淺談光纖傳感器在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

張晶　程增杰　李文一　趙立軍　韓勇

摘 要：地震發(fā)生前一般會(huì)出現(xiàn)各種異?，F(xiàn)象，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為地震前兆，觀(guān)測(cè)這些異常現(xiàn)象是研究地震的重要手段。文章圍繞光纖傳感器在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)了介紹，重點(diǎn)介紹了當(dāng)前光纖傳感的常用手段--包括光纖法珀（FP）傳感器和光纖光柵（FBG）傳感器等，并闡述了各種傳感手段在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，最后對(duì)光纖傳感應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：光纖傳感；地震監(jiān)測(cè)；地形變；地震波

引言

當(dāng)前地震監(jiān)測(cè)的方式主要集中在兩個(gè)方面，一是通過(guò)地殼形變測(cè)量獲取地震前兆信息及研究地震活動(dòng)性問(wèn)題；二是通過(guò)研究地震波來(lái)探測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而進(jìn)行地震預(yù)報(bào)[1]。

測(cè)量地形變需要測(cè)量系統(tǒng)提供非常高的測(cè)量精度，而目前廣泛應(yīng)用于實(shí)際地形變監(jiān)測(cè)中的鉆孔應(yīng)變、硐體應(yīng)變、GPS等方式[2]，往往因受地理?xiàng)l件的限制，有比較嚴(yán)重的電磁干擾。在安全監(jiān)測(cè)、石油勘探等領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用的是現(xiàn)代地震儀，現(xiàn)代地震儀都是通過(guò)探測(cè)地震波得到地震數(shù)據(jù)記錄，以此對(duì)震源、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)臨震預(yù)報(bào)。在進(jìn)行石油勘探的過(guò)程中，采用人工的方式在巖層的分界處造成震動(dòng)，這種震動(dòng)引起的彈性波可以發(fā)生反射或折射，利用靈敏度很高的地震檢波器將由此產(chǎn)生的反射波和折射波記錄下來(lái)，通過(guò)分析就可以定位油氣圈閉；在進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)時(shí)，傳感器可以探測(cè)到侵入物引入的地面波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別及預(yù)警。

然而，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段普遍存在動(dòng)態(tài)范圍小、敏感度低、漏電、占用較大的空間和較高的基建費(fèi)等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了上述監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展[3，4]。

光纖傳感器憑借其特有的優(yōu)勢(shì)逐漸成為地震預(yù)測(cè)中一種新型手段。光纖傳感器作為傳感器家族中新發(fā)展起來(lái)的重要成員，是一種全光觀(guān)測(cè)方法，從20世紀(jì)70年代起，得到了廣泛的關(guān)注和飛速地發(fā)展[5，6]。它是以光波為載體、光纖為媒介的新型傳感器，與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、電絕緣性能好、頻帶范圍寬、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、耐腐蝕、耐高溫、靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，除此之外，光纖傳感器還能夠?qū)崿F(xiàn)分布式、多參量測(cè)量，并且易于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)[7]。

文章在闡述光纖傳感器傳感原理及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)介紹了光纖法珀（FP）傳感器和光纖光柵（FBG）傳感器，之后對(duì)光纖傳感器在地震測(cè)量中的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行了介紹，最后總結(jié)了基于光纖傳感的地震監(jiān)測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)和缺陷，對(duì)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 光纖傳感器的傳感原理及特點(diǎn)

近年來(lái)，光纖傳感技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于地形變觀(guān)測(cè)、地震波探測(cè)、水文地球化學(xué)觀(guān)測(cè)和地磁探測(cè)等眾多領(lǐng)域并取得了大量研究成果[8]。光纖傳感器可以按照傳感原理分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器、分布式光纖傳感器等。

1.1 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器

強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器通過(guò)感知外界環(huán)境導(dǎo)致的光纖傳輸光強(qiáng)度變化來(lái)檢測(cè)相應(yīng)的物理量。光纖法珀傳感器是一類(lèi)典型的強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器。它是歷史最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為普遍的一種光纖傳感器。光纖法珀傳感器是光纖傳感器中的重要一員。光纖法珀傳感器的核心敏感元件是法珀腔，所有被測(cè)物理量的變化都會(huì)直接或間接地反映在法珀腔長(zhǎng)的改變上，根據(jù)光纖琺珀腔的結(jié)構(gòu)不同，光纖法珀傳感器可以分為本征型（EFPI），非本征型（IFPI）和在線(xiàn)復(fù)合型（ILFP）。

