中圖分類號：TN247 文獻標志碼：A 文章編號：1671-5489（2025）04-1179-06

Fiber-Optic Michelson Coherent Seismic Vector Detection Technology

XU Hua1，YANG Yuxin2，YI Wensuo ² ，HUANG Kaiyang2 （1.Collegeof Intellgence Scienceand Technology，National UniversityofDefense Technology，Changsha 4oo3，China; 2. College of Information Science and Engineering， Changchun University of Science and Technology ， Changchun 13oo22， China）

Abstract： Aiming at the problem of frequent earthquakes and other natural disasters，based on the research on distributed fiber-optic sensing technology and the sensing principle and basic theory of Michelson fiber-optic interferometer， we designed a vector seismic sensor. The sensitive part of the fiber-optic seismic sensor was mainly composed of elastic thin sheets，mass blocks，circular rings and sensing fiber-optic components. We conducted strain effect analysis of the sensor and designed overall scheme of the system. The signal generator was used to simulate earthquakes with the signal amplitude of 1 and the frequencies of ^300，500Hz ，respectively. The results show that the composite materials are ideal materials for the vibrating thin sheet，which can significantly improve the sensitivity of the system and reduce the system errors. The detection sensitivities are 0.08g and 0.3g ， respectively. The amplitude of the seismic signal is basically consistent with the signal amplitude detected by the sensor，and it has a good frequency response，which can be used for detecting seismic waves.

Keywords：distributed fiber-optic sensing；Michelson fiber-optic interferometer； seismic sensor; strain effect

在地震勘探中，用于精確感知地震波導(dǎo)致傳感器所在位置振動的傳感器稱為地震檢波器[1]．地震檢波器作為一種專門應(yīng)用于地質(zhì)學研究和土木建筑測量的工具，可將地殼表面震動轉(zhuǎn)化為電信號，從而實現(xiàn)各種地震相關(guān)信息的收集．常見的地震檢測儀器包括磁電型、渦流型、壓電型、壓阻型和采用基于MEMS（micro electro mechanical system）技術(shù)的數(shù)字化地震檢測器[2]等.

目前對地震監(jiān)測的需求主要集中于周期內(nèi)震動頻率高與單次震幅較大的地震信息探測[3]．地震探測深度化研究有助于進一步理解分析地殼內(nèi)部分層構(gòu)造，從而提升深層次資源勘探和地質(zhì)風險預(yù)判能力，為當前地球物理學研究重點之一.

隨著探測精度的提升，對地震檢波器的帶寬要求增加．由于地震檢波器的有效信號拾取轉(zhuǎn)化率極低，若用 10Hz 的檢波器拾取 0.5Hz 的信號，則輸出有用信號的能量只有原始信號的千分之幾.此外，常用低頻檢波器的自然頻率下限約為 2Hz ，無法滿足工程上對更低頻率信號的測量要求.因此，地震檢波器主流升級方向為降低地震檢波器中心頻率，并提高相關(guān)帶寬.

目前，主要有基于電磁感應(yīng)原理的傳統(tǒng)動圈式檢波器、基于MEMS 加速度傳感器的地震檢波器、數(shù)字光柵地震檢波器、光纖光柵傳感地震檢波器和偏芯光纖的地震波檢波器等．傳統(tǒng)地震檢波器存在動態(tài)范圍相對較?。?lt;60dB） 、抗干擾能力差和靈敏度較低等問題，嚴重影響了對地震波的實時監(jiān)測及地震數(shù)據(jù)采集和處理[4]．基于MEMS 加速度傳感器的地震檢波器以室內(nèi)地震臺和軟件補償方法為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了一套集數(shù)據(jù)采集、分析、處理和轉(zhuǎn)化于一體的綜合實驗平臺，但其在野外施工的難度較大[5]．利用光柵 Moire 條紋測量概念構(gòu)建的數(shù)字光柵地震檢波器可避免傳統(tǒng)電磁型檢波器因電磁干擾導(dǎo)致信號非線性變形而影響測量結(jié)果，但在這個以光柵系統(tǒng)與“彈簧-質(zhì)量\"地震系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建的整套檢波器體系中，彈簧片的非線性對該系統(tǒng)輸出信號及自然角度頻率產(chǎn)生了一定測量誤差[6]．光纖Bragg光柵傳感地震檢波器主要對構(gòu)成系統(tǒng)的主要部分特別是等強度懸臂梁進行優(yōu)化處理，可有效減少傳感光柵產(chǎn)生的非線性失真，但由于其地震檢波器瀕帶范圍較小、靈敏度低、阻尼較大，因此選擇合適的檢波器尺寸難度較大[7]．在偏芯光纖地震檢波器中，其獨特的非對稱結(jié)構(gòu)使光模場在傳播過程中易暴露在光纖包層外部，導(dǎo)致光損耗增加，當光纖彎曲時，這種損耗會進一步擴大[8].

