光纤地震波探测的研究进展-1
http://hi.http://www.china-audit.com//fibersensor/blog/item/66e8ee11cf1e531db9127b88.html
光纤传感技术推广，部分内容来自于网络(标注作者),如有侵权,请及时联系.yyebuxing@hotmail.com--------- 广交各行业的朋友；提供各类光纤传感产品；联系qq：42705607（请注明光纤传感）
1 引言
地震波是一种由震源发出，在地球内部传播的波。在地震学中，研究地震波一直是探测地球内部结构最有效的手段。现代地震仪通过探测地震波, 得到地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身，并实现临震预报。在石油勘探领域，地震勘探是地球物理勘探中最重要的方法。人工震动引起的弹性波经岩层分界面发生反射或折射，反射波或折射波被高度灵敏的地震检波器记录, 从而认识地下地质构造以寻找油气圈。在安全监测领域，通过探测入侵目标引起的地面波来实现目标识别及预警。但是, 传统的地震波探测系统普遍存在着灵敏度低、动态范围小、漏电、供电困难等问题，限制了地震预报、石油勘探及安全监测等技术的发展。
光纤传感技术以光纤为媒质、光为载体，感知和传输外界信号。它具有灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、便于组网及长距离传输等优点，因此非常适合应用在一些传统传感器受到限制的领域，例如地震仪所使用的边远山区环境、周界安全监测系统的野外环境以及石油勘探中高温高压强电磁强辐射的井下环境。与传统地震波探测技术相比，光纤地震波探测技术具有极大的优势和好的前景。
2 各类型光纤地震波探测技术
近20 多年以来，各种类型的光纤传感器被用于地震波探测，目前已经取得了不少实验室成果及一些商业应用。按照其传感机理可以分为：强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型及分布型等。 2.1 强度调制型
地震波引起光纤中传输光强发生变化，通过检测出光强的变化就可以实现地震波探测。1990 年，美国南加州大学P. C. Leary 等[1]报道了一种基于光纤微弯损耗原理的强度调制型光纤地震仪，并进行了3 次加州地震的记录，与电类地震仪的测量结果相比，该光纤地震仪具有更好的低频响应。2001 年，美国海军实验室J. A. Bucaro 等[2]报道了一种基于光纤微弯损耗的超小型光纤加速度计，质量仅为1.8 g。2007 年，美国加州大学尔湾分校D. H. Kim 等[3] 报道了一种基于双光栅透射光强调制的光纤加速度计，其结构如图1 所示。两光栅一个固定在加速度计壳壁上，另一个固定在质量块上。在振动作用下，两光栅作相对移动，通过光栅的光强随之变化，从而可探测振动的加速度。
1 / 15
强度调制型光纤地震波传感器的优点在于解调简单，系统易于实现。但是其灵敏度通常较低，难以实现微弱地震信号的探测，并且对光源的稳定性提出了较高要求。这些劣势阻碍了其进一步发展。 2.2 干涉型
基于光纤干涉仪的地震检波器是目前发展最为成熟、性能较好的一种光纤地震波探测技术。光纤干涉仪对外界环境极为敏感，在极微弱地震波的作用下，其输出光信号的相位能发生相应变化，再通过相位解调系统就能够还原出地震信息。干涉型光纤地震波探测技术灵敏度极高，并且稳定性好，因而引起了人们极大的研究兴趣并有相关产品问世。常见的用于地震波探测的光纤干涉仪主要包括Mach-Zehnder干涉仪、Michelson 干涉仪及Fabry-Perot 干涉仪等。 1987 年，美国海军研究生院D. L. Gardner 等[4]率先报道了基于
Michelson 干涉仪的光纤地震检波器，为芯轴式结构，该系统的最小分辨率为1ng/√Hz，探测频段为10~1000 Hz。1990 年，D. A. Brown 等[5] 报道了盘片式结构的地震检波器，使用频段也高于20 Hz。图2 所示为芯轴式及盘片式Michelson 干涉
2 / 15
型地震检波器。
日本海洋科技中心和OKI 电子公司的Y. Shindo等[6]研制出用于探测海底地震波的干涉式加速度传感器。采用的是盘片式的Michelson 结构，并利用3 支加速度计分别测量三维方向上的地震波，利用相位截波(PGC)相位解调技术，最小可探测的地震波加速度达到了30 Hz，但在低于3 Hz 时，其噪声水
平急剧提高。系统中还采用了EDFA 进行光放大来实现长距离的光传输，并已经试用于海底地震的监测。在国内，清华大学廖延彪教授课题组[7]于2004 年报道了一种用于井下VSP 系统的三分量光纤加速度计。该加速度计由三支分别测量x，y ，z 方向振动加速度的芯轴式Michelson 干涉干涉型传感器构成。 2.3 光纤光栅型
光纤布拉格光栅（FBG）传感器是一种波长调制型传感器[8]。其反射光谱的中心波长随地震波引起的应变而变化，通过波长解调技术还原出地震信号。光纤光栅型地震检波器的显著优势在于抗干扰性好，大规模组网能力强，而缺点则在于其探测灵敏度难以达到干涉型地震检波器的水平。
3 / 15
2006 年，美国Stevens 理工学院Z. Yang 等[9]报道了基于改性悬臂梁结构的光纤光栅地震波传感器，其结构如图3 所示。该检波器的工作频段为10~110 Hz，共振频率为90 Hz，采用匹配光栅进行波长解调，动态范围80 dB，该系统最小可探测的振动加速度为40μg。他们将该检波器用于地面侦察系统中，对人员行走、跑动、轮式车的探测距离分别达到了67 m，83 m，180 m。
意大利A. Laudati 等[10] 和G. Gagliardi 等[11] 分别于2007 年和2008 年报道了光纤光栅型地震检波器。A. Laudati 等将三只波分复用的FBG 分别间隔120°排列在圆管内壁，构成一支有方向性的地震检波器，如图4 所示。同传统检波器的对比冲击测试结果表明在0.1 ~10 Hz 范围内频率响应一致。G.Gagliardi 等采用相似的传感器结构，在竖立的圆柱杆上固定了质量块和
4 / 15
相关推荐：
loading