几种旋转地震仪在深部地下巷道的观测对比

陈畅，王赟*，郭高源，操玉文，李帅，张东明，菅一凡，汪超

1 中国地质大学（北京），地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083 2 中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，“多波多分量”研究组，北京 100083 3 北京大学电子学院，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，北京 100871 4 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191 5 北京自动化控制设备研究所，北京 100074 6 中国科学院地球化学研究所，贵阳 550081

0 引言

地震时地面的运动形式有多种.尽管目前的地震观测以平动三分量速度或加速度记录以及应变观测为主，但人类对于地震引起旋转运动的探索由来已久（Aki and Richards,1980,2002;Lee et al.,2009a）.国内外的很多研究表明，地震旋转分量提供的波场信息，能为波型识别与波场分离、后方位角的估算、面波相速度计算、地球自由振荡、火山地震与震颤等研究提供新的解决方案（Igel et al.,2007,2011;Wassermann et al.,2016;Sollberger et al.,2020;Yuan et al.,2021;Eibl et al.,2022）.在缺乏旋转地震仪的情况下，通过平动观测记录换算是获得旋转分量的常用方法，但换算值并不能完全替代观测的旋转（Li et al.,2004;Chen et al.,2020;李栋青等,2021）.近年来，地震旋转运动研究逐渐兴起，离不开旋转地震观测仪器的快速发展.

根据传感原理可将旋转地震仪分为机械式（Teisseyre et al.,2003）、电化学式与光学式.其中，电化学式旋转地震仪是通过电容换能器采集流体运动引起的压力或带电粒子分布特性变化，转换为电压或电流值进而测量旋转运动（Bernauer et al.,2012）；光学式旋转地震仪是依据Sagnac效应，通过测量旋转角速度Ω实现旋转运动测量（Vali and Shorthill,1976）.光学式旋转地震仪包括环形激光陀螺仪与光纤旋转地震仪两种类型.环形激光陀螺仪是目前精度最高的旋转地震仪，代表性的包括单轴大型激光陀螺仪G-ring（Schreiber et al.,2009）与GINGERino RLG（Simonelli et al.,2016;Belfi et al.,2017;Simonelli et al.,2018），以及四轴大型激光陀螺仪ROMY等（Sollberger et al.,2020;Igel et al.,2021）.相比于体积庞大、成本高昂、寿命有限的环形激光陀螺仪，光纤旋转地震仪更具实用性与便携性，典型的包括blueSeis-3A与RotSensor3C等，其精度可达2×10-8rad·s-1·Hz-1/2与1.2×10-7rad·s-1·Hz-1/2，可广泛用于旋转运动的地震观测（Bernauer et al.,2018;Cao et al.,2021;Izgi et al.,2021）.

光纤旋转地震仪具有较高的灵敏度，但对观测环境的要求也较高.由于中远震的旋转信号能量往往较弱（孙丽霞等,2021），旋转地震仪对环境噪声的响应与抑制程度对中远震旋转运动的捕获是十分关键的.淮南煤矿地下巷道深达海拔-848 m，相比于地面环境，具有“超静”的低干扰、低背景噪声环境优势（Hauksson et al.,1987;Carter et al.,1991;Boese et al.,2015；王芳等,2017;张苗苗等,2021）.相比常见的井中观测，利用停产矿区庞大的地下巷道，能为更多仪器同步开展观测试验提供空间资源与人员驻留实验环境.为此，我们布设多种国内研发的新型光纤旋转地震仪在淮南深部地下实施了地震联合观测.本文通过无明显地震时段的噪声信号分析，对比了电化学式R-2旋转地震仪与三种光纤旋转地震仪器的自噪声水平；并通过一次地震事件的观测，验证了光纤旋转地震仪对地震信号的捕获能力.

