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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(4): 424-432 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.04.0424

地球化学

基于光纤传感的多参量地震综合观测技术研究

黄稳柱,1,2, 张文涛1,2, 李芳1,2

1. 中国科学院半导体研究所传感技术国家重点实验室,北京 100083

2. 中国科学院大学材料科学与光电子技术学院,北京 100049

Study on Multi-Parameter Seismic Observation Technique Based on Optic Fiber Sensing

Huang Wenzhu,1,2, Zhang Wentao1,2, Li Fang1,2

1. State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China

2. College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

收稿日期: 2018-11-05   修回日期: 2019-01-12   网络出版日期: 2019-05-22

基金资助: 国家重点研发计划项目“先进光纤传感材料与器件关键技术及应用”.  编号:2017YFB0405500
国家自然科学基金项目“基于频率分裂与偏振效应的超高分辨率光纤光栅静态应变检测关键技术研究”.  编号:61605196

Received: 2018-11-05   Revised: 2019-01-12   Online: 2019-05-22

作者简介 About authors

黄稳柱(1987-),男,江西九江人,博士研究生,主要从事光纤传感技术研究.E-mail:hwzhu@semi.ac.cn , E-mail:hwzhu@semi.ac.cn

摘要

面向地震综合观测需要,自主研制了窄线宽光纤光栅谐振腔,并将其作为核心传感元件,发展了一种基于有效腔长的光纤应变、地震波和温度多参量同步测量新方法。采用边带扫频激光技术实现了高精度多参量光纤信号同步解调,研制出了光纤地壳形变、地震与温度多参量探头,并开展了多参量地震综合观测实验。实验结果表明,所研制的光纤多参量传感系统应变与温度测量分辨率分别达到4.7×10-10和6×10-5 ℃,能够同时记录到清晰的固体潮汐信号、地震波信号以及环境温度扰动,有望为多参量地震同步观测提供先进的技术手段。

关键词: 光纤传感 ; 地壳形变 ; 地震波 ; 温度 ; 多参量综合观测

Abstract

”Deep well, wide band, multi-component comprehensive observation” is the development direction of seismic observation. In order to promote the application and development of underground integrated observation system, key technologies, such as high temperature resistance sensor, interference isolation of sensor unit and miniaturization of instrument, need to be developed. Optic fiber sensors have the advantages of small size, passive nature, resistance to electromagnetic interference, being easy to long distance transmission and multi-parametric network observation, which are expected to provide new technology for the comprehensive observation of multi-parameter earthquakes in deep wells. This paper proposed a comprehensive observation technique of seismic wave, crustal deformation and temperature. An integrated borehole seismic sensor based on fiber Bragg grating resonators was designed for measuring three-component earthquake, three-component crustal deformation and temperature signal. A new technique for simultaneous measurement of multi-parameters of temperature and strain of fiber based on effective cavity length was presented. The technique of high precision optical fiber signal demodulation based on single side band sweep laser and the design of multi-parameter integrated optical fiber probe were introduced. The resolution of strain and temperature measurement of the fiber multi-parameter sensor system reached 4.7×10-10 and 6×10-5 , respectively. A comprehensive multi-parameter earthquake observation experiment was carried out at the seismic station. The results show that the integrated optical fiber multi-parameter seismic observation system can simultaneously record the earth tide signal, seismic wave signal and environmental temperature disturbance, and has good anti-environmental interference ability and long-term stability, which is expected to provide a new technique for crustal deformation observation.

Keywords: Optic fiber sensing ; Crustal deformation ; Seismic wave ; Temperature ; Multi-parameter observation.

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本文引用格式

黄稳柱, 张文涛, 李芳. 基于光纤传感的多参量地震综合观测技术研究. 地球科学进展[J], 2019, 34(4): 424-432 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.04.0424

Huang Wenzhu. Study on Multi-Parameter Seismic Observation Technique Based on Optic Fiber Sensing. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(4): 424-432 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.04.0424

