光纤地震仪研究进展

张文涛，李慧聪，黄稳柱，李正斌，李 丽，刘瑞丰

1.中国科学院半导体研究所传感技术国家重点实验室，北京100083

2.中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京100049

3.北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，北京100871

4.中国地震局地球物理研究所，北京100081

地震与地球物理科学的研究强烈地依赖于地震仪器的发展。近年来，随着光纤传感技术的飞速发展，出现了一批新型的光纤地震仪。它们具备传感部分和信号传输链路无电子器件、环境适应性强、适合分布式组网观测等独特的优势，在地震与地球物理研究领域引起了国际上的重点关注。美国、英国、法国、意大利、日本、中国等国家纷纷投入这方面的研究[1-4]。

光纤地震仪的出现和应用最早源于油气勘探对地震检波器的需求。国外著名的地球物理勘探公司（如美国Geospace Technologies 公司、法国CGG Sercel 公司、英国Stringray Geophysical 公司等）均开展了用于海洋油气勘探的光纤海底地震仪的研发。这些面向勘探地球物理学的光纤地震仪工作频带较高，随着研究的进一步深入，越来越多的研究人员把目光转向了面向天然地震科学研究的宽频带光纤地震仪。依据传感结构以及测量地震波的物理量来分类，光纤地震仪主要有加速度型、位移型、应变型、旋转型四种。其中，加速度型光纤地震仪工作频带较高，主要用于油气勘探、微震、轨道交通安全监测以及地下空间结构成像[5-8]；位移型光纤地震仪可以获得较宽的测量频带，低频可以做到百秒量级甚至更低，噪声水平接近地球新低噪声模型（new low-noise model, NLNM）或全球地震台网（global seismic network, GSN），有望逐步成为传统电学宽频带地震仪的替代产品[9-11]；应变型光纤地震仪作为一种新型的地震仪，可以获得超宽的响应频带（DC-1 kHz），其传递函数及其在地震科学研究中的应用尚有待探索[12-15]；光纤旋转地震仪是近年来兴起的一种测量地震波旋转分量的仪器，可为平移与转动分量联合反演、无需走时参数的层析成像、地震工程学研究提供新的思路[16-18]。

经历数十年的发展，各种类型光纤地震仪均取得了长足的进步，但在拾振结构设计、系统传递函数研究、噪声水平抑制、频带拓宽等方面仍然有必要开展进一步的研究。本文主要介绍加速度型、位移型、应变型、旋转型四种光纤地震仪的基本原理、面临的问题以及国际上的典型案例，并在此基础上探讨各种类型光纤地震仪的发展方向。

1 加速度型光纤地震仪

1.1 加速度型光纤地震仪基本原理

加速度型光纤地震仪是最先发展起来的光纤地震仪，主要有光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）和光纤干涉式这两种类型。加速度型光纤地震仪一般由拾振结构（地震计）和光学测量系统组成，拾振结构含有惯性质量块、弹性元件或其他力传递结构。图1 为应用于油气勘探的加速度型光纤干涉地震仪的两种典型结构：盘片式和芯轴式结构。盘片式地震仪，质量块在地震加速度作用下产生的惯性力使得盘片发生变形，引起缠绕在盘片的光纤发生应变，使得输出光信号的相位受地震加速度的调制。而芯轴式地震仪通过使力顺体发生形变进而使缠绕于力顺体上的光纤产生应变，进而调制输出光。

图1 加速度型光纤干涉式地震仪的拾振结构[5]Figure 1 Vibration picking structure of acceleration-type optical fiber interferometry seismograph

加速度型光纤地震仪作为一个二阶振动系统，在长周期的响应为

式中：X(ω) 为质量块位移的频谱；ω2Z(ω) 为地震加速度的频谱；ω0为光纤地震仪的固有频率。因而，加速度型光纤地震仪要获得地震加速度的线性响应，测量的频段应小于地震仪本身的仪器固有频率。

目前加速度型光纤地震仪主要用于油气勘探、微震、轨道交通安全监测以及地下空间结构成像等领域，尤其在油气勘探领域中取得了显著成果，有望解决高温油井、钻孔、海洋等极端环境的勘探问题。近几年，加速度型光纤地震仪在轨道交通安全监测以及地下空间结构成像也取得一定进展和成果。

在地震观测领域，由于地震加速度在空间长距离传输时容易快速衰减，因而加速度型地震仪适合测量短距离的强震动，对于长距离观测的能力有待提高。加速度型光纤地震仪拾振结构的固有频率较高、灵敏度较低、容易受温度影响，因而难以实现对天然地震的低频低噪声测量。降低频带下限、提高低频测量精度，对于实现高精度的地震观测和获取更丰富的低频勘探信号来说是有必要的。