1 地震观测系统

1.1 淮南深地观测

淮南矿业集团下属的潘一东矿区位于安徽省淮南市境内，郯庐断裂带的西侧，淮河北岸.矿区停产后，留下了巨大的地下巷道空间与完整的供电、供水等配套设施，非常适合包括地球物理场观测在内的众多学科的深地科学实验.在海拔高度-848 m的井下巷道空间，我们自2021年4月开展了有多种仪器参与的六分量地震联合观测实验.图1是用GMT（Wessel et al.,2019）绘制的淮南观测台站位置示意图，其中红色圆圈表示观测期间发生于台湾省花莲的两次较强地震震中位置.

图1 淮南深部地下观测地点与花莲地震震中相对位置Fig.1 Deep underground observation site in Huainan and relative locations of Hualian earthquakes′ epicenter

1.2 观测仪器

深地实验的仪器布设如图2和图3所示，大部分仪器放置在海拔-848 m巷道的制冷硐室内；其中三台光纤旋转地震仪，分别编号为FOS1、FOS2、FOS3，一台电化学式旋转地震仪R-2以及数台宽频带地震仪组成了图2b所示的观测阵列.同时，在地面海拔+22 m的建筑物房间内，放置了一台电化学式旋转地震仪R-2与三台宽频带地震仪，作为噪声对比与时间校正的参考台站.地上与地下所有仪器的采样率等观测参数设置如表1所示，观测使用的地震仪具体性能介绍如下.

1.2.1 单分量光纤旋转地震仪FOS1

FOS1型光纤旋转地震仪只记录垂向旋转分量Rz，它具有低自噪声、高分辨率、宽频带范围等特点.该仪器采用新型的双光源差分陀螺方案，在同一个光纤敏感环路中实现两个不同波长等效光纤陀螺同时工作，将其差分运算结果作为输出.由于共用相同的光纤敏感环路，由环境因素引起的大部分漂移和噪声被视为共模误差，经差分运算后被大大降低，从而可有效降低光纤旋转地震仪的本底噪声并提高长期稳定性（Yang et al.,2020）.在结构设计上，该陀螺在物理空间上将有源器件与无源器件分离，有效地减少了电路及有源器件发热对光纤光路的影响.

表1 观测仪器的参数Table 1 Parameters of observation instruments

图2 深地与地面观测位置示意图（a）与仪器阵列（b）Fig.2 Position diagram （a） and instrument array （b） of deep underground and surface stations

图3 观测现场图片（a） -848 m井下巷道;（b） 深地仪器布设现场图;（c） 制冷硐室;（d） 地面观测仪器阵列;（e） FOS1光纤旋转地震仪;（f） FOS2光纤旋转地震仪;（g） FOS3六分量地震仪（左）与R-2旋转地震仪（右）;（h） 深地观测仪器阵列.Fig.3 Photos of observation stations（a） -848 m underground tunnel;（b）Photos when arranging instruments;（c） Refrigeration chamber;（d） Surface observation instrument array;（e） FOS1 fiber-optic rotational seismometer;（f） FOS2 fiber-optic rotational seismometer;（g） FOS3 six-component seismometer （left） and R-2 rotational seismometer （right）;（h） Deep underground observation instrument array.

1.2.2 两分量光纤旋转地震仪FOS2

FOS2型光纤旋转地震仪由两个单分量光纤陀螺组合而成，可观测垂向旋转与某一个水平旋转分量，本次实验观测是垂直向（Rz）和东西向旋转分量（Ry）.该光纤陀螺采用了基于单模光纤敏感环的消偏陀螺结构，与保偏光纤相比，单模光纤的光学传输损耗更低，有利于提高光纤光路输出的探测功率，以减小散粒噪声水平（Cao et al.,2021;操玉文等,2022）.

1.2.3 六分量地震仪FOS3

FOS3型光纤旋转地震仪集成了三轴正交的光纤陀螺仪和石英挠性加速度计，可同时观测垂直正交的三轴平动加速度与三轴旋转角速率，具备直接观测完整六分量波场的能力.其中平动观测采用石英挠性加速度计，旋转观测采用高动态范围光纤陀螺.该仪器集成度和成熟性较高，配备了外接GNSS接收机的能力，GNSS提供的位置和GPS信息可以为FOS3提供精准的相对位置时间信息.