1 引 言

21世纪以来,以美国和日本等国为首的地震观测技术迅速进入“深井、宽频带、多分量综合观测”的发展时期,我国也紧随其后开始了井下综合观测技术的研究[1,2]。多参量综合地震观测有利于获取更为丰富的地震信息,主要包括地壳形变、地震、倾斜、地温和重力等[3],这可为探索地壳应力、地球物理状态与变化,研究地震活动、揭示地震发展规律提供支撑数据。例如,著名的美国板块边界观测(Plate Boundary Observatory,PBO)计划便建立了以地壳形变为主的井下综合观测网络[4],不但安装了大量的钻孔应变仪,还安装了几十套钻孔地震仪和钻孔倾斜仪等。在美国的圣安德列斯断层深部观测(San Andress Fault Observation at Depth,SAFOD)技术中还专门研制出了一种综合观测装置,包含了三分量地震计、三分量MEMS加速度计、倾斜仪和地磁仪[5]。日本也研制出了地壳活动综合观测装置,包含有六分量钻孔应变仪、两分量倾斜仪、三分量地震仪、三分量磁力仪、一分量温度计以及相应的采集单元,这些观测传感器具有标准化接口,可根据需要进行任何数量和种类的组合[6]。中国地震局地壳应力研究所欧阳祖熙等[7]也研制出了“RZB-3型地壳形变深井宽频带综合观测系统”,该系统以RZB型高精度电容式钻孔应变仪为核心,同时含有地倾斜单元、应变地震波单元、精密地温单元以及水位气压单元等,主要用于观测数秒至数月的地壳应变场积累变化。

当前井下综合地震观测传感设备普遍采用电学测量方法。由于井下综合地震观测传感器需要在高温高压的环境下进行长期连续、稳定的高精度观测,这就不仅需要探索和解决传感器在高温、高压下仍然保持观测精度的技术难题,还需要解决不同传感器之间的相互连接、相互密封的问题,井下可靠的数据采集、通讯和电源供电等一系列问题[8]。为了推动井下综合观测系统的应用和发展,需要发展传感器的耐高温、传感单元的干扰隔离以及仪器的小型化等关键技术[1]

进入21世纪,伴随着光纤传感技术的迅速发展,基于光纤传感的地震传感器以其尺寸小、本质无源、抗电磁干扰、便于长距离传输和多参量组网观测等优势,有望为解决深井多参量地震综合观测提供全新的技术手段,并逐渐成为了国际上地震观测与光纤传感交叉领域的研究热点[7]。近年来,在Science上关于光纤地震传感技术的报道也屡见不鲜[10,11]。美国、日本和意大利等国投入大量研究精力用于攻克高精度的光纤传感与信号解调技术,并且成功研发出了超宽频带的干涉式光学地震仪[12],可用于海底地震、海啸观测的光纤地震传感器阵列[13],以及用于火山地震观测的光纤地震传感网络[14]。我国中国科学院半导体研究所[15]、上海交通大学[16]、哈尔滨工程大学[17]和吉林大学[18]等也先后开展了高精度光学地震传感技术研究,并在地壳形变观测和地震波测量等方面取得了一定的成绩,但在光纤传感器测量精度方面与国外尚有一定差距。

本文针对多参量地震综合观测需要,提出了一种基于光纤光栅谐振腔的应变、地震波、温度多参量同步测量技术,并研制出了光纤地壳形变、地震与温度综合观测探头。为了提高光纤传感器的测量精度,采用边带扫频激光技术实现了高精度多参量光纤信号同步解调。重点对光纤传感多参量地震综合观测核心技术原理、多参量地震综合观测实验进行了介绍与讨论。

2 光纤传感多参量地震综合观测核心技术

下面从光纤光栅谐振腔及其温度与应变同步测量原理,高精度多参量光纤信号解调技术,光纤地壳形变、地震与温度多参量综合观测探头设计3个方面介绍光纤传感多参量地震综合观测核心技术。

2.1 光纤光栅谐振腔及其温度与应变同步测量原理

光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一种具有本征波长选择特性的光纤内反射镜,为本征型线性腔光纤法布里—珀罗传感器的发展提供了新的技术方案。可以直接利用2个FBG作为反射镜,构成一个基于FBG的法布里—珀罗腔(Fiber Bragg Grating Fabry-Perot resonator,FBG-FP)。由于FBG的反射率可以做到很高(可以高于99.9%),因此FBG-FP可以获得非常高的精细度和非常窄的反射谱线宽,这在高精度应变与温度测量领域是其他光纤法布里—珀罗腔(Fiber Fabry-Petor resonator,FFP)无法比拟的[19]。FBG-FP的反射光谱可用公式(1)表示,与普通的FFP相比,FBG-FP反射率表达式中多了一个相位因子,而且反射率R是波长λ的函数,因此FBG-FP只能对FBG反射带宽内的光波提供反馈,FBG反射带以外没有谐振。

RFBG-FP=11+(1-R)24Rsin2(φ/2-φr)

式中:R为光纤光栅的反射率,φ是指相邻2束光的位相差,φr为相位因子。

FBG-FP的结构原理如图1a所示,FBG1与FBG2的物理长度分别为L1L2,2个FBG边沿之间的距离为L0Leff1Leff2分别为2个FBG的有效长度。图1b是FBG-FP的反射光谱仿真图,图1c是FBG-FP的一个自由谱区范围内的2个谐振峰。其中,光纤光栅的中心波长设置为1 546.000 nm、反射率为99.95%,3 dB带宽设置为0.4 nm,有效腔长设置为1.33 cm,自由谱约为60 pm。

