引言
现代激光形变计是在天体物理学和地球物理学的基础上研制成功的，第一批现代激光形变计可以测量地壳的微位移，频率为0~1000Hz，精度为10-9~10-11m，相对灵敏度为10-12~10-14。在地球物理学中，激光形变计是通过对地壳线性和非线性的微形变现象来进行研究;而在学术研究领域，它更接近于海洋学范畴，即在超低频(10-5~10-3Hz)、低频(10-3~1Hz)和高频(1~1000Hz)范围，分析海洋过程作用于地壳所产生的负荷效应。
通过等臂和不等臂型激光形变计的使用，可以得到以下结论：(1)发现地球自身振动的背景噪声;(2)评定沿海涨潮现象对于地壳的负荷效应，并发现：在超低频范围内海洋涨潮和它们的谐振占所测量的微形变强度的80%左右;(3)大陆架下的海洋底部以相应频率进行弹性振动时，对海洋内波的动力学及内波变化进行研究，得出结论：海洋内波的能量没有转化为小规模涡流能，而转变为地壳弹性振动能量;(4)通过共振器–反射镜区域系统，发现新的非线性现象——被动的自辐射现象。尽管等臂和不等臂型单坐标激光形变计的使用成果无可争辩，但研制双坐标和三坐标装置极具必要性，它将使宽频波和振动源的定向与识别具有可能性。
1激光形变计的装置图
1993–1995年，俄罗斯科学院远东“舒尔茨”电站在地面下深度为5~7m处安装臂长为52.5m的不等臂激光形变计，在其附近安装臂长为17.5m的不等臂激光形变计。52.5m臂长激光形变计为南—北指向，17.5m臂长激光形变计为东—西指向。每一个激光形变计带有稳定频率的激光干涉部件、视准仪、光学阀(光圈、偏光片、薄片λ/4)，分别安装在单独的绝热腔中，每个激光形变计的角反射镜都安装在单个的绝热室内。位于反射镜和干涉部件之间的激光光束路径都处于光导管中，该光导管是由内径为90mm的不锈钢管制成的。形变计是按照两种方式工作：利用空气填充光导向装置或者是抽出空气光导向装置。空气的抽出是利用初压真空泵实现的。
两个激光形变计有以下性能：灵敏度为10-10~10-11m;微位移测量精度为10-9~10-10m，工作频率范围为0~1000Hz，动态范围不受限。尽管光学系统元件的使用是多种多样的，但是每个激光形变计的记录系统都是按照同样的原理工作，记录系统(见图1)。为使用基准频率发生器调节激光形变计的干涉仪，需要频率为25kHz、振幅为5V、占空比为2的电信号，该信号可转变为正弦信号，并利用功率放大器放大电信号，以便用于控制压电陶瓷，从而调节干涉仪一个力臂的长度为0.1λ/2(λ：氦–氖激光波长，为0.63×10-6m)
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因此将进入光电二极管的干涉图谱的明暗度调到最小点，从光电二极管出来的信号进入谐振放大器，谐振放大器确保频段为6kHz、频率为25kHz时，将信号放大104倍。谐振放大器是单一的部件，并放置在光学台上。谐振放大器释放与干涉仪力臂长度差的改变成比例的信号。信号继续进入同步检波器，被延迟线路延迟的主信号到达同步检波器的第二个输入端。延迟线路用于补偿通过干涉仪的信号所产生的短暂延迟时间。线路延迟使输出信号的相位相对于输入信号改变±π/2。同步检波器发送与输入信号的相位成比例的±1V信号。信号继续进入微积分放大器。微积分放大器产生能控制第二个压电陶瓷的±130V信号，而该压电陶瓷能够移动干涉部件的反射镜，使干涉仪的力臂差在±λ/2的范围内相等。为处理变化为ΔL=±λ/2的形变，需使用电平复位电路。在微积分放大器的电压达到±Uon时，电平复位电路使微积分放大器的输出电压同内部参考电压(Uon)相等，电平复位电路对应ΔL=±λ/2的变化，产生复位脉冲，该脉冲保证在1微秒内，微积分放大器的输出电压从Umax=±Uon变到U=0。这与干涉图谱从最小值跳到临近的其他值相符合。Umax=+Uon符合形变计的基线拉伸λ/2，Umax=-Uon符合形变计的基线压缩λ/2。在频率为0~1000Hz范围内，记录系统记录形变计基线变化的精度为10-4λ/2。记录系统模拟输出产生U输出=±5V伏的电压，与形变作用ΔL=±λ/2成比例。记录系统从脉冲输出端输出复位脉冲(UC+和UC-)，脉冲总数以整数λ/2的形式来确定形变位移。
2实验数据分析
在最初采用两个相互正交的形变计(二坐标激光形变计)共同进行测量时，重点关注设备自身的噪声、水声声源或者地震声源的人为和自身特性所产生的高频噪声(f>1Hz)及二坐标形变计噪声源探测来的能力。
力臂长为52.5m的“激光形变计”(地下结构由两部分组成，长度皆为53m)自身振动产生的主要载能波峰大约为24.8Hz，而力臂长为17.5m的激光形变计大约为42.0Hz(见图2))。在力臂长为52.5m和17.5m的激光形变计所记录的频谱中，有时在大约等于9.5Hz的频率处能够清楚地判别出峰值，该峰值是由附近地下的谐振反射器的振动产
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生的，该谐振反射器自身频率9.5Hz和19.0Hz。为研究二坐标激光形变计能否记录水声振源和探测振源方位，通过浅海和深海环境中的低频水声发射器产生振动，岸边不等臂激光形变计接收系统接收该振动的方式来进行研究。在实验中使用水声振动的电磁源，它是带有两个辐射端面——振动硬片的平行六面体。谐振器内部的压强保持比周围水声压强低0.08~0.10MPa。为使辐射振动片的振幅相对于它的中心位置不超出±4.5mm，需在机械声学谐振的频率上选择辐射级。