1.2.4 电化学式旋转地震仪R-2

R-2型旋转地震仪的测量原理是利用四电极电化学电池中电解质运动对电荷转移的影响和变化（Agafonov et al.,2015），它可以同时观测垂直正交的三分量角速率.本次深地观测使用的R-2是eentec公司（http:∥www.eentec.com/）研制的第二代电化学式旋转地震仪（Bernauer et al.,2012），频带范围为0.033～50 Hz，标称自噪声水平达到-125 dB（0 dB=1 rad·s-1·Hz-1/2）.

1.2.5 宽频带平动地震仪CMG-40TDE/EPS

本次深地观测还使用了两种平动三分量宽频带地震仪.一种是Guralp公司（http:∥www.guralp.com/）生产的CMG-40TDE宽频带地震仪，频带范围0.033～100 Hz；另一种是中地装（重庆）地质仪器有限公司（http:∥www.cgif.com.cn/）生产的EPS宽频带地震仪，频带范围0.1～100 Hz.

2 数据处理与对比

我们首先利用无地震事件时间段的噪声信号计算功率谱密度，对比各台仪器的自噪声水平；然后通过Allan方差的分析进行各仪器的性能参数对比；最后，通过台湾花莲地震事件对比了旋转分量的波形、时频分布、交叉小波变换与小波相干谱.

2.1 数据预处理

地震数据预处理一般包括仪器响应校正、去均值、去趋势等步骤.地震仪器的原始观测记录一般表现为数据采集器电子计数的时间序列，需要经过去仪器响应等预处理得到真实的速度或加速度等物理量.所以，宽频带地震仪需要对仪器响应的传递函数进行卷积，而光学传感器的一大优点就是其功率谱密度随频率变化平缓，从而拥有简单的频率均匀传递函数，一般不需要进行去仪器响应（Igel et al.,2007）.

时差校正也是本次观测试验数据预处理的重要一环.地面放置的平动与旋转地震仪均采用GNSS授时，深部地下的光纤旋转地震仪采用计算机授时.而对于深部地下需要卫星授时的仪器，由于无法接收到GNSS信号，经过试验，我们在地面将仪器开机预授时，后期再与地面参考台站观测数据进行对比，通过滑动互相关方法校正时间差，对地下仪器观测的信号进行了准确时间定位.

2.2 仪器自噪声

仪器的自噪声水平是评价仪器精度与分辨率的重要参数，表示仪器自身产生的可能叠加在被测信号上的一定频率范围内的能量（中国地震局,2007）；一般可选择环境温度变化小、周围无振动干扰、场地台基噪声低的观测室进行自噪声测试，利用传感器静止且无振动信号输入时段的记录计算地震仪器的自噪声.但这种计算有一个前提条件，即环境噪声要低于仪器本底噪声.例如，Bernauer等（2021）利用精度很高的大型激光陀螺仪ROMY确定了真实环境噪声的上限，并以此为依据对比同址观测的其他旋转地震仪的自噪声水平.本次试验中，为尽可能地降低人类活动的干扰，选择夜间22时至次日凌晨3时的深部地下5 h观测记录作为噪声对比，三个旋转分量各台仪器的噪声均方根功率谱密度（root PSD）如图4所示.

