地震物理模型光纖超聲成像技術(shù)研究（特邀）

邵志華，陰歡歡，王若暉，喬學(xué)光

（1 西北大學(xué)物理學(xué)院，西安 710072）

（2 西北大學(xué)油氣資源光纖測井技術(shù)陜西省高校工程研究中心，西安 710072）

0 引言

地震物理模型超聲波成像技術(shù)是將野外的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體按照一定的模擬相似比制作成地質(zhì)模型，在實驗室內(nèi)利用超聲波或激光超聲波等方法對野外地震勘探工作進(jìn)行正演模擬的一種地震模擬方法。地震物理模型實驗已廣泛應(yīng)用于石油天然氣勘探和開發(fā)中，如研究波傳播的基本規(guī)律和典型地質(zhì)構(gòu)造的地震響應(yīng)、優(yōu)化野外觀測系統(tǒng)和勘探方法，以及驗證波傳播理論和數(shù)學(xué)計算方法等。復(fù)雜模型中傳輸?shù)某暡ㄐ盘柾ǔ姸容^弱，需使用高性能的超聲波換能器采集模型回波信號。傳統(tǒng)的檢測方式是采用壓電陶瓷（Piezoelectric Transducers，PZT）換能器［1-5］，由于PZT 是基于機械共振的方式接收超聲波，自身結(jié)構(gòu)特征決定了其較窄的頻響特性。另外，在陣列傳感應(yīng)用中，PZT 信號難以解調(diào)且易受電磁環(huán)境的干擾。

相較而言，光纖超聲波傳感器能夠充分規(guī)避PZT 存在的多數(shù)不足，具有傳感器尺寸小巧（＜10 μm［6］）、靈敏度高（52.6 mV/kPa［7］）、頻帶寬（＞90 MHz［8］）、易復(fù)用（＞5 通道［9］）、不易受電磁干擾等優(yōu)點。因此，研究新型的光纖超聲波傳感器具有十分重要的科學(xué)技術(shù)意義和應(yīng)用價值。目前，光纖超聲波傳感器的發(fā)展趨勢主要聚焦于高靈敏度、高空間分辨率、寬頻響應(yīng)等特性。光纖超聲波傳感器的基本原理是超聲波與光纖之間的相互作用引起光纖傳輸光的強度、相位、波長、偏振態(tài)等發(fā)生變化，通過解調(diào)上述光參量的微小變化來獲取超聲波信息，解調(diào)方式包括相位解調(diào)［10］、強度解調(diào)［11］、光頻率解調(diào)［12］等。在材料和工藝等方面制備新型光纖超聲波傳感器件的同時，將光電轉(zhuǎn)換、電信號放大、濾波處理等技術(shù)融合用于信號解調(diào)系統(tǒng)，可進(jìn)一步提升光纖感測超聲波的信噪比。

在超聲回波采集端，光纖傳感器已表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢；在超聲波源激勵端，激光超聲波激勵技術(shù)逐漸涌現(xiàn)［13-18］。與傳統(tǒng)的PZT 電壓驅(qū)動激勵方式相比，激光超聲波技術(shù)可以在不同尺度和不同形貌的物體表面激發(fā)超聲波場，具有寬頻帶、多模式、高強度、非接觸等特點。基于光聲效應(yīng)，一系列光聲功能材料，如貴金屬納米顆粒［19-21］、碳納米管［22-25］、石墨烯［26-27］、有機納米顆粒［28-29］、半導(dǎo)體聚合物納米顆粒［30］等，已表現(xiàn)出高效的光聲性能。然而，幾乎所有的光聲功能材料都是為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用而設(shè)計的，這些光聲材料需具有低毒性、免疫原性、高目標(biāo)親和力和特異性，以及高生物相容性等。將光聲功能材料均勻涂覆于地震物理模型表面，可替代常規(guī)PZT 發(fā)射源，實現(xiàn)高品質(zhì)超聲激勵，即要求材料具有寬波段吸收、高熱聲轉(zhuǎn)換效率、高激光損傷閾值、低成本、易大面積鋪展等特性。因此，為繼續(xù)滿足地震物理模型實驗應(yīng)用需求，需進(jìn)一步發(fā)展高效的光聲功能材料及激光激勵技術(shù)。

將高品質(zhì)激光超聲激勵技術(shù)和高性能光纖超聲感測技術(shù)兼容結(jié)合，實現(xiàn)寬頻超聲波的高強度激發(fā)與高保真感測，即地震物理模型全光脈沖回波成像，可精細(xì)提取地震物理模型內(nèi)部構(gòu)造信息。20世紀(jì)90年代初［31］，世界著名的綜合性石油、天然氣、化工研究機構(gòu)----法國石油研究院率先提出了地震物理模型的光學(xué)超聲成像技術(shù)，即使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波和通過激光干涉儀檢測模型中的振動聲信號。由于地震物理模型中包含較多樹脂、硅橡膠、石蠟、石膏等弱光聲性能的材料，脈沖激光直接輻照于模型時難以產(chǎn)生高強度的超聲波，且接收端一般采用激光干涉儀，而此類干涉儀接收器存在價格貴、靈敏度低、使用不便等不足，因此，近些年鮮有報道地震物理模型全光超聲成像技術(shù)。對于地震物理模型室內(nèi)檢測來說，光纖靈活纖細(xì)、功能多樣化的特點使得全光纖超聲成像倍受關(guān)注。

縱觀光纖技術(shù)近幾十年的發(fā)展，光纖聲波傳感器在材料、結(jié)構(gòu)以及加工方式等方面均有較大的突破［32-34］，部分光纖聲波傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)無損檢測［35］、海洋地震勘探［36］等領(lǐng)域。如Takeda 和日立電纜有限公司研究了一種小直徑光纖Bragg光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）并用于碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測，根據(jù)所檢測蘭姆波的振幅比和到達(dá)時間估算出脫層長度。此外，北京神州普惠科技股份有限公司將光纖水聽器陣列探測系統(tǒng)應(yīng)用于海洋地震探勘，能清楚辨識海底地層不同的反射界面，具有靈敏度高、分辨率高、采集數(shù)據(jù)連續(xù)等優(yōu)點。本文主要綜述了光纖干涉型和光纖光柵型等幾種典型的光纖超聲波傳感器的傳感機理和發(fā)展現(xiàn)狀，對比展示了電聲換能器、光纖超聲波傳感器以及激光超聲波技術(shù)在地震物理模型超聲成像方面的研究進(jìn)展，深入分析了其中存在的科學(xué)技術(shù)問題與挑戰(zhàn)。通過綜合探討地震物理模型超聲波成像研究的發(fā)展新風(fēng)向，揭示室內(nèi)模擬技術(shù)創(chuàng)新的新趨勢和新機遇，以提升我國油氣資源勘測能力和信息化水平。

