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专利号: 2023111893470
申请人: 济南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2026-01-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种长基线激光干涉测量系统,其特征在于:包括主测量点A和远端测量点B,以及逆时针依次排布且位于环形光路上的第三消偏振分光棱镜(3)、第二扩束器(72)、第二反射镜(82)、第一反射镜(81)、第一扩束器(71)、调制反射镜(61)、第三偏振分光棱镜(4),所述远端测量点B包括镜面垂直设置的第二反射镜(82)和第一反射镜(81),所述主测量点A包括光路内的第三消偏振分光棱镜(3)、第二扩束器(72)、第一扩束器(71)、调制反射镜(61)、第三偏振分光棱镜(4);

所述主测量点A还包括激光光源(1)、位于激光光源(1)和第三消偏振分光棱镜(3)之间的光隔离器(2),激光光源(1)激光的偏振态与第三偏振分光棱镜(4)光轴夹角为45°,以及位于第三消偏振分光棱镜(3)侧面的第一光电探测器(7),所述第三偏振分光棱镜(4)的两侧面分别设有光程匹配模块(5)和解调模块(9);

激光在第三消偏振分光棱镜(3)上形成的透射的光束LRS和反射的光束LRN,光束LRN沿着光路顺时针传播,经过第三偏振分光棱镜(4)反射和透射分光,光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射,成为S偏振光光束LRN‑S,进入光程匹配模块(5),通过位移台(51)匹配光程,由自聚焦透镜(52)射入匹配光纤(53),最终经过法拉第旋镜(54)反射形成P偏振光束LRN2‑P,回到第三偏振分光棱镜(4),光束LRN2‑P透射经过第三偏振分光棱镜(4)进入解调模块(9);

光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜(4)透射,成为P偏振光束LRN‑P,沿着光路顺时针传播,依次经过调制反射镜(61)、第一扩束器(71)、第一反射镜(81)、第二反射镜(82)和第二扩束器(72),最终经过第三消偏振分光棱镜(3)反射进入第一光电探测器(7);

光束LRS沿着光路逆时针传播,依次经过第二扩束器(72)、第二反射镜(82)、第一反射镜(81)以及调制反射镜(61),经过第三偏振分光棱镜(4)反射和透射分光,光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射形成的光束LRS‑S进入解调模块(9);光束LRS中的P偏振光透射经过第三偏振分光棱镜(4)形成P偏振光束LRS‑P,光束LRS‑P经过第三消偏振分光棱镜(3)透射进入第一光电探测器(7)。

2.根据权利要求1所述的长基线激光干涉测量系统,其特征在于:所述激光光源(1)包括窄线宽激光光源和宽谱光源,窄线宽激光光源用于地震波场的测量;宽谱光源用于激光干涉测量系统干涉臂光程匹配,以抑制光源频率噪声,两个光源独立使用,系统调试时接入宽谱光源,系统测量时接入窄线宽激光光源。

3.根据权利要求2 所述的长基线激光干涉测量系统,其特征在于:所述光程匹配模块(5)包括沿光线传送方向依次排布的位移台(51)、自聚焦透镜(52)、匹配光纤(53)、所述法拉第旋镜(54)。

4.根据权利要求3 所述的长基线激光干涉测量系统,其特征在于:所述解调模块(9)包括横向排布的第一消偏振分光棱镜(92)和第一偏振分光棱镜(94),固定在第一消偏振分光棱镜(92)透光面上第一 波片(91),连接第一消偏振分光棱镜(92)和第一偏振分光棱镜(94)的第一 波片(93),第一消偏振分光棱镜(92)的反射出光面上还固接有第二偏振分光棱镜(95),光线沿横向从第一 波片(91)进入。

5.根据权利要求4所述的长基线激光干涉测量系统,其特征在于:窄线宽激光光源用于产生窄线宽激光,工作波长1550±20nm;输出功率大于1mW;光谱线宽小于1pm;所述宽谱光源,以中心波长λ=850nm,谱宽Δλ=40nm。

6.根据权利要求5所述的长基线激光干涉测量系统的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤一:宽谱光源输出宽谱光,进行系统调试,通过匹配光纤(53)长度来调节两干涉臂的臂长差,使光束LRN2‑P与光束LRS‑S光程差接近宽谱光源的相干长度,从而极大抑制窄线宽激光干涉的频率噪声;