1.2 加速度型光纤地震仪研究进展

在国外，加速度型光纤地震仪在油气勘探领域已经有成熟的工程应用以及商业产品。挪威Optoplan AS 公司的OptoWave 产品（已被法国CGG Sercel 公司收购）[19-22]、美国Paulsson 公司的OpticSeis[23-25]，均采用光纤光栅传感技术，满足油井场地的监测需求。Optoplan 的光纤光栅地震检波仪器的噪声水平为英国Stringray Geophysical 公司（现属于美国TGS 公司）[26-29]和PGS 公司（现属于美国Geospace Technologies 公司）[30-33]则是采用光纤干涉式传感的方法。PGS 开发的OptoSeis光纤地震检波器，测量频带为0.1∼250.0 Hz，噪声水平约为（相当于系统相位噪声，约为如图2 所示。OptoSeis 的频带扩展到0.1 Hz，这是目前在油气勘探领域中的低频极限，但也可以明显看到低频噪声较高，高于地球新高噪声模型（new high noise model, NHNM）。

图2 PGS 公司光纤地震检波系统及其加速度噪声本底Figure 2 PGS’s optical fiber seismic geophone system and its acceleration noise floor

在国内，中科院半导体所[34-35]、中科院声学所[36-37]、清华大学[38]、吉林大学[39]、山东科学院激光研究所[40-41]等单位都开展了油气勘探领域的加速度型光纤地震仪研究。就目前报道的结果来看，降低频带下限和低频噪声仍是有待解决的主要问题。半导体所报道的光纤干涉式地震仪[42]，其拾振结构如图3 所示，地震加速度使质量块在惯性力作用下带动金属膜片变形，进而使缠绕在结构表面的光纤产生应变，通过相位产生载波（phase generated carrier, PGC）技术解调相位变化以获取地震加速度。该加速度型光纤干涉式地震仪的工作频带为5∼500 Hz，相位噪声为

图3 光纤干涉式地震计Figure 3 Fiber optic interferometric seismometer

加速度型光纤地震仪在油气勘探领域的应用成果显著，但由于其一直受限于工作频带和低频高噪声，在天然地震监测方面一直难以取得突破性成果。近几年，国内外一些单位致力于将加速度型光纤地震仪往低频方向扩展，采用参考补偿、锁相等技术，作为对激光频率波动和环境温度扰动的抑制，以实现高灵敏度的低频地震观测。

为测量天然地震的低频信号，吉林大学研究人员设计了超低频干涉式地震仪和相位反馈控制回路[43]，以实现对低频振动的高灵敏度探测。所设计的地震仪为一个推挽结构，在力顺体上缠绕光纤以形成光纤Michelson 干涉仪。参考臂的光纤长度通过光纤干涉相位进行调整，以将负反馈环路引入到地震仪中，实现相位反馈控制。采用这种结构设计的光纤缠绕增加了传感灵敏度，但也增加了弯曲损耗。相位反馈控制回路提高了低频段的加速度灵敏度，改善了系统的噪声水平，但系统的低频噪声水平与NLNM 还有一定的差距。究其原因，除了与光纤本身具有较高的温度/应变交叉灵敏度之外，还与光纤传感系统光源低频噪声、载波调制光路引起的低频噪声等有直接关系，这是光纤干涉式地震传感系统面临的主要问题。

中国科学院半导体所采用两个高反射率（高于99.3%）的光栅构成法布里-珀罗干涉仪（FBG based on Fabry-Perot interferometer, FBG-FP）作为敏感元件固定于光纤地震仪的质量块上[44]，如图4 所示。当地震波作用于FBG-FP 地震仪时，质量块的运动使得膜片变形，进而引起光纤拉伸，导致FBG-FP 的中心波长发生偏移，通过测量波长偏移以记录地震波信号。采用双激光扫频和拍频法实现高分辨率超低波长的询问，且对两个激光器进行拍频以用于波长漂移补偿。限制系统测量分辨率的主要因素是窄线宽可调谐光纤激光器检测FBG-FP 谐振峰的波长分辨率。该FBG-FP 的询问系统在0.1∼10.0 Hz 内波长分辨率优于地震仪在工作频段0.01∼10.00 Hz 范围内，其自噪声水平低于NHNM。该FBG-FP 地震仪安装在安徽金寨地震台，2021年5 月记录的青海果洛州玛多县7.4 级地震如图5 所示。目前，加速度型地震仪具有测量近场微小地震和远区域大地震的能力，能测量近场高频地震信号，但对于远场低频信号，其观测能力仍有待提高。

图4 FBG-FP 地震仪的结构和实物图Figure 4 Structure and picture of the FBG-FP seismograph

图5 FBG-FP 地震仪记录的青海7.4 级地震Figure 5 Recorded Qinghai M7.4 earthquake of the FBG-FP seismograph

2 位移型光纤地震仪

2.1 位移型光纤地震仪基本原理

加速度型光纤地震仪的工作频带较高，在低频段灵敏度损失较大，难以用于测量宽频带的天然地震。为了提升低频范围的测量能力，需要研制位移型光纤地震仪。位移型光纤地震仪与加速度型光纤地震仪的不同之处在于通过光学方法测量拾振结构的质量块位移，进而解调出地震位移信号。图6 是一个基于法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot interferometer, FPI）的拾振结构。当地震作用于该地震仪时，质量块发生惯性运动，改变了准直器和反射镜所构成的法布里-珀罗干涉仪的腔长，使得干涉光束的相位发生变化，通过对相位进行解调以获得质量位移的变化并得到地震信号。

图6 基于双膜片结构的光纤F-P 地震仪Figure 6 Fiber F-P seismograph based on the double diaphragms structure

