淺談光纖傳感器在地震監測中的應用及發展趨勢

張晶　程增杰　李文一　趙立軍　韓勇

摘 要：地震發生前一般會出現各種異常現象，這些現象統稱為地震前兆，觀測這些異常現象是研究地震的重要手段。文章圍繞光纖傳感器在地震監測中的應用展開了介紹，重點介紹了當前光纖傳感的常用手段--包括光纖法珀（FP）傳感器和光纖光柵（FBG）傳感器等，并闡述了各種傳感手段在地震監測中的應用，最后對光纖傳感應用于地震監測領域的前景進行了展望。

關鍵詞：光纖傳感；地震監測；地形變；地震波

引言

當前地震監測的方式主要集中在兩個方面，一是通過地殼形變測量獲取地震前兆信息及研究地震活動性問題；二是通過研究地震波來探測地球內部結構進而進行地震預報[1]。

測量地形變需要測量系統提供非常高的測量精度，而目前廣泛應用于實際地形變監測中的鉆孔應變、硐體應變、GPS等方式[2]，往往因受地理條件的限制，有比較嚴重的電磁干擾。在安全監測、石油勘探等領域，目前廣泛應用的是現代地震儀，現代地震儀都是通過探測地震波得到地震數據記錄，以此對震源、地球內部結構進行研究并實現臨震預報。在進行石油勘探的過程中，采用人工的方式在巖層的分界處造成震動，這種震動引起的彈性波可以發生反射或折射，利用靈敏度很高的地震檢波器將由此產生的反射波和折射波記錄下來，通過分析就可以定位油氣圈閉；在進行安全監測時，傳感器可以探測到侵入物引入的地面波，進而實現目標識別及預警。

然而，傳統的監測手段普遍存在動態范圍小、敏感度低、漏電、占用較大的空間和較高的基建費等問題，嚴重限制了上述監測技術的發展[3，4]。

光纖傳感器憑借其特有的優勢逐漸成為地震預測中一種新型手段。光纖傳感器作為傳感器家族中新發展起來的重要成員，是一種全光觀測方法，從20世紀70年代起，得到了廣泛的關注和飛速地發展[5，6]。它是以光波為載體、光纖為媒介的新型傳感器，與傳統的傳感器相比，光纖傳感器具有體積小、質量輕、結構簡單、抗干擾性強、電絕緣性能好、頻帶范圍寬、動態測量范圍大、耐腐蝕、耐高溫、靈敏度高、傳輸距離遠等特點，除此之外，光纖傳感器還能夠實現分布式、多參量測量，并且易于與計算機和光纖傳輸系統相連構成傳感網絡[7]。

文章在闡述光纖傳感器傳感原理及特點的基礎上重點介紹了光纖法珀（FP）傳感器和光纖光柵（FBG）傳感器，之后對光纖傳感器在地震測量中的應用及發展進行了介紹，最后總結了基于光纖傳感的地震監測手段的優勢和缺陷，對發展前景進行了展望。

1 光纖傳感器的傳感原理及特點

近年來，光纖傳感技術被廣泛地應用于地形變觀測、地震波探測、水文地球化學觀測和地磁探測等眾多領域并取得了大量研究成果[8]。光纖傳感器可以按照傳感原理分為強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、波長調制光纖傳感器、分布式光纖傳感器等。

1.1 強度調制光纖傳感器

強度調制光纖傳感器通過感知外界環境導致的光纖傳輸光強度變化來檢測相應的物理量。光纖法珀傳感器是一類典型的強度調制光纖傳感器。它是歷史最長、技術最為成熟、應用最為普遍的一種光纖傳感器。光纖法珀傳感器是光纖傳感器中的重要一員。光纖法珀傳感器的核心敏感元件是法珀腔，所有被測物理量的變化都會直接或間接地反映在法珀腔長的改變上，根據光纖琺珀腔的結構不同，光纖法珀傳感器可以分為本征型（EFPI），非本征型（IFPI）和在線復合型（ILFP）。

非本征型光纖法珀傳感器是目前光纖法珀傳感器中應用最廣泛、研究最多的一種光纖法珀傳感器，常見的非本征型光纖法珀傳感器有毛細管型非本征光纖法珀傳感器和膜片式微加工型光纖法珀傳感器。

1.2 相位調制光纖傳感器

相位調制光纖傳感器通過敏感部件感知光纖折射率或傳播常數的變化從而對被測物理量進行探測。這類傳感器需要采用干涉技術將相位信息轉化為強度信息來進行檢測。

1.3 波長調制光纖傳感器

波長調制光纖傳感器主要指光纖光柵傳感器，其結構如圖1所示，這類傳感器利用待測物理量調制傳輸光波長信息，通過探測波長信息的變化即可對待測量進行檢測。光纖光柵傳感器是一類典型的波長調制光纖傳感器。光纖光柵傳感系統已被廣泛應用于橋梁健康監測、大壩健康監測、油井健康監測、油罐預警系統等傳統工程中。

光纖光柵不僅尺寸很小、重量相對輕、還具有帶寬寬、靈敏度很高、耐腐蝕能力強和抗電磁干擾能力強等的優點，由于其固有特性，能夠實現對波長的絕對編碼、集傳感與傳輸于一體、且可以不受光功率波動的影響、相對易于制作封裝及埋入材料的內部。在測量領域，可以對結構的應力、應變進行高精度的絕對檢測。同時，也能夠采用準分布式的方式多點測量外界溫度、應力場作用下的大量待測目標的時間和空間特征。

