短基線光纖應(yīng)變儀的研制

張文濤黃穩(wěn)柱李 麗劉文義孔向陽中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083中國地震局地球物理研究所，北京 100081中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054山東省地震局，濟南 250014

短基線光纖應(yīng)變儀的研制

張文濤1）黃穩(wěn)柱1）李 麗2）劉文義3）孔向陽4）
1）中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083
2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081
3）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054
4）山東省地震局，濟南 250014

形變觀測是地震前兆觀測的重要手段，形變觀測儀器的性能直接決定地震前兆觀測資料的質(zhì)量。傳統(tǒng)的胴體長基線形變儀對安裝環(huán)境要求高、工程造價高，抗環(huán)境干擾能力差。減小伸縮儀的基線長度，實現(xiàn)儀器的小型化有助于地震應(yīng)急快速布設(shè)，開展多方位應(yīng)變觀測（例如，垂直分量），也可降低胴體開鑿成本，并提高儀器的維護(hù)性。鑒于此，國內(nèi)地震系統(tǒng)已經(jīng)開始研制短基線/超短基線伸縮儀的研制。光纖地震觀測儀器具有傳感器無源、抗電磁干擾性強、深井觀測耐高溫高壓、抗雷擊等優(yōu)點，在國內(nèi)外地震儀器領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。

光纖應(yīng)變儀的敏感元件采用相移光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖光柵；相移光柵相比于傳統(tǒng)的光纖光柵，其光譜線寬要窄4個數(shù)量級，可以獲得更高的反射光譜信噪比和更高的波長解調(diào)精度。對于相移光柵式光纖應(yīng)變儀，其反射光譜波長與所測的地殼應(yīng)變具有良好的線性關(guān)系，只需要解調(diào)出相移光柵的波長漂移信號就可以推算得到地殼的形變信息。光纖應(yīng)變儀的探頭結(jié)構(gòu)借鑒了現(xiàn)有短基線應(yīng)變儀的設(shè)計，采用相移光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電容式傳感器；相移光柵固定于兩個支座之間感受地形變信號。光纖應(yīng)變儀的安裝方式借鑒短基線應(yīng)變儀的埋入式安裝方法，將光纖應(yīng)變儀安裝在基巖表面，用水泥固定。光纖應(yīng)變儀探頭的基線長度1.5 m，采用不銹鋼封裝，通過一條鎧裝光纜將相移光柵的信號傳輸至地震觀測室。光纖應(yīng)變儀的相移光柵波長解調(diào)，首先采用一臺窄線寬激光器和一個光學(xué)邊帶調(diào)制器實現(xiàn)一束高線性度的可調(diào)諧激光，用于詢問相移光柵的光譜；采用參考光柵實現(xiàn)溫度補償和激光頻率波動補償。結(jié)合PDH技術(shù)方案和互參考的解調(diào)算法，實現(xiàn)超高精度、寬頻帶、大動態(tài)范圍的波長解調(diào)。采用該技術(shù)，可以實現(xiàn)應(yīng)變分辨率優(yōu)于10-9、測量頻帶DC ～ 100 Hz、動態(tài)范圍大于120 dB的應(yīng)變測量。

2015年4～6月，在云南省昭通防震減災(zāi)局的協(xié)助和配合下，于昭通市巧家地震觀測站完成安裝了試驗。實測應(yīng)變分辨率優(yōu)于10-9，可清晰記錄固體潮信息（圖1）。同時可以記錄臨近發(fā)生的地震信號。

圖1　短基線光纖形變儀記錄到的固體潮

短基線光纖應(yīng)變儀目前未經(jīng)特別增敏處理，在適當(dāng)增敏后會進(jìn)一步提高分辨率。相比于現(xiàn)有的電學(xué)短基線應(yīng)變儀，光纖應(yīng)變儀在探頭部分的敏感元件僅為一根光纖，進(jìn)一步降低了探頭成本，并且可進(jìn)一步實現(xiàn)小型化。光纖應(yīng)變儀探頭無電子器件，抗電磁干擾，抗雷擊，有望成為地震形變監(jiān)測儀器發(fā)展的新方向。