位移型光纤地震仪的研制，主要优势在于对天然地震低频信号的探测，特别是超低频信号的探测，如0.01∼50.00 Hz 的信号，这就要求位移型光纤地震仪在低频以下的自身噪声应小于NLNM 或GSN。由于光纤地震仪本身没有反馈电路，要实现对低噪声的低频地震观测，对拾振结构和光学解调系统提出了严格的要求。在拾振结构方面，一般要求其拾振结构的固有频率基本在1∼2 Hz 或更小。在光学解调方面，要求解调系统具有较高的噪声抑制能力和测量精度。而低固有频率的实现一般需要精细且复杂的结构，且现有对位移型光纤地震仪传递函数的研究尚不能从理论上对拾振结构的设计提供充分的指导。特别在测量质量位移的探头设计上，现有的报道大都没有实现全光纤的光路，通常的方案是激光从光纤出射后经过拾振结构的空间光路，再耦合回光纤中。这不仅增加了安装困难，空间光器件也容易遭损坏而影响测量精度。在信号解调方面，现有位移型光纤地震计基本是采用激光干涉式测量质量块位移以获取地震信号，具有较高的噪声抑制能力和测量精度，但激光频率噪声、温度波动噪声、探测器噪声等仍不可避免。因而，要在所期望的低频带内具有高灵敏响应、获得小于NLNM的自噪声，低固有频率的拾振结构设计和低噪声宽频带的光学解调系统是必要解决的问题。

2.2 位移型光纤地震仪研究进展

在低频地震观测中，要获取足够丰富的低频信息（0.01 Hz 甚至更低），不仅要求位移型光纤地震仪具有低噪声宽频带的探测能力，也要求质量块的位移能正确反映地震运动通常引起地面的大幅度运动，避免发生限幅。

加州大学圣地亚哥分校研究人员利用STS1 垂直型地震仪性能优异的摆结构，移除STS1 的电子器件并安装光学元件形成Michelson 干涉仪，以对拾振结构的质量块位移的询问检测[9]，该地震仪称为iSTS1。通过在一个干涉臂上安装λ/8 波片，配合偏振分束器（polarization beam splitter, PBS）产生含有质量块位移信息的正余弦干涉信号。当地震仪受到地震作用时，质量块因叶簧和绞结枢轴的限制，发生上下振动，使得安装在质量块上的角锥棱镜发生移动以改变Michelson 干涉仪的臂长。质量块位移和地震信号的传递函数关系可以写为

式中：X(ω) 为质量块位置的频谱；ω2Z(ω) 为地震加速度的频谱；G=mr1r2/I为结构增益因子；ω0为地震仪的固有角频率；Q为谐振品质因子；r1为摆质心到绞结枢轴的距离；r2为角锥棱镜到绞结枢轴的距离；I为摆绞结枢轴的转动惯量；m为摆的质量。结合椭圆的最小二乘拟合方式，对正交条纹信号进行采样，实时计算光学相位，以获取质量位移和地震信息。通过测量潮汐信号对iSTS1 的参数进行校准，其仪器固有频率为5.15 s。iSTS1 具有极为优异的低频噪声观测能力，可测量的质量位移的均方根噪声为4×10−12m @ 0.001 Hz∼4×10−13m@ 1 Hz，提供180 dB 的动态范围。在10−6∼10−1Hz 的超低频范围，iSTS1 的自噪声十分接近GSN 的噪声水平，甚至在10−6∼10−5Hz 展现出比STS1 还优异的观测能力[45]。

为了在钻孔中部署地震仪以实现天然地震监测和大地测量，加州大学圣地亚哥分校研究人员在2018年报告了新的三分量光学地震仪[46]，如图7(a) 所示。其水平分量，由钨块和刚性铝臂构成钟摆，并悬挂在绞结上以形成一个地震摆。其垂直分量采用钴铬镍合金制成的叶片弹簧以控制质量块的运动，叶片弹簧一端固定在地震仪框架，另一端连接可移动的质量块。该悬架理论上可提供无限自由周期，这对于低频地震观测是极其重要的。此地震仪的两个水平分量可以分别提供1.15 s 和1.27 s 的自由周期，垂直分量提供5.00 s 的自由周期。采用Michelson 干涉仪跟踪测量质量位移，测量精度优于10−12m。三分量光学地震仪的观测能力如图7(b) 所示，光学地震仪的各分量在测量频段内和KS-54000 井下地震计各分量基本一致，并接近GSN 最小噪声。三分量光学地震仪在0.001∼0.100 Hz 频段内，性能可媲美KS-54000，在天然地震的低频观测甚至超低频观测中显示出可观的潜力。

图7 三分量光学地震仪的类型和功率谱密度[46]Figure 7 Types and power spectral density of tri-component optical seismograph

比利时布鲁塞尔自由大学[47-48]、法国原子能委员会[49]和欧洲核研究中心[50]等单位，也设计有不同拾振结构的光纤地震仪，搭配高精度的光学解调方法以获取质量位移信息。

