專利名稱：一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及勘探地球物理技術(shù)，特別涉及一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法。

背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的與地震勘探儀器配套使用的振動信號傳感器，可參見由國家知識產(chǎn)權(quán)局于2002年12月18日授權(quán)公告的“光柵地震檢波器”，其專利號為01269996.9。在該裝置中，主光柵固定在一個僅可做縱向運動的彈性裝置上，并且與指示光柵一同構(gòu)成光柵副。由上述彈性裝置及光柵副構(gòu)成光柵諧振子，該光柵諧振子置于準直后光源與光電轉(zhuǎn)換器件之間，并共同封裝于密封的外殼中。而后，本申請人就“光柵諧振子檢測地震波裝置”申請發(fā)明專利，獲得專利權(quán)，專利號為ZL200410000295.9，該專利技術(shù)方案解決了如下缺點(1)莫爾條紋個數(shù)會有漏記的現(xiàn)象；(2)對檢測振動的方向有誤判斷的現(xiàn)象；(3)輸出信號是無阻尼狀態(tài)。
現(xiàn)有技術(shù)中，指示光柵相對于主光柵移動時形成莫爾條紋，條紋的移動靈敏度在一般情況下等于光柵距W。如果是鏡像式系統(tǒng)，它的靈敏度可提高一倍，即等于W/2。要進一步提高靈敏度，通常有二個途徑一是采用柵距小的光柵；二是選用高級次的莫爾條紋。采取第一種方法，若柵距W減小1/2，則靈敏度提高一倍，依次類推，但是當(dāng)W＜0.004mm(250線/mm)時，計量光柵的刻劃和裝校是比較困難的，所以不能采用柵距過小的光柵。后者是選用高級次的衍射光束，當(dāng)級次為n時，其靈敏度為基波的n倍，但是光柵的衍射能量降低，造成信號很弱不能正常工作。當(dāng)然也可以通過增大光柵的槽形角φ而獲得高級次的閃耀衍射，但是當(dāng)k≥3時，φ已經(jīng)相當(dāng)大，這樣的光柵因刻槽太深很難制造，所以選用高級次也是難以實現(xiàn)的。
因此，如何有效解決光柵諧振子檢測地震波裝置檢測靈敏度低的問題，即是擺在該領(lǐng)域技術(shù)人員面前的又一新課題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法。
為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明方法的具體實施步驟如下一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法，該裝置測量光路包括激光器、衍射屏、即非對稱光柵副，透鏡、接收屏，并輸出至信號處理單元；其特征在于實施步驟如下采用非對稱光柵副，該光柵副是由小柵距的指示光柵和大柵距的主光柵疊合構(gòu)成；利用它可實現(xiàn)莫爾條紋倍增，這是一種高靈敏度的夫瑯和費系統(tǒng)。在入射光照射下，指示光柵的兩主衍射級，即0級和1級，在光柵間隙之間對稱傳播；在對稱軸或其附近觀察時，莫爾條紋的靈敏度取決于指示光柵的柵距而與主光柵的柵距大小無關(guān)；由于指示光柵的刻劃長度短，即使柵距小在制造上仍無困難；設(shè)指示光柵柵距為w1，主光柵柵距為w2，且w2＝βw1，β為一常數(shù)；那么檢波器感受振動時，作為諧振子的主光柵與指示光柵會發(fā)生相對位移，激光器發(fā)出的光經(jīng)過非對稱光柵時發(fā)生衍射，主光柵位移量為w1時，莫爾條紋明暗變化一次，移動距離為w2時，莫爾條紋明暗變化β次，實現(xiàn)β倍的莫爾條紋倍增；光柵所能檢測到的地震波的最大幅值≤主光柵的長度，通過增加主光柵的長度，提高該裝置檢測地震波的動態(tài)檢測范圍；即若將主光柵的長度增加到一定程度，那么就可以提高光柵地震檢波的動態(tài)范圍。
本發(fā)明的有益效果是該方法是在現(xiàn)有檢測地震波技術(shù)基礎(chǔ)上采用光柵倍增技術(shù)，有效提高光柵檢波的靈敏度和光柵地震檢波的動態(tài)范圍。該方法步驟簡單，效果顯著，應(yīng)用廣泛。



