光纤光栅于地震检波器方向的应用

陈梓艺

摘 要：该文阐述了光纤光栅用作地震检波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系统。另外根据光纤光栅周期进行分类，分别阐明了光纤布拉格光栅及长周期光纤光栅地震检波器的使用原理并分析了它们的优缺点，结合两者讨论了地震检波器发展趋势。

关键词：光纤光栅 地震检波器 光纤布拉格光栅 长周期光纤光栅

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震检波器作为关键的环节，影响着勘探的准确性及进程。地震检波器广泛地用于石油工业、矿藏开发、地质、地热等精细勘探之中。但过去的地震检波器往往有灵敏度不够高，易受干扰等缺点。

在20世纪80年代末，Morey发表用作传感器的光纤光栅[1]受到各地工作者的关注并让其于之后得到长足的发展。近年来，光纤光栅因抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、尺寸小等优点，作为地震检波器被研究应用于地震勘探中。可预见，光纤光栅传感器作为地震检波器将成为一大趋势。

1 光纤光栅地震检波器的工作原理

地震检波器实质为振动传感器，由光纤光栅构成的地震检波器，其工作原理是利用光纤光栅对应力应变的敏感作用，把对应变物理量的测量转化为对光学物理量的测量。完整的地震检波系统，其组成如图1所示，宽带光源的光经耦合器输入到检波器后，对于光纤布拉格光栅中满足布拉格条件的光将发射回来，其余的光则沿原光路继续传输，由于反射光包含振动信息，因此，对反射光解调。而长周期光纤光栅因其透射性质，则需对透射光进行解调。解调系统利用光电检测电路，把带有外界信息的光信号转化成电信号输出，再经过放大器后送进计算机分析。

2 光纤光栅地震检波器分类

根据光纤光栅的周期，可将应用作地震检波器的光纤光栅分为两类，分别是短周期光纤光栅，也就是光纤布拉格光栅及长周期光纤光栅。

2.1 光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅的光栅周期以及折射率决定了光栅的反射光谱和透射光谱。当外界物理量改变这两个参数时，会使波长发生漂移。因此，通过检测光谱中的波长漂移即可获取信息。

在引起光纤布拉格光栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期的变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率也随外界应力而发生变化[2]。

波长变化的量化公式可以表示为：

（1）

式中外界条件导致的波长漂移为、光栅周期、光栅有效折射率。而光栅周期以及有效折射率的变化分别为和。

应力应变对光纤布拉格光栅的影响可量化为：

（2）

其中为应变变化，为光纤材料的弹光系数，为应变引起的波长变化的灵敏度系数。

通过式（2）可知，借由光信号表征的物理量可至小波长量级的分辨率，这理论上表明了光纤布拉格光栅作为地震检波器的高精度，实验上通过模拟仿真也证明了其实用性[3]。

然而，光纤布拉格光栅也存在如反射光特性所导致的光源振荡，器件比较脆弱、需要良好保护等缺点，而这些尚未能完全有效解决的问题亦是其商业化的阻碍。

2.2 长周期光纤光栅

长周期光纤光栅的理论是在光纤布拉格光栅理论的基础上发展起来的，但其模式耦合属于同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合[4]。

根据耦合模理论，长周期光纤光栅相位匹配条件[5]为：

（3）

其中，为芯内导模的有效折射率；为发生耦合的m阶包层模的有效折射率；为光纤光栅周期；为导模耦合到m阶包层模的波长。由式（3）可以看出，与芯层和包层的折射率有大关联性。当外界条件如温度或应力作用于光栅引起其纤芯和包层的有效折射率和光栅周期变化时，光栅的波长会产生变化，测得的大小可以确定外界温度或应力的变化。通过对灵敏度分析，建立力学模型以及仿真，国内有黎芳等人验证了长周期光纤光栅用于地震检波器是可行的[5]。

长周期光纤光栅作为一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器，测量精度较高。但相对于光纤布拉格光纤，其也存在着温度、应变等物理量间的交叉敏感等问题[4]，不利于实际的测量工作，需多个传感器组合方可利于解决。

3 结语

对于光纤光栅以周期进行两种分类，并分析知两类光纤光栅在具有优点的同时，也有如脆弱，交叉敏感的缺点。不过光纤光栅检波器相对传统地震检波器所具有的精度高，抗干扰能力强等优点，定会使其成为地震勘探中的重要研究方向并得到发展，逐渐成为主流的地震检波器。

参考文献

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 马超，乔学光，贾振安，等.光纤布拉格光栅地震检波器的研究与应用[J].地球物理学进展，2008，23（2）：622-626.

