高精度光纖光柵地震計*

張文濤,黃穩柱,羅英波,李 麗,劉文義,李 芳(.中國科學院半導體研究所,光電系統實驗室,北京 0008;.中國地震局地球物理研究所,北京 0008;.中國地震局第二監測中心,西安 70054)

?

高精度光纖光柵地震計*

張文濤1*,黃穩柱1,羅英波1,李 麗2,劉文義3,李 芳1
(1.中國科學院半導體研究所,光電系統實驗室,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)

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,可為地震觀測提供一種新的技術手段。光纖地震計的敏感元件采用相移光柵代替傳統的光纖光柵,相比于傳統的光纖光柵,其光譜線寬要窄4個數量級,可以獲得了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地震計,其反射光譜波長與所測的地震波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震波信息。采用該技術,可以實現精度在ng級、測量頻帶DC～50 Hz的震動信號測量。2015年4月-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進行了光纖地震計試驗。可清晰記錄臨近發生的地震信號。

光纖光柵;地震計;地震觀測

地震的監測和預警對于減少震后的財產損失和人員傷亡具有重要意義,對地震檢波器在性能和環境適應性方面提出了越來越高的要求[1-3]。地震計作為地震監測系統的最前端,其性能直接關系到整個地震臺網的可靠性,有著重要的作用。

地震儀已經從事件響應、模擬記錄發展到目前廣泛應用的數字記錄地震儀。采用數字化技術的電學地震儀的頻帶不斷變寬、動態范圍也在不斷增大,并向網絡化、小型化、低功耗等方向發展[4]。傳統的地震檢波器/地震計在應用中暴露出一些有待改進之處,新型的地震計不斷出現[5]。

光纖傳感是利用光纖進行傳感和傳輸的技術,在野外惡劣環境中使用具有許多獨特的優勢。近年來,光纖檢波器/光纖地震計作為地震波探測的一種技術手段得到了越來越多的重視和研究。近10多年來,已經有多種類型的光纖傳感器用于地震波探測的報道,并且取得了一定的研究成果和實際應用[6]。其中,光纖光柵(FBG)傳感器利用FBG對溫度和應變的敏感特性而引起其反射波長的變化來對物理量進行測量的[7-8],其一大優勢就是被測量用波長這種絕對量編碼,不易受外部因素干擾,因而穩定性和可靠性極好。同時,由于單路光纖上可以制作多個光纖光柵傳感器,特別適合組建傳感網絡。在目前已有報道的光纖光柵地震計中,主要是用于地震波頻段較高的人工地震波探測[6,9]。對于天然地震觀測,光纖地震計面臨的主要問題是設計高靈敏度的探頭和提高解調系統的精度[10]。

本文借鑒傳統的擺式地震計原理,利用有限元輔助設計,研制出了基于光纖光柵的高精度地震計,具有精度高、可組網、耐潮濕、抗電磁干擾的優點,可用于環境惡劣的野外地震臺站觀測。

1 光纖光柵地震計原理

光纖光柵地震計是利用光柵的波長調制原理,即利用外界的微擾振動來改變光柵的周期。光纖光柵輸出的中心波長的變化與光柵周期的關系,如下式[11]。

ΔλB=2neffΔΛ

式中:ΔλB為光纖布拉格光柵波長的改變量;ΔΛ為光纖布拉格光柵的周期;neff為光纖光柵柵區的有效折射率。

通過體光柵、邊帶濾波器、掃描光譜、相位產生載波等多種解調算法檢測出波長的變化從而測量光纖光柵傳感器的輸出量[12]。

本文設計的短周期(20 s-20 Hz)光纖光柵地震計結構如圖1所示。

圖1 光纖光柵地震計結構示意圖

質量塊固定于兩個彈性膜片之間,作為慣性元件,相當于傳統地震計的擺。光柵光柵的一端固定在質量塊上,一端固定于傳感器殼體。在地震波的作用下,質量塊相對于殼體產生位移,帶動光纖光柵產生應變,使光纖光柵的輸出波長發生變化。對于一個二階彈簧-質量塊-阻尼系統的動態加速度靈敏度可表示為:

(1)

彈性膜片設計為等強度梁,其彈性系數公式:

(2)

式中:E為梁的楊氏模量、b為固定端梁寬,l為梁長,h為梁厚度。

光纖光柵的彈性系數:

