分布式光纖傳感器原理及在地震監(jiān)測中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

孫藝玫，趙 雷，羅 斐，孫宏志，任 雪

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

隨著地震學(xué)研究的深入，出現(xiàn)了多種類型的地震監(jiān)測技術(shù)或者方式，但總體上可以歸結(jié)為兩種：一是利用地殼形變資料獲取地震前兆信息，這個檢測方式需要客觀地理條件的配合，尤其需要考慮電磁干擾的因素；二是通過研究地震波來探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進而進行地震預(yù)報[1]，這一領(lǐng)域的代表就是現(xiàn)代地震儀，這類裝置都是通過探測地震波得到地震數(shù)據(jù)記錄[2]。

后者是應(yīng)用最為廣泛的地震監(jiān)測方式，地震儀的技術(shù)迭代可以簡單歸納為兩方面：客觀方面，地震儀面臨復(fù)雜的野外環(huán)境，夏季雷暴天氣以及冬季的冰凍災(zāi)害對于地震儀都有較大的負面影響，所以有相應(yīng)的防雷系統(tǒng)[3]或者恒溫系統(tǒng)[4]來維護設(shè)備運行；另一方面，地震儀自身的傳感器是關(guān)鍵元器件，其傳感特性對數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量有直接影響，進而會影響監(jiān)測的效率和質(zhì)量；提升傳感器的敏感度和穩(wěn)定性一直是國內(nèi)外理論研究和實際監(jiān)測的重點[5]。

1 分布式傳感器種類及基本原理

早期地震波監(jiān)測主要采用的傳感器有兩種：壓電陶瓷式和電磁感應(yīng)式，基本的原理是將機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，但在在復(fù)雜的測量系統(tǒng)中，這兩類傳感器面臨一定瓶頸[6]。如果將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于地震傳感系統(tǒng)中，就可以打破許多早期傳感器存在的瓶頸，為地震研究提供一種全新的監(jiān)測和研究手段。

圖1 地震監(jiān)測傳感器的技術(shù)發(fā)展路線圖Fig.1 Technical development roadmap of seismic monitoring sensor

光纖傳感器可以分為點式傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器、分布式光纖傳感器，如圖2所示，其中尤以“分布式光纖傳感器DAS”影響最大（圖2c）[7]。點式傳感器的技術(shù)原理是通過識別某點的干涉效應(yīng)的改變來探測信號[8]；準(zhǔn)分布式傳感器（圖2b）則是在點式傳感器的基礎(chǔ)上重復(fù)，實現(xiàn)多點同時探測[9]；在設(shè)計理念上，DAS有其特殊性與上述兩種技術(shù)完全不同，在分布式DAS傳感中，整根光纖都可以作為傳感器件，不限于在任何點檢測信號，實現(xiàn)對參數(shù)的整體感知和光路測量[10]。

圖2 光纖傳感器種類Fig.2 Types of optical fiber sensors

DAS系統(tǒng)的基本原理是基于光纖的彈光效應(yīng)[11]：介質(zhì)中應(yīng)力波的存在可改變介質(zhì)的介電常數(shù)或光折射率，因而影響光在介質(zhì)中的傳播特性，由于介質(zhì)存在不均勻性，當(dāng)光通過介質(zhì)時，它將向各個方向散射，這在光纖中也可以觀察到[12]。激光沿光纖發(fā)射光脈沖，并在某一光點改變光纖的內(nèi)部折射率，一些光以反向散射的形式與入射光在脈沖內(nèi)發(fā)生干涉，干涉光反射回來以后，反向散射的干涉光回到信號處理裝置，同時將光纖沿線振動聲波信號帶來信號處理裝置，通過探測由彈光效應(yīng)產(chǎn)生的光信號的相位、波長等參量，可以實現(xiàn)對地震波的監(jiān)測。