图1

图1   光纤光栅谐振腔结构原理(a)、反射光谱(b)以及一个自由谱范围内的谐振峰图(c

Fig.1   The structure principle of FBG-FP resonator (a), the picture of reflectance spectra (b) and the picture of the resonant peaks within a free spectrum rangec


根据FBG-FP的有效腔长理论[19],其自由谱范围(Free Spectral Range,FSR;即2个谐振峰之间的波长差)主要由2个FBG的有效长度Leff1Leff2决定[公式(2)]。Leff1Leff2在外界应变和温度作用下将呈线性变化,因此,我们可以通过测量FBG-FP 2个谐振峰之间的波长差就可以获取外界应变和温度信息。

Leff=λ2πΔntanh(πΔnλL)FSR=λ22ng(L0+Leff1+Leff2)

式中:△n为光纤光栅折射率调制深度,λ为光纤光栅的中心波长,ng为光纤的有效折射率,L为FBG的物理长度。

实际测试系统中,光纤光栅的中心波长设置为1 546.000 nm、反射率为99.95%,3 dB带宽设置为0.6 nm。FBG-FP的反射谐振峰线宽小于0.1 pm,其自由谱范围约为10 pm(有效腔长约为8 cm)。由于FBG-FP的反射谐振峰线宽比传统的光纤光栅线宽小3个数量级以上,因此将其用于应变和温度测量,可以获得更高的测量精度。

2.2 高精度多参量光纤信号解调技术

当前高精度光纤光栅静态应变测量技术主要是采用可调谐扫描激光和参考光纤光栅温度补偿的技术方案,作者在2015年提出了基于抑制载波单边带扫频激光的高精度静态应变测量技术[20],获得了0.67 nε的静态应变测量精度。但是该技术的测量精度依然受到窄线宽激光器的低频频率漂移的影响,同时不能直接用于静态应变和温度的同时测量。

本文创新地提出一种基于光纤光栅谐振腔有效腔长的静态应变、地震波和温度同时测量技术(图2)。首先通过PDH(Pound-Drever-Hall)反馈闭环控制技术将窄线宽激光器锁定在一个稳频源的吸收谱上,提高窄线宽激光器的频率稳定性;再通过一个抑制载波单边带调制器实现窄线宽激光的可调谐,获得极高的波长调谐线性度。根据光纤光栅谐振腔有效腔长理论,当直接测量一个光纤光栅谐振腔的自由谱长度时就可以获得该光纤光栅受到外界应变和温度的波长漂移值。当将光纤光栅谐振腔分别封装成静态应变敏感结构、地震波敏感结构和温度敏感结构,便可以通过同时测量不同光纤光栅谐振腔的自由谱区范围实现静态应变、地震、温度多参量同步测量。

图2

图2   高精度光纤光栅多参量信号解调技术方案

Fig.2   The technical scheme for high-resolution FBG multi-parameter signal interrogation


在安静环境下测得的光纤光栅多参量信号解调系统的不同通道本底噪声如图3所示,应变感应光栅实际上受到应变和温度同时作用,可以直接用于地震波测量,也可以通过温度补偿用于地壳形变测量。温度传感光栅是直接感受温度。从图3可以计算得到该解调系统的静态波长解调分辨率达到6×10-4 pm(10分钟波长漂移值的标准偏差),光纤光栅谐振腔的应变、温度灵敏度分别为0.78 με/pm和0.1 ℃/pm,因此可以推断该系统的静态应变和温度的测量分辨率分别达到4.7×10-10和6×10-5 ℃。这里抑制载波单边带调制器的波长调谐范围和调谐速率决定了整个系统的动态范围和可测信号的上限频率,而抑制载波单边带调制器相对于商用的可调谐激光器具有更大的波长调谐范围和调谐速率,因此我们可以获得较大的系统动态范围。

图3

图3   应变传感光栅、温度传感光栅的时域本底噪声以及应变光栅温度补偿后的时域本底噪声

Fig.3   The time-domain noise of strain sensing FBG, temperature sensing FBG and the time-domain noise of the strain sensing FBG after temperatue compensation