非本征型光纖法珀傳感器是目前光纖法珀傳感器中應(yīng)用最廣泛、研究最多的一種光纖法珀傳感器，常見(jiàn)的非本征型光纖法珀傳感器有毛細(xì)管型非本征光纖法珀傳感器和膜片式微加工型光纖法珀傳感器。

1.2 相位調(diào)制光纖傳感器

相位調(diào)制光纖傳感器通過(guò)敏感部件感知光纖折射率或傳播常數(shù)的變化從而對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行探測(cè)。這類(lèi)傳感器需要采用干涉技術(shù)將相位信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器

波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器主要指光纖光柵傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，這類(lèi)傳感器利用待測(cè)物理量調(diào)制傳輸光波長(zhǎng)信息，通過(guò)探測(cè)波長(zhǎng)信息的變化即可對(duì)待測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)。光纖光柵傳感器是一類(lèi)典型的波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器。光纖光柵傳感系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)、大壩健康監(jiān)測(cè)、油井健康監(jiān)測(cè)、油罐預(yù)警系統(tǒng)等傳統(tǒng)工程中。

光纖光柵不僅尺寸很小、重量相對(duì)輕、還具有帶寬寬、靈敏度很高、耐腐蝕能力強(qiáng)和抗電磁干擾能力強(qiáng)等的優(yōu)點(diǎn)，由于其固有特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的絕對(duì)編碼、集傳感與傳輸于一體、且可以不受光功率波動(dòng)的影響、相對(duì)易于制作封裝及埋入材料的內(nèi)部。在測(cè)量領(lǐng)域，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行高精度的絕對(duì)檢測(cè)。同時(shí)，也能夠采用準(zhǔn)分布式的方式多點(diǎn)測(cè)量外界溫度、應(yīng)力場(chǎng)作用下的大量待測(cè)目標(biāo)的時(shí)間和空間特征。

2 光纖傳感器在地震測(cè)量中的應(yīng)用及發(fā)展

早在1986年，美國(guó)洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始研究光纖鉆井地球應(yīng)變儀（FOBES）項(xiàng)目[9]，該實(shí)驗(yàn)室采用單模光纖利用光學(xué)干涉式地球應(yīng)變傳感器來(lái)觀(guān)測(cè)可能是地震前兆的微小地殼應(yīng)變，探測(cè)精度可以達(dá)到10-10。Homuth在該項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用兩根平行單模光纖來(lái)制作干涉?zhèn)鞲衅?，由于不在地下埋設(shè)電纜，因此光纖不會(huì)接受到四周巖土的影響，用水泥將另一根光纖固定在巖石里，通過(guò)這根光纖感知巖石的應(yīng)變。第二根光纖由應(yīng)變引起的有效長(zhǎng)度變化會(huì)和第一根光纖進(jìn)行相干比較，比較結(jié)果由計(jì)算機(jī)輸出。

日本的T Sato等人在1999年構(gòu)造了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)一步改進(jìn)了基于光纖光柵傳感器的地形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在振動(dòng)臺(tái)上與位移計(jì)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)[10]。該改進(jìn)結(jié)構(gòu)具有更簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)、更高的穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)足地形變監(jiān)測(cè)的要求。在之后的兩年，該科研組又進(jìn)一步提高了該系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了一種基于新型機(jī)械原理的不同的應(yīng)變觀(guān)測(cè)儀器，這表明研究的關(guān)鍵仍然是提高測(cè)量精度；隨后，該組繼續(xù)報(bào)道了一種用于地震前兆水平切應(yīng)力測(cè)量的觀(guān)測(cè)設(shè)備，設(shè)備的核心器件是一個(gè)粘貼有光纖光柵的青銅板，通過(guò)測(cè)量垂直安裝于地層中的金屬青銅板的角度可以換算出地層切應(yīng)力。這種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)具有很高的測(cè)量精度。

2001年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的 J A Bucaro等人基于光纖微彎損耗研制出一種質(zhì)量?jī)H為1.8g的超小型光纖加速度計(jì)[11]。

