光栅多普勒效应新型地震检波器

地震波勘探是激发、检测和记录人工地震在选定时间/地点反射和折射的能量,并对记录的数据进行处理、反演,推断地下地质层的边界、形状以及地藏物质的属性,是一种有效的近代地球物理勘探方法.近年来,地震信号记录仪器、信号处理方法和技术手段都有了长足的进步,其动态范围已经达到120 dB,而目前的各种检波器都远不能满足高分辨率、高精度地震勘探的要求[1, 2],仍属具有50多年历史的“永磁2动圈”式电磁检波器,其动态范围为40 dB~60 dB,灵敏度低,存在非线性,且易受外界干扰,已成为制约高分辨率地震数据采集发展的瓶颈,因而新型地震检波器的开发研究受到国内外的关注[2~6].

　　笔者提出一种基于激光光栅多普勒效应的地震检波方法.光栅衍射的光能量集中在主极大方向上,且主极大方向仅取决于光栅常数,因而光栅多普勒系统的信号质量好,测量和计算简单,有利于提高精度[7, 8].通过对差拍信号的频率分析,用峰值频率比值的方法可以排除干扰获得被测振动频率,找到翻转点并判断振幅的大小,基于翻转点附近的微小位移与电压值的关系,由测量电压得到小于计数当量值的位移,提高了微小振动的测量精度、分辨率及动态范围.

1　光栅地震检波器的原理

1.1　光栅地震检波器的结构

　　光栅地震检波器由谐振子、阻尼器、光发射/接收单元和外壳4部分组成,其结构如图1所示.目标光栅、铝质圆筒及片状弹簧构成惯性谐振子;钐钴合金永磁体固定在传感器的外壳上.当谐振子与永磁体有相对运动时,由于电磁感应产生与谐振子运动方向相反的阻尼力,通过调整螺丝可以调校传感器的阻尼比.

光栅地震检波器的光路结构原理如图2所示.该系统的光路部分由激光器1、透射光栅2、透镜3、λ/4波片、透镜5、透射光栅6、透镜9、渥拉斯顿棱镜10和光电接收器11与12等组成;信号处理及数据采集部分由放大器13和14、滤波器和信号调理电路15等组成.

　　λ/4波片和渥拉斯顿棱镜用作偏振移相元件,产生90°相位差的正弦和余弦信号,以辨别运动方向[7].差拍信号经光电接收器转变为电流信号,送前置放大器放大并转换为电压信号,经滤波处理,由数据采集板做A/D转换后,送PC计算机计算振动的振幅、频率及振动模态分析.

1.2　衍射光栅的多普勒频移

　　在图2中,激光器发射的激光束(频率为f0),经透射光栅2分光,±1级衍射光作为测量光束(k=±1),这两束光经透镜以入射角θ1=sin-1λ/d会聚于被测谐振光栅6上.谐振光栅6的运动速度为v,光栅常数为d,根据光栅方程d(sini±sinθ)=kλ,第k级衍射光的频率fk=f0+kv/d,由此可得到第k级衍射光束的多普勒频移为