傳統(tǒng)光纖Michelson干涉儀通過檢測光的相移實現(xiàn)傳感解調(diào)，該方法具有較高的精度和靈敏度，但對光源的要求較高且易受環(huán)境干擾[9]．光纖傳感器作為無源器件，具有探測靈敏度高、噪聲干擾低和小型化模塊化等優(yōu)點，在地震傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[10]．本文介紹一種基于Michelson干涉原理作為地震敏感單元的矢量光纖地震傳感器，用于對地震波的檢測和監(jiān)測，通過算法解調(diào)地震信號，得到地震的相關(guān)數(shù)據(jù)，達到對地震的監(jiān)測效果．這種傳感器響應(yīng)帶寬較寬，動態(tài)特性較好，對低頻信號響應(yīng)實驗效果更理想.

1 Michelson光纖干涉系統(tǒng)基本理論

1.1 Michelson干涉儀傳感原理

Michelson干涉儀主要包括3個部分：激光二極管、探測器和3dB耦合器．其中激光器二極管和探測器的接口通過3dB耦合器實現(xiàn)連接，另外2個端口分別接入?yún)⒖急酃饫w和傳感臂光纖．每個光臂

均配備保偏光纖反射鏡，以確保光穩(wěn)定性和準確性．若發(fā)生地震，則地震傳感光臂的折射率等參數(shù)會發(fā)生變化，進而導(dǎo)致與參考光臂之間的相位差改變，并最終在3dB耦合器中引發(fā)干涉效應(yīng)．這種Michelson干涉結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度高，噪聲干擾低，可有效捕獲微小信號，適合微弱信號檢測[11].Michelson干涉儀地震傳感原理如圖1所示.

當外界發(fā)生地震時，參考光臂和地震傳感光臂均會形變，使傳感光纖的長度、直徑和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而改變傳感臂與參考臂的相位差[12]，導(dǎo)致干涉光強度發(fā)生變化，地震信號可通過光電探測器和相位解調(diào)技術(shù)獲取．由于該地震感知過程不受彈性體固有頻率約束，因此響應(yīng)帶寬較好，干涉光強度可表示為

A²=A₁²+A₂²+2A₁A₂cosΔφ，

其中 A₁ 和 A₂ 分別為參考光臂和地震傳感光臂傳輸光的振幅， Δφ=2k₀Δs 為由外界地震導(dǎo)致的相位差， k₀ 為傳播常數(shù)， Δs 為光程差.

1. 2 Michelson干涉儀基本理論

當光纖承受外部壓力發(fā)生應(yīng)變時，其長度、折射率和纖芯直徑均發(fā)生變化，將分別引發(fā)應(yīng)變效應(yīng)、光彈性效應(yīng)和Poisson效應(yīng)．由此導(dǎo)致光纖內(nèi)部相位發(fā)生變化．假設(shè)光纖的長度為 L ，激光在單模光纖中的相位延遲可表示為

其中 β 為激光在光纖中的傳播常數(shù)， n 為光纖纖芯的有效折射率， λ₀ 為光在真空狀態(tài)下的波長．由光纖長度或傳播速度變化導(dǎo)致激光相位 Δφ 發(fā)生變化可表示為

當受到機械應(yīng)力影響時，光纖芯層的折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致光波相位變動．根據(jù)各向同性物質(zhì)的彈塑性動力學概念，該折射率的變化和應(yīng)變 ε_i 可表示為

其中 P₁₁ 和 P₁₂ 為光纖的光彈系數(shù)， P_?44=（P_?11-P_?12）/2， （202 ε₀ 和 E₁ 為光纖的橫向線性應(yīng)變，且 E₀=E₁ ， 為光纖的縱向線性應(yīng)變，同時假設(shè)切向線性應(yīng)變 E₃=E₄=E₅=0

由于激光在單模光纖中沿橫向偏振方向傳播，因此由折射率變化導(dǎo)致相位改變即為由該橫向折射率變動所致，即

在材料相同的條件下，在其彈性形變范圍內(nèi)，橫向線性應(yīng)變 ε₁=Δd/d 與縱向線性應(yīng)變 ε₂=ΔL/L 之比的絕對值為一個固定常數(shù)，即

其中 μ 為所用材料的Poisson比，材料不同，其數(shù)值也不同．當橫向線性應(yīng)變伸長時，縱向線性應(yīng)變縮短，當縱向線性應(yīng)變伸長時，橫向線性應(yīng)變縮短，因此二者符號相反，即

ε₁=-με₂.

