光纤地震波信号的探测及传感器选型

光纤地震波探测的研究进展-1

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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。

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

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。

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

FBG，该系统本底噪声较高，最小可探测的加速度仅能达到0.1 mg/√Hz。

除普通光纤布拉格光栅外，倾斜光纤光栅也被用于测量振动信号。2008 年，T. Guo 等[12]报道了一种基于倾斜光纤光栅（TFBG）的光纤振动传感器，如图5所示。在TFBG 与引导光纤熔接时，保持两者纤芯之间有微小错位，从而使得TFBG 的包层模能够重新耦合进入纤芯。在反射光谱中，布拉格波长处的谐振峰之前还会有一个由包层模引入的谐振峰，其波长随光纤振动而变化，通过检测其波长可以实现振动测量。

2.4 光纤激光型

近年来出现了一种以分布反馈（DFB）光纤激光器作为传感元件的地震波传感器。DFB 光纤激光器具有极窄的线宽，结合高分辨率的干涉式波长位移解调技术，能够得到极高的探测分辨率。光纤激光型地震检波器既具有光纤光栅检波器波长编码、抗干扰能力强、探头尺寸小、易于组网的优点，又具有干涉型检波器灵敏度极高的优点，因而具有极大的应用前景。

2007 年，美国G. H. Ames 等[13]报道了一种基于DFB 光纤激光器的加速度计，该传感器尺寸仅为83 mm×8 mm×6 mm，工作频段为10~5000 Hz，最小可探测的加速度能达到125 kHz。

2.5 分布型

上述各类光纤地震波传感器都属于点式测量，通过组网也只能实现“准分布”式测量。而若要求在大跨度内实现连续性的分布式测量，则必须采用分布型光纤地震波传感器，它充分发挥出了“传感合一”的优。但是，它也存在对地震波的探测灵敏度较低的缺点。

相位型光时域反射（Φ-OTDR）原理被用来构建分布型地震波传感系统。它是利用光纤中不同部位背向散射光信号之间发生的干涉，通过探测光功率变化来实现光纤扰动的定位。2005 年，美国德州农机大学H. F. Taylor 课题组[14]报道了一种基于Φ-OTDR 的入侵监测系统。2008 年，加拿大渥太华大学XiaoyiBao 教授课题组[15] 报道了一种基于偏振时域反射（POTDR）原理的分布式振动传感系统，测量的振动频率高达5 kHz。

另外一种常见的分布型地震波传感系统是基于激光干涉原理[16]，其传感机理与干涉型光纤地震波传感系统相似，采用长距离光缆经连接构成

Mach-Zehnder 干涉仪或者Sagnac 干涉仪结构，而光源多采用相干长度很长的激光器.

3 光纤地震波探测的应用

光纤地震波探测相比传统地震波探测技术具有显著优势，因而在地震预报、石油地震勘探、周界安全监测等领域都取得了重要的应用。

3.1 地震预报

我国是世界上地震多发的国家，且地震活动频度高、强度大、分布广，历代人民曾饱受地震灾害之苦，如2008 年的“5.12 汶川大地震”造成了巨大的人员伤亡和不计其数的财产损失。地震预报事关人民生命财产安全，准确而及时地预报地震具有重大的意义。地震之前存在着多种前兆现象，但是到目前为止，只有地震波监测一直是进行地震学研究的唯一被公认的有效手段。现代地震仪虽然为地震观测科学提供了强有力的支持，但由于其固有的电学机制，还存在多方面的不足。而将光纤传感技术引入到地震波监测领域，能够彻底解决传统地震仪供电、稳定性和抗雷击问题，并可以为地震监测提供全新的网络化探测手段。

美国加州大学圣地亚哥分校M. Zumberge 等[17]研制出了基于Michelson 干涉仪的光纤地震仪，如图6（a）所示。该研究小组在标准STS-1 地震仪的基础上，用光纤干涉技术替换传统的电学测量手段，实现了高达5×10-13 m 的位移测试精度，带宽为10~4~15 Hz，并对2002 年发生在南佐治亚岛的一次里氏6.7 级的地震进行了记录，该光纤地震仪测试结果和标准地震仪的对比如图6（b）所示。

日本NTT 公司[18]开发了基于光纤光栅的海底地震和海啸预警系统，如图7 所示。该系统中的地震检波器和海啸传感器均采用光纤光栅。每支地震检波器由3 个方向的光纤光栅加速度计构成，如图7（b所示，其FBG 加速度计采用了L 型梁结构，灵敏度高达600~1000 pm/g，并经过了冲击、挤压、水压等可靠性实验。海啸传感器由FBG 压力传感器构成。在日本气象厅的支持下，研究小组将该系统安置在日本伊豆半岛离海岸4 km 深的海底，每条海底光xian长100 km，其上每间隔25 km 串接有4 个地震检波器和4 个海啸传感器，能够对日本东海、东南海及南海的海底地震、海啸进行监测，探测距离能够达到100 km 以上。