當(dāng)光波進入光纖中時，理論上會發(fā)生兩種散射：彈性光散射和非彈性光散射兩類[13]。其中，彈性散射是彈性波遇到非均勻材料時引起的，在傳播過程中，表面上某一時刻的任何一點都可以看作是一個新的震源，非彈性光散射是光纖分子運動或熱運動導(dǎo)致的散射，兩者的區(qū)別是發(fā)生彈性散射的兩個粒子沒有發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移；發(fā)生非彈性散射的兩個粒子中，存在高能量粒子將部分能量傳遞給低能量粒子，前者的代表是瑞利散射，后者代表是布里淵散射、拉曼散射[14]。DAS系統(tǒng)可以通過檢測激光脈沖在光纖中散射引起的相位變化來測量光纖的軸向應(yīng)變，其結(jié)構(gòu)包含兩方面：光纖（即傳輸介質(zhì)）和地表儀器系統(tǒng)（即發(fā)射脈沖與探測瑞利散射信號），其中光纖的每一小段都可以等同為一個單分量應(yīng)變儀[15]，用于探測地震波場引起的應(yīng)變，按照特定的程序和路徑對光纖進行鋪設(shè)（比如埋在井中，或者埋在淺層地表處）并接收地震信號，地表儀器系統(tǒng)與光纖相連，用于分析振動信號并將其轉(zhuǎn)換為地震信號進行解釋。

根據(jù)光學(xué)原理和設(shè)計方案的不同，分布式光纖傳感系統(tǒng)分為兩種：一是散射型分布式光纖傳感系統(tǒng)，利用光纖中的散射原理和光時域反射技術(shù)發(fā)展而來，主要是利用瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射這三種散射來對沿光纜分布的溫度、應(yīng)變、振動、聲波等參量進行傳感[16]；另一種是干涉型分布式光纖傳感技術(shù)，在上述理論基礎(chǔ)上又利用了光學(xué)干涉理論，集成光纖干涉儀模塊，根據(jù)實際需要實施不同的測量要求，它們對外部參數(shù)引起的相位變化高度敏感，主要的干涉儀主要有Michelson光纖干涉技術(shù)、MZ光纖干涉技術(shù)、Sagnac光纖干涉技術(shù)等[17]。

2 分布式傳感器發(fā)展簡史

早在1986年，美國Los Alamos國家實驗室采用單模光纖開始相關(guān)的地球應(yīng)變儀項目研究，最終采用光學(xué)干涉式地球應(yīng)變傳感器的方式，觀測地震前兆信號[18]。1999年，有日本學(xué)者改進了基于光纖光柵傳感器的地球形變監(jiān)測系統(tǒng)，通過與位移計進行對比來進行相關(guān)研究[19]，后續(xù)的一系列研究證明關(guān)鍵是提高測量精度。由于光纖受到不均勻應(yīng)力的作用，光纖軸會產(chǎn)生微小不規(guī)則彎曲，其結(jié)果是傳導(dǎo)模變換為輻射模而導(dǎo)致光能損耗，美國Naval Research Laboratory基于此原理成功研制出一種超小型光纖加速度計[20]；2005年，波蘭的Z.Krajewski[21]和L.Jaroszewicz[22]利用Sagnac干涉原理制成光纖陀螺儀，經(jīng)過理論分析與實驗，證明了光纖陀螺儀可以應(yīng)用于地震監(jiān)測；國內(nèi)，白家疃北京國家地球觀象臺進行了一次DAS觀測實驗，通過落錘震源采集地震波信號，驗證了DAS的可靠性[23]。

國內(nèi)在認識到光纖布拉格光柵傳感器對電壓和應(yīng)變監(jiān)測的靈敏度不足的問題后，提出了一系列的解決思路：2005年，周振安等[24]從機械角度出發(fā)，剛性調(diào)整錨桿并主動連接到光纖光柵傳感器以傳輸負載，通過改變剛性連桿的長度，實現(xiàn)了不同倍數(shù)的機械靈敏度效應(yīng)，理論上可以將測量分辨率提高到10-9至10-10量級；2008年，鄧濤[25]設(shè)計出了一種新思路，該思想基于光纖干涉和光纖布拉格光柵傳感器的結(jié)合，將光纖布拉格光柵的絕對波長測量和光纖干涉測量的高精度相對測量相結(jié)合，將光纖檢測原理應(yīng)用于地球變形測量，實現(xiàn)高測量精度，經(jīng)過實際測試，系統(tǒng)精度可以達到1.27*10-10。