为保证光纤地震仪可以适用滑坡、活火山、断裂带等极端环境的布设，法国巴黎地球物理研究所联合ESEO 集团等单位，提出了激光干涉式测量地球应变（laser interferometry for earth strain, LINES）[10,51]项目，开发了光纤干涉式地震仪（interferometry seismograph,iSISMO）。如图8 所示，在Sercel 的L22 检波器上，贴上镜子和光纤准直器构成一个FPI，整体的固有频率为2.4 Hz。当受到地震作用时，由于L22 的核心和外壳通过夹具与光纤准直器的底座固定，因而质量移动改变FP 腔长，调制干涉信号。干涉信号通过同步正交解调方式，提取两路正交信号，并通过卡尔曼滤波和椭圆最小二乘拟合以提取干涉相位信息，进而解调出地震信号。iSISMO 的质量位移噪声为64 pm @ 2 mHz∼100 mHz 和124 pm @ 1 mHz∼50 Hz，其最大位移测量极限为5 mm。iSISMO 的单分量版本安装在法国南部地下低噪声实验室，经测试其噪声在0.3∼5.0 Hz 内小于在0.15∼20.00 Hz 内小于并解决了6 s 低频测量的问题，如图10 所示。iSISMO 在2012年观测到的苏门答腊8.7 级地震显示其可以观测到250 s 的低频噪声，观测能力媲美STS2 GAS。该地震仪的三分量版本已安装在近海地区，并在布列塔尼海上试验基地进行海试。近几年的地震观测记录均表明其能观测远震和区域性地震。

图8 光纤非本征Fabry-Perot 干涉地震仪的结构及其噪声本底Figure 8 Fiber-optic extrinsic Fabry-Perot interferometer’s structure and its noise floor

LINES 项目中的ESEO 集团在2020年报道将光纤干涉式地震仪用于观测瓜德罗普岛的苏弗雷火山，通过近实时的地震观测实现对火山活动的长期精确监测[52]。该地震仪的单分量结构和光学询问测量方法如同iSISMO。该地震仪由3 个10 Hz 的无源检波器作为传感器，并安装有参考终端。该地震仪安装在靠近火山口的CSC 基站，且附近布置了不同类型的传感器，形成一个系统的监测网络。由其观测记录表明，CSC 中的光纤地震仪具有和参考仪器Trillium 匹配的地震观测能力，可以测量P 波到达之前的微地震背景噪声。

中国科学院半导体研究所为解决位移型光纤地震仪固有频率和低频地震观测的噪声极限问题，提出采用质量位移谱对设计进行评估[11]。将NLNM 作为地震仪加速度观测的噪声极限，通过拾振结构传递为质量块的位移为

式中：XNLNM为NLNM 对应的质量位移；aNLNM为NLNM 的加速度噪声；ω0为光纤地震仪的固有角频率；ω为地震观测的频率；ξ为光纤地震仪的阻尼比；λ为激光器的激光波长。通过与解调系统的噪声估计，设计满足工作频率内的NLNM 和解调系统的光纤地震仪结构，如图9 所示。根据质量位移谱所分析的对固有频率的要求，设计矩形膜片-质量块拾振结构，优化结构参数，并使用光纤准直器和反射镜以设计光纤F-P 干涉仪，搭配PGC 解调技术优化光路噪声。所设计的光纤FP 地震计，其自噪声水平在0.16∼50.00 Hz 范围内低于NHNM，平均自噪声水平为

图9 质量位移谱和F-P 地震仪的结构[11]Figure 9 Mass displacement spectrum and the F-P seismograph’s structure

在位移型光纤地震仪的研究中，拾振结构的设计需要十分精巧，以通过各种精巧的力学传递方式获得较低的固有频率，这也给设计和加工带来了许多困难。为了实现低频的地震观测，正如加州大学圣地亚哥分校的iSTS1 和法国LINES 项目的iSISMO 地震仪，利用一些传统的电学反馈地震计的固有频率低的地震摆或其他类型的拾振结构，从中移除电子元件，使用光学元件替换，从而通过光学测量质量块位移。因而，改造或设计传统地震仪的摆结构，再搭配低噪声宽频带的光学测量系统，是位移型光纤地震仪发展的一个重要方向。

3 应变型光纤地震仪

3.1 应变型光纤地震仪基本原理及面临的问题

地震观测中不仅需要加速度型和位移型光纤地震仪监测地震事件、测量大地介质的地震波信号，也需要应变型光纤地震仪测量地壳形变、应力、固体潮。应变型光纤地震仪的发展，对地震监测、地震前兆观测、大地测量等领域都具有重要的意义。应变型地震仪主要包括光纤光栅型、光纤干涉型和分布式光纤型等三种类型。应变型地震仪一般通过刚性壳与基岩固定，如图10 所示的高精度光纤光栅应变型地震仪所示。当地壳应变发生变化时可耦合作用到应变仪上，引起光纤拉伸或压缩，光纤光栅波长发生改变，通过高精度解调系统进行解调以获得应变信号。为保证测量精度，温度参考补偿是应变型光纤地震仪必须考虑的。现有的高精度解调系统技术有扫频探测、Pound-Drever-Hall（PDH）、闭环轮询式探测技术等[14,53]。

图10 光纤布拉格光栅应变仪和温度传感器的结构原理[54]Figure 10 Structure principle of the FBG strainmeter and temperature sensor