表1中列出1993–1995年间所得到的一组实验数据(见表1)。辐射台的位置(见图3)。在表1中采用以下符号：R1从辐射点到激光形变计的距离;R2辐射点的海水深度;R3低频水声发射体的下潜深度;P距发射体几何中心1m处所产生的压强;F辐射信号的频率;A1低频水声发射器在连续发射工作状态下，力臂长为52.5m的激光形变计所记录的地震声学信号的平均振幅;A2低频水声发射器在连续发射工作状态下，力臂长为17.5m的激光形变计所记录的地震声学信号的平均振幅;A3对于力臂长为52.5m的形变计，产生相同的辐射压强(2300Pa)所需振幅;A4对于力臂长为17.5m
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的形变计，产生相同的辐射压强(2300Pa)所需振幅。由于不同的激光形变计的光学结构和它们安装的位置的不同，使力臂长为52.5m的仪器在南—北方向上的灵敏度比东—西方向的灵敏度高260倍，而力臂长为17.5m的形变计，东—西方向的灵敏度比南—北方向的灵敏度高90倍。根据上述内容，从1号台站到4号台站的变换过程中，力臂长为52.5m的激光形变计所记录的地震声波的振幅应该按照近似COS函数的定律加强，而力臂长为17.5m的形变计所记录的地震声波的振幅应该按照类似的定律减弱。从4号台站到7号台站的变换过程中，所记录的地震声学信号的振幅应该依次地减弱。实验数据同上述内容之间出现的偏差大概同以下情况有关：(1)浅海环境中水声波的应激和水声波向地震声波变换具有特殊性;(2)力臂长为17.5m的激光形变计与力臂长为52.5m的形变计的特点不同，力臂长为52.5m的形变计的支柱安装在松散泥土的岩石上(砂质粘土)。所以对于高频(f=32Hz)来说，当波长与地壳上层不均匀的杂质等比时，按照方位从台站到台站的变换过程中，所记录的频率为32Hz的辐射振幅的预期变化与实验中观察的不同。力臂长为52.5m的形变计的支柱，一个牢固地与立柱的花岗岩基座相连接，另一个安装在密度大的砂质粘土上。
应指出所记录的地震声波长度大约为100m。这表明，力臂长为52.5m的形变计实际上可记录它的振幅，而力臂长为17.5m的形变计只能记录部分振幅。
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考虑到所进行实验的特点，可以推测出，运动方位跟踪二坐标激光形变计能够对运动源进行可靠记录。图5~7所示的是两个相互正交的形变计同时记录的连续频谱。从这些可靠连续频谱上能够看出，在1Hz范围内具有自身特点的辐射“目标”在运动时进行位移（在大陆架区域），并进入到仪器的可靠接收区。在自身移动时，“目标”减慢速度，表现为所发射信号的主要波峰频率减少。因此，如果在图5中主要峰值位于1.2Hz的频率处，那么在图6中则位于1.0Hz的频率处，而在图7中则位于0.8Hz的频率处。在所有的图中都清楚地显示出在f、2f、4f频率处的峰值，在3f处的谐波实际上是看不到的。在1.2Hz频率处的信号振幅与力臂长为17.5m的形变计基线的位移量6×10－9m相符合（见图5）。52.5m臂长形变计所记录的频谱显示“:目标”信号的振幅较大，而噪声强度比17.5m臂长的形变计的噪声强度稍小一些。这表明在记录类似的信号时，使用长基线的激光形变计是具有一定优势的。
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3结论
实验表明，二坐标形变计能够记录各种不同的固定水声信号源和运动水声信号源。UDP(用户数据报协议)是一个简单的面向数据包的传输层协议。UDP比TCP负载消耗少，且适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。在网络通信的基础上，计算机与分析仪之间还建立一套完善的控制命令协议和数据流协议，主要包括参数配置、功能控制、数据传输、文件浏览等子协议模块。该协议具备反馈和校验功能，保证在UDP下通信的可靠性。
2.5人机交互
信号分析仪有2种人机交互方式，既可以通过本机配有的LCD和键盘进行操作，也可以通过以太网在计算机端进行远程操作。仪器配有320×240LCD液晶显示器和4键键盘，在未连接网络的情况下，可作为一台完整的分析仪器。用户可以通过键盘和LCD来设定工作模式和进行数据浏览。在连接网络后，则可以将控制权交给上位机，用户可以通过网络在计算机端对仪器进行远程控制。上位机软件基于LabCVI编写，主要功能包括向硬件发送各种配置参数、读取记录文件、进行实时采集和对数据进行高级分析处理。软件可以对数据进行波形显示，并可以求取波形的各种特征值和对信号进行滤波、频域分析、回归分析等高级分析。结合上位机软件，本信号分析仪可以作为成一台高性能虚拟仪器。用户可以根据开放的DDK进行软件二次开发，编写更多功能的专用软件。
3总结
本文介绍一种信号分析仪，目前该分析仪已通过中国测试技术研究员的权威校准认证，并已应用到工程振动监测、环境影响综合测试等行业中，得到用户的认可和好评。该分析仪性能好，功能丰富，具有广阔的应用前景，必将在更多的行业和领域发挥越来越大的作用。
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