3 分布式傳感器應(yīng)用研究現(xiàn)狀

DAS率先在地震勘探領(lǐng)域中得到應(yīng)用[26]，之后逐漸推廣到其他地震學(xué)研究領(lǐng)域中[27-28]；在世界范圍內(nèi)，地震學(xué)界開展了跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、多層次的研究工作，共同探討DAS在天然地震學(xué)研究[29]、淺層結(jié)構(gòu)成像[30-31]、介質(zhì)變化監(jiān)測[32]等方面的應(yīng)用，DAS的高觀測密度優(yōu)勢在其他地震學(xué)研究領(lǐng)域中可以得到更好的應(yīng)用[33]。

目前地震學(xué)領(lǐng)域有一種共識，當(dāng)塑性巖石或蛇紋石被壓入上地殼和下地殼的裂縫中時，地震經(jīng)常發(fā)生，在此過程中會產(chǎn)生氫氣，從而導(dǎo)致正?？諝庵械臍錃鉂舛葎≡觯疃嗫蛇_正常氫氣含量的數(shù)萬倍[34]，這就意味著，通過監(jiān)測重點區(qū)域的氫氣濃度異?，F(xiàn)象可以提高地震預(yù)測的概率。光纖類氫氣傳感器是實現(xiàn)在線氫氣濃度安全監(jiān)測的較好選擇[35]：美國的Butler采用馬赫·曾德爾（Mach—Zehnder）干涉原理制作了光纖氫氣傳感器[36]，并于1991年提出了一種微鏡型光纖氫氣傳感器[37]；國內(nèi)的楊明紅等人也針對不同氫氣濃度的條件提出來具體的實施方案，應(yīng)用于高濃氫氣監(jiān)測的鈀合金型光纖氫氣傳感器、應(yīng)用于中低濃度氫氣報警的摻鉑三氧化鎢型光纖氫氣傳感器、應(yīng)用于超低濃度痕量監(jiān)測的三氧化鎢一鈀一鉑納米復(fù)合薄膜型光纖氫氣傳感器[38]。

在微地震監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是非常規(guī)開采石油等特殊環(huán)境下，光纖振動傳感器尤其是光纖布拉格光柵（FBG）振動加速度傳感器受到更為廣泛的關(guān)注[39]：Weng等人設(shè)計了一種U形懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG振動加速度傳感器，一方面通過U形懸臂梁放大振動信號，另一方面運用平膜片來減小傳感器橫向振動，極大地增強了橫向抗干擾能力[40]；劉欽朋等人設(shè)計一款雙懸臂梁結(jié)構(gòu)FBG振動加速度傳感器，不僅有較強的方向抗干擾能力，還能有效的消除溫度影響[41]，從這個角度看，光纖傳感器的應(yīng)用已經(jīng)走出了傳統(tǒng)的地震監(jiān)測領(lǐng)域，空間和適用范圍更為廣大。

在VSP井中地震勘探領(lǐng)域[42-43]，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者開展了大量的DAS與常規(guī)儀器的測試對比分析工作，證明DAS初步具備井中地震勘探的能力，并達成一個共識，即DAS在VSP應(yīng)用中最大的優(yōu)點是一次布設(shè)、多次重復(fù)觀測[44]；2015年1月，饒云江等人研發(fā)一套分布式聲波傳感系統(tǒng)，開啟了國內(nèi)第一次VSP實驗，試驗結(jié)構(gòu)現(xiàn)實可以清晰的看到一次反射波和二次反射波[45]；2018年國內(nèi)有學(xué)者在華北油田完成了DAS光纖井中地震與常規(guī)檢波器的對比采集工作，結(jié)果顯示DAS與常規(guī)檢波器Z分量采集數(shù)據(jù)具有較好的一致性，可以部分替代常規(guī)檢波器Z分量的采集工作，并且在實際生產(chǎn)中能有效地提高生產(chǎn)效率，降低施工成本[46]。