由于地震形成过程的地壳形变信息一般为低频信号或静态信号，因而应变型光纤地震仪要实现低频或准静态的高精度应变测量，要求应变分辨率至少要达到甚至优于10−9ε[55]。同时，应变型光纤地震仪作为地壳应变测量的仪器，在测量地震波上也展现出其观测能力，因而研究应变地震仪与地震波的传递函数关系是很重要的[56]。但目前关于应变型光纤地震仪的研究，未涉及与地震波之间的传递函数。在地壳形变观测中，应变型光纤地震仪对环境干扰敏感，一般可将其放置于安静的山洞或埋入钻孔中进行观测。提高应变型光纤地震仪的环境适应性，也是非常重要的。除此之外，温度和激光器频率漂移引入的噪声，会干扰应变分辨率和测量精度。故设计高精度的温度和激光频率波动的参考补偿方案、扩展应用场所、研究光纤应变地震仪和地震波的传递函数，是应变型光纤地震仪发展中所关注的问题和方向。

3.2 应变型光纤地震仪研究进展

光纤干涉仪最早用于地壳形变观测，美国加州大学自20 世纪80年代起，一直研发干涉式的应变型光纤地震仪。1988年，首次采用百m 量级的单模光纤干涉仪结合干涉式相位解调技术测到了地球潮汐信号[57]，应变测量噪声水平约为10−7ε@ mHz 量级、测量频带可达µHz。由于光纤本身的温度敏感性，其折射率温度系数为10−5/◦C，容易在低频发生漂移，引起低频应变误差。该团队给出了温度/应变交叉响应模型并分析了激光光源、温度波动、最大应变率的相关影响[58]，其采用Michelson 干涉仪发展的正交条纹解调技术，解决偏振和调制深度等扰动引起的非线性问题。2013年和2015年所报道的250 m 干涉式钻孔应变仪，应变测量噪声为10−8ε@ mHz、10−11ε@ 1 Hz 量级[12,59]。2018年，采用不同温度系数的光纤搭建两对等臂Michelson 干涉仪，并结合正交条纹解调技术用于记录传感光纤长度的双向变化[60]，如图11 所示。不同温度系数的光纤具有相同的应变响应和不同的热响应，因而可以实现温度的参考补偿。该干涉式的应变型光纤地震仪安装在卡斯卡迪亚俯冲带的1 900 m 深处，在潮汐频率下应变与静水压力的响应系数为−101 nε/m，其具备作为海洋大地传感器的潜力。然而，在海底俯冲带锚定光纤位置，要保证与环境的充分耦合，也要防止水流等噪音。环境噪声是限制其观测精度的主要因素。

图11 光纤应变仪[60]Figure 11 Optical fiber strainmeter

为了提高低频的应变测量极限，意大利光学研究所利用频率超稳的光学频率梳（optical frequency comb, OFC）和气体室来降低PDH 锁频光纤光栅传感系统应变噪声水平[4]，如图12 所示。该技术大大降低了由激光频率/相位噪声引起的系统噪声，获得的超低应变噪声水平。但随着测量频率的降低，由于达到热噪声极限的影响，其mHz 以下低频噪声水平并不佳。该技术突破了一般应变测量的量级水平，将应变测量精度提高到fε量级，且具备大规模组网能力。

图12 基于光频梳的低噪声光纤布拉格光栅应变传感系统及其噪声[4]Figure 12 Low noise fiber Bragg grating strain sensing system based on optical frequency comb and its noise

法国格勒诺布尔大学[61]、日本东京大学[62]、法国图卢兹国立理工学院[63]等单位也分别采用稳态波积分傅里叶变换光谱仪、PDH 锁频传感、锁相环解调和自适应滤波椭圆非线性校正技术，实现高精度的应变传感研究。

上海交通大学和中科院半导体研究所在高精度光纤光栅的应变地震传感方面提出了多种解决方案，结合PDH 锁频、光学抑制载波单边带（suppressed carrier single sideband,SSB-SC）调制器、光纤随机激光器等方式，抑制激光器低频频率噪声并补偿环境温度影响，均可实现10−9ε量级的静态应变测量[64-70]。

2015年，上海交通大学研究人员报道使用π-FBG 作为应变传感元件，使用光纤环作为参考元件[71]。将π-FBG 固接在两个插在基岩上的不锈钢锚之间，光纤环放置于π-FBG 附近。使用PDH 技术对光纤环进行传感询问，并结合强度调制边带探测的解调方式获得地壳应变信息。基于π-FBG 的光纤应变地震仪可以测得潮汐信号，与伸缩应变计一样所测的应变具有相同变化趋势，但由于两者基线长度不一致，因而出现幅度差异。伸缩应变计的基线长度为38 m，而光纤应变地震仪的基线长度为1 m，表明光纤应变地震仪具有高精度的应变测量能力。

2015—2021年，中科院半导体所用FBG 研制高精度光纤光栅应变地震传感器用于地震前兆观测中[69-70,72]。传感FBG 通过不锈钢外壳与基岩耦合，感知地壳变形和温度变化。作为温度测量的FBG 放置于传感FBG 附近作为温度补偿。通过对波长偏移进行解调，获得地壳的应变信息。其观测记录如图13 所示，该应变地震仪可以记录固体潮信号，具有较高的采样率和应变分辨率。此外，还可以记录地震信号，通过主波、震动波和面波可以精确判断时间差以确定震源的距离。

