分布式光纤传感器在地震监测中的应用综述*

刘舒馨，祝 苒，刘忠富

(大连民族大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116600)

0 引言

地球上地震灾害频繁,据统计,在20世纪,全球范围因地震灾害死亡人数达到近120万人,可见地震灾害带来的巨大危害。光纤传感技术作为一种新型应对手段被应用于地震检测中,其以石英纤维或塑料纤维作为信息的传输媒介,以信号光作为信息的载体,其作用机理是利用光调制技术将被测对象的状态转变为可以测量的光信号。分布式光纤监测系统主要包括声波监测系统(DAS)和温度监测系统 (DTS);DAS系统是一种建立于普通光纤传感器之上的可以实现声波或振动信号连续分布式探测的新型传感器,通过探测激光脉冲散射在光纤中所引起的相位变化来测量光纤的轴向应变。DTS系统则是基于光时域反射原理以及拉曼散射效应来感知并检测周围环境温度的变化,在该系统下,传感器可随着钻头深入数百摄氏度高温环境的地下等一些人所达不到的地方,通过检测地震孕育过程中可能发生的温度变化来判断地震信息。在实际检测中往往通过采用DAS与DTS相结合的方式来提高地震勘探效率及准确度。光纤传感器以其自身的优势在地震勘探领域中得到了广泛的认可。

1 光纤传感器种类

地震检测方式主要有两种,一种是通过对地壳形变量进行检测,但这种方式准确度并不高,所以往往采用另一种方式,即地震波电测的方式。而目前光纤传感技术是地震波电测的有效手段,光纤传感器具有多种分类方式[1],根据其传感原理可分为非功能型传感器和功能型传感器。非功能型光纤传感器是将光纤作为传输光信号的媒介,通过其它的光敏元件来感知外界环境变化;功能型光纤传感器是将光纤直接作为敏感元件来感知外界环境变化。根据探测方式的不同,光纤传感器可以分为点式传感器、准分布式传感器、分布式传感器。点式传感器是通过测量某点的干涉效应从而实现信号的探测;准分布式传感器是在点式传感器的基础之上实现了多点探测;而分布式光纤传感器则可以将整根光纤都作为传感器件,可以实现更加精准的检测。分布式光纤传感器根据测量物理量不同可以分为分布式光纤声波/振动传感系统(DAS)和分布式光纤温度传感系统(DTS),DAS可以检测到光纤应变量的变化,DTS则是可以检测周围环境温度的变化。

2 分布式光纤传感地震仪的优势及工作原理

光纤传感器有极高的灵敏度和精度、抗电磁干扰、固有的安全性好、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点。其能够实现在线自动测量并及时准确地传播信息。光纤的布置十分灵活,可以部署在条件极其苛刻的区域,如高温、电力供应受限或空间极狭小的区域。光纤传感系统的种种优点使其适用于城市环境下的物理检测,光缆的低成本和数十年的使用寿命,使得其成为长期监管的首选方案。

2.1 分布式光纤声波/振动传感系统(DAS)[2]

当地震灾害发生时,光纤传感器中的光纤可以感知到传到光缆中的地震波就会发生形变,相干激光会产生弹性效应从而改变瑞利散射光的振幅和相位。利用光纤介质中相干激光的弹性效应,可以准确感知和传输外界声波和振动信号,对地震的震源进行精准的定位,甚至其周围偏移的半径能够不超过3.5 m,且它检测的长度范围可以达到40 km,监测频率的范围可以从10 mHz的一直达到20 kHz,这些光纤分布在地下各处持续进行地震波的监测,因此一旦遇到微小的地震波,这些光纤就可以立刻做出反应,并对更深的地震源进行实时检测。

