基于光學低相干技術(shù)的地形變監(jiān)測系統(tǒng)

王 佳 張 敏 居海華

（江蘇省地震局，江蘇 南京210000）

1 概述

21 世紀以來，大地震在全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，其發(fā)生過程中往往伴隨著大量的能量釋放，給人類的生命、安全都帶來巨大的災(zāi)難[1]。如何在地震來臨前對其進行有效的預(yù)測，是人類不斷探索的事業(yè)之一。

地震來臨前，往往會伴隨著一系列異常出現(xiàn)：地下水、地磁、地電等[2]，其中地形變測量作為獲取地球物理觀測信息的一項重要手段，是地震預(yù)報與監(jiān)測必不可少的基礎(chǔ)。目前檢測地形通常采用的方法有：GPS 測量、水準測量、鉆孔應(yīng)變測量[3]。但GPS 測量僅適用于時空尺度跨度較大的地形變觀測，在局部地形變測量上往往不能滿足要求；水準測量的精度不夠高，且受觀測環(huán)境影響較大；鉆孔應(yīng)變儀內(nèi)部主要部分是電子器件，因而抗電磁干擾能力較弱[4]。

干涉測量作為一種新興的測量方式，自20 世紀70 年代出現(xiàn)以來，發(fā)展至今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料損傷監(jiān)測、高精度位移測量等領(lǐng)域。其獨特的優(yōu)勢：高精度、高靈敏度、不存在零漂問題以及不受電磁干擾[5]，將其應(yīng)用于地震地形變觀測方面，能夠解決傳統(tǒng)觀測儀器存在的固有問題[6]。

本文提出了一套低相干系統(tǒng)進行地形變監(jiān)測新思路，詳細介紹了基于低相干技術(shù)的地形變監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、元器件的選擇以及性能指標。

2 光學低相干技術(shù)

光學低相干干涉技術(shù)，其原理就是利用在相干范圍內(nèi)兩束光發(fā)生干涉，形成明暗相間的條紋[7]。目前最常用的就是邁克爾遜干涉儀，在測量過程中，其中一臂組作為參考臂，不發(fā)生移動，另一臂隨著被測對象移動，這樣兩臂之間就會形成光程差，通過對探測器接收到的干涉信號進行分析處理從而推算出被測對象移動的距離[8]。

整個光學低相干測量系統(tǒng)由光源、參考臂、樣品臂以及探測器四部分組成[9]。如圖1 所示。光源發(fā)出的光經(jīng)過分光器分成兩束，其中一束進入?yún)⒖急?，由平面鏡反射回來，另一束進入樣品臂，到達樣品表面后，經(jīng)樣品臂反射回來，兩束光在分光鏡處再次匯合并發(fā)生干涉[10]，干涉形成的條紋信號被探測器檢測并接收，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，獲取的干涉信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C上，顯示干涉圖像，對其進行處理分析，即可獲取形變和振動信號[11]。

圖1 邁克爾遜干涉儀原理圖

式中，n 為樣品臂在相應(yīng)測量的臂中介質(zhì)折射率。

實際上，當被測樣品位移發(fā)生改變時，樣品臂光程發(fā)生改變，隨之樣品臂和參考臂的相對光程發(fā)生變化，形成光程差。通過式（2）可以看到光程差的改變最終轉(zhuǎn)換為探測器上光強的變化。通過測量探測器上光強信號的大小即可推算出樣品臂移動的距離。

3 基于低相干技術(shù)的地形變監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

地形變測量時，選擇一塊完整無破損的基巖作為被測樣品，并將表面處理平整，將樣品臂粘在基巖上，另一臂（參考臂）放在遠端或易于操作的地方，如果基巖表面發(fā)生形變，樣品臂的伸縮必然會導(dǎo)致兩臂的光程差發(fā)生相應(yīng)的變化，引起相位發(fā)生改變，最終探測器接收到的光強也會改變。

基于低相干技術(shù)的地形變監(jiān)測系統(tǒng)如圖2 所示，系統(tǒng)共由低相干光源、2*2 耦合器、準直鏡、單模光纖、光電探測器組成。

3.1 光源的選擇

系統(tǒng)采用He-Ne 激光作為低相干光源，光源的波長為630nm，激光器為單色光源，對其而言，線寬決定了相干長度，因而至關(guān)重要。根據(jù)線寬和相干長度的關(guān)系：

式中，c 為光在真空的傳播波長。

眾所周知，在地形變的長期觀測中，一般而言，巖石每年形變的變化量較小，通常都在με 量級，因而光程差的變化較小。按照理論分析，只有相干相干長度大于理論范圍，即可進行測量，因而線寬選擇30Mhz。

3.2 光電信號探測

信號被光電探測器接收，進行處理。光電探測電路在低相干應(yīng)變測量系統(tǒng)中至關(guān)重要，其決定了整個系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性，測量精度以及系統(tǒng)的抗干擾能力。結(jié)合觀測系統(tǒng)實際應(yīng)用場合以及本身特點，設(shè)計了探測電路組成原理框圖，如圖3 所示。

圖3 探測電路原理框圖

光電二極管具有響應(yīng)快速、測量靈敏度高、低滲透等優(yōu)點，兩束光反別從傳感臂和參考臂反射回來，經(jīng)過2*2 的耦合器后發(fā)生疊加，因為在相干范圍內(nèi)，從而發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉信號首先經(jīng)過探測器中的光電二極管，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的電流信號。通常來講，電壓信號相比于電流信號更容易被設(shè)備采集，因而通過I/V 變換轉(zhuǎn)，電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，獲取到的電壓信號進一步進行高通濾波，再通過放大器放大后傳入計算機進行分析處理，從而獲得測量距離，獲取地震形變和振動信號。

3.3 系統(tǒng)分辨率

按照地震行業(yè)標準GB/T 19531.3，地形變的觀測精度需達到6*10-9，利用相干法觀測的是地形變的相對量，對于該觀測系統(tǒng)而言，光源波長為630nm，分辨率為635/100=6.35*10-9，量級滿足地形變的觀測要求。

4 結(jié)論

低相干技術(shù)的觀測精度可以達到10-9量級，由于其使用的波長線寬可以做到很窄，使用這種低相干光源，在信號采集和處理運用中都有著良好的運用前景[12]。尤其是在地震監(jiān)測方面，更是具有其他的測量方法無可比擬的優(yōu)點：不怕雷擊、耐高溫、無需標定、抗電磁干擾以及不會產(chǎn)生零漂等優(yōu)點，從而為解決地震地球物理臺網(wǎng)地形變觀測提出了一種新型的方法。