張文濤,黃穩(wěn)柱,羅英波,李 麗,劉文義,李 芳(.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,北京 0008;.中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 0008;.中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心,西安 70054)

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高精度光纖光柵地震計(jì)*

張文濤1*,黃穩(wěn)柱1,羅英波1,李 麗2,劉文義3,李 芳1
(1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081;3.中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心,西安 710054)

光纖地震觀測(cè)儀器具有傳感器無(wú)源、抗電磁干擾性強(qiáng)、深井觀測(cè)耐高溫高壓、抗雷擊等優(yōu)點(diǎn),可為地震觀測(cè)提供一種新的技術(shù)手段。光纖地震計(jì)的敏感元件采用相移光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖光柵,相比于傳統(tǒng)的光纖光柵,其光譜線寬要窄4個(gè)數(shù)量級(jí),可以獲得了更高的反射光譜信噪比和更高的波長(zhǎng)解調(diào)精度。對(duì)于相移光柵式光纖地震計(jì),其反射光譜波長(zhǎng)與所測(cè)的地震波具有良好的線性關(guān)系,只需要解調(diào)出相移光柵的波長(zhǎng)漂移信號(hào)就可以推算得到地震波信息。采用該技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)精度在ng級(jí)、測(cè)量頻帶DC～50 Hz的震動(dòng)信號(hào)測(cè)量。2015年4月-6月,在云南省昭通防震減災(zāi)局的協(xié)助和配合下,于昭通市巧家地震觀測(cè)站進(jìn)行了光纖地震計(jì)試驗(yàn)?？汕逦涗浥R近發(fā)生的地震信號(hào)。

光纖光柵;地震計(jì);地震觀測(cè)

地震的監(jiān)測(cè)和預(yù)警對(duì)于減少震后的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡具有重要意義,對(duì)地震檢波器在性能和環(huán)境適應(yīng)性方面提出了越來(lái)越高的要求[1-3]。地震計(jì)作為地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最前端,其性能直接關(guān)系到整個(gè)地震臺(tái)網(wǎng)的可靠性,有著重要的作用。

地震儀已經(jīng)從事件響應(yīng)、模擬記錄發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字記錄地震儀。采用數(shù)字化技術(shù)的電學(xué)地震儀的頻帶不斷變寬、動(dòng)態(tài)范圍也在不斷增大,并向網(wǎng)絡(luò)化、小型化、低功耗等方向發(fā)展[4]。傳統(tǒng)的地震檢波器/地震計(jì)在應(yīng)用中暴露出一些有待改進(jìn)之處,新型的地震計(jì)不斷出現(xiàn)[5]。

光纖傳感是利用光纖進(jìn)行傳感和傳輸?shù)募夹g(shù),在野外惡劣環(huán)境中使用具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái),光纖檢波器/光纖地震計(jì)作為地震波探測(cè)的一種技術(shù)手段得到了越來(lái)越多的重視和研究。近10多年來(lái),已經(jīng)有多種類型的光纖傳感器用于地震波探測(cè)的報(bào)道,并且取得了一定的研究成果和實(shí)際應(yīng)用[6]。其中,光纖光柵(FBG)傳感器利用FBG對(duì)溫度和應(yīng)變的敏感特性而引起其反射波長(zhǎng)的變化來(lái)對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量的[7-8],其一大優(yōu)勢(shì)就是被測(cè)量用波長(zhǎng)這種絕對(duì)量編碼,不易受外部因素干擾,因而穩(wěn)定性和可靠性極好。同時(shí),由于單路光纖上可以制作多個(gè)光纖光柵傳感器,特別適合組建傳感網(wǎng)絡(luò)。在目前已有報(bào)道的光纖光柵地震計(jì)中,主要是用于地震波頻段較高的人工地震波探測(cè)[6,9]。對(duì)于天然地震觀測(cè),光纖地震計(jì)面臨的主要問(wèn)題是設(shè)計(jì)高靈敏度的探頭和提高解調(diào)系統(tǒng)的精度[10]。

本文借鑒傳統(tǒng)的擺式地震計(jì)原理,利用有限元輔助設(shè)計(jì),研制出了基于光纖光柵的高精度地震計(jì),具有精度高、可組網(wǎng)、耐潮濕、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn),可用于環(huán)境惡劣的野外地震臺(tái)站觀測(cè)。

1 光纖光柵地震計(jì)原理

光纖光柵地震計(jì)是利用光柵的波長(zhǎng)調(diào)制原理,即利用外界的微擾振動(dòng)來(lái)改變光柵的周期。光纖光柵輸出的中心波長(zhǎng)的變化與光柵周期的關(guān)系,如下式[11]。

ΔλB=2neffΔΛ

式中:ΔλB為光纖布拉格光柵波長(zhǎng)的改變量;ΔΛ為光纖布拉格光柵的周期;neff為光纖光柵柵區(qū)的有效折射率。

通過(guò)體光柵、邊帶濾波器、掃描光譜、相位產(chǎn)生載波等多種解調(diào)算法檢測(cè)出波長(zhǎng)的變化從而測(cè)量光纖光柵傳感器的輸出量[12]。