从图4中可以看到，FOS1旋转地震仪观测噪声的均方根功率谱密度曲线（蓝色）在10 Hz以下低频段趋于平稳，约为1×10-8rad·s-1·Hz-1/2，但在1.2 Hz与2.2 Hz左右有两处明显凸起，推测为井下通风系统产生的气流影响（Bonnefoy-Claudet et al.,2006）.与实验室测量的后续图12显示的法国iXblue公司的旋转地震仪响应曲线（Elliot et al.,2017）对比，1～10 Hz间存在的这一突出能量或是与仪器和环境有关的某一相对固定频率的扰动.10 Hz以上频段噪声水平逐渐升高，且存在多处谐波噪声.FOS2的功率谱密度在0.2 Hz以下的低频区低于FOS1，随后至1 Hz经历了一个逐渐增大的过程，但依然处于2×10-8rad·s-1·Hz-1/2的较低水平.在10 Hz以上高频段，FOS2的噪声水平明显小于FOS1.值得注意的是，FOS2在整个频段的功率谱密度变化较为明显，其主要原因可能是测试环境本身在该频段能量较高，FOS2响应明显，而FOS1响应较弱，导致两者在频谱上的差异；也可能是二者在通频带内的响应稳定性方面存在差异，以后需要利用更高精度的仪器进行标定和比测.

图4 旋转地震仪Rz （a）,Rx （b）与Ry （c）分量噪声均方根功率谱密度Fig.4 Root PSD of Rz （a）,Rx （b）,Ry （c） component of rotational seismometers

FOS3的均方根功率谱密度在50 Hz以下频段呈平稳态势，在2×10-7rad·s-1·Hz-1/2左右；在50 Hz以上频段逐渐增大.R-2旋转地震仪观测噪声在1～50 Hz频带内与FOS3近似，说明二者灵敏度相近；但在1 Hz以下频带内R-2的自噪声水平升高，将可能影响对常见低频地震信号的观测.

在同址同时段背景噪声观测中，环境噪声是相同的，但四种仪器并未显示响应一致性，尤其R-2的低频响应与其他三种差异巨大.对比R-2观测噪声的功率谱密度曲线与eentec公司发布的参数说明页（http:∥eentec.com/r2eng2018.pdf）上的仪器自噪声曲线（图5），二者具有近似的平缓趋势与数值；再根据FOS1和FOS2的噪声谱，可推测R-2呈现的仅是仪器的本底噪声，而非环境噪声，说明该仪器精度较差，本次地下观测记录的是仪器本底噪声，而非环境振动，不适于深地“超静”环境的旋转观测.同理可以推测FOS3记录的也是仪器的本底噪声，R-2和FOS3的精度低于FOS1和FOS2近一个量级.

图5 R-2旋转地震仪自噪声曲线（根据仪器手册修改）Fig.5 Self-noise of R-2 rotational seismometer （modified from the instrument manual）

通过Rz分量的均方根功率谱密度对比可以看出，在100 Hz以上的相对高频端，除FOS3具有较宽的高频段，其他三种旋转地震仪均为50 Hz或100 Hz以下的低频类型.且不容忽视的是，三种光纤地震仪在1 Hz以上频段均存在强能量和不同基频的谐波干扰，而电化学仪器则没有.

在绕水平轴的旋转分量上，FOS3与R-2表现出与Rz分量相似的自噪声水平与频率变化趋势.值得注意的是，FOS2的Ry分量均方根噪声功率谱密度整体上高于Rz分量.造成这种现象的主要原因是Rz分量使用了精度高于Ry分量的改进型光纤陀螺；此外，观测绕水平轴旋转分量的光纤陀螺是利用钢制支架垂直立于地面的，更容易受到与地面耦合不佳（Diaz et al.,2010;马鑫等,2019）以及井下不间断通风系统带来气流扰动的影响（Bonnefoy-Claudet et al.,2006）.

2.3 谐波噪声对比

根据噪声功率谱密度曲线图4可以看出，FOS1与FOS3观测到了大量谐波噪声.提取谐波噪声的频带分布信息，如图6所示，可以看出，FOS1主要存在一组谐波信号，基频约为8.031 Hz，对应最大振幅约为0.044 μrad·s-1；对谐波频率与阶数对应关系进行线性拟合，拟合曲线的斜率为8.0311，与基频相等，相关系数R2=1；各阶谐波的最大振幅（dB）随频率的增大而降低，也近似呈线性.FOS3主要存在三组谐波信号，基频分别为1.138 Hz（HW1）、2.087 Hz（HW2）、3.036 Hz（HW3），倍频随阶数的增大呈近似线性增长；谐波HW2的最大振幅（dB）随频率变化趋势可用对数函数拟合，而HW1与HW3变化较为复杂，可能是受其他混杂信号的干扰.尽管FOS1和FOS3的谐波噪声基频均大于1 Hz，后文分析中的HLE1与HLE2两次远震信号主要能量都集中在1 Hz以下，经过带通滤波后可去除谐波噪声对这两次地震信号的影响；但对于震中距较小的小弱震与微震信号，其主频相对偏高，谐波噪声会产生明显影响，因此需要对谐波噪声来源进行专门的定位与分析，并在未来的仪器设计中优化抗干扰能力.

