應(yīng)用于火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)的分布式 光纖光柵傳感技術(shù)

關(guān) 升劉國(guó)明顧國(guó)輝閆東晗

1）中國(guó)長(zhǎng)春130117 中國(guó)地震局火山研究所

2）中國(guó)長(zhǎng)春130117 吉林省地震局

光纖光柵傳感器作為一種新型的光纖傳感器，具有體積小、可靠性高、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋探測(cè)、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。已有學(xué)者將光纖傳感器技術(shù)應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)，并取得較理想的效果。文中介紹了光纖布拉格光柵傳感器（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）基本原理、火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介，以及分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)在火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)中需要解決的問題。

（1）光纖光柵傳感基本原理。利用光纖材料的光敏性，當(dāng)外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用時(shí)，會(huì)引起纖芯內(nèi)折射率的永久性變化，進(jìn)而在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，即光纖光柵。該作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。根據(jù)光耦合理論可知，光柵反射波的波長(zhǎng)λB可以表示為光纖芯區(qū)有效折射率neff與光纖光柵周期Λ的乘積，公式如下

由于溫度和應(yīng)變均會(huì)影響到neff和Λ，最終影響FBG 的λB，若二者同時(shí)發(fā)生改變，僅使用一根光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，將難以辨別其變化來源。為消除溫度對(duì)測(cè)量的干擾，通常在傳感器設(shè)計(jì)中，添加溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。目前常用溫補(bǔ)方法為機(jī)械溫度補(bǔ)償法和參考光纖光柵法。

FBG 主要由光纖光柵傳感器和結(jié)構(gòu)傳感封裝組成。通過改變傳感器的傳感結(jié)構(gòu)和外部封裝方式，可間接將常見物理量轉(zhuǎn)化為溫度和應(yīng)變的變化，通過分析傳感器的基本結(jié)構(gòu)，可建立監(jiān)測(cè)量和FBG 中心波長(zhǎng)的關(guān)系式。在解調(diào)裝置獲得光纖波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)變化量ΔλB，利用建立的關(guān)系式反推，便可獲得物理量產(chǎn)生的變化量（應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、溫度、加速度等），從而豐富光纖光柵的監(jiān)測(cè)功能。常見結(jié)構(gòu)傳感有重力式、溶液壓強(qiáng)式和懸臂梁式。

（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。基于光纖光柵分布式傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括光纖光柵采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與保存系統(tǒng)及信號(hào)處理和分析系統(tǒng)3 個(gè)部分（圖1）。光纖光柵采集系統(tǒng)是火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)部分，包括光纖光柵傳感器和解調(diào)設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸與保存系統(tǒng)將分布式傳感器采集的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂萍帮@示平臺(tái)，并保存。信號(hào)處理和分析系統(tǒng)是火山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過對(duì)采集信號(hào)的處理和分析，確定物理參數(shù)大小，綜合分析研判是否達(dá)到預(yù)警觸發(fā)指標(biāo)。

圖1 分布式光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the distributed optical fiber grating sensor monitoring system

（3）分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)在火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)中需要解決的問題。由于光纖光柵的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得基于光纖光柵的火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的火山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能提供更全面、更大范圍的狀態(tài)信息。分析認(rèn)為，光纖光柵分布式傳感器可用于長(zhǎng)白山天池火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)，要解決如下關(guān)鍵技術(shù)問題：①外部傳感器設(shè)計(jì)需針對(duì)現(xiàn)有傳感器進(jìn)行改進(jìn)（結(jié)構(gòu)/材料），進(jìn)一步提升其靈敏度和測(cè)量范圍；②需考慮如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳感器對(duì)多種物理量的監(jiān)測(cè)；③構(gòu)建火山預(yù)警智能專家系統(tǒng)，將傳統(tǒng)火山預(yù)警方法與現(xiàn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，形成跨模態(tài)和跨時(shí)空的識(shí)別專家系統(tǒng)，智能識(shí)別火山活動(dòng)狀態(tài)。