图13 基于FBG 的光纤应变地震仪地震记录Figure 13 Recorded earthquake using fiber strain seismograph based on FBG

在地震前兆观测中，由于地质环境的复杂性，单一应变测量已经不能满足观测的需要。中国科学院半导体研究所在应变型光纤地震仪的研究基础上，提出了多参量地震综合观测技术[15,73]，通过光纤光栅谐振腔的不同封装，实现静态应变、地震、温度的多参量同步测量，可以同时记录固体潮、地震波以及环境温度扰动。

近几年，分布式应变型光纤地震仪也用于天然地震监测，如美国加州州立大学研究人员使用分布式声传感（distributed acoustic sensing, DAS）监测光纤中反向散射光的变化，以获取应变和地震信号。2017年，他们使用DAS 测量了钻孔中mHz 以下的动态应变，并测量了振幅小于1 nm 的钻孔裂缝位移[74]。2019年，他们利用DAS 在深部钻孔中测量地球潮汐，实现了µHz 的动态应变测量[75]。德国地球科学研究中心将DAS 应用于观测断层和裂谷的结构特征，实现时空上的密集观测[76]。该系统还可以探测天然地震和人工震源的地震信号，性能可媲美宽频带地震仪，响应频段为0.10∼100.00 Hz。美国加州大学伯克利分校将DAS 和现有海底光缆结合，实现了对海洋和地球的观测[1,77]。

由于光学损耗的存在，DAS 探测范围受限于百km。因此，英国国家物理实验室使用频率计量技术，提出了利用现有海底电信光纤实现超过万km 的光纤地震探测，实现一个水下地震实时检测的全球地震网络[3]，如图14(a) 所示。使用计量级激光器产生相位稳定的激光，并将其注入由一对光纤组成的标准地面或海底光纤链路中，不同的光纤用于不同的传播方向。光纤在链路的远端连接形成环路，使光在往返后返回发射机。当发生地震时，会诱发反射光信号相位变化。将注入和返回的光信号结合到一个光电探测器上，并测量它们的相位差，可以探测到当地和遥远的地震。实验布置了79 km 的UK-L1 链路、75 km 的UK-L2 链路、535 km 的IT-L1 链路，记录的地震信号如图14(b) 所示。可见，基于频率计量技术的分布式应变型地震传感系统，具有使用万km 的光纤链路进行观测的潜力。

图14 用于地面和海底光缆地震探测的基于超稳定激光干涉技术的网络[3]Figure 14 Network based on ultrastable laser interferometry for earthquake detection with terrestrial and submarine cables

中国在分布式应变型光纤地震仪的研究甚少，尤其是超低频DAS 传感技术的应用研究尚不多见。由于背向散射激光相位测量技术本身的限制以及光缆对温度的敏感性，目前DAS 系统在短期内还很难将低频噪声做到与现有光纤干涉式和光纤光栅式相当的水平。

4 光纤旋转地震仪

4.1 旋转地震学的发展

在地震学中，地震波在地层介质中传播包括：平移运动、旋转运动和应变[78]。线性弹性地震学在基于小变形和线性形变的假设下，忽略了幅值相对较小的地震旋转量，仅考虑了幅值较大的地震平移分量。但事实是，地震的旋转特性客观存在，在过去几个世纪中一直有人在研究地震的旋转特性。1783年在意大利Calabria 的地震中，两根方尖塔柱的扭转现象是目前已知最早的旋转地震记录[79]。1969年，Kharin 和Simonov[80-81]基于该原理制造了一个双摆系统，并在一次强震中记录下地震的平移运动分量和旋转运动分量。此后又有学者对地震近场进行探测，发现旋转分量比经典弹性理论估计的幅值高出1∼2 个数量级[82]。建成于2001年10 月5 日的环形激光陀螺仪G-ring 位于德国Bavaria 的Wettzell 大地观测站，捕获到2003年9 月25 日发生于日本北海道的Tokachi-oki 地震(M 8.1)，研究者们对地震的平移分量和旋转分量进行了对比，这是首次报道有关由远处大地震引起的绕垂直轴旋转运动与平移运动形态一致的观测记录[83]。Hudnut 和Evans 等于2006年2 月16 日组织召开了一个关于旋转地震学的小型研讨会。研讨会后，Evans 和Lee 与几个国家积极研究旋转运动的小组成立了国际旋转地震学工作组（international working group on rotational seismology, IWGoRS）,以促进研究旋转运动及其应用, 并分享了基于公开网的环境下所得的经验、数据、软件和结果等[84]。在众多学者的共同努力下，旋转地震的研究进一步向前推进，并被广泛运用于地震学、地震工程学和大地测量学等领域。

4.2 光纤旋转地震仪基本原理及面临的问题

目前绝大部分光纤旋转地震仪是由光纤陀螺改进而成的，由于光纤陀螺具有仅对旋转运动敏感、无运动转子、频谱响应平坦、便携可靠等特点，在旋转地震监测领域具有突出的优势。基于光纤陀螺的光纤旋转地震仪的原理是基于Sagnac 效应，即同一束光波经过分束/合束器后在光纤回路中相向传输，再经过分束/合束器形成干涉。其中两束光的干涉相位差与旋转角速率存在以下关系：

