張文濤黃穩(wěn)柱李 麗劉文義孔向陽(yáng)中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054山東省地震局，濟(jì)南 250014

短基線光纖應(yīng)變儀的研制

張文濤1）黃穩(wěn)柱1）李 麗2）劉文義3）孔向陽(yáng)4）
1）中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083
2）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081
3）中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054
4）山東省地震局，濟(jì)南 250014

形變觀測(cè)是地震前兆觀測(cè)的重要手段，形變觀測(cè)儀器的性能直接決定地震前兆觀測(cè)資料的質(zhì)量。傳統(tǒng)的胴體長(zhǎng)基線形變儀對(duì)安裝環(huán)境要求高、工程造價(jià)高，抗環(huán)境干擾能力差。減小伸縮儀的基線長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)儀器的小型化有助于地震應(yīng)急快速布設(shè)，開展多方位應(yīng)變觀測(cè)（例如，垂直分量），也可降低胴體開鑿成本，并提高儀器的維護(hù)性。鑒于此，國(guó)內(nèi)地震系統(tǒng)已經(jīng)開始研制短基線/超短基線伸縮儀的研制。光纖地震觀測(cè)儀器具有傳感器無(wú)源、抗電磁干擾性強(qiáng)、深井觀測(cè)耐高溫高壓、抗雷擊等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外地震儀器領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。

光纖應(yīng)變儀的敏感元件采用相移光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖光柵；相移光柵相比于傳統(tǒng)的光纖光柵，其光譜線寬要窄4個(gè)數(shù)量級(jí)，可以獲得更高的反射光譜信噪比和更高的波長(zhǎng)解調(diào)精度。對(duì)于相移光柵式光纖應(yīng)變儀，其反射光譜波長(zhǎng)與所測(cè)的地殼應(yīng)變具有良好的線性關(guān)系，只需要解調(diào)出相移光柵的波長(zhǎng)漂移信號(hào)就可以推算得到地殼的形變信息。光纖應(yīng)變儀的探頭結(jié)構(gòu)借鑒了現(xiàn)有短基線應(yīng)變儀的設(shè)計(jì)，采用相移光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電容式傳感器；相移光柵固定于兩個(gè)支座之間感受地形變信號(hào)。光纖應(yīng)變儀的安裝方式借鑒短基線應(yīng)變儀的埋入式安裝方法，將光纖應(yīng)變儀安裝在基巖表面，用水泥固定。光纖應(yīng)變儀探頭的基線長(zhǎng)度1.5 m，采用不銹鋼封裝，通過一條鎧裝光纜將相移光柵的信號(hào)傳輸至地震觀測(cè)室。光纖應(yīng)變儀的相移光柵波長(zhǎng)解調(diào)，首先采用一臺(tái)窄線寬激光器和一個(gè)光學(xué)邊帶調(diào)制器實(shí)現(xiàn)一束高線性度的可調(diào)諧激光，用于詢問相移光柵的光譜；采用參考光柵實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和激光頻率波動(dòng)補(bǔ)償。結(jié)合PDH技術(shù)方案和互參考的解調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)超高精度、寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍的波長(zhǎng)解調(diào)。采用該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變分辨率優(yōu)于10-9、測(cè)量頻帶DC ～ 100 Hz、動(dòng)態(tài)范圍大于120 dB的應(yīng)變測(cè)量。

2015年4～6月，在云南省昭通防震減災(zāi)局的協(xié)助和配合下，于昭通市巧家地震觀測(cè)站完成安裝了試驗(yàn)。實(shí)測(cè)應(yīng)變分辨率優(yōu)于10-9，可清晰記錄固體潮信息（圖1）。同時(shí)可以記錄臨近發(fā)生的地震信號(hào)。

圖1　短基線光纖形變儀記錄到的固體潮

短基線光纖應(yīng)變儀目前未經(jīng)特別增敏處理，在適當(dāng)增敏后會(huì)進(jìn)一步提高分辨率。相比于現(xiàn)有的電學(xué)短基線應(yīng)變儀，光纖應(yīng)變儀在探頭部分的敏感元件僅為一根光纖，進(jìn)一步降低了探頭成本，并且可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。光纖應(yīng)變儀探頭無(wú)電子器件，抗電磁干擾，抗雷擊，有望成為地震形變監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展的新方向。