短基線光纖應變儀的研制

張文濤黃穩柱李 麗劉文義孔向陽中國科學院半導體研究所，北京 100083中國地震局地球物理研究所，北京 100081中國地震局第二監測中心，西安 710054山東省地震局，濟南 250014

短基線光纖應變儀的研制

張文濤1）黃穩柱1）李 麗2）劉文義3）孔向陽4）
1）中國科學院半導體研究所，北京 100083
2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081
3）中國地震局第二監測中心，西安 710054
4）山東省地震局，濟南 250014

形變觀測是地震前兆觀測的重要手段，形變觀測儀器的性能直接決定地震前兆觀測資料的質量。傳統的胴體長基線形變儀對安裝環境要求高、工程造價高，抗環境干擾能力差。減小伸縮儀的基線長度，實現儀器的小型化有助于地震應急快速布設，開展多方位應變觀測（例如，垂直分量），也可降低胴體開鑿成本，并提高儀器的維護性。鑒于此，國內地震系統已經開始研制短基線/超短基線伸縮儀的研制。光纖地震觀測儀器具有傳感器無源、抗電磁干擾性強、深井觀測耐高溫高壓、抗雷擊等優點，在國內外地震儀器領域引起了廣泛關注。

光纖應變儀的敏感元件采用相移光柵代替傳統的光纖光柵；相移光柵相比于傳統的光纖光柵，其光譜線寬要窄4個數量級，可以獲得更高的反射光譜信噪比和更高的波長解調精度。對于相移光柵式光纖應變儀，其反射光譜波長與所測的地殼應變具有良好的線性關系，只需要解調出相移光柵的波長漂移信號就可以推算得到地殼的形變信息。光纖應變儀的探頭結構借鑒了現有短基線應變儀的設計，采用相移光柵代替傳統的電容式傳感器；相移光柵固定于兩個支座之間感受地形變信號。光纖應變儀的安裝方式借鑒短基線應變儀的埋入式安裝方法，將光纖應變儀安裝在基巖表面，用水泥固定。光纖應變儀探頭的基線長度1.5 m，采用不銹鋼封裝，通過一條鎧裝光纜將相移光柵的信號傳輸至地震觀測室。光纖應變儀的相移光柵波長解調，首先采用一臺窄線寬激光器和一個光學邊帶調制器實現一束高線性度的可調諧激光，用于詢問相移光柵的光譜；采用參考光柵實現溫度補償和激光頻率波動補償。結合PDH技術方案和互參考的解調算法，實現超高精度、寬頻帶、大動態范圍的波長解調。采用該技術，可以實現應變分辨率優于10-9、測量頻帶DC ～ 100 Hz、動態范圍大于120 dB的應變測量。

2015年4～6月，在云南省昭通防震減災局的協助和配合下，于昭通市巧家地震觀測站完成安裝了試驗。實測應變分辨率優于10-9，可清晰記錄固體潮信息（圖1）。同時可以記錄臨近發生的地震信號。

圖1　短基線光纖形變儀記錄到的固體潮

短基線光纖應變儀目前未經特別增敏處理，在適當增敏后會進一步提高分辨率。相比于現有的電學短基線應變儀，光纖應變儀在探頭部分的敏感元件僅為一根光纖，進一步降低了探頭成本，并且可進一步實現小型化。光纖應變儀探頭無電子器件，抗電磁干擾，抗雷擊，有望成為地震形變監測儀器發展的新方向。