本文設(shè)計(jì)的短周期(20 s-20 Hz)光纖光柵地震計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖光柵地震計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

質(zhì)量塊固定于兩個(gè)彈性膜片之間,作為慣性元件,相當(dāng)于傳統(tǒng)地震計(jì)的擺。光柵光柵的一端固定在質(zhì)量塊上,一端固定于傳感器殼體。在地震波的作用下,質(zhì)量塊相對(duì)于殼體產(chǎn)生位移,帶動(dòng)光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變,使光纖光柵的輸出波長(zhǎng)發(fā)生變化。對(duì)于一個(gè)二階彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加速度靈敏度可表示為:

(1)

彈性膜片設(shè)計(jì)為等強(qiáng)度梁,其彈性系數(shù)公式:

(2)

式中:E為梁的楊氏模量、b為固定端梁寬,l為梁長(zhǎng),h為梁厚度。

光纖光柵的彈性系數(shù):

(3)

式中:Ef光纖的楊氏模量、A光纖的截面積,L光纖光柵的固定距離。

由式(3)得光纖光柵地震計(jì)的加速度-位移靈敏度:

(4)

光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量滿足

(5)

式中:λB為光纖光柵的初始中心波長(zhǎng),pe為彈光系數(shù)。

則結(jié)合式(5)得光纖光柵地震計(jì)靈敏度公式:

(6)

光纖光柵地震計(jì)諧振頻率:

(7)

當(dāng)f=1Hz時(shí),根據(jù)式(7)計(jì)算得到理論靈敏度為:Ma=330pm/gn。

計(jì)算得到理論光纖光柵地震計(jì)的諧振頻率f0=22.1Hz。

2 光纖光柵地震計(jì)仿真分析

為了更好地設(shè)計(jì)地震計(jì)的參數(shù),優(yōu)化地震計(jì)的性能,我們采用有限元軟件Abaqus進(jìn)行地震計(jì)的模擬裝配和仿真分析。提取出光纖光柵地震計(jì)的彈性元件、慣性元件和敏感元件光纖光柵如圖2所示。

將水平向加速度計(jì)的理論模型導(dǎo)入Abaqus有限元分析軟件中,分別定義膜片、質(zhì)量塊、光纖及光纖固定件材料,并賦予各自的截面屬性。之后對(duì)模型定義相應(yīng)的分析步,分析步為兩步,第1步對(duì)光纖施加一定的拉力,這是在光纖地震計(jì)封裝過(guò)程中不可避免的,第2步在施加拉力的作用下計(jì)算其位移頻響曲線,以及相應(yīng)的位移場(chǎng)變量輸出。

對(duì)質(zhì)量塊施加加速度荷載,對(duì)膜片及光纖一端施加邊界荷載固定,效果圖如圖3所示。

圖2 光纖光柵地震計(jì)彈性元件和慣性元件示意圖

圖3 施加荷載效果圖

對(duì)膜片進(jìn)行撒種及網(wǎng)格劃分,得到地震計(jì)在加速度響應(yīng)下軸向靈敏度分析結(jié)果。相應(yīng)頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)位移云圖如圖4所示。

圖4 光纖光柵地震計(jì)0.005 Hz響應(yīng)位移云圖

通過(guò)有限元軟件模擬計(jì)算可得光纖光柵地震計(jì)加速度軸向靈敏度。加速度軸向靈敏度Ma可由下式計(jì)算得到:

選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù),其中L=236mm,ΔL=0.067 9mm,λB=1550nm,Pe=0.22。

計(jì)算可得光纖光柵地震計(jì)靈敏度

Ma=347.8pm/gn

把0.005Hz～50Hz頻率所對(duì)應(yīng)的位移數(shù)據(jù),從Abaqus軟件中導(dǎo)出,可得到頻響曲線如圖5所示。

圖5 矩形雙膜片在加速度作用下的仿真結(jié)果

仿真分析得到的光纖光柵地震計(jì)靈敏度與理論計(jì)算的進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

表1 靈敏度數(shù)據(jù)對(duì)比(@1 Hz)

從表1可以看出,所設(shè)計(jì)的光纖光柵地震計(jì)具有很高的波長(zhǎng)靈敏度。仿真分析的結(jié)果與理論計(jì)算比較一致。在低頻段(小于5 Hz)可以作為位移型的地震計(jì)使用。

3 地震觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證光纖光柵地震計(jì)的實(shí)用性,在云南省昭通市進(jìn)行了地震觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。將光纖光柵地震計(jì)放于觀測(cè)臺(tái)站的墩臺(tái)之上(圖6)。通過(guò)高精度的光纖光柵信號(hào)解調(diào)設(shè)備(分辨率0.001 pm,采樣率100 Hz)檢測(cè)光纖光柵地震計(jì)的輸出信號(hào)。

圖6 放置于墩臺(tái)上的三分量光纖光柵地震計(jì)

在2個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)時(shí)間內(nèi),記錄到了昭通地區(qū)發(fā)生的多起地震事件,并且與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)吻合。其中之一的地震事件記錄如圖7所示。

