浅谈光纤传感器在地震监测中的应用及发展趋势

浅谈光纤传感器在地震监测中的应用及发展趋势

地震发生前一般会出现各种异常现象，这些现象统称为地震前兆，观测这些异常现象是研究地震的重要手段。文章围绕光纤传感器在地震监测中的应用展开了介绍，重点介绍了当前光纤传感的常用手段--包括光纤法珀（FP）传感器和光纤光栅（FBG）传感器等，并阐述了各种传感手段在地震监测中的应用，最后对光纤传感应用于地震监测领域的前景进行了展望。

标签：光纤传感；地震监测；地形变；地震波

引言

当前地震监测的方式主要集中在两个方面，一是通过地壳形变测量获取地震前兆信息及研究地震活动性问题；二是通过研究地震波来探测地球内部结构进而进行地震预报[1]。

测量地形变需要测量系统提供非常高的测量精度，而目前广泛应用于实际地形变监测中的钻孔应变、硐体应变、GPS等方式[2]，往往因受地理条件的限制，有比较严重的电磁干扰。在安全监测、石油勘探等领域，目前广泛应用的是现代地震仪，现代地震仪都是通过探测地震波得到地震数据记录，以此对震源、地球内部结构进行研究并实现临震预报。在进行石油勘探的过程中，采用人工的方式在岩层的分界处造成震动，这种震动引起的弹性波可以发生反射或折射，利用灵敏度很高的地震检波器将由此产生的反射波和折射波记录下来，通过分析就可以定位油气圈闭；在进行安全监测时，传感器可以探测到侵入物引入的地面波，进而实现目标识别及预警。

然而，传统的监测手段普遍存在动态范围小、敏感度低、漏电、占用较大的空间和较高的基建费等问题，严重限制了上述监测技术的发展[3，4]。

光纤传感器凭借其特有的优势逐渐成为地震预测中一种新型手段。光纤传感器作为传感器家族中新发展起来的重要成员，是一种全光观测方法，从20世纪70年代起，得到了广泛的关注和飞速地发展[5，6]。它是以光波为载体、光纤为媒介的新型传感器，与传统的传感器相比，光纤传感器具有体积小、质量轻、结构简单、抗干扰性强、电绝缘性能好、频带范围宽、动态测量范围大、耐腐蚀、耐高温、灵敏度高、传输距离远等特点，除此之外，光纤传感器还能够实现分布式、多参量测量，并且易于与计算机和光纤传输系统相连构成传感网络[7]。

文章在阐述光纤传感器传感原理及特点的基础上重点介绍了光纤法珀（FP）传感器和光纤光栅（FBG）传感器，之后对光纤传感器在地震测量中的应用及发展进行了介绍，最后总结了基于光纤传感的地震监测手段的优势和缺陷，对发展前景进行了展望。

1 光纤传感器的传感原理及特点

近年来，光纤传感技术被广泛地应用于地形变观测、地震波探测、水文地球化学观测和地磁探测等众多领域并取得了大量研究成果[8]。光纤传感器可以按照传感原理分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、波长调制光纤传感器、分布式光纤传感器等。

1.1 强度调制光纤传感器

强度调制光纤传感器通过感知外界环境导致的光纤传输光强度变化来检测相应的物理量。光纤法珀传感器是一类典型的强度调制光纤传感器。它是歷史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器。光纤法珀传感器是光纤传感器中的重要一员。光纤法珀传感器的核心敏感元件是法珀腔，所有被测物理量的变化都会直接或间接地反映在法珀腔长的改变上，根据光纤珐珀腔的结构不同，光纤法珀传感器可以分为本征型（EFPI），非本征型（IFPI）和在线复合型（ILFP）。

非本征型光纤法珀传感器是目前光纤法珀传感器中应用最广泛、研究最多的一种光纤法珀传感器，常见的非本征型光纤法珀传感器有毛细管型非本征光纤法珀传感器和膜片式微加工型光纤法珀传感器。

