劉舒馨，祝 苒，劉忠富

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,遼寧 大連 116600)

0 引言

地球上地震災(zāi)害頻繁,據(jù)統(tǒng)計,在20世紀(jì),全球范圍因地震災(zāi)害死亡人數(shù)達(dá)到近120萬人,可見地震災(zāi)害帶來的巨大危害。光纖傳感技術(shù)作為一種新型應(yīng)對手段被應(yīng)用于地震檢測中,其以石英纖維或塑料纖維作為信息的傳輸媒介,以信號光作為信息的載體,其作用機理是利用光調(diào)制技術(shù)將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詼y量的光信號。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)主要包括聲波監(jiān)測系統(tǒng)(DAS)和溫度監(jiān)測系統(tǒng) (DTS);DAS系統(tǒng)是一種建立于普通光纖傳感器之上的可以實現(xiàn)聲波或振動信號連續(xù)分布式探測的新型傳感器,通過探測激光脈沖散射在光纖中所引起的相位變化來測量光纖的軸向應(yīng)變。DTS系統(tǒng)則是基于光時域反射原理以及拉曼散射效應(yīng)來感知并檢測周圍環(huán)境溫度的變化,在該系統(tǒng)下,傳感器可隨著鉆頭深入數(shù)百攝氏度高溫環(huán)境的地下等一些人所達(dá)不到的地方,通過檢測地震孕育過程中可能發(fā)生的溫度變化來判斷地震信息。在實際檢測中往往通過采用DAS與DTS相結(jié)合的方式來提高地震勘探效率及準(zhǔn)確度。光纖傳感器以其自身的優(yōu)勢在地震勘探領(lǐng)域中得到了廣泛的認(rèn)可。

1 光纖傳感器種類

地震檢測方式主要有兩種,一種是通過對地殼形變量進(jìn)行檢測,但這種方式準(zhǔn)確度并不高,所以往往采用另一種方式,即地震波電測的方式。而目前光纖傳感技術(shù)是地震波電測的有效手段,光纖傳感器具有多種分類方式[1],根據(jù)其傳感原理可分為非功能型傳感器和功能型傳感器。非功能型光纖傳感器是將光纖作為傳輸光信號的媒介,通過其它的光敏元件來感知外界環(huán)境變化;功能型光纖傳感器是將光纖直接作為敏感元件來感知外界環(huán)境變化。根據(jù)探測方式的不同,光纖傳感器可以分為點式傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器、分布式傳感器。點式傳感器是通過測量某點的干涉效應(yīng)從而實現(xiàn)信號的探測;準(zhǔn)分布式傳感器是在點式傳感器的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了多點探測;而分布式光纖傳感器則可以將整根光纖都作為傳感器件,可以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的檢測。分布式光纖傳感器根據(jù)測量物理量不同可以分為分布式光纖聲波/振動傳感系統(tǒng)(DAS)和分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS),DAS可以檢測到光纖應(yīng)變量的變化,DTS則是可以檢測周圍環(huán)境溫度的變化。

2 分布式光纖傳感地震儀的優(yōu)勢及工作原理

光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、抗電磁干擾、固有的安全性好、高絕緣強度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等優(yōu)點。其能夠?qū)崿F(xiàn)在線自動測量并及時準(zhǔn)確地傳播信息。光纖的布置十分靈活,可以部署在條件極其苛刻的區(qū)域,如高溫、電力供應(yīng)受限或空間極狹小的區(qū)域。光纖傳感系統(tǒng)的種種優(yōu)點使其適用于城市環(huán)境下的物理檢測,光纜的低成本和數(shù)十年的使用壽命,使得其成為長期監(jiān)管的首選方案。

2.1 分布式光纖聲波/振動傳感系統(tǒng)(DAS)[2]