1 光纖超聲波傳感器研究進(jìn)展

由于光纖傳感技術(shù)相比于傳統(tǒng)電類檢測方式具有突出優(yōu)勢，表1 對比總結(jié)了光纖與PZT 的超聲波換能特點。光纖超聲波傳感器研究意義深遠(yuǎn)且發(fā)展?jié)摿薮螅?7］，隨著光纖結(jié)構(gòu)及種類的多樣化，以及光纖傳感器研制新方法和新工藝的不斷浮現(xiàn)，國內(nèi)外已報道了種類繁多的光纖超聲波傳感器及其相關(guān)應(yīng)用（如無損檢測、生物醫(yī)學(xué)成像等）。在已出現(xiàn)的多種光纖超聲波傳感器中，常采用的光纖超聲波傳感結(jié)構(gòu)主要有光纖光柵型、光纖干涉型等。結(jié)合激光微加工技術(shù)與新型傳感材料，光纖光柵型超聲波傳感器和干涉型光纖超聲波傳感器由于其自身優(yōu)勢（如結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)靈敏度高、易復(fù)用等）可實現(xiàn)高靈敏的超聲波探測。此部分主要介紹這兩種光纖超聲波傳感器及相關(guān)研究進(jìn)展。

表1 PZT 與光纖超聲傳感器性能對比Table 1 Comparison between PZT and fiber-optic ultrasonic sensor

1.1 干涉型光纖超聲波傳感器

干涉型光纖超聲波傳感機制主要基于兩束或多束光波之間的干涉，并且光波之間的相位差易受光纖微應(yīng)變的影響，因此可用于感測弱超聲波場的幅頻特性。目前，常用的光纖干涉儀主要有馬赫-曾德爾干涉儀型（Mach-Zehnder Interference，MZI），邁克爾遜干涉儀型（Michelson Interference，MI），薩格奈克干涉儀型（Sagnac Interference，SI），法布里-珀羅干涉儀型（Fabry-Perot Interference，F(xiàn)PI）等，如圖1 所示。

MZI 型光纖聲波傳感器是一種采用雙耦合器的透射型光干涉結(jié)構(gòu)，將干涉儀的一臂作為傳感端，另外一臂作為參考端，兩束光在第二個耦合器匯合干涉。聲場壓力波作用于傳感臂，引起傳感臂光纖的折射率、長度等參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致干涉儀兩臂的光程差發(fā)生改變，干涉光譜發(fā)生飄移。BUCARO J A 等［38］率先提出基于MZI 結(jié)構(gòu)的光纖超聲波傳感器，實現(xiàn)了水下40 Hz～400 kHz 寬頻帶聲波探測，最小探測聲壓為0.1 Pa。為了進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，研究人員還從光纖材料和結(jié)構(gòu)等方面開展了大量的研究［39-43］。GALLEGO D 等［44］提出了基于單模聚合物光纖的MZI 超聲波傳感器，如圖2（a）所示，該傳感器具有5 MHz以上的響應(yīng)頻帶，且靈敏度高達(dá)13.1 mrad/kPa。相比于常規(guī)石英傳感光纖，聚合物材料具有適配的聲阻抗和較低的彈性模量，與聲場更易耦合且對壓力波具有更高的響應(yīng)靈敏度，該類傳感器超聲靈敏度提升了10 余倍。隨后，LAN C 等［45］將光纖MZI 的傳感臂纏繞在空心圓柱體上，超聲壓力波耦合到柱體繼而作用于光纖，如圖2（b）所示。該傳感方案可探測到頻率為140 kHz 的超聲信號，但由于線圈纏繞型光纖超聲傳感器的尺寸相對較大，其頻率響應(yīng)會受到一定的限制。OUYANG B 等［46］將一種螺旋式硅波導(dǎo)作為光纖MZI 的傳感單元，如圖2（c）所示，其超聲探測極限為0.38 mPa/Hz1/2，動態(tài)范圍為59 dB。因此，通過優(yōu)化MZI 傳感光纖結(jié)構(gòu)，如使用多模光纖［47-48］、改性光纖涂覆層［49-51］等，或是設(shè)計高效的聲固耦合方式，如將光纖嵌入復(fù)合結(jié)構(gòu)［52］，可明顯改善超聲感測靈敏度。同時，此類傳感器存在以下亟待解決的問題：由于MZI 傳感單元體積較大，對高頻超聲波響應(yīng)靈敏度較低，適用于低頻聲波檢測；干涉結(jié)構(gòu)參考臂和傳感臂的長度較長，要求穩(wěn)健的光纖固定和封裝方法，以避免低頻擾動的影響；復(fù)用性不足，難以開展多通道的超聲感測。