DAS系统可以被视为沿着光纤轴测量的单个元件。在光纤变化阶段,光散射信号非常微弱,可以通过测量沿光纤改变的应变或应变的动力学来精确提取。其使用高功率超窄激光器,在光纤滤波器的基础上放大低噪声放大器(EDFA)调制解调器产生的脉冲光,从而获得高相干、高能量、低噪声的探测脉冲光。利用多频脉冲抑制瑞利信号散射的随机衰落以及光纤激光的拉曼放大,实现了瑞利信号在光纤不同位置散射的均衡放大。将局部干扰提取集成到干扰提取设备中,减少外部振动和各种干扰信号的影响。在工作时只需要在光缆的一头装上信号发射器,进行激光脉冲的发射,然后就可以利用后向光纤散射的信号来提取地表振动的信息,从而来确定地震波的相关信息,其可以实现对地表以下信息的高度严密监控,只需要借助国家已经铺好的光缆就可以进行工作,极大地减少了地震监测设备在地面上的部署。

图1 分布式光纤传感地震仪的基本框架

2.2 分布式光纤温度传感系统(DTS)

分布式光纤温度传感系统(DTS)的结构:该系统由信号采集、主机、信号处理及传感纤维三部分组成,主机部分由光源、耦合器、分光器、光电探测器、放大器、采集卡、上位机等组成。

分布式光纤温度(DTS)传感原理[3]:利用光纤具有较高的抗高温的特性,DTS系统将光纤作为温度传感敏感元件和传输信号介质系统口,当向光纤中注入适当的激光脉冲信号时,此脉冲会在光纤中传播并与其中的光纤分子发生作用,光纤中的激光脉冲在向前传播的过程中产生拉曼散射,其可以产生斯托克斯光和反斯托克斯光两种不同波长的光,其中反斯托克斯光能够灵敏地感知到温度的变化,光纤内部的反斯托克斯光强度就会随着探测区域的温度变化而发生变化,最终得到沿着光纤散射回来的变化后的后向拉曼光波,通过高速信号采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔,从而计算出拉曼散射光发生的位置,探测器实时探测到的信号强度变化反映出温度变化情况,并将数据传递给地面设备,从而实现对地震状态的检测。

图2 分布式光纤温度传感系统组成

3 分布式光纤传感的应用现状

3.1 高温超导电缆失超检测[4]

高温超导电缆的失超检测系统对于电缆稳定运行具有重要的工程意义,传统的电压测量方法容易受到高压电流产生的电磁干扰,且无法实现沿电缆长度的连续分布式测量。通过分布式光纤温度传感系统可以实现空间内温度场的连续测量,将光纤测温技术应用于高温超导电缆的失超检测就可以弥补传统测量法存在的问题。

3.2 渠道堤坝渗漏监测

渗漏检测是水利工程安全检测的重要组成部分之一,针对渠道堤坝这种需要进行较大渗漏检测规模的工程,发明了具有较高精度、较大检测范围、现场安装方便的基于拉曼散射的分布式光纤测温渗漏监测技术,利用DTS光纤测温系统来准确及时的判断并反馈渗漏位置,为渗漏位置的修补工作提供可靠的数据支持。

3.3 无人舰艇自动灭火

无人艇的轮机舱装载燃油机、燃气轮机等重要附属设备,由于种种因素,使得轮机舱室发生火灾的概率大幅度增加,自动灭火装置就显得及其重要。

灭火系统以分布式光纤拉曼测温技术原理为基础实现了光纤沿路温度场的测量工作,通过DTS光纤温度传感系统的优秀性能,实现了通过温度判断火情并及时反馈给其他装置。

3.4 管道损伤检测

管道长期在高温、高压环境下使用,容易出现损伤且易被腐蚀,易引发重大安全事故。在分布式光纤传感器中,基于布里渊光时域分析的基本原理,可以得到光纤频移图像,根据裂缝距离不同,所呈现出的光纤频移特点不同,从而来确定管道损伤的位置及裂缝的宽度。

4 结束语

综上所述,由于分布式光纤传感的地震监测应用系统自身的独特优势,在地震监测领域被越来越广泛的重视。随着现代传感技术的发展,光纤传感器的类型及数量逐步增多,越来越多的光纤传感器将会被应用于防震抗灾、结构检测、油气勘探等不同领域中,光纤地震监测传感技术是地震前兆检测中较为关键性的技术之一,能够最大程度地保证地震监测的稳定性和精确度,并及时有效地将信息传输给地面设备,可见研究光纤传感器在地震检测领域中的重要意义。