2.4 Allan方差

为了进一步评估旋转地震仪的性能，对上述5 h噪声记录进行Allan方差的计算（Allan,1966;El-Sheimy et al.,2008）.表2展示了各台仪器的角度随机游走（ARW）、零偏不稳定性（BI）与速率随机游走（RRW）三个特征参数的对比.综合来看，FOS1与FOS2的三个噪声参数均远小于FOS3与R-2，且光纤旋转地震仪（包括FOS3型）在零漂稳定性与速率随机游走上优于电化学式仪器R-2.

Allan曲线（图7）也显示了相似的结论.FOS1与FOS3的Allan曲线基本呈线性，斜率约等于-1，表示这两种仪器在这5 h内主要受到角度随机游走噪声的影响.FOS1在小于100 s周期内与FOS2近似，在更长周期上体现了一定的优势.FOS2的Rz分量Allan曲线非常接近经典V型曲线（Vaccaro and Zaki,2012），在100 s周期以上有明显抬升，所包含的噪声比较丰富.与功率谱密度曲线对比类似的是，两个分量上存在差别.R-2的Allan方差曲线在0.2～20 s的范围内有一个凸包，原因可能是：（1）此阶段代表相关噪声干扰，也可能是（2）此频率范围内R2的传递函数为非线性的（Bernauer et al.,2012）.

图6 FOS1（a—c）与FOS3（d—f）谐波噪声频带分布（a，d） 谐波噪声振幅与频率散点图；（b，e） 谐波阶数对应频率关系；（c，f） 振幅（dB）-频率衰减关系.A—Amplitude，F—Frequency，N—Order.Fig.6 FOS1 （a—c） and FOS3 （d—f） harmonic noise frequency band distribution（a，d） Harmonic noise amplitude and frequency scatter plot;（b，e） Frequency relation of harmonic order;（c，f） Amplitude （dB）-frequency attenuation relationship.

图7 旋转地震仪Allan方差曲线Fig.7 Allan deviation of rotational seismometers

表2 仪器测试特征参数Table 2 Instrument test characteristic parameters

2.5 地震观测对比

根据中国地震台网中心记录的淮南观测期间地震目录（https:∥news.ceic.ac.cn/），遍历淮南深地观测的地震数据，共识别出对应的107次3级以上地震的平动信号.但由于多为震中距大于1000 km的远震，旋转信号比平动信号相对更弱，仅识别出2次地震事件，即2021年4月18日在台湾花莲发生的两次5级以上地震（图1中HLE1与HLE2，地震目录见表3）.两次地震震中的距离仅约10 km，发震时刻仅相差约3 min，均为浅源地震.图8展示了淮南深地不同仪器观测的地震波到达时段的信号.其中，旋转地震记录的是共同观测的Rz旋转速率，宽频带地震记录的是切向平动加速度分量（由于新冠疫情和数采存储问题，R-2未记录到该时段的数据）.每张子图的上半部分是滤波前后的波形（灰色为滤波前的波形），并标注了滤波后波形的信噪比SNR（本文使用的信噪比计算方法为有效信号最高振幅与噪声段振幅均方根的比值）；下半部分为连续小波变换时频谱（Kristekova et al.,2006）.宽频带地震仪的地震记录中标注了根据iasp91模型计算的地震波理论到时（Kennett and Engdahl,1991）.