步骤二:将宽谱光源换成窄线宽激光光源,窄线宽激光光源输出窄带激光通过光隔离器(2)后,要保证其激光的偏振态与第三偏振分光棱镜(4)光轴夹角为45°,入射到第三消偏振分光棱镜(3)上,第三消偏振分光棱镜(3)将光束均分为等光强的透射的光束LRS和反射的光束LRN,光束LRN沿着光路顺时针传播,经过第三偏振分光棱镜(4)分光,光束LRN中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射,成为光束LRN‑S,进入光程匹配模块(5),通过位移台(51)匹配光程,由自聚焦透镜(52)射入匹配光纤(53),最终经过法拉第旋镜(54)反射形成光束LRN2‑P,回到第三偏振分光棱镜(4),光束LRN2‑P透射经过第三偏振分光棱镜(4)进入解调模块(9);

光束LRN中的P偏振光经过第三偏振分光棱镜(4)透射,形成光束LRN‑P,沿着光路顺时针传播,依次经过调制反射镜(61)、第一扩束器(71)、第一反射镜(81)、第二反射镜(82)和第二扩束器(72),最终经过第三消偏振分光棱镜(3)反射进入第一光电探测器(7);

光束LRS沿着光路逆时针传播,依次经过第二扩束器(72)、第二反射镜(82)、第一反射镜(81)以及调制反射镜(61),经过第三偏振分光棱镜(4)分光,光束LRS中的S偏振光被第三偏振分光棱镜(4)反射形成光束LRS‑S进入解调模块(9);光束LRS中的P偏振光透射经过第三偏振分光棱镜(4)形成光束LRS‑P,光束LRS‑P经过第三消偏振分光棱镜(3)透射进入第一光电探测器(7);

步骤三:在第一光电探测器(7)处汇合的光束LRS‑P与LRN‑P都是P光,均会透射通过第三偏振分光棱镜(4),将会产生干涉信号,且光束LRS‑P与LRN‑P的光程路径分别是逆时针、顺时针传播了一周,它们形成的干涉信号中,将包含有激光干涉测量系统环路的转动信息;

在解调模块(9)处,合束的是光束LRN2‑P与LRS‑S,其中LRS‑S沿着激光干涉测量系统环路逆时针传播一周,其光路包含了2倍的主测量点(A)和远端测量点(B)相对振动位移变化信息,而LRN2‑P光束并未经过主测量点(A)和远端测量点(B)之间传播,所以两束光LRN2‑P与LRS‑S形成的干涉信号中,就包含了主测量点(A)和远端测量点(B)两点之间的相对位移、振动信息;

从而实现平动地震波和旋转地震波的同时测量;

光束LRN2‑P与光束LRS‑S的偏振态相互垂直,无法直接形成干涉光,通过解调模块(9)可以检测光束LRN2‑P与光束LRS‑S的相位差,根据偏振相关理论得:第一 波片(91),使偏振光偏振方向旋转45°,矩阵表达式为:

第一 波片(93),使偏振光偏振方向旋转90°,矩阵表达式为:

在解调模块(9)中,第一 波片(91)固定在第一消偏振分光棱镜(92)透射出光面上,快轴的初始位置与z轴顺时针旋转呈22.5°,使入射光偏振方向旋转45°,并等分为两束,第一反射光和第一透射光;第一 波片(93)固定在第一消偏振分光棱镜(92)的透光面与第一偏振分光棱镜(94)之间,快轴初始位置与z轴顺时针旋转呈45.0°,使第一透射光偏振方向旋转90°,并通过第一偏振分光棱镜(94)根据偏振方向的不同分为两束光,第二反射光和第二透射光,分别进入第七光电探测器(97)和第六光电探测器(96);第二偏振分光棱镜(95)固定在第一消偏振分光棱镜(92)反射出光面,使第一反射光通过第二偏振分光棱镜(95),根据偏振方向的不同分为两束光,第三反射光和第三透射光,分别进入第八光电探测器(98)和第九光电探测器(99);根据偏振光学原理,可知四个光电探测器分别接收到的出射光强为:第六光电探测器(96)接收的光强为:

第七光电探测器(97)接收的光强为:

第八光电探测器(98)接收的光强为:

第九光电探测器(99)接收的光强为:

根据得到的四路光强信号可知,四路信号的相位差依次相差 ,我们使用相应的信号处理方法就能得到位相差 ,

采用正切信号处理方法: