張文濤黃穩(wěn)柱李 麗
1)中國北京100083 中國科學院半導體研究所
2)中國北京100081 中國地震局地球物理研究所
光纖應(yīng)變儀是利用特種光纖光柵器件或者光纖干涉技術(shù)進行高精度應(yīng)變傳感的儀器。常見特種光纖光柵有相移光柵和光纖光柵諧振腔,線寬均較窄,可達到0.01 pm量級甚至更窄,結(jié)合高精度解調(diào)方法,可顯著提高系統(tǒng)的應(yīng)變測量精度。
傳統(tǒng)的光纖光柵準靜態(tài)解調(diào),主要技術(shù)方案有光譜分析法、窄帶濾波器法、匹配光柵法等,可滿足大多數(shù)工程應(yīng)用需求。但高精度地應(yīng)變傳感需求更高,國際上諸多研究團隊提出不同的解調(diào)方案,用以提高光纖光柵傳感系統(tǒng)的應(yīng)變分辨率。本研究采用窄線寬光纖激光掃描的解調(diào)方案,結(jié)合小波閾值降噪方法進行信號處理。在該方案中,采用一個傳感光纖光柵諧振腔來感測地應(yīng)變信號,一個參考光纖光柵諧振腔來補償溫度影響,對2 路信號均采用小波降噪算法,經(jīng)測試,信噪比可提升12 dB 以上。
研制的第一代光纖應(yīng)變儀為短基線光纖應(yīng)變儀,應(yīng)變儀長度為1 m,光纖諧振腔可根據(jù)需要定制,通過螺栓安裝在基巖之上,外面加保護套。光纖應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集器(解調(diào)儀)含光源、光電探測器、信號處理器、傳輸與顯示等模塊,集成于19 吋機箱中,通過網(wǎng)線或無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸,并接入GPS 信號。
在云南昭通巧家地震臺安裝短基線光纖應(yīng)變儀進行應(yīng)變觀測。經(jīng)4 年測試,應(yīng)變儀性能穩(wěn)定,與在同一臺站安裝的電學應(yīng)變儀的記錄對比發(fā)現(xiàn),光纖應(yīng)變儀可記錄到清晰的固體潮和地震波信號。根據(jù)地震行業(yè)標準DB/T 31.2—2008 進行測試,該應(yīng)變儀分辨率優(yōu)于10-10,同時具有較高的采樣率和穩(wěn)定性。結(jié)合光纖傳感器環(huán)境適應(yīng)性好的特點,如對電磁干擾不敏感、防雷擊、本質(zhì)安全等,光纖應(yīng)變儀作為一種發(fā)展中的新興的新型儀器,在觀測方法上,有望與現(xiàn)有儀器形成互補,具有較好的應(yīng)用前景。