1.2 相位调制光纤传感器

相位调制光纤传感器通过敏感部件感知光纤折射率或传播常数的变化从而对被测物理量进行探测。这类传感器需要采用干涉技术将相位信息转化为强度信息来进行检测。

1.3 波长调制光纤传感器

波长调制光纤传感器主要指光纤光栅传感器，其结构如图1所示，这类传感器利用待测物理量调制传输光波长信息，通过探测波长信息的变化即可对待测量进行检测。光纤光栅传感器是一类典型的波长调制光纤传感器。光纤光栅传感系统已被广泛应用于桥梁健康监测、大坝健康监测、油井健康监测、油罐预警系统等传统工程中。

光纤光栅不仅尺寸很小、重量相对轻、还具有带宽宽、灵敏度很高、耐腐蚀能力强和抗电磁干扰能力强等的优点，由于其固有特性，能够实现对波长的绝对编码、集传感与传输于一体、且可以不受光功率波动的影响、相对易于制作封装及埋入材料的内部。在测量领域，可以对结构的应力、应变进行高精度的绝对检测。同时，也能够采用准分布式的方式多点测量外界温度、应力场作用下的大量待测目标的时间和空间特征。

2 光纤传感器在地震测量中的应用及发展

早在1986年，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室已经开始研究光纤钻井地球应

变仪（FOBES）项目[9]，该实验室采用单模光纤利用光学干涉式地球应变传感器来观测可能是地震前兆的微小地壳应变，探测精度可以达到10-10。Homuth 在该项目的基础上进行了改进，利用两根平行单模光纤来制作干涉传感器，由于不在地下埋设电缆，因此光纤不会接受到四周岩土的影响，用水泥将另一根光纤固定在岩石里，通过这根光纤感知岩石的应变。第二根光纤由应变引起的有效长度变化会和第一根光纤进行相干比较，比较结果由计算机输出。

日本的T Sato等人在1999年构造了两个实验模型，进一步改进了基于光纤光栅传感器的地形变监测系统，并在振动台上与位移计进行了对比实验[10]。该改进结构具有更简单的机械结构、更高的稳定性，能够满足地形变监测的要求。在之后的两年，该科研组又进一步提高了该系统的性能，设计了一种基于新型机械原理的不同的应变观测仪器，这表明研究的关键仍然是提高测量精度；随后，该组继续报道了一种用于地震前兆水平切应力测量的观测设备，设备的核心器件是一个粘贴有光纤光栅的青铜板，通过测量垂直安装于地层中的金属青铜板的角度可以换算出地层切应力。这种改进的结构具有很高的测量精度。2001年，美国海军实验室的J A Bucaro等人基于光纤微弯损耗研制出一种质量仅为1.8g的超小型光纤加速度计[11]。

2005年中国地震局地壳应力研究所的周振安等人针对光纤光栅传感在应力应变监测方面灵敏度不足的问题提出了一种新的技术手段[12]，在这种技术中使用了增敏装置来提高系统的测量分辨率。理论上可以将测量分辨率提高到10-9至10-10量级，这已经可以满足高精度应力应变测量的要求。将一个刚性调节锚杆活性连接到一个光纤光栅传感器上来传递应变，通过改变刚性连接棒的长度来实现各种倍数的机械增敏效果。

2006年，美国史蒂文理工学院的Z Yang 等人报道了基于改性悬臂梁的光纤光栅地震波传感器[13]。该检波器的共振频率为90Hz，工作频段为10-110Hz，采用匹配光栅进行波长解调，动态范围80dB，系统可探测的最小振动加速度为40？滋g。该检波器被应用于地面侦察活动中，对人员行走、跑动、轮式车的探测距离分别达到了67m，83m，180m。

2007年，美国GHAmes等人研制了一种基于DFB光纤激光器的加速度计[14]，该传感器尺寸仅为83mm×8mm×6mm，工作频段为10-8000Hz，最小可探测振动加速度为125？滋g。

2008年，中国地震局地震研究所的邓涛提出了一种基于光纤干涉和光纤光栅组合传感的设计思路[15]，该思路是将光纤bragg光栅的波长绝对测量和光纤干涉法的高精度相對测量进行结合，从而将光纤传感的原理应用到地形变测量来获得高的测量精度。该系统的传感检测具有抗干扰能力强、耐酸碱腐蚀、无须标定、无零点漂移等优点。在实际测量中，将光源放置在温度变化很小的硐体内，将光纤光栅粘贴在硐体的基岩上，基于干涉原理进行传感检测，系统的精度可以达到1.27×10-10。

