分布式光纖傳感器在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用綜述*

劉舒馨，祝 苒，劉忠富

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,遼寧 大連 116600)

0 引言

地球上地震災(zāi)害頻繁,據(jù)統(tǒng)計(jì),在20世紀(jì),全球范圍因地震災(zāi)害死亡人數(shù)達(dá)到近120萬(wàn)人,可見(jiàn)地震災(zāi)害帶來(lái)的巨大危害。光纖傳感技術(shù)作為一種新型應(yīng)對(duì)手段被應(yīng)用于地震檢測(cè)中,其以石英纖維或塑料纖維作為信息的傳輸媒介,以信號(hào)光作為信息的載體,其作用機(jī)理是利用光調(diào)制技術(shù)將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詼y(cè)量的光信號(hào)。分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(DAS)和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (DTS);DAS系統(tǒng)是一種建立于普通光纖傳感器之上的可以實(shí)現(xiàn)聲波或振動(dòng)信號(hào)連續(xù)分布式探測(cè)的新型傳感器,通過(guò)探測(cè)激光脈沖散射在光纖中所引起的相位變化來(lái)測(cè)量光纖的軸向應(yīng)變。DTS系統(tǒng)則是基于光時(shí)域反射原理以及拉曼散射效應(yīng)來(lái)感知并檢測(cè)周?chē)h(huán)境溫度的變化,在該系統(tǒng)下,傳感器可隨著鉆頭深入數(shù)百攝氏度高溫環(huán)境的地下等一些人所達(dá)不到的地方,通過(guò)檢測(cè)地震孕育過(guò)程中可能發(fā)生的溫度變化來(lái)判斷地震信息。在實(shí)際檢測(cè)中往往通過(guò)采用DAS與DTS相結(jié)合的方式來(lái)提高地震勘探效率及準(zhǔn)確度。光纖傳感器以其自身的優(yōu)勢(shì)在地震勘探領(lǐng)域中得到了廣泛的認(rèn)可。

1 光纖傳感器種類(lèi)

地震檢測(cè)方式主要有兩種,一種是通過(guò)對(duì)地殼形變量進(jìn)行檢測(cè),但這種方式準(zhǔn)確度并不高,所以往往采用另一種方式,即地震波電測(cè)的方式。而目前光纖傳感技術(shù)是地震波電測(cè)的有效手段,光纖傳感器具有多種分類(lèi)方式[1],根據(jù)其傳感原理可分為非功能型傳感器和功能型傳感器。非功能型光纖傳感器是將光纖作為傳輸光信號(hào)的媒介,通過(guò)其它的光敏元件來(lái)感知外界環(huán)境變化;功能型光纖傳感器是將光纖直接作為敏感元件來(lái)感知外界環(huán)境變化。根據(jù)探測(cè)方式的不同,光纖傳感器可以分為點(diǎn)式傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器、分布式傳感器。點(diǎn)式傳感器是通過(guò)測(cè)量某點(diǎn)的干涉效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的探測(cè);準(zhǔn)分布式傳感器是在點(diǎn)式傳感器的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)探測(cè);而分布式光纖傳感器則可以將整根光纖都作為傳感器件,可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的檢測(cè)。分布式光纖傳感器根據(jù)測(cè)量物理量不同可以分為分布式光纖聲波/振動(dòng)傳感系統(tǒng)(DAS)和分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS),DAS可以檢測(cè)到光纖應(yīng)變量的變化,DTS則是可以檢測(cè)周?chē)h(huán)境溫度的變化。

2 分布式光纖傳感地震儀的優(yōu)勢(shì)及工作原理

光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、抗電磁干擾、固有的安全性好、高絕緣強(qiáng)度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等優(yōu)點(diǎn)。其能夠?qū)崿F(xiàn)在線自動(dòng)測(cè)量并及時(shí)準(zhǔn)確地傳播信息。光纖的布置十分靈活,可以部署在條件極其苛刻的區(qū)域,如高溫、電力供應(yīng)受限或空間極狹小的區(qū)域。光纖傳感系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn)使其適用于城市環(huán)境下的物理檢測(cè),光纜的低成本和數(shù)十年的使用壽命,使得其成為長(zhǎng)期監(jiān)管的首選方案。

2.1 分布式光纖聲波/振動(dòng)傳感系統(tǒng)(DAS)[2]

當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí),光纖傳感器中的光纖可以感知到傳到光纜中的地震波就會(huì)發(fā)生形變,相干激光會(huì)產(chǎn)生彈性效應(yīng)從而改變?nèi)鹄⑸涔獾恼穹拖辔弧＠霉饫w介質(zhì)中相干激光的彈性效應(yīng),可以準(zhǔn)確感知和傳輸外界聲波和振動(dòng)信號(hào),對(duì)地震的震源進(jìn)行精準(zhǔn)的定位,甚至其周?chē)频陌霃侥軌虿怀^(guò)3.5 m,且它檢測(cè)的長(zhǎng)度范圍可以達(dá)到40 km,監(jiān)測(cè)頻率的范圍可以從10 mHz的一直達(dá)到20 kHz,這些光纖分布在地下各處持續(xù)進(jìn)行地震波的監(jiān)測(cè),因此一旦遇到微小的地震波,這些光纖就可以立刻做出反應(yīng),并對(duì)更深的地震源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