(3)

式中:Ef光纖的楊氏模量、A光纖的截面積,L光纖光柵的固定距離。

由式(3)得光纖光柵地震計的加速度-位移靈敏度:

(4)

光纖光柵中心波長漂移量滿足

(5)

式中:λB為光纖光柵的初始中心波長,pe為彈光系數。

則結合式(5)得光纖光柵地震計靈敏度公式:

(6)

光纖光柵地震計諧振頻率:

(7)

當f=1Hz時,根據式(7)計算得到理論靈敏度為:Ma=330pm/gn。

計算得到理論光纖光柵地震計的諧振頻率f0=22.1Hz。

2 光纖光柵地震計仿真分析

為了更好地設計地震計的參數,優化地震計的性能,我們采用有限元軟件Abaqus進行地震計的模擬裝配和仿真分析。提取出光纖光柵地震計的彈性元件、慣性元件和敏感元件光纖光柵如圖2所示。

將水平向加速度計的理論模型導入Abaqus有限元分析軟件中,分別定義膜片、質量塊、光纖及光纖固定件材料,并賦予各自的截面屬性。之后對模型定義相應的分析步,分析步為兩步,第1步對光纖施加一定的拉力,這是在光纖地震計封裝過程中不可避免的,第2步在施加拉力的作用下計算其位移頻響曲線,以及相應的位移場變量輸出。

對質量塊施加加速度荷載,對膜片及光纖一端施加邊界荷載固定,效果圖如圖3所示。

圖2 光纖光柵地震計彈性元件和慣性元件示意圖

圖3 施加荷載效果圖

對膜片進行撒種及網格劃分,得到地震計在加速度響應下軸向靈敏度分析結果。相應頻點所對應位移云圖如圖4所示。

圖4 光纖光柵地震計0.005 Hz響應位移云圖

通過有限元軟件模擬計算可得光纖光柵地震計加速度軸向靈敏度。加速度軸向靈敏度Ma可由下式計算得到:

選擇適當的設計參數,其中L=236mm,ΔL=0.067 9mm,λB=1550nm,Pe=0.22。

計算可得光纖光柵地震計靈敏度

Ma=347.8pm/gn

把0.005Hz～50Hz頻率所對應的位移數據,從Abaqus軟件中導出,可得到頻響曲線如圖5所示。

圖5 矩形雙膜片在加速度作用下的仿真結果

仿真分析得到的光纖光柵地震計靈敏度與理論計算的進行對比,如表1所示。

表1 靈敏度數據對比(@1 Hz)

從表1可以看出,所設計的光纖光柵地震計具有很高的波長靈敏度。仿真分析的結果與理論計算比較一致。在低頻段(小于5 Hz)可以作為位移型的地震計使用。

3 地震觀測實驗

為了驗證光纖光柵地震計的實用性,在云南省昭通市進行了地震觀測實驗。將光纖光柵地震計放于觀測臺站的墩臺之上(圖6)。通過高精度的光纖光柵信號解調設備(分辨率0.001 pm,采樣率100 Hz)檢測光纖光柵地震計的輸出信號。

圖6 放置于墩臺上的三分量光纖光柵地震計

在2個月的連續觀測時間內,記錄到了昭通地區發生的多起地震事件,并且與中國地震臺網公布的數據吻合。其中之一的地震事件記錄如圖7所示。

圖7 2016年2月29日15:39巧家1.8級地震記錄

由圖7可見,光纖光柵地震計的北南、東西、垂直3個分量記錄的地震信號清晰可見,P波、S波初至明顯。P波到時、P-S時差均與附近臺站的電學地震設備記錄信號一致。在觀測實驗中同時發現,光纖光柵地震計的本底噪聲較低,能夠清晰記錄里氏2級以下的弱震信號。

4 結論

本文設計了高精度光纖光柵地震計,給出了理論分析及有限元仿真分析結果。通過對比可以看出理論計算結果與有限元模擬計算結果較為接近,該地震計可作為短周期位移型地震計使用。在0.005 Hz～10 Hz的設計頻帶范圍內,具有較高的靈敏度,滿足低頻地震波信號的探測需求。在地震臺的觀測實驗表明,改地震計能夠清晰地捕捉到附近發生的小規模地震事件,有望成為與現有技術互補的新型地震觀測手段。

致謝

感謝云南省地震局、天津市地震局、昭通市防震減災局對地震觀測實驗的大力支持。

感謝中國地震局地球物理研究所鄭重、楊大克、袁松湧老師在儀器研制和安裝過程中的有益討論。

[1] Zumberge M,Berger J,Otero J. An Optical Seismometer without Force Feedback[J]. Bulletin of the Seismological Society of America,2010,100(2):598-605.

