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《天津大学》 2004年
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激光多普勒效应在地球物理勘探中的方法和理论研究

杜振辉  
【摘要】:能源安全是国家经济安全乃至国家安全的前提,石油经济和国防必需的重要战略物资,关系国民经济和社会发展,关系国家安全。面对世界资源与能源危机,提高勘探、开采的技术,以满足经济、技术的迅猛发展是石油、矿藏战略的一个主战场。当今世界能源及有用矿物质的消耗量非常大,必须用一种高水平的勘探活动才能维持适量的供应。鉴于容易找到的资源已经被发现和开采,随着时间的推移勘探任务的难度将日益增加,亟待于提高勘探技术。 激光多普勒技术具有精度高、动态响应快、测量范围大、非接触性测量、抗电磁干扰、对横向振动干扰不敏感等优点,是信息获取技术的前沿领域之一。尤其是以半导体激光自混合效应为基础的振动、位移测量技术受到了广泛的重视。本研究为国家自然科学基金资助项目“激光多普勒效应在地球物理勘探中的理论和方法研究”。主要完成了以下工作: 分析了地震波的特点及其传输的一般规律;研究分析了高精度/高分辨率地震勘探的实现要素及制约因素,以此作为在地球物理勘探领域开展激光多普勒技术着重解决的问题。鉴于地震检波器是制约高分辨地震勘探的重要瓶颈,研究应用激光多普勒效应的新型地震检波器是重要工作之一。 论文从理论上讨论了激光散射多普勒频移和光栅衍射多普勒的频移;从光学拍角度研究了零差系统和外差系统,以及相应的光路结构。对多普勒信号的特征进行了深入研究,发现了多普勒信号的非正弦/余弦性,传统信号处理的细分方法基于差拍信号的相移与被测运动成正比为前提,要求被测目标稳速,不适合于振动测量的多普勒信号。研究了激光多普勒振动测量系统的带宽设计原则及计算方法;提出对小于计数当量值的振幅计算方法。 讨论LD自混合效应的原理,包括自混合的模型、反馈系数问题和测量原理;之后讨论了VCSELs的调制特性,通过实验研究了VCSELs地震波测量系统的特性。 研究了多普勒谐振器的结构特性,提出一种涡流原理的检波器阻尼装置;从理论上研究、计算了圆柱永磁体的空间磁场分布、阻尼力的公式。所实现的阻尼系统的阻尼比可调且不受使用条件影响(与电缆长度、负载等无关)、结构轻巧、抑制横向振动。 基于微弱信号检测理论研究了激光多普勒信号的提取、调理、解调等处理过程。研究了系统中的噪声种类、特征及降低影响的有效措施,提出倍受瞩目的锁相放大器不适用于激光多普勒地震波测量系统的原因和机理。为实现从强
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