圖1是本發(fā)明裝置測量光路組成示意圖； 圖2是本發(fā)明中光強隨光柵振動幅度的變化規(guī)律曲線示意圖。
實施具體方式 以下結(jié)合附圖和較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提供的具體實施方式
詳述如下 首先進行技術(shù)分析指示光柵相對于主光柵移動時形成莫爾條紋，條紋的移動靈敏度在一般情況下等于光柵距W。如果是鏡像式系統(tǒng)，它的靈敏度可提高一倍，即等于W/2。要進一步提高靈敏度，通常有二個途徑一是采用柵距小的光柵；二是選用高級次的莫爾條紋。采取第一種方法，若柵距W減小1/2，則靈敏度提高一倍，依次類推，但是當(dāng)W＜0.004mm(250線/mm)時，計量光柵的刻劃和裝校是比較困難的，所以不能采用柵距過小的光柵。后者是選用高級次的衍射光束，當(dāng)級次為n時，其靈敏度為基波的n倍，但是光柵的衍射能量降低，造成信號很弱不能正常工作。當(dāng)然也可以通過增大光柵的槽形角φ而獲得高級次的閃耀衍射，但是當(dāng)k≥3時，φ已經(jīng)相當(dāng)大，這樣的光柵因刻槽太深很難制造，所以選用高級次也是難以實現(xiàn)的。
本發(fā)明實施步驟如下 一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法，該裝置測量光路參見圖1，包括激光器S、衍射屏、即非對稱光柵副，其中指示光柵G1、主光柵G2，透鏡L、設(shè)有光電探測器D的接收屏R，并輸出至信號處理單元；其特征在于實施步驟如下采用非對稱光柵副，該光柵副是由小柵距的指示光柵G1和大柵距的主光柵G2疊合構(gòu)成；利用它可實現(xiàn)莫爾條紋倍增，這是一種高靈敏度的夫瑯和費系統(tǒng)。在入射光照射下，指示光柵的兩主衍射級(0級和1級)在光柵間隙之間對稱傳播；在對稱軸或其附近觀察時，莫爾條紋的靈敏度取決于指示光柵的柵距而與主光柵的柵距大小無關(guān)；由于指示光柵的刻劃長度短，即使柵距小在制造上仍無困難；設(shè)指示光柵柵距為w1，主光柵柵距為w2，且w2＝βw1，β為一常數(shù)；那么檢波器感受振動時，作為諧振子的主光柵與指示光柵會發(fā)生相對位移，激光器發(fā)出的光經(jīng)過非對稱光柵時發(fā)生衍射，主光柵位移量為w1時，莫爾條紋明暗變化一次，移動距離為w2時，莫爾條紋明暗變化β次，實現(xiàn)β倍的莫爾條紋倍增，從而提高了光柵檢波的靈敏度。光柵所能檢測到的地震波的最大幅值≤主光柵的長度，通過增加主光柵的長度，提高該裝置檢測地震波的動態(tài)檢測范圍；即若將主光柵的長度增加到一定程度，那么就可以提高光柵地震檢波的動態(tài)范圍。
具體分析 采用光學(xué)領(lǐng)域中的傅立葉分析，它是適合于對粗-細光柵結(jié)合的物理光學(xué)系統(tǒng)進行分析的一種方法。本系統(tǒng)測量光路由光源(激光器)、衍射屏(非對稱光柵)透鏡等組成，如圖1所示。
(1)光源(激光器) 在這個系統(tǒng)中，光源為氦氖激光器，它發(fā)出的單色光在波面∑′上任意一點產(chǎn)生的復(fù)振幅為其中ε0(x)為光柵法線上x點的復(fù)振幅，R＝xsinθ1為波面∑′的半徑，為波數(shù)，A是離點光源單位距離處的振幅，i、θ1分別為光源到Gl的入射角和出射角。
(2)衍射屏(非對稱光柵) 導(dǎo)致衍射發(fā)生的障礙物稱作“衍射屏”，在這個系統(tǒng)中衍射屏為光柵，其特性可用復(fù)振幅透射系數(shù)來表示。入射面垂直于柵線的單色光以i角入射閃耀光柵Gl時被衍射成m級光束，每一級衍射光束又被第二塊光柵G2衍射成n級光束。在此，我們將G2視為一復(fù)雜衍射屏，它對入射光的幅度產(chǎn)生周期性的空間調(diào)制。若將光柵G2中心位置設(shè)為原點、沿柵線方向設(shè)為y軸、與柵線垂直的方向設(shè)為x軸建立坐標(biāo)系，得到光柵的透射函數(shù)t(x)為 式中，w2是光柵常數(shù)；α是透光強度；

為光柵的復(fù)振幅透射系數(shù)。
若光柵G2移動位移為L，則經(jīng)光柵透射后的光波復(fù)振幅為 式(4)中，R為波面半徑；為波數(shù)；n為常數(shù)。