2005年中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所的周振安等人針對(duì)光纖光柵傳感在應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)方面靈敏度不足的問(wèn)題提出了一種新的技術(shù)手段[12]，在這種技術(shù)中使用了增敏裝置來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)量分辨率。理論上可以將測(cè)量分辨率提高到10-9至10-10量級(jí)，這已經(jīng)可以滿(mǎn)足高精度應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的要求。將一個(gè)剛性調(diào)節(jié)錨桿活性連接到一個(gè)光纖光柵傳感器上來(lái)傳遞應(yīng)變，通過(guò)改變剛性連接棒的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)各種倍數(shù)的機(jī)械增敏效果。

2006年，美國(guó)史蒂文理工學(xué)院的Z Yang 等人報(bào)道了基于改性懸臂梁的光纖光柵地震波傳感器[13]。該檢波器的共振頻率為90Hz，工作頻段為10-110Hz，采用匹配光柵進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，動(dòng)態(tài)范圍80dB，系統(tǒng)可探測(cè)的最小振動(dòng)加速度為40？滋g。該檢波器被應(yīng)用于地面?zhèn)刹旎顒?dòng)中，對(duì)人員行走、跑動(dòng)、輪式車(chē)的探測(cè)距離分別達(dá)到了67m，83m，180m。

2007年，美國(guó)GHAmes等人研制了一種基于DFB光纖激光器的加速度計(jì)[14]，該傳感器尺寸僅為83mm×8mm×6mm，工作頻段為10-8000Hz，最小可探測(cè)振動(dòng)加速度為125？滋g。

2008年，中國(guó)地震局地震研究所的鄧濤提出了一種基于光纖干涉和光纖光柵組合傳感的設(shè)計(jì)思路[15]，該思路是將光纖bragg光柵的波長(zhǎng)絕對(duì)測(cè)量和光纖干涉法的高精度相對(duì)測(cè)量進(jìn)行結(jié)合，從而將光纖傳感的原理應(yīng)用到地形變測(cè)量來(lái)獲得高的測(cè)量精度。該系統(tǒng)的傳感檢測(cè)具有抗干擾能力強(qiáng)、耐酸堿腐蝕、無(wú)須標(biāo)定、無(wú)零點(diǎn)漂移等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際測(cè)量中，將光源放置在溫度變化很小的硐體內(nèi)，將光纖光柵粘貼在硐體的基巖上，基于干涉原理進(jìn)行傳感檢測(cè)，系統(tǒng)的精度可以達(dá)到1.27×10-10。

美國(guó)UCSD斯克里普斯海洋研究所的M Zumberge等人[16]報(bào)道了一種用于圣安德烈斯斷層天文臺(tái)地殼形變觀(guān)測(cè)的光纖應(yīng)變傳感器，如圖2所示。傳感器部分是一根張緊在井管外的單模光纖，井管被安置在深井中并向下延伸782m。當(dāng)該區(qū)地殼發(fā)生縱向應(yīng)變時(shí)，光纖干涉臂將隨之產(chǎn)生變化。該應(yīng)變觀(guān)測(cè)裝置運(yùn)用了干涉測(cè)量的方法來(lái)記錄地震事件。結(jié)合邊緣處理算法，可以使應(yīng)變儀具有很高的靈敏度和很大的動(dòng)態(tài)范圍，圖3（a）是記錄附近的一次里氏4.1級(jí)地震引起的強(qiáng)烈震動(dòng)波形，圖3（b）是記錄的一次遠(yuǎn)震引起的巨大應(yīng)變信號(hào)，兩次記錄地震的結(jié)果都能真實(shí)地反映地殼形變狀況。

3 結(jié)束語(yǔ)

在地震監(jiān)測(cè)和地形傳感手段日益多元化的今天，伴隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的光纖傳感器被應(yīng)用到地震前兆觀(guān)測(cè)中。光纖傳感器在地形變觀(guān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景，與現(xiàn)有的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相比，光纖傳感器除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、抗電磁干擾、光路可撓曲、易于與計(jì)算機(jī)連接、便于遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有易組網(wǎng)的特點(diǎn)，這就使得我們可以測(cè)出沿線(xiàn)任意點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變、溫度損傷等信息，從而對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行全方位監(jiān)控。因此，分布式光纖應(yīng)變/溫度觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)活動(dòng)塊體邊界帶（或斷裂帶）的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

盡管具有上述諸多優(yōu)勢(shì)，但光纖傳感若要大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，還需要解決很多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，例如如何提高地形變監(jiān)測(cè)中的光纖光柵傳感精度、如何探測(cè)超低頻地震波并獲得較高的分辨率，以及大規(guī)模長(zhǎng)距離組網(wǎng)技術(shù)等。

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