由图8可以看出，旋转信号的信噪比最高仅为9.85（FOS2），远低于平动信号信噪比，一方面说明旋转信号传播衰减快，另一方面对旋转地震仪的精度提出了更高要求，或需要提出新的观测方法提高信噪比.而相比于大型激光陀螺仪对上万千米震中距的地震事件的观测能力（Lee et al.,2009b），此次的试验显示了光纤旋转地震仪的精度仍有较大提升空间（Aki and Richards,2002）.

在各向同性介质中，水平极化的SH波与Love波只产生Rz方向的旋转运动，而SV波与Rayleigh波会产生绕水平轴的旋转.显然，FOS1与FOS2有效记录了两次地震的Rz旋转信号，在时频谱上能看到两处较强的Love波的能量.在滤波器通带内的不同频率，旋转信号也表现出不同的强度：FOS1的记录在0.3～0.4 Hz频段响应高，FOS2在0.6～0.7 Hz频段响应高；受限于明显高于另两台仪器的自噪声水平，FOS3没有记录到这两次地震事件.

已有研究表明，联合应用旋转分量与平动分量可为地震后方位角与相速度的计算提供新的解决方案（Igel et al.,2005）.即理论上，利用观测的Love波垂向旋转速率与切向加速度可实现Love波相速度的直接反演.实际观测中，大量实例证明旋转地震仪观测的Love波Rz分量与同址观测的平动切向加速度At具有较高的相关性（Kurrle et al.,2010;Yuan et al.,2020），这也为评估旋转地震仪精度与性能提供了参考.图9展示了HLE2地震Love波到达后的平动与旋转信号归一化波形对比.为了量化Love波时窗内垂向旋转速度与切向加速度的相关性，我们沿时间序列滑动长度为2 s的时间窗，计算并标记每个时间窗内波形的互相关系数.与FOS1相比，FOS2观测的Rz分量表现出与切向加速度更高的相关性，大多数时间窗内相关系数都在0.75以上，说明FOS2对于地震事件的观测和识别具有一定的优势.

为了更清晰地对比垂向旋转与切向加速度在时间与频率域的相干性，我们对观测信号进行了小波相干分析（Grinsted et al.,2004;Mao et al.,2020）.图10中第一列的功率谱密度首先展示了频率域能量上的对比，FOS1观测旋转分量的能量弱于FOS2，尤其是在0.5～0.7 Hz的频带中.交叉小波变换谱（Cross Wavelet Transform,XWT）揭示了Rz旋转速率与At平动加速度在两次地震信号到达的时间段具有较明显的共同功率和相对相位.而在地震信号到达之前的噪声时段，FOS1与FOS2之间的XWT也体现了较强的功率一致性.小波相干谱（Wavelet Coherence,WTC）进一步揭示了三段信号连续小波变换谱的相干性，与FOS1相比，FOS2观测的Rz旋转与切向平动加速度之间体现了更强的相干性与更宽的相干频带.

图8 光纤旋转地震仪FOS1 （a）,FOS2 （b）,FOS3 （c）与宽频带地震仪CMG-40TDE （d）的花莲地震观测记录及其时频谱子图上半部分灰色波形为原始信号,其他颜色为带通滤波后信号（pass band:0.3～0.7 Hz）.Fig.8 Waveform and time-frequency spectrum of Hualian earthquake recorded by fiber-optic rotational seismometers FOS1 （a）,FOS2 （b）,FOS3 （c） and broadband seismometer CMG-40TDE （d）The gray waveform in the upper half of the sub-graph is the original signal,and the other colors are band-pass filtered signals （passband:0.3～0.7 Hz）.

