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基于PDH技术的谐振式光纤光栅传感器动态范围扩展以及阵列化研究

摘要

对于地震灾害和防震减灾而言，地震发震机理的研究和前兆信息的捕获是地球物理

学研究和地震观测技术攻关的永恒主题。地球物理学中，地面形变大小表示地表应力累

积情况，与地震发生息息相关。应变计作为记录地面地质活动产生应变的主要仪器，在

地球物理学研究当中占据着举足轻重的地位。但现有机电式应变传感器的性能还存在一

些不足：灵敏度不够、体积较大、易受雷击损坏、难以规模化布设与应用等，仍然无法

满足地震观测与地壳应变测量的应用需求。

近年来，以光纤作为新型敏感介质，以窄带光纤光栅作为应变敏感元件，实现地壳

应变的高精度测量引起了广泛的关注。其利用窄带光栅的精细光谱结构，结合高精度

PDH（Pound-Drever-Halltechnology）波长解调方法，将光纤与地面直接进行耦合，实现

对应变的探测，具有探测精度高，基线长度短，响应频带宽，无电气连接免疫电磁干扰

等优点。但是受限于技术发展，其传感系统性能表现还存在诸多不足，仍然存在：1）动

态范围受限，无法对大应变信号进行跟踪探测；2）复用困难，受限于闭环传感方式，复

用系统设计需要考虑对闭环系统的影响；3）缺乏外场应用方案等问题，限制了其在地球

物理观测方面的应用。

为解决当前基于PDH光纤光栅应变传感技术在观测性能上存在的若干问题，本文

按照动态应变解调响应优化、低频应变量程拓展、应变传感器多路复用，以及光栅传感

器外场观测应用的研究思路展开，主要内容如下：

1）针对传感器对高频信号测量动态响应不足的问题，研究了控制系统对光纤传感

系统在动态信号测量时的响应特性的影响，并在原有PID（ProportionIntegration

Differentiation）控制算法的基础上通过提升控制系统阶数，实现二阶控制系统来实现系

统的动态响应的优化。系统信号模型表明，相同频带下系统的响应特性与控制函数的阶

数有关，实验结果显示，优化后的传感系统其在测量频带内动态范围可达118dB，在同

频点上比PID系统探测范围提升20dB/十倍频程，噪声水平与PID系统保持一致，为

4.7pε/Hz1/2。改进后的系统动态响应特性有明显的提升，且与理论预测结果一致，证明

了此优化方案的有效性。

2）针对传感器对低频信号测量动态范围不足的问题，研究使用量程拼接方案的探

测量程的拓展方案，提出基于分时等效方法实现双谐振峰同时跟踪的探测方法，并利用

得到的冗余数据来避免传统快速重锁定方案存在的信号数据丢失问题。本文以温度测量

哈尔滨工程大学博士学位论文

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为例搭建测试系统对方案进行实验测试，结果显示，改进后的系统实现了8×10℃的测

量分辨率以及在光纤光栅反射区频带内的量程无限拼接，理论动态范围可高于130dB，

相比于系统物理探测上限提升约140倍，解决了传感系统低频量程拓展的问题。

3）针对传感器的复用问题，研究PDH闭环复用探测系统的闭环系统特性，提出了

结合光空分复用及电时分复用技术的复合复用方案，提出通过保存中间状态的方法实现

反馈系统的复用以及误差信号的快速校正，解决PDH闭环系统对反馈系统的需求，实

现PDH探测系统的复用。本文搭建了多路复用系统，并通过标准位移台对复用方案的

有效性进行测试。搭建的系统实现了10个的通道的复用，通道间串扰-90dB，噪声水

平约10pε/Hz1/2，且在DC~50Hz频带范围内响应平坦，证实了此复用方案的可行性。

4）针对外场测试对解调系统以及传感探头的要求，优化解调系统的硬件架构并提

出传感探头的性能测试方案以及传感探头的长基线与短基线的耦合方案，解决光纤传感

器外场长期工作，系统性能标定以及系统耦合布设方案等问题。外场测试结果显示，布

设的传感系统在三个月内累计测量有效地震事件43个，且能够捕获到较为明显的长周

期固体