式中：L为光纤长度；R为光纤环的半径；λ为光源的波长；c为真空中的光速。

为了使干涉相位差仅包含Sagnac 相移，需要让两束光以同样的传播模式在相同光路中传输，并以相同的偏振态进行干涉。因此光纤陀螺需要满足单模互易性、耦合器互易性和偏振互易性条件。其中单模互易性可采用单模光纤绕制光纤环，耦合器互易性可采用环形器或者双耦合器结构解决。

偏振互易性，是指光纤制作不完美、环境扰动等情况所导致两束光会受到偏振耦合误差的影响。目前绝大部分光纤陀螺采用保偏或消偏的经典最小互易结构，以此减小偏振串扰误差的影响。但这两种单偏振光纤陀螺结构，本质是对光进行偏振滤波。在高精度化的过程中，对光波偏振态的滤波纯净化愈发严格，这就对偏振态的控制提出了更严峻的挑战。

光纤旋转地震仪还面临着环境适应性难题。光纤是一种对环境十分敏感的波导器件，光纤折射率、偏振等性质易受到环境磁场、温度、应力应变等影响，基于传统最小互易结构的单偏振光纤陀螺不得不对环境适应性做出一系列的屏蔽或补偿措施。针对环境温度的变化，光纤陀螺将光纤环采取对称的绕制方式，如四级对称、八级对称等。对称级数越高即相向传输的光经历的耦合作用更加互易，可以有效抑制温度变化引起的Shupe 效应等噪声。但这种多级对称绕制过程中会引入更多光纤间的扭、拉、压等状态，产生更多的应力应变点。因此基于传统最小互易结构的单偏振光纤陀螺面临着环境适应性的巨大难题。另外对于磁场，目前的措施主要是施加磁屏蔽保护罩，但这又会加大光纤陀螺仪的成本与体积。

4.3 光纤旋转地震仪研究进展

Bernauer 等[85]和Sollberger、Igel 等[86]提出应用于地震学的旋转运动传感器必须对平移运动不敏感、对温度变化和磁场变化不敏感，且在频段0.001∼100.000 Hz 内可测量到10−9rad/s 的旋转信号；而在工程应用领域，则需要在频段0.01∼100.00 Hz 内量程达到1 rad/s 的量级[87]。这对光纤旋转地震仪的研究提出了指导方向。

目前国外光纤旋转地震仪的研发主要集中在法国iXblue 公司、波兰军事技术学院、俄罗斯Fizoptika 公司。2016年iXblue 公司发布了三分量光纤地震仪BlueSeis-3A，这是首款面向旋转地震方向的商用光纤陀螺仪，如图15 所示。BlueSeis-3A 基于闭环保偏光纤陀螺仪结构，在安静环境下测试得到其频谱响应在频段0.001∼50.000 Hz 范围内保持平坦，自噪声水平为角度随机游走为2019年发布的单分量光纤地震仪BlueSeis-1C，在10−3∼102Hz 频带内自噪声达另外在其官网(http//www.blueseis.com/) 展示中的BlueSeis-1X 产品性能上更进一步，在10−2∼102Hz 范围内自噪声可达

图15 iXblue 公司的光纤旋转地震仪Figure 15 Fiber optic rotational seismographs from iXblue

2012年，波兰军事技术学院Jaroszewicz 等[88]研制出了专门测量地面旋转运动的光纤旋转地震仪AFORS-1，如图16(a) 所示，其直径为63 cm，实验证明了其精度可达5×10−9∼5×10−8rad/s，测量带宽为0.83∼106.15 Hz。2018年新推出的FOSREM 系列[89]，见图16(b)。其体积约为470 mm×360 mm×230 mm，光纤长度为5 km，旋转量测量范围达2×10−8∼1×101rad/s，测量频带扩展为0.001∼328.120 Hz。所采用的是基于补偿相位测量方法和特定电子系统的闭环配置，该产品成熟度较高，十分适用于旋转运动的直接测量。

图16 Jaroszewicz 等研制的光纤旋转地震仪Figure 16 Fiber optic rotations seismographs by Jaroszewicz et al.

国内研究光纤陀螺的高校和研究所较多，主要研发单位有北京航空航天大学、国防科技大学、航天科工集团三院33 所、浙江大学、航空618 所、中科院西安光机所、北京大学等，分别为光纤陀螺领域贡献了各自的研究力量。但针对光纤旋转地震仪的研究机构则相对较少，北京大学在该领域开展了较多工作。

北京大学相关团队[90]提出的基于双偏振光纤陀螺的旋转地震仪，如图17 所示，通过多功能光集成芯片（MIOC）完成对光的起偏、分束和调制，然后利用偏振分束/合束器（PBS/C）将两个偏振态的光合束形成双偏振光。双偏振光进入光纤环传输后再由PBS/C 和MIOC 将偏振态恢复，在光电探测器PD1 和PD2 中分别获得两个正交单偏振态的干涉光强输出。可以看出，双偏振结构的本质是将两个偏振模式都加以利用。该研究发现了其中的偏振耦合误差互补效应，打破了最小互易结构的束缚，是在光纤陀螺理论上的一项创新。双偏振光纤陀螺中将两种偏振态都加以利用，并且由于两种偏振模式的光学偏振耦合误差互补效应，使光路中的偏振耦合误差可以由两个偏振态的输出叠加进行抵消，因此在噪声抑制方面具有很多优异的特性。