图9 Rz旋转速度与At平动切向加速度拟合程度与时域相关性（a） At与Rz（FOS1观测）;（b） At与Rz（FOS2观测）;（c） Rz（FOS1观测）与Rz（FOS2观测）.黑色曲线为宽频带地震仪CMG-40TDE观测的切向加速度,蓝色与红色曲线分别为FOS1与FOS2旋转地震仪观测的垂向旋转速度,虚线为相关系数0.75的对照线.绿色圆圈为对应时间窗内波形的相关系数.Fig.9 The fitting degree of Rz rotational rate and At transverse acceleration and their correlation coefficients in time domain（a） At and Rz （FOS1）;（b） At and Rz （FOS2）;（c） Rz （FOS1） and Rz （FOS2）.The black curve is the transverse acceleration observed by broadband seismometer CMG-40TDE.The blue and red curves are the vertical rotational rate observed by FOS1 and FOS2 rotational seismometers,respectively.The dotted line is the control line with the correlation coefficient of 0.75.The green circle is the correlation coefficient of waveform in the corresponding time window.

图10 切向加速度与垂向旋转速率的小波相干分析第一行为时间域的加速度/旋转速率波形，第一列为功率谱密度.（a）—（c）为对应行列两台仪器信号的小波相干谱（WTC）,（d）—（f）为交叉小波变换谱（XWT）对数标度振幅.Fig.10 Wavelet coherence analysis of transverse acceleration and vertical rotational rateThe first row displays the acceleration/rotation rate waveform in the time domain,and the first column shows the Power Spectral Density.（a）—（c） is the Wavelet Coherence （WTC） of the two instrument signals corresponding to the row and column,and （d）—（f） is the logarithmic scaling amplitude of the Cross Wavelet Transform （XWT）.

3 讨论

理论上，巨厚覆盖层对源于地表或浅层的人类活动干扰等噪声具有吸收和衰减的作用，因此，深部地下的噪声水平应当显著低于地面（Carter et al.,1991;Marfaing et al.,2009;Rosat et al.,2016）.通过与地面参考台站宽频带平动地震仪的噪声对比，我们也验证了深部地下的噪声平动分量功率谱密度低于地面最高达50 dB（张苗苗等，2021；王赟等，2022）.这在为高精度的光纤陀螺提供了绝佳的观测环境的同时，也对仪器的自噪声与精度提出了新的挑战.本次试验验证了在深部地下低噪环境中开展旋转地震观测的可行性，为未来更高精度的光学式旋转地震仪的仪器标定与自噪声测试提供了新的途径.

3.1 低频稳定性与仪器便携性

对比FOS1与FOS2的噪声功率谱密度，FOS1在低频段更为平稳，但在10 Hz以上高频段噪声水平较高；FOS2的高频噪声更低，这是由于FOS2具有更长的光纤长度以及开环光学结构，而低频段的噪声变化目前还无法确认来自于环境还是传感器本身.参照iXblue公司在研发旋转地震仪时两代样机自噪声PSD对比曲线，如图11所示，可以发现FOS1与FOS2面临相同的问题——如何在提高低频稳定性与降低高频噪声之间寻找一个平衡点，这是光纤陀螺仪设计与改进的挑战之一（de Toldi et al.,2017）.

仪器的便携性也是需要考虑的因素之一.实际观测中，更小巧的体积意味着更高的便携性与更灵活的安装场地要求.光纤陀螺的精度水平与其光纤环圈的直径和长度有直接关系，而FOS1与FOS2的体积远大于FOS3，这也是造成前两者精度高于后者的主要原因.但不可否认的是高度集成的六分量观测能力与相对成熟的、近乎商用的FOS3在工程地震领域应具有较高的适用性.

3.2 观测系统环境噪声与授时保障

本次联合观测试验环境存在的一些问题也引起了我们的关注.一方面，FOS1与FOS3在功率谱密度上出现了大量谐波噪声，而在FOS2上表现不明显，我们推测是受井下电磁环境的干扰.另一方面，矿井巷道内不平整的地面可能带来了仪器与地面的耦合问题；为维持深部井下人员驻留与适宜的观测环境，井下通风系统保持不间断运行，电梯与大型水泵也会不定期运转；这些设备也会产生额外的噪声，影响对仪器精度的准确评估.在将来的深地观测中，对仪器底座与地下环境进行适当改造，应能降低这些环境因素带来的干扰.