對于單模光纖，由Poisson效應(yīng)導(dǎo)致的相位變化可表示為

其中 d 和 Δd 分別為單模光纖的直徑和直徑變化量， λ 為激光波長．由于Poisson效應(yīng)遠小于應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)導(dǎo)致的相位延遲，因此可忽略不計[13-15].

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1地震傳感器敏感單元模型設(shè)計

地震傳感器的核心組件是靈敏度單元，其直接影響傳感器的精確性和敏感性．為保證光纖地震靈敏度單元在軸向上的敏感度遠高于其他方向的敏感度，本文設(shè)計光纖薄片式地震傳感器結(jié)構(gòu)如圖 2所示.

光纖薄片型地震傳感器的關(guān)鍵部件包括彈性薄片、質(zhì)量塊、圓環(huán)及感知光纖組件，其構(gòu)成一個完整且獨立的質(zhì)量-慣性混合體系．為提升對地震的感知精確度，并增加光纖長度，用光纖緊密圍繞于彈性片上，形成孿生單元，從而同時生成和測量地震信息．由于光纖直徑遠大于彈性片的厚度，因此彈性薄膜的地震響應(yīng)在垂直于薄片的方向上最大，在平行于薄片的方向上最小，可見薄膜光纖地震傳感器具有優(yōu)異的單向傳感特性，

2.2 地震模型應(yīng)變效應(yīng)分析

整理得到薄膜片彎曲后的撓度 ω 為

由式（9）可得薄膜片上某點的撓度 ω 與該點到中間法線距離 r 的關(guān)系，如圖3所示．由圖3可見，薄膜片上某點的撓度 ω 與該點到中間法線距離 r 呈反比關(guān)系，當撓度 ω=0 時，所在位置為中間法線的距離最大處，即薄膜片最外側(cè)，

復(fù)合材料具有高韌性和優(yōu)異的機械強度，可滿足地震薄片高頻往復(fù)運動的需要，隨著技術(shù)的進步，復(fù)合材料的密度越來越低．因此，復(fù)合材料是地震薄片的理想材料[16].

基于理論分析，本文設(shè)計一個光纖地震敏感單元，如圖4所示，其中光纖盤是Michelson干涉儀的一段光纖臂．為確保地震傳感器可穩(wěn)定檢測，用螺母將地震薄片支架固定在底座上，并進行整體密封處理，如圖5所示.

3 結(jié)果與討論

整體系統(tǒng)框架如圖6所示．由圖6可見，激光器發(fā)出一束激光通過3dB耦合器人口1，經(jīng)

Michelson干涉儀處理后到達端口2和3，2個端口分別連接參考光臂和地震傳感光臂，且尾部均連接保偏光纖反射鏡，由于2個反射鏡未處于同一水平線上，因此有效提高了地震信號幅度．信號發(fā)生器產(chǎn)生特定周期的地震信號，經(jīng)功率放大器作用于地震臺上，使其上的光纖發(fā)生應(yīng)變效應(yīng)，產(chǎn)生相位差，在3dB耦合器處發(fā)生干涉現(xiàn)象，經(jīng)端口4進人光電探測器，最后在示波器上顯示信號波形變化.

用信號發(fā)生器模擬地震，設(shè)信號發(fā)生器發(fā)出的地震信號幅值為1，頻率分別為 ^{300，500Hz} 的正弦波．地震信號和傳感器檢測信號輸出波形如圖7所示，其中（A）和（B）分別是頻率為 ^{300，500Hz} 的地震信號輸出波形，其檢測靈敏度分別為 0.08，0.3g ，由圖7可見，地震信號的幅度和傳感器檢測到的信號幅度基本吻合，同時傳感器可較好地檢測外界地震并及時發(fā)出響應(yīng)，具有良好的頻率響應(yīng)，可應(yīng)用于檢測地震波.

綜上所述，本文研究了Michelson地震干涉儀的傳感原理和基本理論，分析了Michelson光路中的應(yīng)變效應(yīng)、光彈效應(yīng)和Poisson效應(yīng)，設(shè)計了Michelson地震傳感器的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)整體方案，并利用信號發(fā)生器模擬地震，用多種信號進行理論驗證，對所收集到的信號進行數(shù)據(jù)分析和模擬，證明由Michelson干涉儀構(gòu)成的傳感系統(tǒng)具有良好的頻率響應(yīng)，驗證了該傳感器具有檢測靈敏度高、噪聲干擾低和不受電磁干擾等優(yōu)點，可用于檢測地震波.

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（責任編輯：王 健）