在應(yīng)用領(lǐng)域，2015年，電子科技大學(xué)與中石油合作進行井下試驗，通過第一代DAS設(shè)備采集到了3萬多個地震信號；之后雙方又進行了第二代系統(tǒng)的相關(guān)試驗，相比于第一代DAS，新機型進一步擴大了動態(tài)觀測范圍，靈敏度也有了很大的提升，可以清晰探測到地震直達波與反射波，此后在提升系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，雙方進行了更多的試驗，進一步提升了其工程實用性[47]。

在海上試驗領(lǐng)域[48]，2002年8月有機構(gòu)在渤海進行了一次光纖水聽器陣列的海上試驗，通過對比發(fā)現(xiàn)，光纖水聽器與標(biāo)準(zhǔn)水聽器在采集信號方面有相同的意義，具備有效性[49]；2017年1月北京神州普惠公司研發(fā)的1024基元光纖水聽器陣列探測系統(tǒng)在南海北部海域進行了海試，結(jié)果表明與傳統(tǒng)海洋地震勘探相比，在淺層分辨率上優(yōu)勢明顯，在經(jīng)過適應(yīng)性改進后完全能夠滿足海洋地震勘探的性能要求[50]。

以美國加州理工教授詹中文為首的團隊，設(shè)想通過遍布海底的光纖電纜來輔助進行地震監(jiān)測，研究中詹中文和谷歌使用一條名叫居里（Curie）的海底光纜，從美國洛杉磯延伸到智利瓦爾帕萊索，全程長達一萬多公里，其檢測技術(shù)可達到光學(xué)偏振干涉儀的靈敏度水平，這種新方法可初步檢測到幾十次地震，或?qū)⒏纳迫蚋鞯氐牡卣鸷[預(yù)警系統(tǒng)[51]。

4 結(jié)語

國內(nèi)外關(guān)于應(yīng)用光纖傳感技術(shù)地震計的研究和應(yīng)用，充分證明了光纖傳感技術(shù)地震計未來不可或缺的研究方向[52]，在未來，越來越多的光纖傳感器將應(yīng)用于防震，而光纖加速度傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景[53]。在傳感器制作方面，不僅可以在結(jié)構(gòu)方面進行改進優(yōu)化，還可以從光纖的制備和彈性材料方向入手，兩個研究方向都有重要的現(xiàn)實意義，監(jiān)測精度的研究還將會繼續(xù)深化[54]；另一方面，DAS的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴散到其他地震學(xué)研究領(lǐng)域，研究領(lǐng)域的擴展必定會進一步深化DAS的應(yīng)用，從而實現(xiàn)良性的互動。在這里同樣有很多具體工程問題需要解決：

（1）不同設(shè)備使用的參數(shù)不同，而且在應(yīng)變分辨能力方面有不小的差異，這就造成了不同的輸出強度對光纖信號有不同的影響。比如，如果震源強度過大，光纖信號有可能出現(xiàn)波形畸變進而導(dǎo)致信號失真[55]；

（2）DAS采用雙脈沖模式，系統(tǒng)中使用了兩個聲脈沖進行光脈沖調(diào)制。一些測試表明，調(diào)制穩(wěn)定性決定了信號調(diào)制的質(zhì)量，將光纖傳感技術(shù)擴展到地震勘探領(lǐng)域時，系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的地震檢波器差一個數(shù)量級[56]；

（3）當(dāng)信號沿著光纖傳播時，測得數(shù)據(jù)效果較好，但寬邊帶敏感性通常會很低，這是由于光纖測得的震動取決于聲波擾動的入射角；此外脈沖寬度不但影響DAS系統(tǒng)空間分辨率，還會影響信號質(zhì)量[57]；

（4）在實際工程應(yīng)用中，長距離的組網(wǎng)普遍存在，這樣就存在功率損耗[58]，另外多傳感器之間容易發(fā)生串?dāng)_。

這些問題是后期我們需要繼續(xù)跟蹤的研究重點，不過隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和突破，應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的地震計最終會走向?qū)嵱没推毡榛?/p>