[3] 刘汉平，王健刚，崔洪亮，等.光纤光栅地震波检波器[J].山东大学学报：工学版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饶云江.长周期光纤光栅研究现状分析[J].电子科技大学学报，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，张绪国.基于长周期光纤光栅的新型地震检波器[J].应用光学，2008（1）：101-104.endprint

摘 要：该文阐述了光纤光栅用作地震检波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系统。另外根据光纤光栅周期进行分类，分别阐明了光纤布拉格光栅及长周期光纤光栅地震检波器的使用原理并分析了它们的优缺点，结合两者讨论了地震检波器发展趋势。

关键词：光纤光栅 地震检波器 光纤布拉格光栅 长周期光纤光栅

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震检波器作为关键的环节，影响着勘探的准确性及进程。地震检波器广泛地用于石油工业、矿藏开发、地质、地热等精细勘探之中。但过去的地震检波器往往有灵敏度不够高，易受干扰等缺点。

在20世纪80年代末，Morey发表用作传感器的光纤光栅[1]受到各地工作者的关注并让其于之后得到长足的发展。近年来，光纤光栅因抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、尺寸小等优点，作为地震检波器被研究应用于地震勘探中。可预见，光纤光栅传感器作为地震检波器将成为一大趋势。

1 光纤光栅地震检波器的工作原理

地震检波器实质为振动传感器，由光纤光栅构成的地震检波器，其工作原理是利用光纤光栅对应力应变的敏感作用，把对应变物理量的测量转化为对光学物理量的测量。完整的地震检波系统，其组成如图1所示，宽带光源的光经耦合器输入到检波器后，对于光纤布拉格光栅中满足布拉格条件的光将发射回来，其余的光则沿原光路继续传输，由于反射光包含振动信息，因此，对反射光解调。而长周期光纤光栅因其透射性质，则需对透射光进行解调。解调系统利用光电检测电路，把带有外界信息的光信号转化成电信号输出，再经过放大器后送进计算机分析。

2 光纤光栅地震检波器分类

根据光纤光栅的周期，可将应用作地震检波器的光纤光栅分为两类，分别是短周期光纤光栅，也就是光纤布拉格光栅及长周期光纤光栅。

2.1 光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅的光栅周期以及折射率决定了光栅的反射光谱和透射光谱。当外界物理量改变这两个参数时，会使波长发生漂移。因此，通过检测光谱中的波长漂移即可获取信息。

在引起光纤布拉格光栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期的变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率也随外界应力而发生变化[2]。

波长变化的量化公式可以表示为：

（1）

式中外界条件导致的波长漂移为、光栅周期、光栅有效折射率。而光栅周期以及有效折射率的变化分别为和。

应力应变对光纤布拉格光栅的影响可量化为：

（2）

其中为应变变化，为光纤材料的弹光系数，为应变引起的波长变化的灵敏度系数。

通过式（2）可知，借由光信号表征的物理量可至小波长量级的分辨率，这理论上表明了光纤布拉格光栅作为地震检波器的高精度，实验上通过模拟仿真也证明了其实用性[3]。

然而，光纤布拉格光栅也存在如反射光特性所导致的光源振荡，器件比较脆弱、需要良好保护等缺点，而这些尚未能完全有效解决的问题亦是其商业化的阻碍。

2.2 长周期光纤光栅

长周期光纤光栅的理论是在光纤布拉格光栅理论的基础上发展起来的，但其模式耦合属于同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合[4]。

根据耦合模理论，长周期光纤光栅相位匹配条件[5]为：

（3）

其中，为芯内导模的有效折射率；为发生耦合的m阶包层模的有效折射率；为光纤光栅周期；为导模耦合到m阶包层模的波长。由式（3）可以看出，与芯层和包层的折射率有大关联性。当外界条件如温度或应力作用于光栅引起其纤芯和包层的有效折射率和光栅周期变化时，光栅的波长会产生变化，测得的大小可以确定外界温度或应力的变化。通过对灵敏度分析，建立力学模型以及仿真，国内有黎芳等人验证了长周期光纤光栅用于地震检波器是可行的[5]。

长周期光纤光栅作为一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器，测量精度较高。但相对于光纤布拉格光纤，其也存在着温度、应变等物理量间的交叉敏感等问题[4]，不利于实际的测量工作，需多个传感器组合方可利于解决。

3 结语

对于光纤光栅以周期进行两种分类，并分析知两类光纤光栅在具有优点的同时，也有如脆弱，交叉敏感的缺点。不过光纤光栅检波器相对传统地震检波器所具有的精度高，抗干扰能力强等优点，定会使其成为地震勘探中的重要研究方向并得到发展，逐渐成为主流的地震检波器。

参考文献

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 马超，乔学光，贾振安，等.光纤布拉格光栅地震检波器的研究与应用[J].地球物理学进展，2008，23（2）：622-626.