MI 型和SI 型光纖聲波傳感器一般采用單耦合器構(gòu)建，相比MZI 型結(jié)構(gòu)較簡單。MI 型光纖超聲傳感原理與MZI 型相似，而MI 型屬于反射型干涉結(jié)構(gòu)。因此，MI 型光纖超聲波傳感器可借鑒MZI 型相關(guān)方法提升傳感器靈敏度和頻率響應(yīng)，也可進(jìn)一步優(yōu)化MI 型反射結(jié)構(gòu)以獲得較好的線性響應(yīng)度［53-54］。例如，LIU L 等［55］制作了一種基于聚丙烯/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PP/PET）隔膜的新型聲波傳感器，入射光通過PP/PET 薄膜的兩側(cè)反射到光纖準(zhǔn)直器中形成MI。如圖3（a）所示，在該傳感器的光路中，聲信號引起的膜片變形會被放大兩倍。該傳感器的靈敏度在90 Hz～4 000 Hz 的頻率范圍內(nèi)超過-128 dB re 1 rad/μPa，在頻率為600 Hz時，信噪比達(dá)到了約42 dB。但由于受傳感膜片半徑的尺寸限制（封裝尺寸2.3 mm×13 mm），該傳感器的工作頻率低于4 kHz。GANG T 等［56］提出了一種基于MI 結(jié)構(gòu)的斜口封裝式光纖超聲波傳感器，有效減小了MI 尺寸，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也得以提高。另外通過光纖端面涂覆的方式增強了干涉條紋可見度，整個傳感結(jié)構(gòu)的機械強度和響應(yīng)靈敏度均有提升。將此MI 結(jié)構(gòu)用于地震物理模型超聲波成像，能夠檢測到300 kHz 的連續(xù)脈沖超聲波信號。FAN P 等［57］提出了一種基于金膜片的MI 光纖聲波傳感器，MI 由兩個金膜片和一個光纖端面組成，如圖3（b）所示，確保了反射光的強度。采用電子束蒸發(fā)沉積法制備了厚度和直徑分別為300 nm和2.5 mm 的金薄膜，達(dá)到了高靈敏度和低噪聲水平，傳感器相位靈敏度約為-130.6 dB re 1 rad/μPa，靈敏度波動低于0.7 dB。目前，MI 聲傳感器件仍存在尺寸較大、穩(wěn)定性不足等問題，相較于FPI 傳感器而言，MI傳感器報道較少。在未來MI 聲波傳感器研究中，可通過縮短光纖MI 兩臂的長度，并減小傳感膜片的半徑，以提高傳感器的諧振頻率，進(jìn)一步提高傳感器的工作頻率范圍；此外，在實際應(yīng)用中可通過特定的結(jié)構(gòu)封裝來提高傳感器機械強度，制成傳感探針。

不同于上述兩種干涉結(jié)構(gòu)，光纖SI 是一種偏振敏感的共光路干涉結(jié)構(gòu)。光在SI 環(huán)路中正反傳輸時存在一定的相位差，從而形成干涉并可用于聲波檢測。該技術(shù)不需使用光參考臂，因此可有效降低MZI 型和MI 型光纖聲波傳感器存在的低頻干擾噪聲。由于SI 型光纖聲波傳感器探測頻率依賴于光纖線圈尺寸，實現(xiàn)寬頻帶檢測較為困難。FOMITCHOV P A 等［58］提出了一種光纖探針式非接觸超聲探測方法，用于檢測粗糙樣品表面的MHz 頻段蘭姆波，該探測提供了高空間分辨率的超聲波探測，并對裂縫（1 mm）進(jìn)行成像。此外，由于保偏光纖中光的偏振態(tài)容易受到光纖應(yīng)變的影響，進(jìn)而改變干涉相位，一種改進(jìn)方法是在光纖線圈上加一段保偏光纖或高雙折射光纖，2013年MARKOWSKI K 等［59］在SI 的光纖線圈上熔入一段熊貓型保偏光纖，如圖4（a）所示，該結(jié)構(gòu)在空氣中的頻率響應(yīng)平坦范圍為300 Hz～4.5 kHz。另一種改進(jìn)方法是構(gòu)建膜片式傳感探頭來進(jìn)一步提高SI 檢測頻帶，MA J 等［60］基于膜片式探頭研制了新型的SI 光纖聲波傳感器，其在空氣中的聲頻率響應(yīng)范圍提升至1 kHz～20 kHz。另外，通過在光纖環(huán)路中增設(shè)光學(xué)器件優(yōu)化光譜質(zhì)量，ZHAO W 等［61］在光纖環(huán)路中增設(shè)兩個偏振控制器和一個適配器，調(diào)節(jié)偏振控制器和旋轉(zhuǎn)適配器，以獲得最佳的干涉條紋，如圖4（b）所示。該SI 光譜條紋可見性可達(dá)43.9%，接近于最高理論值50%，基于B-Scan 掃面檢測方法，實現(xiàn)了對不同深度表面缺陷的精細(xì)評價。研究表明，SI 尾纖環(huán)的尺寸決定了所能檢測的超聲波頻率，理論上1 cm 直徑的尾纖環(huán)結(jié)構(gòu)可檢測到200 kHz 以下超聲波。Sagnac 超聲波檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與傳輸光的偏振態(tài)有關(guān)，在系統(tǒng)中集成偏振器件可有效增強其穩(wěn)定性，但也更復(fù)雜。

相較于上述MZI、MI 以及SI 型三種光纖干涉儀，F(xiàn)PI 光纖傳感器無需耦合器和參考臂，具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單等優(yōu)勢［62-68］。光纖FPI 主要分為本征型光纖FPI（EFPI）和非本征型光纖FPI（IFPI），其核心為兩個光反射面構(gòu)造的FP 腔，一般通過解調(diào)聲場引起FP 腔長度的變化來實現(xiàn)聲波探測。早期光纖FPI傳感器主要利用光彈效應(yīng)檢測超聲波信號，當(dāng)聲壓力波作用于傳感光纖時，其折射率發(fā)生改變，從而引起干涉光相位的變化和光譜飄移。WEI H 等［69］提出了一種基于空芯光纖的封閉式空氣腔EFPI，并將其作為多波長光纖環(huán)形激光超聲波傳感系統(tǒng)的反饋單元，其激光輸出邊模抑制比大于30 dB，實驗中可探測到10 MHz 的超聲波信號。盡管上述傳感器具有一定的超聲感測能力，但其靈敏度和響應(yīng)頻帶受限于傳感光纖的結(jié)構(gòu)和材料。近些年，基于膜片式的EFPI 型聲波傳感器備受關(guān)注，成為聲波探測領(lǐng)域的主要傳感方式。根據(jù)固體力學(xué)理論，此類EFPI 型傳感器的聲學(xué)表現(xiàn)與膜片材料性質(zhì)息息相關(guān)。因此，研究人員常使用金屬膜［70］、石墨烯膜［71］以及二氧化硅膜［72］等楊氏模量較低（1.14 GPa～1.42 GPa［73］）、厚度極?。{米級別［74］）、穩(wěn)定可控的膜片材料制作高靈敏度的微型光纖EFPI 聲傳感器。XIANG Z 等［75］采用薄金屬膜作為傳感膜片，如圖5（a）所示，所研制傳感器具有400 Hz～12 kHz 的寬平坦響應(yīng)范圍，幾乎覆蓋了可聞聲波的主頻率成分。NI W 等［76］提出了一種由光纖端面和厚度為10 nm 的石墨烯薄膜組成的超寬帶光纖聲波傳感器，如圖5（b）所示，超寬帶頻率響應(yīng)范圍為5 Hz～0.8 MHz，涵蓋了次聲到超聲的頻率范圍。FU X 等［77］在硅襯底上制作FP 腔，平坦頻響區(qū)域為0.5 Hz～250 Hz，可用于低頻聲波檢測，如圖5（c）所示，傳感器靈敏度波動小于0.8 dB。超聲波實為動態(tài)應(yīng)變波，作用于光纖時沿光纖軸向拉伸或壓縮光纖，使之發(fā)生形變。若選用楊氏模量更小的材料替代石英光纖，所構(gòu)建FPI 傳感器的超聲波靈敏度更高。THATHACHARY S 等［78］制作了一種聚合物光纖FP 腔，通過在諧振腔內(nèi)創(chuàng)建一個自對準(zhǔn)聚合物波導(dǎo)來限制衍射損失，在25 MHz 帶寬上的等效噪聲壓力為350 Pa。FPI 型光纖超聲波傳感器制作簡單，膜片式FPI 結(jié)構(gòu)非常適用于高靈敏的聲波探測，但該類傳感器仍存在機械強度低、魯棒性不足等缺點。因此，需優(yōu)化選擇傳感光纖和膜片材料，結(jié)合先進(jìn)的加工及封裝工藝，進(jìn)一步提升FPI 傳感器的聲學(xué)性能。