此外，本次观测使用的平动与旋转地震仪多为GNSS授时或计算机授时，在不能直接接收卫星信号的深部地下存在时间源精度与漂移的问题.在未来的观测中，可通过NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）网络授时等方法，改善深地观测的时间精度.

图11 iXblue公司（a）第3代与（b）第4代光纤陀螺样机的均方根功率谱密度.第3代样机低频段平稳（绿圈），但在高频段表现出较高噪声（红圈）；改进后的第4代样机成功降低了高频段的噪声（绿圈）,但牺牲了低频段的平稳性（红圈）（de Toldi et al.,2017）Fig.11 Root PSD of 3rd and 4th mockups of fiber-optic gyroscopes developed by iXblue Co.The 3rd mockup has stable low-frequency band,but high noise in high-frequency band;the improved 4th mockup get a decreasing of the high-frequency noise （green circle on the right）,but at the expense of low-frequency band stability （red circle on the right） （de Toldi et al.,2017）

3.3 更高的精度需求

对两次花莲地震的观测结果显示，平动地震仪观测的信噪比远高于旋转地震仪.除了较远震中距导致旋转运动信号较弱，以及仪器对环境噪声敏感外，仪器本底噪声较高可能也是造成本次观测旋转信号信噪比较低的重要原因.因此，进一步提高光纤旋转地震仪精度、降低仪器本底噪声，以及使用更合适的滤波方法分离处于同一频段的地震信号与噪声信号，对未来地震旋转运动的观测与研究是十分必要的.

高精度光学旋转观测目前已经证实具有10-13rad·s-1以上的分辨能力，并在地面实验室实现了大型旋转多分量观测，在深地实验室构建了大型旋转观测装置用于引力波探测（Simonelli et al.,2016）.华中科技大学在喻家山防空洞实验室中实现了约7×10-11～9×10-11rad·s-1的激光旋转高精度测量（Li et al.,2018），在深地条件下有望将旋转观测的精度提升至10-12～10-14rad·s-1水平.因此有理由推测现测试的旋转地震仪精度不足；深地环境期待更高精度旋转观测装备，深地实验室作为高精度、大型旋转观测装置的标定、比测平台也是值得期待且具有优势条件的.

4 结论

利用淮南煤矿深部地下-848 m的巷道空间，我们进行了三种不同光纤旋转地震仪的联合比测，通过低噪环境三种新型光纤旋转地震仪噪声水平、Allan方差与地震观测能力对比分析，可以获得如下结论.

（1）FOS1与FOS2具备更低的自噪声水平与Allan方差；在地震学感兴趣的1 Hz以下的频段，FOS1的自噪声功率谱密度在1×10-8rad·s-1·Hz-1/2，FOS2的自噪声功率谱密度最低为5×10-9rad·s-1·Hz-1/2，基本满足地震观测需要；FOS1的噪声水平在低频段更具平稳性，而FOS2在整体频段噪声水平更低，信号响应更为明显.

（2）由于光纤长度的巨大差异，FOS3的分辨率较低，在1 Hz以下频段自噪声均方根功率谱密度约为2×10-7rad·s-1·Hz-1/2；R-2旋转地震仪的自噪声在1 Hz以下频段高于FOS3，且稳定性较差，但在1 Hz以上频段表现平稳.

（3）与R-2电化学式旋转地震仪相比，光纤旋转地震仪具备更好的低频响应与更平直的传递函数，但也更易受谐波噪声的干扰.

（4）FOS1与FOS2均观测到了两次花莲地震的旋转运动；其中，FOS2观测的Rz分量与宽频带地震仪观测的切向加速度分量具备更高的相位一致性，二者的小波变换时频谱也体现了更强的相干性，证明了其可以有效的捕获地震事件.

致谢感谢军事科学院国防工程研究院与淮河能源（集团）股份有限公司、安徽理工大学对观测期间安全保障与设备维护提供的大力支持和便利条件.