3.2 石油地震勘探

在石油天然气勘探中，地震勘探是地球物理勘探中最重要的方法。它的原理是由人工制造强烈的震动

所引起的弹性波在岩石中传播时，当遇着岩层的分界图 6 美国加州大学圣地亚

哥分校的光纤地震仪[17] 面，便产生反射波或折射波，在它返回地面时用高度灵敏的仪器记录下来，根据波的传播路线和时间，确定发生反射波或折射波的岩层界面的埋藏深度和形状，认识地下地质构造，以寻找油气圈闭。光纤地震波探测在该领域的一款具有重大意义的产品是Weatherford 公司[19] 的井下VSP 系统———ClarionTM，如图8 所示。该系统采用双光纤光栅构成的F-P 干涉仪为传感元件，能够实现高灵敏度大动态范围的信号解调，并采用特殊设计的机械结构实现了三维地震波采集，并能够适用于井下175 ℃的高温及108 Pa 的高压环境。系统工作频段为10~400 Hz，最小可探测的加速度为100~500 ng/√Hz。这种检波器可以在一根光纤上利用波分复用技术串联起来，其信号处理系统放置在地面，完成控制和数据采集，大大降低了信号处理的难度，并解决了数据传输、供电、绝缘等瓶颈问题。该检波器通过与油井套管相结合，以被永久的安装在井下，这样一方面大大降低了系统的整体成本，同时避免了传统方法因为要采集数据而不得不停止生产的缺点，更进一步降低了数据采集成本。并且由于每次采集检波器的位置不变，因此地震数据可以累加起来，由这种方法采集到的地震数据处理的结果要比其他地面地震采集的结果更加清晰。

在国内，中国海洋石油总公司油田服务公司与清华大学电子系光纤传感实验室共同承担了国家海洋863

计划“时移地震采集关键设备研制”的研究任务。他们采用干涉式光纤传感器，

在海上拖缆、井下VSP 勘探、井下温度与压力检测等方面进行了深入的研究[20]，并取得了一定的研究成果，在地震检波器性能指标上已经逐步接近国际水平。而胜利油田和美国Stevens 理工学院合作，进行了光纤光栅型地震检波器的开发，并于2007 年报道了地震勘探的野外实验[21]。

3.3 用于周界安全监测的地面侦察系统

地面侦察系统通过探测地面传播的地震波来发现和识别目标，用于边界、海岸线、机场、港口等重要场合的周界安全监测。它以探测人员活动、车辆运动为主，是一种被动式、全天时、全天候能适应各种环境工作的新型侦察设备，具有侦察范围广、侦察纵深远、不受地形和天候条件影响，获取情报准确、及时、不间断等特点。地面侦察系统部署在敌人可能入侵的地段、要道上，特别是在其它侦察器材“视线”达不到、受地形、地物遮挡的地域，可以用来执行预警、目标探测、目标分类等任务。传统的地震波传感器难以实现微弱震动信号的测量，并且容易受到电磁干扰，而光纤地震波探测此时则显示出了其灵敏度高、抗电磁干扰的优势。

中国科学院半导体研究所近年来开展了无人值守光纤地面侦察系统的研究，先后研制了干涉型、光纤光栅型、光纤激光型三代系统。其研制的干涉型光纤地震检波器[22]如图9 所示，其结构包括中心固支型、周边固支型两种盘片式结构，灵敏度最高能达到

182 rad/g。采用了PGC 进行解调，该系统可探测的最小加速度为12μg。

半导体所研制的第二代无人值守光纤地面侦察系统系统采用了光纤光栅型地震检波器。该FBG 检波器如图10 所示的活塞式结构，在圆筒形光滑活塞缸中有一个能沿轴线方向滑动的质量块，充当活塞。质量块和活塞缸之间由FBG 及弹簧连接，FBG 与弹簧并联，弹簧处于压缩状态而激光器受到预应力处于拉伸状态，使用时，传感器保持竖立，弹簧、FBG、质量块三者形成一组力平衡体系。当传感器受到振动时，质量块在惯性作用下产生位移偏离平衡位置，从布拉格波长。该传感器灵敏度达到了160 pm/g，配合干涉式FBG 波长解调系统，最小可探测加速度为12.3 μg。