此部分主要綜述了系列干涉型光纖超聲波傳感器的基本特點和發(fā)展趨勢，特別是光纖FPI 型傳感器，具有探測頻帶更寬、制作封裝更簡單、解調(diào)方式更豐富等明顯優(yōu)勢，屬于目前主流的干涉型光纖超聲波感測方式。干涉型光纖傳感器具有較高的超聲波響應(yīng)靈敏度，但同時對其他物理量（如溫度、低頻振動等）也較為敏感，在超聲波探測過程中容易產(chǎn)生可見的本底噪聲。因此，需要結(jié)合反饋調(diào)諧機制［79］以保持傳感器穩(wěn)定，運用信號放大、濾波、去噪等處理技術(shù)來綜合提高傳感器聲波信號的信噪比。

1.2 光纖光柵型超聲波傳感器

當(dāng)超聲波場作用在FBG 上時，導(dǎo)致FBG 周期和有效折射率發(fā)生變化，從而改變FBG 反射中心波長［80-82］。光纖光柵型超聲波傳感器克服了測量結(jié)果受光源功率波動影響的缺點，反射光譜帶寬窄，易于復(fù)用，可在一根光纖上級聯(lián)多個FBG 構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)超聲波多點準(zhǔn)分布式測量。光纖光柵超聲靈敏度取決于柵區(qū)長度（L）與超聲波長（λS）的相對大?。寒?dāng)時，超聲波作用于FBG 的應(yīng)力場呈正弦分布，對柵區(qū)的拉伸和壓縮作用互相抵消，超聲波的作用可以忽略；當(dāng)時，超聲波波長與FBG 長度相當(dāng)，超聲作用時FBG 反射光譜的形狀和波長均發(fā)生變化；當(dāng)時，作用在FBG 上的超聲波應(yīng)變?yōu)槌Ａ?，因此FBG反射光譜的波長發(fā)生漂移而形狀保持不變。因此，使用FBG 檢測超聲波時，F(xiàn)BG 的柵區(qū)長度需盡可能小于超聲波波長。

WEBB D J 等［83］報道了FBG 型超聲波傳感器，用于檢測950 kHz 超聲波。隨后，該課題組進(jìn)一步優(yōu)化了解調(diào)技術(shù)，基于非平衡干涉區(qū)分原理，成功探測到10 MHz 高頻超聲波，由此分析了FBG 長度與傳感器靈敏度之間的關(guān)系。相移光纖光柵（Phase-Shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG）因其傳感光譜中存在帶寬極窄的相移峰（數(shù)皮米），基于光譜邊帶濾波法，在超聲感測靈敏度方面極具優(yōu)勢。傳感光源使用窄線寬激光器，將激光輸出波長調(diào)制于PS-FBG 相移峰上，進(jìn)行邊帶濾波解調(diào)，傳感器靈敏度優(yōu)于常規(guī)FBG。2011年，ROSENTHAL A 等［84］提出了基于PS-FBG 的超聲傳感器，實現(xiàn)了對頻率在10 MHz 以下的超聲波的高靈敏度測量。2016年，HU L 等［85］使用一對PS-FBG 對超聲波進(jìn)行探測，其中一個光柵作為傳感元件，另一個光柵作為參考并與聲信號隔離，兩者的檢測信號相減以消除噪聲，實驗結(jié)果顯示傳感系統(tǒng)的信噪比可提高20 dB。傳感器封裝也是決定光纖光柵感測性能的關(guān)鍵，LIU W F 等［86］提出了一種新型的光纖水聽器，將柵長為20 mm 的光纖光柵封裝在貼有硅膜片的凹槽上，如圖6（a）所示，并且通過減小光纖直徑提高了FBG 的頻率響應(yīng)和靈敏度，圖6（b）為靈敏度曲線圖，成功探測到水下4～10 kHz 的低頻聲波。此外，通過改善光纖材料和加工工藝也可大幅提升FBG 超聲傳感器的性能。LI C 等［87］提出了一種側(cè)面拋光的FBG 傳感器，用于檢測由軸向或徑向傳播的超聲波引起的光柵軸向應(yīng)變，如圖6（c）所示，并且驗證了軸向和徑向工作模式下超聲波長/布拉格比對傳感器聲壓響應(yīng)的依賴性，從而有助于在有限的測量范圍內(nèi)（40～120 kHz）以提高靈敏度（91.29 nm/MPa），如圖6（d）所示。WEI H 等［88］采用雙光子3D 打印技術(shù)制備了一種基于聚合物相移光柵波導(dǎo)（PS-BGW）的微型超聲傳感器，PS-BGW 器件的截面積為1.5 μm×2 μm，光柵長度僅為100 μm，靈敏度為1 878.6 mV/MPa?；谖⒉▽?dǎo)的微納光柵器件可以極大提高超聲探測靈敏度，同時通過優(yōu)化波導(dǎo)參數(shù)，可使器件表面光滑化，減少了散射和耦合造成的光損失，進(jìn)一步優(yōu)化傳感器檢測靈敏度。