[3] 刘汉平，王健刚，崔洪亮，等.光纤光栅地震波检波器[J].山东大学学报：工学版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饶云江.长周期光纤光栅研究现状分析[J].电子科技大学学报，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，张绪国.基于长周期光纤光栅的新型地震检波器[J].应用光学，2008（1）：101-104.endprint

摘 要：该文阐述了光纤光栅用作地震检波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系统。另外根据光纤光栅周期进行分类，分别阐明了光纤布拉格光栅及长周期光纤光栅地震检波器的使用原理并分析了它们的优缺点，结合两者讨论了地震检波器发展趋势。

关键词：光纤光栅 地震检波器 光纤布拉格光栅 长周期光纤光栅

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震检波器作为关键的环节，影响着勘探的准确性及进程。地震检波器广泛地用于石油工业、矿藏开发、地质、地热等精细勘探之中。但过去的地震检波器往往有灵敏度不够高，易受干扰等缺点。

在20世纪80年代末，Morey发表用作传感器的光纤光栅[1]受到各地工作者的关注并让其于之后得到长足的发展。近年来，光纤光栅因抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、尺寸小等优点，作为地震检波器被研究应用于地震勘探中。可预见，光纤光栅传感器作为地震检波器将成为一大趋势。

1 光纤光栅地震检波器的工作原理

地震检波器实质为振动传感器，由光纤光栅构成的地震检波器，其工作原理是利用光纤光栅对应力应变的敏感作用，把对应变物理量的测量转化为对光学物理量的测量。完整的地震检波系统，其组成如图1所示，宽带光源的光经耦合器输入到检波器后，对于光纤布拉格光栅中满足布拉格条件的光将发射回来，其余的光则沿原光路继续传输，由于反射光包含振动信息，因此，对反射光解调。而长周期光纤光栅因其透射性质，则需对透射光进行解调。解调系统利用光电检测电路，把带有外界信息的光信号转化成电信号输出，再经过放大器后送进计算机分析。

2 光纤光栅地震检波器分类

根据光纤光栅的周期，可将应用作地震检波器的光纤光栅分为两类，分别是短周期光纤光栅，也就是光纤布拉格光栅及长周期光纤光栅。

2.1 光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅的光栅周期以及折射率决定了光栅的反射光谱和透射光谱。当外界物理量改变这两个参数时，会使波长发生漂移。因此，通过检测光谱中的波长漂移即可获取信息。

在引起光纤布拉格光栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期的变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率也随外界应力而发生变化[2]。

波长变化的量化公式可以表示为：

（1）

式中外界条件导致的波长漂移为、光栅周期、光栅有效折射率。而光栅周期以及有效折射率的变化分别为和。

应力应变对光纤布拉格光栅的影响可量化为：

（2）

其中为应变变化，为光纤材料的弹光系数，为应变引起的波长变化的灵敏度系数。

通过式（2）可知，借由光信号表征的物理量可至小波长量级的分辨率，这理论上表明了光纤布拉格光栅作为地震检波器的高精度，实验上通过模拟仿真也证明了其实用性[3]。

然而，光纤布拉格光栅也存在如反射光特性所导致的光源振荡，器件比较脆弱、需要良好保护等缺点，而这些尚未能完全有效解决的问题亦是其商业化的阻碍。

2.2 长周期光纤光栅

长周期光纤光栅的理论是在光纤布拉格光栅理论的基础上发展起来的，但其模式耦合属于同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合[4]。

根据耦合模理论，长周期光纤光栅相位匹配条件[5]为：

（3）

其中，为芯内导模的有效折射率；为发生耦合的m阶包层模的有效折射率；为光纤光栅周期；为导模耦合到m阶包层模的波长。由式（3）可以看出，与芯层和包层的折射率有大关联性。当外界条件如温度或应力作用于光栅引起其纤芯和包层的有效折射率和光栅周期变化时，光栅的波长会产生变化，测得的大小可以确定外界温度或应力的变化。通过对灵敏度分析，建立力学模型以及仿真，国内有黎芳等人验证了长周期光纤光栅用于地震检波器是可行的[5]。

长周期光纤光栅作为一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需隔离器，测量精度较高。但相对于光纤布拉格光纤，其也存在着温度、应变等物理量间的交叉敏感等问题[4]，不利于实际的测量工作，需多个传感器组合方可利于解决。

3 结语

对于光纤光栅以周期进行两种分类，并分析知两类光纤光栅在具有优点的同时，也有如脆弱，交叉敏感的缺点。不过光纤光栅检波器相对传统地震检波器所具有的精度高，抗干扰能力强等优点，定会使其成为地震勘探中的重要研究方向并得到发展，逐渐成为主流的地震检波器。

参考文献

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 马超，乔学光，贾振安，等.光纤布拉格光栅地震检波器的研究与应用[J].地球物理学进展，2008，23（2）：622-626.

[3] 刘汉平，王健刚，崔洪亮，等.光纤光栅地震波检波器[J].山东大学学报：工学版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饶云江.长周期光纤光栅研究现状分析[J].电子科技大学学报，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，张绪国.基于长周期光纤光栅的新型地震检波器[J].应用光学，2008（1）：101-104.endprint