光纤传感技术
——独具优势的地震监测新手段

2012-04-02 00:05刘文义张文涛黄稳柱
地震科学进展 2012年6期
关键词:检波器前兆光栅

刘文义 张文涛 李 丽 黄稳柱 李 芳

1)中国地震局第二监测中心,西安 710054

2)中国科学院半导体研究所,北京 100083

3)地壳运动监测工程研究中心,北京 100036

利用光纤传感器进行地震前兆观测是一种独具优势的地震监测新手段。光纤传感器具有高精度、抗电磁干扰、不存在零漂问题、易于组网以及适于长距离传输等一系列独特优势,可以解决地震前兆观测中电学测量仪器存在的固有问题。介绍了几类常用光纤传感器的工作原理及特点,综述了光纤传感器在地壳形变观测和地震波探测两个应用领域国内外的研究进展,并指出了目前需要解决的问题。研制了一套基于光纤传感器的钻孔应变、地震波和地温同时测量的多参量钻孔综合地震观测设备,外场实验表明,该光纤综合钻孔地震观测设备适应地震前兆观测中对抗环境干扰能力、测量精度、稳定性等方面的性能要求,具有好的应用前景。

1 光纤传感器在地壳形变观测和地震波探测中的应用

直接观测地壳应变的仪器主要有两种:一种为测量基线长度变化,例如伸缩仪、激光应变仪等;另一种就是测量钻孔变形的钻孔应变仪。目前,光纤传感器用于地形变观测,都是集中在第一种,即将光纤传感器用于测量岩体形变引起的基线长度变化来观测地形变。在这些光纤地形变观测仪器中,广泛研究的有高精度光纤干涉式测量方法和光纤光栅(FBG)绝对测量方法。2011年,美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的M. Zumberge等人研制出了一kuan深井观测的光纤应变传感器,可用于钻孔应变测量。

光纤地震检波器是一种建立在光纤技术和集成光电子技术基础上新型的地震传感器,目前发展最为成熟的是基于高灵敏度的光纤干涉技术的干涉式光纤地震检波器,近年来光纤光栅型地震检波器显示出了它的优越性,光纤激光型地震检波器因兼有光纤光栅型和干涉型检波器的双重优点而具有极大的应用前景。

2 光纤传感器在地震前兆观测中需要解决的问题

伴随着光纤传感技术的发展,光纤传感器在地震前兆观测中的应用也越来越广泛,尤其是在光纤光栅传感器用于地形变观测和光纤激光传感器用于地震波探测两个应用领域,具有广泛的应用前景。但为了实现工程中的大规模推广,我们还有许多关键技术需要解决,比如基于光纤光栅的高精度地壳形变观测技术、超低频地震波的高分辨率探测技术、大规模组网技术以及长距离传输技术等。

3 光纤综合地震观测设备的研制及实验结果

研制了一套基于光纤传感器的体应变、地震波和地温同时测量的多参量光纤综合地震前兆观测设备。在云南省普洱地震局大寨地震台进行了井下观测实验。

实验过程中,光纤钻孔地震观测设备性能稳定,在下井后第3天(2011年12月02日)就成功记录到了在普洱市思茅地区发生的1.2级地震,与布设在井底进行对比的传统电学检波器相比,光纤检波器表现出了更高的信噪比。实验结果表明,新试制的光纤综合地震前兆观测设备性能稳定、探测灵敏,充分显示出了它的抗电磁干扰、抗雷击、不怕漏水漏电、耐腐蚀、不存在零漂问题等优势。

4 结论

现场实验观测表明,我们研制的多参量光纤综合地震前兆观测设备能适应地震观测中对抗环境干扰能力、测量精度、稳定性等方面的性能要求,具有好的应用前景。目前,我们正在改进技术方案,研制满足地震监测技术指标(6×10-9)的新的光纤地震前兆观测设备。力争在地震预报实验场进行示范性实验与观测,发展新一代光纤地震监测传感技术。

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