图17 基于双偏振光纤陀螺结构的旋转地震仪Figure 17 Rotational seismograph based on dual polarization fiber optic gyroscopes

2017年，罗荣亚等[91]针对双偏振光纤陀螺中的温度误差及其补偿开展了进一步研究。该研究从微观的角度分析了热致应力引入的偏振非互易误差，研究了光纤传播常数和偏振交叉耦合系数与温度变化之间的关系。该工作研究对比了基于保偏和单模环的双偏振光纤陀螺，分析了热致应力与环内预应力的叠加在强耦合环与弱耦合环中的区别，得出了温度变化与热致偏振非互易误差之间的物理过程。仿真和实验结果表明，热致应力引起的偏振非互易误差在强耦合环和弱耦合环中都能有效补偿，如图18(a) 所示。2017年，刘攀等[92]研究了沿光纤径向的磁场引起的偏振非互易误差可以通过双偏振光纤陀螺的光学补偿效应进行补偿的机制，并进行了实验验证。实验结果如图18(b) 所示，结果表明，双偏振结构的光学补偿机制能够显著降低磁致非互易相位误差。针对环境扰动的误差，光纤陀螺需要实现其性能对环境的不敏感度。特别地，双偏振光纤陀螺对于温度和磁场的敏感度大大减小，意味着双偏振光纤陀螺在环境扰动中有更稳定的输出性能表现。

图18 双偏振光纤陀螺环境适应性实验结果Figure 18 Experimental results of environmental adaptability of dual polarization fiber optic gyroscopes

除此之外，双偏振光纤陀螺两个偏振态的输出互为参考信号，在消除光源相对强度噪声方面也具有天然的去噪优势。2020年，何动等[18]的实验结果表明，在8 h 的测试时间内，双偏振陀螺的角度随机游走和自噪声都降低到原有水平的八分之一左右。如图19 所示，两个偏振态单独的输出PD1 和PD2 即为传统单偏振陀螺的输出，由两个偏振态的耦合关系可知，进行双偏振补偿后噪声得到了明显抑制。

图19 双偏振光纤陀螺结构对噪声的抑制Figure 19 Noise suppression by dual-polarization fiber optic gyroscopes

不同类型的地震仪具有各自的优势特点、存在问题以及应用领域。表1 总结了加速度型、位移型、应变型、旋转型四种光纤地震仪。

表1 各类光纤地震仪的对比Table 1 Comparison of various optical fiber seismographs

5 结 语

光纤地震仪是光纤传感技术在地震观测和地球物理领域中的成功应用，其传感结构和传输链路中均不包含电子器件，可作为滑坡、深井、火山等极端环境的新型地震观测仪器。然而，光纤地震仪在地球物理勘探和地震观测的应用上，仍存在拾振结构设计、系统传递函数研究、噪声水平抑制、频带拓宽等方面的问题。本文综述了加速度型、位移型、应变型、旋转型四种光纤地震仪，包括其基本原理、进展情况以及面临的问题。

加速度型光纤地震仪在油气勘探应用中有成熟的产品、并获得了成功的应用，然而在天然地震波观测中其低频性能尚有待进一步提升，宽频带加速度型光纤地震仪的研发是重要发展方向；同时，加速度型光纤地震仪还在轨道交通安全监测与高分辨率地下空间结构成像等领域具有良好的应用前景。现有位移型地震仪普遍借鉴传统电学地震仪的摆来实现低频高灵敏度响应，这对低固有频率的拾振结构设计具有启发意义。因而，利用传统的地震摆，结合低噪声宽频带的光学解调系统，位移型光纤地震仪有望实现低频低噪声地震波探测，自噪声水平可以达到甚至低于NLNM 或GSN。应变型光纤地震仪测量精度已经达到传统形变仪相当水平，但其长期稳定性是有待攻克的重点内容；同时，应变型光纤地震仪作为一种新型地震仪，其系统传递函数尚不清晰，这也是这类仪器走向应用所面向的重要理论问题。分布式应变型光纤地震仪适用于高密度极端环境的地震监测，趋向于往监测网络方向发展。光纤旋转地震仪的结构大多是基于光纤陀螺的设计，存在偏振态控制、温度补偿、磁屏蔽等问题。基于双偏振光纤陀螺的光纤旋转地震仪不仅打破最小互易结构的束缚，还具有抵抗环境扰动的稳定输出能力，在噪声抑制、温度补偿、抗磁干扰等展现出优异性能；在未来的发展中，其将逐步用来对旋转地震进行探测，甚至走向工程化研究与应用。因而，低成本、高精度、高灵敏度是光纤旋转地震仪的未来发展方向。特别地，旋转分量与平动分量结合的六分量地震观测仪器是地震科学研究的重要发展方向。