除了上述無源FBG 超聲波傳感技術(shù)，分布式反饋光纖激光器（Distributed Feedback Fiber Laser，DFB）也可用于超聲波檢測。DFB 技術(shù)通過在增益光纖上刻寫FBG，可輸出具有極窄線寬的高功率激光，有效增強檢測信噪比，實現(xiàn)有源型超聲探測。2005年，GUAN B O 等［89］通過在摻餌光纖上刻寫兩個反射率大于99%的FBG，構(gòu)建了如圖7（a）所示的分布反射式（Distributed Bragg Reflector，DBR）光纖激光器實驗系統(tǒng)，測試了圖7（b）所示的拍頻信號，可以檢測頻率高達(dá)40 MHz 的超聲波。由于雙折射效應(yīng)的存在，激光器輸出兩束不同頻率且偏振態(tài)正交的窄線寬激光。受超聲擾動時，光纖的雙折射率發(fā)生變化，從而改變激光器諧振腔的腔長，導(dǎo)致兩個偏振態(tài)的激光相對頻率發(fā)生變化，通過檢測相對頻率的波動實現(xiàn)對入射超聲波的高靈敏探測。此外，LYU C 等［90］使用DBR 測量了雙頻超聲波，理論上分析了不同調(diào)制深度下雙頻超聲波壓力與DBR 傳感信號輸出的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，采用3 MHz 和5 MHz 超聲信號調(diào)制傳感光纖中的雙折射率，對DBR 傳感器的遠(yuǎn)、近場輸出進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，DBR 聲傳感器在不同測試距離和不同超聲波振幅下具有多頻超聲識別能力?；贒FB 原理，DBR 光纖激光器則是在增益光纖上刻寫共振波長相匹配的雙FBG，一般通過解調(diào)超聲波所引起的DBR 拍頻信號變化來獲取波源信息。在基于光纖激光器的超聲波傳感器件制作過程中，可通過腐蝕或是在光纖表面涂覆聲阻抗材料等方式進(jìn)一步提升探測性能。

FBG 反射光譜具有窄帶寬特征，易于復(fù)用，可在一根光纖上級聯(lián)多個FBG 構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點準(zhǔn)分布式超聲波測量?；贔BG 波分復(fù)用技術(shù)，TANAK S 等［91-94］實現(xiàn)了水環(huán)境中超聲波多點高精度檢測，說明FBG 超聲波傳感器具有良好的復(fù)用性。此外，F(xiàn)BG 線形結(jié)構(gòu)的超聲縱波響應(yīng)具有明顯的方向性，沿光纖方向的靈敏度遠(yuǎn)大于其他方向，因此通過結(jié)合三個同波長的FBG，并以一定角度擺放［95］，可以感測2D 超聲波，分析不同F(xiàn)BG 的超聲波響應(yīng)信號即可判斷超聲波源位置?；诩す鈴姸日{(diào)制方法，LIU G［96］等報道了啁啾FBG 超聲傳感器的多路復(fù)用和解復(fù)用工作，如圖8 所示，使用15 MHz 和25 MHz 的正弦載波信號調(diào)制激光強度，超聲信號分別由150 kHz 和200 kHz 的壓電換能器產(chǎn)生，在頻域上將超聲信號編碼的載波信號和邊帶信號與其他信道的載波信號和邊帶信號分離。雙通道系統(tǒng)的實驗結(jié)果表明，兩通道之間不存在串?dāng)_，很好地證實了FBG 超聲傳感器的復(fù)用特性。在實際應(yīng)用中，通常使用光開關(guān)實現(xiàn)通道擴展以增加波分復(fù)用傳感器數(shù)量，通道擴展會降低傳感器的掃描速度，同時系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。

本節(jié)主要綜述了FBG 及其相關(guān)器件的聲波傳感特點和研究現(xiàn)狀，F(xiàn)BG 用于超聲波檢測時有其獨特優(yōu)勢，如批量寫制、穩(wěn)定可靠、容易復(fù)用等。相比于干涉型超聲波傳感器，F(xiàn)BG 超聲波傳感器在制作工藝、系統(tǒng)穩(wěn)定性、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但仍存在靈敏度低、難以檢測高頻超聲波等不足。

以上主要介紹了干涉型和光纖光柵型光纖超聲波傳感器的技術(shù)特點和發(fā)展現(xiàn)狀，不同光纖傳感器感測超聲波時在傳感結(jié)構(gòu)、制作方法、響應(yīng)靈敏度、響應(yīng)頻帶、測量精度等方面各有特點，需結(jié)合實際應(yīng)用需求擇優(yōu)而取。近二十年國內(nèi)外已積極開展了光纖超聲波傳感器的諸多研究，不斷突破傳感器小尺寸、寬頻帶、高靈敏度檢測的極限，并充分應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像［97-98］、結(jié)構(gòu)無損檢測［99-101］、局部放電的檢測［102-103］、地震物理模型超聲成像［104］等方面。

2 地震物理模型超聲成像

地震物理模型是按儲藏地質(zhì)結(jié)構(gòu)等比例縮小的三維模型結(jié)構(gòu)，作為一種實驗室模擬方法可用于地震波傳輸規(guī)律驗證及理論預(yù)測，模擬結(jié)果具有真實性，不受計算方法、假設(shè)條件的限制，在近乎理想的地質(zhì)模型條件下探究彈性波的傳輸行為。相較于地震現(xiàn)場，在實驗室搭建地震物理模型成本更低，且具有很好的重復(fù)性、穩(wěn)定性及可控性。地震物理模型成像系統(tǒng)中的超聲波激勵源和信號接收器可統(tǒng)稱為超聲換能器，現(xiàn)階段超聲換能器主要有電聲換能器、光纖超聲換能器（即光纖超聲傳感器）、激光超聲換能器等，如下分別介紹其在地震物理模型超聲成像方面的應(yīng)用。