(3)透鏡 由衍射現(xiàn)象的傅立葉分析可知，夫瑯和費衍射系統(tǒng)中透鏡后焦面(X′Y′面)上的復(fù)振幅分布就是衍射屏(XY面)上復(fù)振幅分布的傅立葉變換，后焦面就是衍射屏上復(fù)振幅分布的傅立葉譜面。因此，可得光屏上等級序列為(p，q)的衍射光的復(fù)振幅為εp的傅立葉變換，即 式中，為常數(shù)，它與光柵常數(shù)w2和透光強度α有關(guān)。
由于經(jīng)光柵付衍射后，沿同一方向出射的光的復(fù)振幅為二者的疊加，且等級序列為(p，q)和(p+n，q-nβ)的這兩束光出射光方向相同，因此，光屏上D點(光電探測點)的復(fù)振幅矢量為E(θ)＝Ep(θ)+Ep+1(θ)；其模值，即復(fù)振幅大小為對雙級閃耀光柵位移測量光路來說，出射光相同的兩級次對稱分布[4][6]，所以θp＝-θp+1，因此可得到光強度分布為 將sinθp＝λ/2w1代入式(2-34)有 為了得到了光強隨振動的變化規(guī)律圖，我們隨機假定了透光強度等常數(shù)，依據(jù)光路系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的透射函數(shù)和傅立葉變換理論，編寫了仿真程序。圖2中，實線I為主、副光柵的柵距都等于10μm，即w1＝w2＝10μm時，光強隨光柵振動幅度的變化曲線；虛線II為主光柵的柵距w2＝10μm，指示光柵的柵距w1＝5μm時，光強隨光柵振動幅度的變化曲線。如圖2所示，主光柵振動幅度為10μm時，等柵距光柵輸出的莫爾條紋變化一次，而非對稱光柵輸出的莫爾條紋變化兩次，可見在采用非對稱光柵代替等柵距光柵后系統(tǒng)靈敏度得到了提高。
上述參照實施例對一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法進行的詳細描述，是說明性的而不是限定性的，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應(yīng)屬本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法，該裝置測量光路包括激光器、衍射屏、即非對稱光柵副，透鏡、接收屏，并輸出至信號處理單元；其特征在于實施步驟如下采用非對稱光柵副，該光柵副是由小柵距的指示光柵和大柵距的主光柵疊合構(gòu)成；在入射光照射下，指示光柵的兩主衍射級，即0級和1級，在光柵間隙之間對稱傳播；莫爾條紋的靈敏度取決于指示光柵的柵距；設(shè)指示光柵柵距為w1，主光柵柵距為w2，且w2＝βw1，β為一常數(shù)；那么檢波器感受振動時，作為諧振子的主光柵與指示光柵會發(fā)生相對位移，激光器發(fā)出的光經(jīng)過非對稱光柵時發(fā)生衍射，主光柵位移量為w1時，莫爾條紋明暗變化一次，移動距離為w2時，莫爾條紋明暗變化β次，實現(xiàn)β倍的莫爾條紋倍增；光柵所能檢測到的地震波的最大幅值≤主光柵的長度，通過增加主光柵的長度，提高該裝置檢測地震波的動態(tài)檢測范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高光柵諧振子檢測地震波裝置靈敏度的方法，實施步驟如下采用非對稱光柵副，該光柵副是由小柵距的指示光柵和大柵距的主光柵疊合構(gòu)成；在入射光照射下，指示光柵的兩主衍射級，即0級和1級，在光柵間隙之間對稱傳播；設(shè)指示光柵柵距為w1，主光柵柵距為w2，且w2＝βw1，β為一常數(shù)；那么檢波器感受振動時，作為諧振子的主光柵與指示光柵會發(fā)生相對位移，激光器發(fā)出的光經(jīng)過非對稱光柵時發(fā)生衍射，主光柵位移量為w1時，莫爾條紋明暗變化一次，移動距離為w2時，莫爾條紋明暗變化β次，實現(xiàn)β倍的莫爾條紋倍增；光柵所能檢測到的地震波的最大幅值≤主光柵的長度，有效提高光柵檢波的靈敏度和光柵地震檢波的動態(tài)范圍。該方法步驟簡單，效果顯著。
文檔編號G01V1/16GK101587193SQ200810053168
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者李淑清, 李建良, 南忠良, 陶知非, 付連昆 申請人:天津科技大學(xué)