤为弯曲不敏感单模光纤或保偏光纤。
5.如权利要求1所述的光纤重力梯度仪,其特征在于,所述光信号相位变化Δφ包括光纤轴向伸长带来的相移和应力应变效应带来的相移。
6.一种重力梯度测量方法,其步骤包括:
1)利用光信号相位调制器对输入的信号光进行调制以提高信号的抗干扰特性;然后将调制后的光信号输入干涉仪光路系统;
2)干涉仪光路系统对调制后的信号光产生干涉并输入到光电探测器;其中该干涉仪光路系统的干涉光路上设有一光纤重力梯度探头,该光纤重力梯度探头与一驱动源连接,该驱动源用于控制该光纤重力梯度探头在竖直方向上振动,从而使该光纤重力梯度探头所在光路上的信号光相位变化;所述光纤重力梯度探头包括一定子和一质量块,定子与质量块之间通过光纤缠绕束缚;该光纤重力梯度探头所在光路上的信号光从该光纤的一端输入、另一端输出;驱动源的驱动加速度为正弦方式,即驱动加速度aT(t)=Asin(ωt);
3)光电探测器接收该干涉仪光路系统输出的信号光并将其转换为电信号后输入模数转换器;
4)模数转换器将所述电信号转换为数字信号,并发送给解调系统进行解算,得到重力梯度;所述解调系统根据收到的信息计算出振动时干涉光路的光信号相位变化Δφ,然后通过公式 计算得到振动引起的光纤长度变化ΔL;然后根据公式计算得到重力梯度 其中ΔL=x(t),光纤折射率为n,λ为光信号的波长,N为定子与质量块之间缠绕的光纤匝数,A为驱动源的最大驱动加速度。
说明书 :
一种光纤重力梯度仪及重力梯度测量方法
技术领域
地质灾害预警、地球深部构造研究、海洋学与气候学、惯性导航、军事反潜等工程及科研领
域。
背景技术
系下,共有九个重力梯度分量,这些分量组成了一个梯度张量Γ,其表达式为:
1E的物理含义为:在1m的距离内,重力变化了10 m/s ,即10 g.u.;或者在1km的距离内,重
力变化1g.u.。
一台重力梯度仪。不过,使用这种扭秤获取一个点的重力梯度的时间较长,且受地形影响
大。扭矩法的核心思想为利用力矩平衡方程测量重力梯度,该方法为间接通过力矩测量,一
旦中间起到传带作用的因素发生变化(如弹性不稳定),将严重影响到重力梯度解算值的精
度;且由于间接测量量(即角度)的精度不够高,重力梯度的解算值精度也将受到影响;另
外,该方法引入了一定的人为主观误差因素,比如机械扭摆横杆的定向。
若干包含重力梯度的其它表达式,最后通过计算,求解重力梯度;对于后者,通过合理的设
计或者一定的计算,将重力加速度信息保留下来,而后将两点间的重力加速度值做差分,并
与梯度方向的距离相除,即得到该方向的重力梯度。以重力垂直梯度为例,如附图1所示,其
中A、B分别代表两台重力仪(A点和B点同处于竖直方向(图示的z方向)上,两点在水平方向
无平移),垂向相距h,分别测得的重力加速度为gA和gB。根据差分法测量重力梯度的原理,重
力垂直梯度 根据位场理论:
看,由于重力梯度是重力的导数,根据泰勒展开式形式,差分法求得的只是重力梯度的一阶
近似,而非重力梯度真值;此外,由于该方法需要使用多个重力加速度装置,各个内部装置
之间的一致性是不可回避的一个问题。
梯度的高精度探测。
这就意味着外界电磁干扰不会像影响电导线一样影响光纤,即光纤可以抵抗EMI干扰,适合
运用于矿井等强EMI环境。
筹。相比于电传感,由于光纤不具有导电性(电绝缘),故不需要进行保护性的接地处理,而
且不会有高压电带来的潜在风险。因而采用光纤传感,安全性能方面将得到提升。
的热冲击具有很好的抵抗破损能力;化学性质稳定,且耐腐蚀,可适用于较为恶劣的环境。
发明内容
以提高信号的抗干扰特性,降低噪声对信号的影响;之后经过干涉仪光路系统和重力梯度
探头,探头受驱动源控制在竖直方向上振动,这一振动受到重力梯度影响将产生振幅上的
变化,从而导致信号光相位受到影响;通过PD(光电探测器)将信号光转换为电信号,并通过
ADC(模数转换器)转换为数字信号,并通过解调,从受重力梯度影响的信号光中解算出重力
梯度。
驱动源连接,该驱动源用于控制该光纤重力梯度探头在竖直方向上振动,从而使该光纤重
力梯度探头所在光路上的信号光相位变化;
输出。
后根据公式 计算得到重力梯度 其中ΔL=x(t),光纤折射率为n,λ
为光信号的波长,N为定子与质量块之间缠绕的光纤匝数,A为驱动源的最大驱动加速度。
接,该驱动源用于控制该光纤重力梯度探头在竖直方向上振动,从而使该光纤重力梯度探
头所在光路上的信号光相位变化;
涉仪。若是Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪,则干涉仪光路系统包括两条光路,其中
一条光路上连接重力梯度探头(该条光路的信号输入端口5,然后由端口6输出);若是
Fabry–Pérot干涉仪、Sagnac干涉仪,则干涉仪光路系统包括一条光路,光路上连接重力梯
度探头(该条光路的信号输入端口5,然后由端口6输出。干涉仪光路系统的功能是对调制后
的信号光产生干涉。PD对干涉仪光路系统输出的干涉光进行探测。
劣的环境;由于为光信号,传输速度快,可实现快速测量;基于干涉仪光路系统的光传感方
式可大大提升探测精度,适用于重力梯度的高精度探测需求。
故重力加速度表达式为:
较于前两种效应可忽略,从而
发明先测量出Δφ,然后通过公式(11)计算得到ΔL,根据ΔL=x(t)得到x(t)值,然后根据
公式(7)计算得到
一阶近似,测得的为重力曲线切线斜率,且无需多个装置完成重力梯度的测量,克服了关于
内部装置一致性的局限性。相比于以上两种方法,光纤重力梯度仪还具有光纤传感特有的
抗EMI、高稳定性等优势,且能适用于更为恶劣的野外环境中,可大大降低重力梯度的探测
要求,快速、准确地测定重力梯度。
附图说明
具体实施方式
性,降低噪声对信号的影响;之后通过干涉仪光路系统和重力梯度探头,探头受驱动源控制
在竖直方向上振动,这一振动受到重力梯度影响将产生振幅上的变化,从而导致信号光相
位受到影响;通过PD(光电探测器)将信号光转换为电信号,并通过ADC(模数转换器)转换为
数字信号,并通过解调系统的解算,从受重力梯度影响的信号光中解算出重力梯度。
单模光纤或保偏光纤,紧密缠绕束缚于定子1、高密度质量块2之间;探头驱动源4包括音圈
电机或压电陶瓷电机,用于给高密度质量块2提供直接驱动;光信号从输入端口5进入探头
光纤,从输出端口6离开重力梯度探头光路部分。之后,光信号通过PD(光电探测器)将信号
光转换为电信号,并通过ADC(模数转换器)转换为数字信号,并通过解调,从受重力梯度影
响的信号光中解算出重力梯度。