2.1 基于電聲換能器的模型成像

在常規(guī)地震物理模型超聲成像實驗中，一般采用電聲換能器作為實驗室模型數(shù)據(jù)采集的激發(fā)源和接收器。其中，利用壓電換能器產(chǎn)生和接收超聲波已成為最常用的方式，主要表現(xiàn)形式為PZT。在實際的超聲波檢測應(yīng)用中，探測物表面的粗糙程度、探測物內(nèi)部的構(gòu)造情況、超聲耦合劑的性能等都會影響測試結(jié)果。加拿大卡爾加里大學(xué)COOPER J K 等［105］采用電聲換能器對高速楔形模型進(jìn)行了二維超聲測試，建立聲學(xué)有限差分法確定聲波在模型中的傳播時間，并識別不同反射回波的模式。此外，通過幾種深度偏移方法，成功地實現(xiàn)了純縱波的主反射成像。此外，休斯敦大學(xué)WONG J 等［106］構(gòu)建了基于高精度直線電機的三維定位系統(tǒng)，并將其與多個發(fā)射和接收壓電換能器陣列耦合，對有機玻璃模型進(jìn)行了快速且清晰的掃描成像，如圖9 所示。韓國海洋大學(xué)KIM D 等［107］開發(fā)了能夠自動控制震源和接收器三軸定位的地震物理建模系統(tǒng)，在鹽丘模型上進(jìn)行了多道采集，獲得的模型圖像與地震勘探圖像一致。北京石油大學(xué)DING P B等［108］利用兩組頁巖塊體建立了物理模型，并掃描獲得了二維地震數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，不同的粘土含量和孔隙度對地震反射有較大的影響，并且用三項反演方法估計了彈性性質(zhì)和縱波各向異性參數(shù)，搭建的系統(tǒng)如圖10 所示。吉林大學(xué)WANG Q 等［109］建立了一系列平行微裂縫的三維物理模型，同時利用三分量換能器對該模型進(jìn)行了探索，并采集了三維彈性波數(shù)據(jù)，分析了橫波傳播特性。通過研究彈性波中共極化和交叉極化響應(yīng)幅值的變化以及橫波分裂現(xiàn)象，可以判斷裂縫的方向和密度等性質(zhì)。

在復(fù)雜物理模型研究中，PZT 的輻射面積較大而反射信號復(fù)雜，震源接近點源可優(yōu)化模型成像精度。目前實現(xiàn)點源有兩種途徑：一是減小壓電晶片的輻射面積，二是使用特殊形態(tài)的壓電晶片（球狀或管狀壓電晶片）。以上技術(shù)在實現(xiàn)時存在以下矛盾：首先，小直徑（＜5 mm）的球狀壓電晶體很難制作；其次，當(dāng)輻射面積減小且換能器工作頻率不變時，換能器中壓電晶片的厚度與直徑接近，使得晶片內(nèi)的其他振動模式能量增大；同時，減小換能器的輻射面積，勢必大幅降低換能器的功率和靈敏度。此外，PZT 易受電磁干擾，也存在靈敏度低、復(fù)用差等問題。如上諸多限制給電聲換能器的性能提升帶來了很大的挑戰(zhàn)，因此，光纖超聲傳感器可代替PZT 實現(xiàn)高精度的地震物理模型成像。

2.2 基于光纖超聲傳感器的模型成像

光纖超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)小巧緊湊、不受電磁干擾、多通道同時檢測等優(yōu)點，因此可替代傳統(tǒng)模型研究中的PZT 超聲接收器，實現(xiàn)高信噪比的超聲回波檢測。地震物理模型光纖超聲成像系統(tǒng)采用PZT 作為超聲激發(fā)源，光纖超聲傳感器作為回波接收器。GUO J 等［110］報道了基于PS-FBG 的光纖超聲掃描成像研究，傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖11（a）所示，物理模型如圖11（c）所示為多層有機玻璃板模型。采用系統(tǒng)圖11（b）所示對模型進(jìn)行二維超聲掃描，PS-FBG 超聲傳感器呈現(xiàn)出高靈敏度及高成像分辨率特征如圖11（d），傳感器的響應(yīng)幅值（Signal-Noise Ratio，SNR）為45 dB（200 kHz）。但在實際的地震物理模型光纖超聲波成像研究中，仍需進(jìn)一步提升光纖傳感器性能，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)微巧、高靈敏度、寬頻帶響應(yīng)、多路復(fù)用等感測能力。

在地震物理模型光纖超聲波成像領(lǐng)域，本課題組開展了長期深入的研究，以下主要展示了本課題組近些年在地震物理模型光纖超聲波成像領(lǐng)域的研究進(jìn)展。光纖超聲傳感器逐漸趨于微型化，不斷實現(xiàn)高靈敏度、高空間分辨率和寬頻帶的傳感功能，以滿足復(fù)雜地震物理模型超聲波掃描精細(xì)成像的需求。對于干涉型光纖超聲波傳感器，主要集中于FPI 及微結(jié)構(gòu)等傳感類型，圖12 為近期研制的兩種干涉型光纖超聲波傳感器。圖12（a）展示了基于錐形多芯光纖（Tapered Multi-Core Fiber，TMCF）的緊湊型光纖超聲波傳感器，其透射光譜如圖12（b）所示，在TMCF 的錐形區(qū)域極易激發(fā)和耦合多模態(tài)光場，從而形成高靈敏度的模間干涉。超聲波改變TMCF 錐體周圍介質(zhì)（如水）的有效折射率，而周圍水體與TMCF 透射光之間存在倏逝場相互作用，從而可對TMCF 的透射光譜進(jìn)行周期性調(diào)制。該TMCF 傳感器被封裝在聚氨酯棒上，作為超聲波探頭可獲得高信噪比的電壓信號［111］。圖12（c）是一種基于懸芯光纖的微型超聲波傳感器，采用雙FBG代替常規(guī)光纖端面反射鏡，從而構(gòu)成光纖內(nèi)FPI 干涉儀（FBG-FPI），大大提高了FPI 傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。懸芯光纖傳感器的反射光譜如圖12（d）所示，由于該光纖IFPI 結(jié)構(gòu)尺寸微小（傳感尺徑＜20 μm），將其用作室內(nèi)地震物理模擬探頭，可感測MHz 級超聲波，因此非常適用于高頻超聲波探測［112］。