半导体所最新研制的第三代无人值守光纤地面侦察系统系统如图11 所示。它采用自行研制的DFB 光纤激光器作为传感元件，传感器则采用了与第二代FBG 检波器相似的活塞式结构。自振频率为220 Hz，在使用频段内（15~150 Hz）加速度响应平坦，平均灵敏度达到了50 pm/g。由于研制的DFB 光纤激光器线宽极窄，仅为3 kHz，相应的相干长度为100 km，因此在干涉式波长解调系统中，能够通过加大干涉仪的臂长差来将极微弱的波长位移放大为可检测的相位变化，从而使解调系统达到了优于10-6 kHz的波长分辨率[23]。结合高灵敏度DFB 光纤激光加速度计和高分辨率波长解调系统，最小可探测的地震波加速度达到了20 kHz。

在无人值守光纤地面侦察系统中，DFB 光纤激光加速度计阵列将探测到的目标（人员、车辆等）移动所

产生的地震波转化为激光器波长位移后，经光缆传输至自行研制的光纤激光传感网络分析仪进行波长解调，获得所需的地震波信息。该网络分析仪波长能够实现8 通道光纤激光传感器实时解调。完成信号解调后，再经过信号处理、特征提取、目标分类、多传感信息融合等步骤，最后实现目标识别与报警。

4 光纤地震波探测中存在的问题

为了实现在工程中的大规模推广，光纤地震波探测目前还尚有一些关键技术问题需要攻克，以满足实际工程环境中的各种需求。

4.1 用于特殊环境的三维无源地震检波器

光纤地震检波器通常使用在井下（高温、高压）、野外、海底等特殊环境下，光纤及光缆本身能够适用

于恶劣环境，但是在检波器设计及制作的过程中还有材料选择、机械结构、封装工艺等诸多环节需要考虑环境的影响。阻尼系数是检波器设计中的重要参数之一，阻尼比的大小不仅影响系统的灵敏度和测试频段，还会影响到相频特性，并对传感器起保护作用。阻尼比在0.707 时，检波器的综合性能最佳。但是光纤传感器具有无源工作的特点，探头无供电，如何实现理想的无源阻尼，也是其设计难点。现代检波器通常还需要获取三维地震波信息，因此，如何实现特殊环境下的三维换能，及其长期可靠性，都是光纤地震检波器需要解决的关键技术问题。

4.2 超低频地震波的高分辨率探测技术

地震波具有丰富的低频信息，尤其在地震学领域，需要探测频率低达0.01 Hz 的信号。而光纤传感系统

中通常采用激光光源，其频率噪声的功率谱密度满足1/f 关系（f 为探测频率），即具有较高的低频噪声，这

制约了系统对地震波信号低频分量的探测分辨率。根据功率谱1/f 关系计算得到：在低频（0.01 Hz）处，系统对信号幅度的探测分辨率将低于高频（1 kHz）处近3 个数量级。为了实现超低频地震波的高分辨率探测，首先需要对光源的低频噪声加以控制。此外，还存在着温度漂移等环境因素的干扰，需要进行抑制。

4.3 大规模组网中的串扰抑制、功率均衡、相位一致性

对于大规模光纤地震波探测网络，各通道传感器之间的串扰抑制、功率均衡及相位一致性都还是有待深入研究的课题。通道间的串扰会对其他信道引入噪声，恶化其信噪比，必须加以抑制。而对于光功率，如果过大则会导致光饱和，而过小将不足以实现探测所需的分辨率，因此必须由功率均衡技术来保证传感网络中的每一节点都能正常工作。

在地震波探测器网络中，需要利用多个通道的数据来分析震源的强度和位置。而目前大多数阵列信号处理算法要求各通道直接具有高度的相位一致性，以达到良好的波束形成效果和准确的定位要求。光纤地震检波器的相位一致性、解调设备的相位延迟、数据传输的同步性等问题都将影响到系统的相位一致性。

4.4 长距离传感网络

为了满足在大范围内进行远程地震波探测的需求，通常还需要实现地震检波器的长距离组网。光纤传感网络本身具有“传感合一”的优势，易于长距离传输的优势，但是还存在两个方面的问题需要解决。一方面，长距离传感网络存在

功率损耗，常需要进行光放大；另一方面，还需要克服光纤中瑞利散射、偏振效应等对系统所造成的影响。

5 结论

总之，光纤地震波探测技术具有灵敏度高、抗雷击及电磁干扰、绝缘性好、组网能力强等诸多优点，在地震预报、石油天然气地震勘探和安全监测等领域都有重要的应用价值。经过近20 年的发展，已经取得了相当多的研究成果。但是，在用于特殊环境的三维地震检波器、超低频地震波的高分辨率探测、大规模组网中的串扰抑制、功率均衡、相位一致性及长距离传感网络等方面仍然存在许多关键技术问题有待进一步的研究。目前光纤地震波探测技术已经走向了工程应用，相信随着技术的进一步发展、成熟和关键问题的逐步突破，会有更多，更好的光纤地震波探测产品问世。光纤地震波探测技术将来在国民经济和国防建设中必然会起到更大的作用。