基于光学低相干技术的地形变监测系统

王 佳 张 敏 居海华

（江苏省地震局，江苏 南京210000）

1 概述

21 世纪以来，大地震在全球范围内频繁发生，其发生过程中往往伴随着大量的能量释放，给人类的生命、安全都带来巨大的灾难[1]。如何在地震来临前对其进行有效的预测，是人类不断探索的事业之一。

地震来临前，往往会伴随着一系列异常出现：地下水、地磁、地电等[2]，其中地形变测量作为获取地球物理观测信息的一项重要手段，是地震预报与监测必不可少的基础。目前检测地形通常采用的方法有：GPS 测量、水准测量、钻孔应变测量[3]。但GPS 测量仅适用于时空尺度跨度较大的地形变观测，在局部地形变测量上往往不能满足要求；水准测量的精度不够高，且受观测环境影响较大；钻孔应变仪内部主要部分是电子器件，因而抗电磁干扰能力较弱[4]。

干涉测量作为一种新兴的测量方式，自20 世纪70 年代出现以来，发展至今已经广泛应用于材料损伤监测、高精度位移测量等领域。其独特的优势：高精度、高灵敏度、不存在零漂问题以及不受电磁干扰[5]，将其应用于地震地形变观测方面，能够解决传统观测仪器存在的固有问题[6]。

本文提出了一套低相干系统进行地形变监测新思路，详细介绍了基于低相干技术的地形变监测系统的设计、元器件的选择以及性能指标。

2 光学低相干技术

光学低相干干涉技术，其原理就是利用在相干范围内两束光发生干涉，形成明暗相间的条纹[7]。目前最常用的就是迈克尔逊干涉仪，在测量过程中，其中一臂组作为参考臂，不发生移动，另一臂随着被测对象移动，这样两臂之间就会形成光程差，通过对探测器接收到的干涉信号进行分析处理从而推算出被测对象移动的距离[8]。

整个光学低相干测量系统由光源、参考臂、样品臂以及探测器四部分组成[9]。如图1 所示。光源发出的光经过分光器分成两束，其中一束进入参考臂，由平面镜反射回来，另一束进入样品臂，到达样品表面后，经样品臂反射回来，两束光在分光镜处再次汇合并发生干涉[10]，干涉形成的条纹信号被探测器检测并接收，将光信号转变成电信号，获取的干涉信号通过数据采集卡传输到计算机上，显示干涉图像，对其进行处理分析，即可获取形变和振动信号[11]。

图1 迈克尔逊干涉仪原理图

式中，n 为样品臂在相应测量的臂中介质折射率。

实际上，当被测样品位移发生改变时，样品臂光程发生改变，随之样品臂和参考臂的相对光程发生变化，形成光程差。通过式（2）可以看到光程差的改变最终转换为探测器上光强的变化。通过测量探测器上光强信号的大小即可推算出样品臂移动的距离。

3 基于低相干技术的地形变监测系统设计

地形变测量时，选择一块完整无破损的基岩作为被测样品，并将表面处理平整，将样品臂粘在基岩上，另一臂（参考臂）放在远端或易于操作的地方，如果基岩表面发生形变，样品臂的伸缩必然会导致两臂的光程差发生相应的变化，引起相位发生改变，最终探测器接收到的光强也会改变。

基于低相干技术的地形变监测系统如图2 所示，系统共由低相干光源、2*2 耦合器、准直镜、单模光纤、光电探测器组成。

3.1 光源的选择

系统采用He-Ne 激光作为低相干光源，光源的波长为630nm，激光器为单色光源，对其而言，线宽决定了相干长度，因而至关重要。根据线宽和相干长度的关系：

式中，c 为光在真空的传播波长。

众所周知，在地形变的长期观测中，一般而言，岩石每年形变的变化量较小，通常都在με 量级，因而光程差的变化较小。按照理论分析，只有相干相干长度大于理论范围，即可进行测量，因而线宽选择30Mhz。

3.2 光电信号探测

信号被光电探测器接收，进行处理。光电探测电路在低相干应变测量系统中至关重要，其决定了整个系统测量的稳定性，测量精度以及系统的抗干扰能力。结合观测系统实际应用场合以及本身特点，设计了探测电路组成原理框图，如图3 所示。

图3 探测电路原理框图

光电二极管具有响应快速、测量灵敏度高、低渗透等优点，两束光反别从传感臂和参考臂反射回来，经过2*2 的耦合器后发生叠加，因为在相干范围内，从而发生干涉，产生的干涉信号首先经过探测器中的光电二极管，转换为相应大小的电流信号。通常来讲，电压信号相比于电流信号更容易被设备采集，因而通过I/V 变换转，电流信号变为电压信号，获取到的电压信号进一步进行高通滤波，再通过放大器放大后传入计算机进行分析处理，从而获得测量距离，获取地震形变和振动信号。

3.3 系统分辨率

按照地震行业标准GB/T 19531.3，地形变的观测精度需达到6*10-9，利用相干法观测的是地形变的相对量，对于该观测系统而言，光源波长为630nm，分辨率为635/100=6.35*10-9，量级满足地形变的观测要求。

4 结论

低相干技术的观测精度可以达到10-9量级，由于其使用的波长线宽可以做到很窄，使用这种低相干光源，在信号采集和处理运用中都有着良好的运用前景[12]。尤其是在地震监测方面，更是具有其他的测量方法无可比拟的优点：不怕雷击、耐高温、无需标定、抗电磁干扰以及不会产生零漂等优点，从而为解决地震地球物理台网地形变观测提出了一种新型的方法。