[2] Shindo Y,Yoshikawa T,Mikada H. A Large Scale Seismic Sensing Array on the Seafloor with Fiber Optic Accelerometers[J]. Sensors,2002,2:1767-1770.

[3] Fujihashi K,Aoki T,Okutsu M,et. Development of Seafloor Seismic and Tsunami Observation System[C]//Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies,2007,2:349-355.

[4] 王喜珍,騰云田. 地震傳感器的新技術與發展[J]. 地球物理學進展,2010,25(2):478-485.

[5] 傅深泳,丁桂蘭,陳才和,等. 干涉型全光纖加速度地震檢波器[J]. 光電工程,2003,30(6):39-42.

[6] 劉育梁,何俊,王永杰,等. 光纖地震波探測的研究進展[J]. 激光與光電子學進展,2009,46(11):21-28.

[7] 丁峰,王粉艷,王云建,等. 一種光纖光柵振動與溫度同時區分測量的解調方法[J]. 傳感技術學報,2012,25(4):510-514.

[8] 曹京京,胡遼林,趙瑞. 一種改進小波閾值函數的光纖光柵傳感信號去噪方法[J]. 傳感技術學報,2015,28(4):521-525.

[9] 李學成,劉肅,張文濤,等. 雙膜片結構光纖光柵(FBG)地震檢波器低頻特性的研究[J]. 光電子·激光,2010,21(4):529-532.

[10] Huang W Z,Zhang W T,Zhen T K,et al. π-Phase-Shifted FBG for High-Resolution Static-Strain Measurement Based on Wavelet Threshold Denoising Algorithm[J]. Journal of Lightwave Technol,2014,32(22):3692-3698.

[11] Zhang W,Li F. Fiber Optic Push-Pull Accelerometer Based on Two Cantilevers[C]//Proc of SPIE,2012,8421:842135.

[12] Huang W Z,Zhang W T,Li F. Swept Optical SSB-SC Modulation Technique for High-Resolution Large-Dynamic-Range Static Strain Measurement Using FBG-FP Sensors[J]. Optics Letters,2015,40(7):1406-1409.

張文濤(1980-),男,博士,中國科學院半導體研究所研究員,中國科學院青年創新促進會會員,“盧嘉錫青年人才獎”獲得者,主要研究方向為光纖傳感器、光纖光柵、光纖激光器,以及光纖傳感器在土木工程、 油氣勘探、地球物理領域的應用,zhangwt@semi.ac.cn。

High Resolution Fiber Optic Seismometer*

ZHANG Wentao1*,HUANG Wenzhu1,LUO Yingbo1,LIU Wenyi2,LI Li3,LI Fang1
(1.Optoelectronic System Laboratory,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;2.Second Monitoring Center,China Earthquake Administration,Xi’an 710054,China;3.Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

Fiber optic sensor based earthquake monitoring instruments have some advantages such as passive monitoring,immunity to EMI,reliability in high temperature and pressure environment,immunity to lightening,which can provide a new approach to earthquake observation. We propose a high resolution fiber optic seismometer based on phase-shift fiber Bragg grating(π-FBG). Compared with conventional FBG,the π-FBG has a narrower linewidth by four orders of magnitude,which result in lower noise level and higher resolution. The reflective wavelength of the π-FBG is linear to the magnitude of earthquake wave and we can demodulate the earthquake information by demodulating the wavelength shift of π-FBG. A resolution of ng within bandwidth of DC-50 Hz is achieved. In April 2015,the fiber optic seismometer is installed in Zhaotong city,Yunnan Province. The earthquake events were well recorded.

fiber Bragg grating;seismometer;earthquake monitoring

項目來源:國家“863”計劃項目(2014AA093406);中國科學院青年創新促進會項目(2016106)

2016-09-19 修改日期:2016-10-13

P315.8

A

1004-1699(2017)04-0491-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.001