圖7 2016年2月29日15:39巧家1.8級(jí)地震記錄

由圖7可見,光纖光柵地震計(jì)的北南、東西、垂直3個(gè)分量記錄的地震信號(hào)清晰可見,P波、S波初至明顯。P波到時(shí)、P-S時(shí)差均與附近臺(tái)站的電學(xué)地震設(shè)備記錄信號(hào)一致。在觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn),光纖光柵地震計(jì)的本底噪聲較低,能夠清晰記錄里氏2級(jí)以下的弱震信號(hào)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了高精度光纖光柵地震計(jì),給出了理論分析及有限元仿真分析結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以看出理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬計(jì)算結(jié)果較為接近,該地震計(jì)可作為短周期位移型地震計(jì)使用。在0.005 Hz～10 Hz的設(shè)計(jì)頻帶范圍內(nèi),具有較高的靈敏度,滿足低頻地震波信號(hào)的探測(cè)需求。在地震臺(tái)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)表明,改地震計(jì)能夠清晰地捕捉到附近發(fā)生的小規(guī)模地震事件,有望成為與現(xiàn)有技術(shù)互補(bǔ)的新型地震觀測(cè)手段。

致謝

感謝云南省地震局、天津市地震局、昭通市防震減災(zāi)局對(duì)地震觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的大力支持。

感謝中國(guó)地震局地球物理研究所鄭重、楊大克、袁松湧老師在儀器研制和安裝過(guò)程中的有益討論。

[1] Zumberge M,Berger J,Otero J. An Optical Seismometer without Force Feedback[J]. Bulletin of the Seismological Society of America,2010,100(2):598-605.

[2] Shindo Y,Yoshikawa T,Mikada H. A Large Scale Seismic Sensing Array on the Seafloor with Fiber Optic Accelerometers[J]. Sensors,2002,2:1767-1770.

[3] Fujihashi K,Aoki T,Okutsu M,et. Development of Seafloor Seismic and Tsunami Observation System[C]//Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies,2007,2:349-355.

[4] 王喜珍,騰云田. 地震傳感器的新技術(shù)與發(fā)展[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2010,25(2):478-485.

[5] 傅深泳,丁桂蘭,陳才和,等. 干涉型全光纖加速度地震檢波器[J]. 光電工程,2003,30(6):39-42.

[6] 劉育梁,何俊,王永杰,等. 光纖地震波探測(cè)的研究進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2009,46(11):21-28.

[7] 丁峰,王粉艷,王云建,等. 一種光纖光柵振動(dòng)與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的解調(diào)方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(4):510-514.

[8] 曹京京,胡遼林,趙瑞. 一種改進(jìn)小波閾值函數(shù)的光纖光柵傳感信號(hào)去噪方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,28(4):521-525.

[9] 李學(xué)成,劉肅,張文濤,等. 雙膜片結(jié)構(gòu)光纖光柵(FBG)地震檢波器低頻特性的研究[J]. 光電子·激光,2010,21(4):529-532.

[10] Huang W Z,Zhang W T,Zhen T K,et al. π-Phase-Shifted FBG for High-Resolution Static-Strain Measurement Based on Wavelet Threshold Denoising Algorithm[J]. Journal of Lightwave Technol,2014,32(22):3692-3698.

[11] Zhang W,Li F. Fiber Optic Push-Pull Accelerometer Based on Two Cantilevers[C]//Proc of SPIE,2012,8421:842135.

[12] Huang W Z,Zhang W T,Li F. Swept Optical SSB-SC Modulation Technique for High-Resolution Large-Dynamic-Range Static Strain Measurement Using FBG-FP Sensors[J]. Optics Letters,2015,40(7):1406-1409.

張文濤(1980-),男,博士,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員,中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員,“盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)”獲得者,主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器、光纖光柵、光纖激光器,以及光纖傳感器在土木工程、 油氣勘探、地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用,zhangwt@semi.ac.cn。

High Resolution Fiber Optic Seismometer*

ZHANG Wentao1*,HUANG Wenzhu1,LUO Yingbo1,LIU Wenyi2,LI Li3,LI Fang1
(1.Optoelectronic System Laboratory,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;2.Second Monitoring Center,China Earthquake Administration,Xi’an 710054,China;3.Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

Fiber optic sensor based earthquake monitoring instruments have some advantages such as passive monitoring,immunity to EMI,reliability in high temperature and pressure environment,immunity to lightening,which can provide a new approach to earthquake observation. We propose a high resolution fiber optic seismometer based on phase-shift fiber Bragg grating(π-FBG). Compared with conventional FBG,the π-FBG has a narrower linewidth by four orders of magnitude,which result in lower noise level and higher resolution. The reflective wavelength of the π-FBG is linear to the magnitude of earthquake wave and we can demodulate the earthquake information by demodulating the wavelength shift of π-FBG. A resolution of ng within bandwidth of DC-50 Hz is achieved. In April 2015,the fiber optic seismometer is installed in Zhaotong city,Yunnan Province. The earthquake events were well recorded.

fiber Bragg grating;seismometer;earthquake monitoring

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA093406);中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(2016106)

2016-09-19 修改日期:2016-10-13

P315.8

A

1004-1699(2017)04-0491-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.001