2 光纖傳感器在地震測量中的應用及發展

早在1986年，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室已經開始研究光纖鉆井地球應變儀（FOBES）項目[9]，該實驗室采用單模光纖利用光學干涉式地球應變傳感器來觀測可能是地震前兆的微小地殼應變，探測精度可以達到10-10。Homuth在該項目的基礎上進行了改進，利用兩根平行單模光纖來制作干涉傳感器，由于不在地下埋設電纜，因此光纖不會接受到四周巖土的影響，用水泥將另一根光纖固定在巖石里，通過這根光纖感知巖石的應變。第二根光纖由應變引起的有效長度變化會和第一根光纖進行相干比較，比較結果由計算機輸出。

日本的T Sato等人在1999年構造了兩個實驗模型，進一步改進了基于光纖光柵傳感器的地形變監測系統，并在振動臺上與位移計進行了對比實驗[10]。該改進結構具有更簡單的機械結構、更高的穩定性，能夠滿足地形變監測的要求。在之后的兩年，該科研組又進一步提高了該系統的性能，設計了一種基于新型機械原理的不同的應變觀測儀器，這表明研究的關鍵仍然是提高測量精度；隨后，該組繼續報道了一種用于地震前兆水平切應力測量的觀測設備，設備的核心器件是一個粘貼有光纖光柵的青銅板，通過測量垂直安裝于地層中的金屬青銅板的角度可以換算出地層切應力。這種改進的結構具有很高的測量精度。

2001年，美國海軍實驗室的 J A Bucaro等人基于光纖微彎損耗研制出一種質量僅為1.8g的超小型光纖加速度計[11]。

2005年中國地震局地殼應力研究所的周振安等人針對光纖光柵傳感在應力應變監測方面靈敏度不足的問題提出了一種新的技術手段[12]，在這種技術中使用了增敏裝置來提高系統的測量分辨率。理論上可以將測量分辨率提高到10-9至10-10量級，這已經可以滿足高精度應力應變測量的要求。將一個剛性調節錨桿活性連接到一個光纖光柵傳感器上來傳遞應變，通過改變剛性連接棒的長度來實現各種倍數的機械增敏效果。

2006年，美國史蒂文理工學院的Z Yang 等人報道了基于改性懸臂梁的光纖光柵地震波傳感器[13]。該檢波器的共振頻率為90Hz，工作頻段為10-110Hz，采用匹配光柵進行波長解調，動態范圍80dB，系統可探測的最小振動加速度為40？滋g。該檢波器被應用于地面偵察活動中，對人員行走、跑動、輪式車的探測距離分別達到了67m，83m，180m。

2007年，美國GHAmes等人研制了一種基于DFB光纖激光器的加速度計[14]，該傳感器尺寸僅為83mm×8mm×6mm，工作頻段為10-8000Hz，最小可探測振動加速度為125？滋g。

2008年，中國地震局地震研究所的鄧濤提出了一種基于光纖干涉和光纖光柵組合傳感的設計思路[15]，該思路是將光纖bragg光柵的波長絕對測量和光纖干涉法的高精度相對測量進行結合，從而將光纖傳感的原理應用到地形變測量來獲得高的測量精度。該系統的傳感檢測具有抗干擾能力強、耐酸堿腐蝕、無須標定、無零點漂移等優點。在實際測量中，將光源放置在溫度變化很小的硐體內，將光纖光柵粘貼在硐體的基巖上，基于干涉原理進行傳感檢測，系統的精度可以達到1.27×10-10。

美國UCSD斯克里普斯海洋研究所的M Zumberge等人[16]報道了一種用于圣安德烈斯斷層天文臺地殼形變觀測的光纖應變傳感器，如圖2所示。傳感器部分是一根張緊在井管外的單模光纖，井管被安置在深井中并向下延伸782m。當該區地殼發生縱向應變時，光纖干涉臂將隨之產生變化。該應變觀測裝置運用了干涉測量的方法來記錄地震事件。結合邊緣處理算法，可以使應變儀具有很高的靈敏度和很大的動態范圍，圖3（a）是記錄附近的一次里氏4.1級地震引起的強烈震動波形，圖3（b）是記錄的一次遠震引起的巨大應變信號，兩次記錄地震的結果都能真實地反映地殼形變狀況。

3 結束語

在地震監測和地形傳感手段日益多元化的今天，伴隨著光纖傳感技術的發展，越來越多的光纖傳感器被應用到地震前兆觀測中。光纖傳感器在地形變觀測中具有良好的應用前景，與現有的傳統監測手段相比，光纖傳感器除具有結構簡單、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、抗電磁干擾、光路可撓曲、易于與計算機連接、便于遙測等優點外，還具有易組網的特點，這就使得我們可以測出沿線任意點的應力應變、溫度損傷等信息，從而對監測對象進行全方位監控。因此，分布式光纖應變/溫度觀測技術的發展對活動塊體邊界帶（或斷裂帶）的監測具有重要意義。

盡管具有上述諸多優勢，但光纖傳感若要大規模實際應用于地震監測領域，還需要解決很多關鍵的技術問題，例如如何提高地形變監測中的光纖光柵傳感精度、如何探測超低頻地震波并獲得較高的分辨率，以及大規模長距離組網技術等。

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