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《西北大学》 2016年
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地震物理模型光纤光栅超声成像技术研究

李佳成  
【摘要】:地震物理模型超声成像是通过高灵敏地震波传感技术,有效获取物理模型表面及内部反射的超声波信号,并经反演获得物理模型剖面图像。针对国内外地震物理模型超声成像存在的空间分辨率低、扫描效率低等难点问题,本文研究了基于光纤光栅的高灵敏超声传感技术,从理论和实验系统地研究了光纤布拉格光栅用于地震波检测及地震物理模型成像的机理及技术,对有效提高超声波探测灵敏度、减小超声检波器尺寸、增强超声检波器复用能力,提高成像质量,具有十分重要意义。根据不同地震物理模型成像需求及光纤传感机理,研制了以下三种不同结构的光纤光栅超声传感器。利用相移光纤布拉格光栅制作了一种基于端面直接耦合型的超声传感器,超声波通过光纤端面耦合并沿光纤传输至光纤光栅(传感区),经超声调制后的光栅反射光谱传输至探测单元,基于光谱边带滤波技术,将光栅反射波长信息转化为强度信息,并利用光电探测器获得地震物理模型不同界面反射的超声脉冲信号(300 KHz)。该光纤超声传感器结构紧凑,适用于小型地震物理模型的高空间分辨率成像。利用倾斜光纤布拉格光栅制作了一种基于侧向直接耦合型的超声传感器,此方案中,超声波可直接耦合至光纤光栅,相比于第一种方案中光纤端面耦合超声波的方式,极大提高了超声耦合效率,从而提高光纤光栅感测超声灵敏度,配合上述相似的光谱边带滤波技术,可实现超声波(300 KHz)高灵敏探测。此外,光纤光栅斜口封装的方式,不仅可以有效改善光纤光栅机械强度,便于传感检测安装和移动,而且其非对称结构使其对不同方向超声波激励具有响应差异性,可用于未知超声源的方向识别。利用光纤布拉格光栅制作了一种基于光纤端面间接耦合型的超声传感器,此方案中,超声波通过铝锥端面耦合至光纤,可有效提高超声波耦合效率。配合上述光谱边带滤波及探测技术可实现超声波(300 KHz)的高灵敏探测。此外,由于该光纤传感器全金属的封装结构对光纤的保护使得传感器的机械强度有了极大提高,极大增加了其机械强度和稳定性。该传感器的定向性(声场仅可从铝锥端面耦合至传感区),适用于已知声源的超声波探测,同时可避免来自其它方向声波信号的干扰,适合于地震物理模型超声成像。
【关键词】:光纤传感器 光纤光栅 边带滤波 超声 超声成像
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P631.4;TB559
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 绪论9-17
  • 1.1 选题背景9-10
  • 1.2 光纤及光纤传感技术10-13
  • 1.2.1 光纤及光纤特性10
  • 1.2.2 光纤传感器简介10-11
  • 1.2.3 光纤传感器的分类11-12
  • 1.2.4 光纤传感器的优点12-13
  • 1.3 光纤超声传感技术13-15
  • 1.3.1 超声波简介13
  • 1.3.2 光纤超声传感器13-15
  • 1.4 论文的结构以及主要工作15-17
  • 第二章 超声波的产生及光纤传感器的响应17-29
  • 2.1 超声波的产生及特性17-20
  • 2.2 基于相位调制的光纤超声传感器20-25
  • 2.2.1 基于迈克尔逊干涉原理的光纤超声传感器20-23
  • 2.2.2 基于马赫曾德尔干涉原理的光纤超声传感器23
  • 2.2.3 基于法布里玻罗干涉原理的光纤超声传感器23-24
  • 2.2.4 基于萨格奈克干涉原理的光纤超声传感器24-25
  • 2.3 基于波长调制的光纤超声传感器25-28
  • 2.4 本章总结28-29
  • 第三章 基于端面直接耦合型光纤光栅超声传感器29-34
  • 3.1 基于端面直接耦合的光纤光栅超声传感器结构及封装29-30
  • 3.2 传感器工作原理30-31
  • 3.3 实验结果及分析31-32
  • 3.4 本章小结32-34
  • 第四章 基于侧向直接耦合型光纤光栅超声传感器34-41
  • 4.1 基于侧向直接耦合的光纤光栅超声传感器结构及封装34-35
  • 4.2 传感器工作原理35-36
  • 4.3 实验结果及分析36-40
  • 4.4 本章小结40-41
  • 第五章 基于端面间接耦合型光纤光栅超声传感器41-49
  • 5.1 基于端面间接耦合型的光纤超声传感器41-43
  • 5.2 传感器工作原理43
  • 5.3 实验结果及分析43-47
  • 5.4 本章小结47-49
  • 第六章 总结与展望49-53
  • 6.1 本文总结49-51
  • 6.2 存在的问题和下一步工作展望51-53
  • 参考文献53-60
  • 攻读硕士学位期间取得的科研成果60-62
  • 致谢62

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