2.3 光纤地壳形变、地震与温度多参量综合观测探头设计

利用2.1节所介绍的光纤光栅谐振腔,提出了光纤光栅地壳形变、地震与温度多参量综合观测探头,其基本结构如图4a所示,将三分量光纤地震计、三分量光纤形变传感器和单分量光纤温度传感器封装在一个密闭的不锈钢桶内,其实物如图4b所示。这里光纤光栅谐振腔地震计的设计采用双膜片的结构模型,由质量块、膜片、光纤光栅谐振腔、外壳、端盖和螺钉等核心部件组成(图5[21,22]。图5中应变(形变)传感用的FBG-FP是固定在圆柱筒(即光纤多参量地震综合观测探头的外壳)的管壁上,圆柱筒是通过水泥直接与钻井中的基岩耦合在一起,这样地壳形变可以通过圆柱筒管壁直接将应变/形变传递给应变(形变)传感用的FBG-FP。而温度传感用的FBG-FP是以一种自由状态放在圆柱筒内部,外界应变/形变对其无作用。这样,温度传感用的FBG-FP不但可以用于测量温度,而且可以用于应变传感FBG-FP的温度补偿。光纤光栅谐振腔通过光纤胶一端与膜片固定,另一端与固定端盖固定。当传感器感受到外界震动信号时,由于质量块惯性作用,膜片将发生形变,拉动光纤光栅谐振腔,从而在光纤中产生拉力。光纤中的拉力、膜片的变形与惯性力构成振动系统;同时光纤光栅谐振腔被拉伸引起应变,进而实现了光路中光学布拉格波长的调制,即加速度灵敏度以加速度引起光纤光栅谐振腔反射波长的漂移量为主要评价方式。光纤形变传感器是通过焊接方式直接将光纤光栅谐振腔封装在不锈钢桶内部,让其直接感受形变。光纤光栅温度传感器可以采用裸露的光纤光栅谐振腔方式,也可以采用一定的增敏封装。同时,在设计中使三分量光纤地震计处于三维正交状态,三分量光纤形变传感器呈120°夹角。

图4

图4   光纤多参量地震综合观测探头结构原理(a)与实物图(b

Fig.4   The structure principle (a) and the picture (b) of the multi-parameter FBG integrated earthquake observation probe


图5

图5   光纤光栅谐振腔地震计结构示意图

Fig.5   The structure diagram of FBG-FP seismometer


3 多参量地震综合观测实验与讨论

多参量光纤地震综合观测实验在安徽省六安市金寨地震台进行。多参量光纤地震综合观测探头安装于耳洞中的5 m深钻井中(图6),并且通过水泥将其与基岩耦合。通过一根超过150 m的铠装光缆将多参量光纤地震综合观测探头与位于山洞外侧的地震观测室光纤信号解调仪相连,实现三分量形变、三分量地震、单分量温度同步实时观测。其中,GPS天线用于光纤信号解调仪的授时。该系统中,光纤形变和温度测量采样率设置为1 S/s、光纤地震测量采样率设置为20 S/s。

图6

图6   光纤光栅形变传感器固体潮和地震观测实验方案

Fig.6   The experimental scheme for Earth tide and earthquake observation based on FBG deformation sensor


多参量光纤地震综合观测系统测得的三分量固体潮信号、三分量地震波信号和单分量温度信号分别如图7,8,9所示。由图7可见,三分量光纤形变传感器可以清晰地测得3个方向上的固体潮信号,并且记录到了2018年7月29日的印尼龙目岛6.5级地震。同时,三分量光纤地震计与三分量光纤形变传感器相比,测得的印尼龙目岛6.5级具有更高的信噪比;这也为同一个地震事件的不同类型仪器记录结果提供了一种全新的对比方式。光纤温度传感器则能够高分辨率地反映这段时间内的温度变化情况。

图7

图7   三分量光纤形变传感器记录到的固体潮信号与地震事件

Fig.7   The tide signals and seismic event recorded by the three-component optic fiber deformation sensor


图8

图8   三分量光纤地震计记录到的印尼龙目岛6.5级地震信号

Fig.8   The M6.5 earthquake signals recorded by the three-component optic fiber seismometer


图9

图9   光纤温度传感器记录到的温度变化曲线

Fig.9   The temperature curve recorded by the optil fiber temperature sensor


下一步将对多参量光纤地震综合观测系统进行长期连续观测,依据中华人民共和国地震行业标准《地震观测仪器进网技术要求地壳形变观测仪:第2部分:应变仪》、《地震观测仪器进网技术要求地震仪》对三分量光纤形变传感器的形变分辨率和长期稳定性以及三分量地震计的自噪声水平进行评估。

4 总结与展望

本文研制了一种新型的全光纤多参量地震综合观测系统,提出了一种基于有效腔长的光纤应变、地震波、温度多参量同步测量新技术,并对基于单边带扫频激光的高精度光纤信号解调技术以及光纤多参量综合探头设计进行了介绍。在地震台站开展了多参量地震综合观测实验,结果表明所研制的光纤多参量地震综合观测系统能够同时记录到固体潮信号、地震波信号和环境温度扰动,并表现出了良好的抗环境干扰能力和长期稳定性,有望为地壳形变观测提供一种新型的技术手段,为多参量地震同步观测提供先进的技术手段。

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