本課題組在FBG 型超聲波傳感器的研究中并未采用常規(guī)的PS-FBG，而是創(chuàng)造性地改進(jìn)封裝技術(shù)和刻柵技術(shù)來進(jìn)一步提高FBG 傳感器的超聲波靈敏度。圖13（a）是一種基于聲耦合錐封裝的FBG 超聲波傳感器［113］，其光譜圖如圖13（b）所示。將光纖光柵-法布里珀羅傳感器固定于聲耦合錐的頂端，通過錐體的底面接收超聲波，同時外圍增設(shè)保護(hù)性封裝殼體，基于聲耦合錐間接耦合的方式，可增強整個傳感結(jié)構(gòu)的機械強度；更為重要的是，獨特設(shè)計的聲耦合錐具有聲聚焦效果，可將模型中的超聲回波高效聚焦于傳感光纖上，增加光纖的軸向應(yīng)變幅度，從而大幅提升FBG 傳感器的響應(yīng)靈敏度。圖13（c）所示為一種基于聚合物波導(dǎo)的微型光柵傳感器［114］。不同于常規(guī)石英光纖光柵傳感器，此處使用紫外膠聚合物波導(dǎo)刻寫傳感布拉格光柵。利用毛細(xì)管效應(yīng)將紫外膠密封在毛細(xì)管中，以制備質(zhì)地均勻的聚合物波導(dǎo)，然后采用逐行刻寫技術(shù)，通過激光束橫向掃描，對聚合物波導(dǎo)的折射率形成周期性調(diào)制，以獲得不同柵區(qū)長度的聚合物光柵，反射光譜圖如圖13（d）。實驗結(jié)果表明，與具有相同反射率的單模FBG 和PS-FBG 相比，聚合物光柵傳感器由于其較低的楊氏模量，對相同強度的超聲場擁有較高的響應(yīng)幅值。

圖14 為基于邊緣濾波解調(diào)技術(shù)搭建的地震物理模型光纖超聲成像系統(tǒng)的裝置，整個系統(tǒng)可分為超聲波發(fā)射部分和接收部分。超聲波發(fā)射部分通過函數(shù)發(fā)生器發(fā)出電壓信號，從而驅(qū)動PZT 產(chǎn)生對應(yīng)頻率與波形的超聲波，經(jīng)由水傳播到待測物理模型，超聲波在模型的各個層面發(fā)生反射和透射，層面深度越大，反射波時延越大，各層面不同時延的超聲反射波信號通過光纖傳感器接收。系統(tǒng)光路的光源為窄帶可調(diào)諧激光器（Santec，TSL-710），光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器傳輸至光纖傳感器，經(jīng)超聲調(diào)制的光波信號再次由光纖環(huán)形器到達(dá)光電探測器（PD：New focus，2117-FC），最后通過示波器（RIGOL，DS2302A）采集超聲電壓信號。將地震物理模型放置在水箱中，并將光纖傳感器與PZT 固定在掃描平臺（Newport，SMC100）上，換能器下端均剛好浸入水中，掃描平臺通過RS232-USB 接口與電腦相連，以操縱光纖傳感器與PZT 進(jìn)行三維掃描檢測。為了獲取最佳的超聲響應(yīng)，將光源波長調(diào)至傳感器光譜邊帶的3 dB 帶寬處，超聲波作用于傳感器將引起FBG 或干涉光譜變化，基于邊帶濾波技術(shù)即可將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而實現(xiàn)高頻超聲信號的快速解調(diào)。

在地震物理模型超聲回波探測過程中，對獲取的多道回波信號進(jìn)行去噪放大處理，結(jié)合成像算法可獲得物理模型的三維圖像。根據(jù)地震物理模型縮放規(guī)則，超聲波工作頻率為100 kHz～10 MHz。將地震物理模型放置于消聲水箱中，使用水作為超聲波傳輸耦合劑，可降低高頻超聲波的傳輸損耗；同時，水具有高比熱容特征，在室溫測試環(huán)境中可有效減小溫度波動對光纖傳感器性能的影響。本課題組所研制的系列光纖傳感器均表現(xiàn)出不同的SNR、響應(yīng)帶寬、動態(tài)范圍等特性，在地震物理模型掃描成像過程中，可根據(jù)成像環(huán)境、模型大小、空間分辨率等需求選擇合適的傳感器結(jié)構(gòu)。圖16（a）展示了模擬斷面地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維復(fù)雜物理模型，模型長60 cm，寬60 cm，高12 cm，重量超過250 kg。分別對模型第1 層和第2 層的形態(tài)進(jìn)行測試，以說明模型層次的結(jié)構(gòu)特征。圖15（a）和（b）是層表面的二維輪廓，其中圖15（c）和（d）中的顏色輕度分別表示圖15（a）和（b）模型厚度的變化，層1 和層2 的形態(tài)學(xué)圖像與圖15（c）和（d）中的層表面吻合良好。

對復(fù)雜三維地震物理模型掃描成像的典型過程為：兩個探頭端面與水下模型相距5 cm，光纖傳感器和PZT 間隔4 cm，二者以1 mm 的步進(jìn)距離沿著導(dǎo)軌滑動，對水箱底部模型進(jìn)行點對點橫向掃描，通過示波器或數(shù)據(jù)采集卡實時記錄傳感器探測的回波信號。根據(jù)超聲波在模型各層和水中的傳播速度不同，利用時間渡越法即可重建地震物理模型的圖像。圖16（a）展示了模擬斷層特征的模型結(jié)構(gòu)（如圖中標(biāo)識所示），對特征區(qū)域進(jìn)行三維掃描后即可獲得如圖16（b）所示的三維模型圖像，清晰展現(xiàn)了模型內(nèi)部各層的特征分布情況。此外，利用光纖傳感器和PZT 對模型尖滅層進(jìn)行了掃描檢測，成像結(jié)果如圖16（c）和16（d）所示。相比之下，兩種換能器都能清晰揭示尖滅層特征，光纖傳感器重建圖像具有更完整的尖滅層形貌，同時也獲取了尖滅層下更多的構(gòu)造層信息，而自發(fā)送和自接收模式的PZT 在圖16（d）中只能顯示出模糊的尖滅層輪廓。由此說明，在地震物理模型成像中光纖傳感器性能更具優(yōu)勢，能夠感測到模型深層微弱的回波信號。

針對地震物理模型光纖超聲波成像技術(shù)，本課題組經(jīng)過多年的探索和研究，基本實現(xiàn)了對寬頻帶超聲波信號的高靈敏度檢測及對多種復(fù)雜地震物理模型的精細(xì)成像。本課題組將繼續(xù)瞄準(zhǔn)地震物理模型光纖超聲波檢測的難點，深入優(yōu)化光纖超聲傳感器性能，發(fā)展光纖超聲傳感復(fù)用技術(shù)，以期形成一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高靈敏度、系統(tǒng)穩(wěn)定、可組網(wǎng)的光纖超聲波檢測儀器。

