短基线光纤应变仪的研制

张文涛黄稳柱李 丽刘文义孔向阳中国科学院半导体研究所，北京 100083中国地震局地球物理研究所，北京 100081中国地震局第二监测中心，西安 710054山东省地震局，济南 250014

短基线光纤应变仪的研制

张文涛1）黄稳柱1）李 丽2）刘文义3）孔向阳4）
1）中国科学院半导体研究所，北京 100083
2）中国地震局地球物理研究所，北京 100081
3）中国地震局第二监测中心，西安 710054
4）山东省地震局，济南 250014

形变观测是地震前兆观测的重要手段，形变观测仪器的性能直接决定地震前兆观测资料的质量。传统的胴体长基线形变仪对安装环境要求高、工程造价高，抗环境干扰能力差。减小伸缩仪的基线长度，实现仪器的小型化有助于地震应急快速布设，开展多方位应变观测（例如，垂直分量），也可降低胴体开凿成本，并提高仪器的维护性。鉴于此，国内地震系统已经开始研制短基线/超短基线伸缩仪的研制。光纤地震观测仪器具有传感器无源、抗电磁干扰性强、深井观测耐高温高压、抗雷击等优点，在国内外地震仪器领域引起了广泛关注。

光纤应变仪的敏感元件采用相移光栅代替传统的光纤光栅；相移光栅相比于传统的光纤光栅，其光谱线宽要窄4个数量级，可以获得更高的反射光谱信噪比和更高的波长解调精度。对于相移光栅式光纤应变仪，其反射光谱波长与所测的地壳应变具有良好的线性关系，只需要解调出相移光栅的波长漂移信号就可以推算得到地壳的形变信息。光纤应变仪的探头结构借鉴了现有短基线应变仪的设计，采用相移光栅代替传统的电容式传感器；相移光栅固定于两个支座之间感受地形变信号。光纤应变仪的安装方式借鉴短基线应变仪的埋入式安装方法，将光纤应变仪安装在基岩表面，用水泥固定。光纤应变仪探头的基线长度1.5 m，采用不锈钢封装，通过一条铠装光缆将相移光栅的信号传输至地震观测室。光纤应变仪的相移光栅波长解调，首先采用一台窄线宽激光器和一个光学边带调制器实现一束高线性度的可调谐激光，用于询问相移光栅的光谱；采用参考光栅实现温度补偿和激光频率波动补偿。结合PDH技术方案和互参考的解调算法，实现超高精度、宽频带、大动态范围的波长解调。采用该技术，可以实现应变分辨率优于10-9、测量频带DC ～ 100 Hz、动态范围大于120 dB的应变测量。

2015年4～6月，在云南省昭通防震减灾局的协助和配合下，于昭通市巧家地震观测站完成安装了试验。实测应变分辨率优于10-9，可清晰记录固体潮信息（图1）。同时可以记录临近发生的地震信号。

图1　短基线光纤形变仪记录到的固体潮

短基线光纤应变仪目前未经特别增敏处理，在适当增敏后会进一步提高分辨率。相比于现有的电学短基线应变仪，光纤应变仪在探头部分的敏感元件仅为一根光纤，进一步降低了探头成本，并且可进一步实现小型化。光纤应变仪探头无电子器件，抗电磁干扰，抗雷击，有望成为地震形变监测仪器发展的新方向。