美国UCSD斯克里普斯海洋研究所的M Zumberge等人[16]报道了一种用于

圣安德烈斯断层天文台地壳形变观测的光纤应变传感器，如图2所示。传感器部分是一根张紧在井管外的单模光纤，井管被安置在深井中并向下延伸782m。当该区地壳发生纵向应变时，光纤干涉臂将随之产生变化。该应变观测装置运用了干涉测量的方法来记录地震事件。结合边缘处理算法，可以使应变仪具有很高的灵敏度和很大的动态范围，图3（a）是记录附近的一次里氏4.1级地震引起的强烈震动波形，图3（b）是记录的一次远震引起的巨大应变信号，两次记录地震的结果都能真实地反映地壳形变状况。

3 结束语

在地震监测和地形传感手段日益多元化的今天，伴随着光纤传感技术的发展，越来越多的光纤传感器被应用到地震前兆观测中。光纤传感器在地形变观测中具有良好的应用前景，与现有的传统监测手段相比，光纤传感器除具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测等优点外，还具有易组网的特点，这就使得我们可以测出沿线任意点的应力应变、温度损伤等信息，从而对监测对象进行全方位监控。因此，分布式光纤应变/温度观测技术的发展对活动块体边界带（或断裂带）的监测具有重要意义。

尽管具有上述诸多优势，但光纤传感若要大规模实际应用于地震监测领域，还需要解决很多关键的技术问题，例如如何提高地形变监测中的光纤光栅传感精度、如何探测超低频地震波并获得较高的分辨率，以及大规模长距离组网技术等。

参考文献

[1]张晓东.地震预报科学发展需要新思维和新的观测手段[J].地震，2002，2：9-12.

[2]刘文义，张文涛，李丽，等.光纤传感技术——未来地震监测的发展方向[J].地震，2012，4：92-102.

[3]马晓川，周振安，刘爱春，等.高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器的研究[J].光电子.激光，2013，7：1245-1250.

[4]景琦，薄万举.电子水准仪与自动安平水准仪的对比研究——以DINI11和NI002为例[J].地震工程学报，2014，4：1102-1106.

[5]潘树新，刘耀炜.光纤传感器在水文地球化学地震前兆观测中的应用及其前景[J].国际地震动态，2001，12：9-14.

[6]王敏吉，赵成均，李川，等.FBG传感器监测钻爆对邻近隧道衬砌结构的影响[J].传感器与微系统，2014，5：9-11.

[7]邢晨辉.基于光纤传感系统的石油测井技术进展[J].中国石油和化工标准

与质量，2014，3：146.

[8]朱萍，刘茵，刘金涛，等.光纤技术在地震勘探领域的应用[J].物探装备，2013，1：29-32.

[9]景琦.全站仪各项新技术革新的应用评述[J].测绘通报，2012，S1：210-211.

[10]Sato T，Honda R，Shibata S. Ground strain measuring system using optical fiber sensors[A].Part of the SPIE Conference on Sensory Phenomena and Measurement instrumentation for Smart Strutures and Materials[C].1999，3670：470-479.

[11]J.A.Bucaro and N. Lagakos.Lightweight fiber optic microphones and accelerometers [J].Review of Scientific Instruments，2011，72（6）：557-561.

[12]周振安，刘爱英.光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究[J].地球物理学进展，2005，3：864-866.

[13]Y Zhang，S Li，Z Yin.Fiber Bragg grating sensors for seismic wave detection[A].SPIE 5855，17th International Conference on Optical Fibre Sensors[C].

[14]Ames G H，Maguire J M.Erbium Fiber Laser Accelerometer[J].IEEE Sens J，2007，7（4）：557-561.

[15]邓涛，廖成旺，丁炜，等.地形变测量中光纤传感新方法[J].大地测量与地球动力学，2008，6：132-136.

[16]Zumberge M A，Wyatt F K，Dong X Y et al. Optiacl fibers for measurement of earth strain[J].APPLIED OPTICS，1988，27（19）：4131-4138.