2.3 基于激光超聲激勵的模型成像

激光超聲波模型成像技術(shù)將激光超聲源和光纖傳感器相結(jié)合，是解決寬頻超聲高品質(zhì)激勵和回波高靈敏檢測的有效方法，可實現(xiàn)地震物理模型全光脈沖回波超聲成像，精細(xì)重構(gòu)地質(zhì)模型深層構(gòu)造特征。相比于PZT 超聲激勵方式，激光超聲波技術(shù)所激勵的超聲波具有寬頻帶、高強度、多模式等優(yōu)勢。將納秒脈沖激光輻照于具有高吸收特性的光聲功能材料，材料吸熱產(chǎn)生周期性膨脹收縮，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波，如圖17（a）為地震物理模型激光超聲原理，圖17（b）為模型內(nèi)部激光超聲激勵傳播圖。

1990年P(guān)OUET B 等［31］介紹了激光超聲波方法在地球物理探測中的應(yīng)用，在如圖18（a）所示的測試系統(tǒng)中，發(fā)射端使用1 064 nm Nd：YAG 激光器產(chǎn)生寬頻超聲信號，激光最大能量值為100 mJ，持續(xù)時間為20 ns，峰值功率為5 mW，超聲檢測端采用激光干涉儀，在巖石物理模型中測量了材料彈性波的本征張力和頻散，并且模擬了井間地震實驗，如圖18（b）所示。如引言所述，為了進(jìn)一步提高激光超聲波成像效果，一種解決方案是采用具有高光聲轉(zhuǎn)換效率的功能材料覆蓋在模型表面，以提高激光超聲波激發(fā)強度。

近期，本課題組采用光聲功能材料作為地震物理模型成像系統(tǒng)激勵超聲波的媒介，功能材料因吸收納秒激光而發(fā)生熱膨脹，通過熱彈效應(yīng)或熱蝕效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場，進(jìn)而在模型內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，可為地震物理模型成像提供高強度、寬頻帶、多模式的超聲源。針對大型復(fù)雜物理模型，需將光聲功能材料均勻涂敷于模型表面，因此選擇吸收波長匹配、光聲轉(zhuǎn)化效率高、價格低廉易鋪展、成膜性好等特點的光聲功能材料尤為關(guān)鍵。實驗室激光超聲波成像系統(tǒng)如圖19（a）所示，采用532 nm 納秒脈沖激光器作為激勵源，脈沖重復(fù)頻率為1 Hz～12 Hz，單脈沖功率為1 mW～6 mW，光斑半徑為1 mm，納秒激光通過系列光調(diào)制后聚焦輻照于模型表面的光聲功能材料上。使用PZT 或光纖傳感器接收超聲回波，結(jié)合電動位移臺對物理模型進(jìn)行激光掃描檢測。課題組LIU X 等［115］制備了高效Co3O4納米片（CONAs）功能材料，并將其應(yīng)用于地震物理模型成像系統(tǒng)。電鏡圖和紫外吸收譜圖如圖19（c）所示，因CONAs 具有較高的光吸收和光聲轉(zhuǎn)換效率以及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，與SiO2相比，CONAs 產(chǎn)生的光聲相響應(yīng)信號幅值提高了16 倍以上。將CONAs 平鋪于模型表面，如圖19（b）所示，使用中心頻率為1 MHz 的PZT 接收模型的回波，經(jīng)激光掃描后可清晰重構(gòu)模型分層特征，成像結(jié)果如圖19（d）所示。由于單金屬對532 nm 光具有高吸收特點，JIN K 等［116］使用金納米薄膜作為超聲激發(fā)的功能材料，使用標(biāo)準(zhǔn)PZT 接收回波信號，通過反演運算成像得到了清晰的模型分層圖像。相較于CONAs，金納米薄膜制作工藝更成熟，通過市場購置即可獲得不同厚度的成品，且光聲轉(zhuǎn)換能力也優(yōu)于常規(guī)模型制作材料，符合光聲功能材料選取的一般特征。PENG Y 等［117］自制了一種多功能光聲磁熱納米材料，即SiO2/C/Fe3O4。采用有限元方法模擬分析了材料的光聲信號，利用532 nm 納秒脈沖激光照射SiO2/C/Fe3O4薄片，結(jié)果表明，SiO2/C/Fe3O4具有較好的光聲功能，電鏡圖和紫外吸收譜圖如圖20（a）所示，相比于金膜，其光聲信號幅值提高了近5 倍，光聲信號測試圖如圖20（b）所示。為了進(jìn)一步實現(xiàn)對大型物理模型的大面積鋪展檢測，XU L 等［118］選取了低成本的石墨烯膜片，通過改變激光功率和薄膜厚度，對石墨烯膜片的光聲效應(yīng)進(jìn)行了理論分析和實驗驗證，并且應(yīng)用于物理模型檢測時，可以清晰地獲得模型分層信息。

光聲功能材料的光譜吸收特性與熱致彈性應(yīng)變特征，以及光聲信號與地震物理模型的高效耦合是超聲波源寬頻帶、高信噪比、多樣化激勵的關(guān)鍵。雖然多數(shù)材料具有不錯的光聲響應(yīng)，但若無法承受高能量脈沖激光的輻照，也無法完成地震物理模型的連續(xù)激光掃描。另外，高性能光纖傳感器性能可作為激光超聲信號的理想接收器，但目前光纖傳感器的聲學(xué)表現(xiàn)還需進(jìn)一步提升。雖已能夠使用光纖傳感器接收到分層模型的激光超聲信號，也能獲得初步的成像結(jié)果，但整個全光成像系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善，以取代PZT 獲得高質(zhì)量的激光超聲成像結(jié)果。

3 結(jié)論

本文綜述了幾種光纖超聲傳感器的傳感機理、制作方法及發(fā)展近況，并重點討論了地震物理模型成像中電聲換能器、光纖超聲傳感器和激光超聲技術(shù)的應(yīng)用特點和技術(shù)挑戰(zhàn)。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，光纖超聲傳感技術(shù)在材料、結(jié)構(gòu)以及加工方式等方面均有較大的突破，且已成功應(yīng)用于地震勘探工程領(lǐng)域，但仍存在諸多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題亟需突破和解決。后續(xù)研究將重點聚焦于傳感新機制新方法、器件微型化和儀器化、與激光超聲技術(shù)等其它光學(xué)方法深度融合等方面，以全面提升光纖傳感器對地層信息的勘測能力。