DAS系統(tǒng)可以被視為沿著光纖軸測(cè)量的單個(gè)元件。在光纖變化階段,光散射信號(hào)非常微弱,可以通過(guò)測(cè)量沿光纖改變的應(yīng)變或應(yīng)變的動(dòng)力學(xué)來(lái)精確提取。其使用高功率超窄激光器,在光纖濾波器的基礎(chǔ)上放大低噪聲放大器(EDFA)調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生的脈沖光,從而獲得高相干、高能量、低噪聲的探測(cè)脈沖光。利用多頻脈沖抑制瑞利信號(hào)散射的隨機(jī)衰落以及光纖激光的拉曼放大,實(shí)現(xiàn)了瑞利信號(hào)在光纖不同位置散射的均衡放大。將局部干擾提取集成到干擾提取設(shè)備中,減少外部振動(dòng)和各種干擾信號(hào)的影響。在工作時(shí)只需要在光纜的一頭裝上信號(hào)發(fā)射器,進(jìn)行激光脈沖的發(fā)射,然后就可以利用后向光纖散射的信號(hào)來(lái)提取地表振動(dòng)的信息,從而來(lái)確定地震波的相關(guān)信息,其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地表以下信息的高度嚴(yán)密監(jiān)控,只需要借助國(guó)家已經(jīng)鋪好的光纜就可以進(jìn)行工作,極大地減少了地震監(jiān)測(cè)設(shè)備在地面上的部署。

圖1 分布式光纖傳感地震儀的基本框架

2.2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)的結(jié)構(gòu):該系統(tǒng)由信號(hào)采集、主機(jī)、信號(hào)處理及傳感纖維三部分組成,主機(jī)部分由光源、耦合器、分光器、光電探測(cè)器、放大器、采集卡、上位機(jī)等組成。

分布式光纖溫度(DTS)傳感原理[3]:利用光纖具有較高的抗高溫的特性,DTS系統(tǒng)將光纖作為溫度傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)系統(tǒng)口,當(dāng)向光纖中注入適當(dāng)?shù)募す饷}沖信號(hào)時(shí),此脈沖會(huì)在光纖中傳播并與其中的光纖分子發(fā)生作用,光纖中的激光脈沖在向前傳播的過(guò)程中產(chǎn)生拉曼散射,其可以產(chǎn)生斯托克斯光和反斯托克斯光兩種不同波長(zhǎng)的光,其中反斯托克斯光能夠靈敏地感知到溫度的變化,光纖內(nèi)部的反斯托克斯光強(qiáng)度就會(huì)隨著探測(cè)區(qū)域的溫度變化而發(fā)生變化,最終得到沿著光纖散射回來(lái)的變化后的后向拉曼光波,通過(guò)高速信號(hào)采集技術(shù)測(cè)量入射光和拉曼散射光之間的時(shí)間間隔,從而計(jì)算出拉曼散射光發(fā)生的位置,探測(cè)器實(shí)時(shí)探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度變化反映出溫度變化情況,并將數(shù)據(jù)傳遞給地面設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地震狀態(tài)的檢測(cè)。

圖2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)組成

3 分布式光纖傳感的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 高溫超導(dǎo)電纜失超檢測(cè)[4]

高溫超導(dǎo)電纜的失超檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于電纜穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的工程意義,傳統(tǒng)的電壓測(cè)量方法容易受到高壓電流產(chǎn)生的電磁干擾,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)沿電纜長(zhǎng)度的連續(xù)分布式測(cè)量。通過(guò)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)溫度場(chǎng)的連續(xù)測(cè)量,將光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于高溫超導(dǎo)電纜的失超檢測(cè)就可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量法存在的問(wèn)題。

3.2 渠道堤壩滲漏監(jiān)測(cè)

滲漏檢測(cè)是水利工程安全檢測(cè)的重要組成部分之一,針對(duì)渠道堤壩這種需要進(jìn)行較大滲漏檢測(cè)規(guī)模的工程,發(fā)明了具有較高精度、較大檢測(cè)范圍、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便的基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù),利用DTS光纖測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確及時(shí)的判斷并反饋滲漏位置,為滲漏位置的修補(bǔ)工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.3 無(wú)人艦艇自動(dòng)滅火

無(wú)人艇的輪機(jī)艙裝載燃油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重要附屬設(shè)備,由于種種因素,使得輪機(jī)艙室發(fā)生火災(zāi)的概率大幅度增加,自動(dòng)滅火裝置就顯得及其重要。

滅火系統(tǒng)以分布式光纖拉曼測(cè)溫技術(shù)原理為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了光纖沿路溫度場(chǎng)的測(cè)量工作,通過(guò)DTS光纖溫度傳感系統(tǒng)的優(yōu)秀性能,實(shí)現(xiàn)了通過(guò)溫度判斷火情并及時(shí)反饋給其他裝置。

3.4 管道損傷檢測(cè)

管道長(zhǎng)期在高溫、高壓環(huán)境下使用,容易出現(xiàn)損傷且易被腐蝕,易引發(fā)重大安全事故。在分布式光纖傳感器中,基于布里淵光時(shí)域分析的基本原理,可以得到光纖頻移圖像,根據(jù)裂縫距離不同,所呈現(xiàn)出的光纖頻移特點(diǎn)不同,從而來(lái)確定管道損傷的位置及裂縫的寬度。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,由于分布式光纖傳感的地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛的重視。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖傳感器的類(lèi)型及數(shù)量逐步增多,越來(lái)越多的光纖傳感器將會(huì)被應(yīng)用于防震抗災(zāi)、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、油氣勘探等不同領(lǐng)域中,光纖地震監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)是地震前兆檢測(cè)中較為關(guān)鍵性的技術(shù)之一,能夠最大程度地保證地震監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性和精確度,并及時(shí)有效地將信息傳輸給地面設(shè)備,可見(jiàn)研究光纖傳感器在地震檢測(cè)領(lǐng)域中的重要意義。