當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時,光纖傳感器中的光纖可以感知到傳到光纜中的地震波就會發(fā)生形變,相干激光會產(chǎn)生彈性效應(yīng)從而改變?nèi)鹄⑸涔獾恼穹拖辔弧＠霉饫w介質(zhì)中相干激光的彈性效應(yīng),可以準(zhǔn)確感知和傳輸外界聲波和振動信號,對地震的震源進(jìn)行精準(zhǔn)的定位,甚至其周圍偏移的半徑能夠不超過3.5 m,且它檢測的長度范圍可以達(dá)到40 km,監(jiān)測頻率的范圍可以從10 mHz的一直達(dá)到20 kHz,這些光纖分布在地下各處持續(xù)進(jìn)行地震波的監(jiān)測,因此一旦遇到微小的地震波,這些光纖就可以立刻做出反應(yīng),并對更深的地震源進(jìn)行實時檢測。

DAS系統(tǒng)可以被視為沿著光纖軸測量的單個元件。在光纖變化階段,光散射信號非常微弱,可以通過測量沿光纖改變的應(yīng)變或應(yīng)變的動力學(xué)來精確提取。其使用高功率超窄激光器,在光纖濾波器的基礎(chǔ)上放大低噪聲放大器(EDFA)調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生的脈沖光,從而獲得高相干、高能量、低噪聲的探測脈沖光。利用多頻脈沖抑制瑞利信號散射的隨機衰落以及光纖激光的拉曼放大,實現(xiàn)了瑞利信號在光纖不同位置散射的均衡放大。將局部干擾提取集成到干擾提取設(shè)備中,減少外部振動和各種干擾信號的影響。在工作時只需要在光纜的一頭裝上信號發(fā)射器,進(jìn)行激光脈沖的發(fā)射,然后就可以利用后向光纖散射的信號來提取地表振動的信息,從而來確定地震波的相關(guān)信息,其可以實現(xiàn)對地表以下信息的高度嚴(yán)密監(jiān)控,只需要借助國家已經(jīng)鋪好的光纜就可以進(jìn)行工作,極大地減少了地震監(jiān)測設(shè)備在地面上的部署。

圖1 分布式光纖傳感地震儀的基本框架

2.2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(DTS)的結(jié)構(gòu):該系統(tǒng)由信號采集、主機、信號處理及傳感纖維三部分組成,主機部分由光源、耦合器、分光器、光電探測器、放大器、采集卡、上位機等組成。

分布式光纖溫度(DTS)傳感原理[3]:利用光纖具有較高的抗高溫的特性,DTS系統(tǒng)將光纖作為溫度傳感敏感元件和傳輸信號介質(zhì)系統(tǒng)口,當(dāng)向光纖中注入適當(dāng)?shù)募す饷}沖信號時,此脈沖會在光纖中傳播并與其中的光纖分子發(fā)生作用,光纖中的激光脈沖在向前傳播的過程中產(chǎn)生拉曼散射,其可以產(chǎn)生斯托克斯光和反斯托克斯光兩種不同波長的光,其中反斯托克斯光能夠靈敏地感知到溫度的變化,光纖內(nèi)部的反斯托克斯光強度就會隨著探測區(qū)域的溫度變化而發(fā)生變化,最終得到沿著光纖散射回來的變化后的后向拉曼光波,通過高速信號采集技術(shù)測量入射光和拉曼散射光之間的時間間隔,從而計算出拉曼散射光發(fā)生的位置,探測器實時探測到的信號強度變化反映出溫度變化情況,并將數(shù)據(jù)傳遞給地面設(shè)備,從而實現(xiàn)對地震狀態(tài)的檢測。

圖2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)組成

3 分布式光纖傳感的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 高溫超導(dǎo)電纜失超檢測[4]

高溫超導(dǎo)電纜的失超檢測系統(tǒng)對于電纜穩(wěn)定運行具有重要的工程意義,傳統(tǒng)的電壓測量方法容易受到高壓電流產(chǎn)生的電磁干擾,且無法實現(xiàn)沿電纜長度的連續(xù)分布式測量。通過分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)可以實現(xiàn)空間內(nèi)溫度場的連續(xù)測量,將光纖測溫技術(shù)應(yīng)用于高溫超導(dǎo)電纜的失超檢測就可以彌補傳統(tǒng)測量法存在的問題。

3.2 渠道堤壩滲漏監(jiān)測

滲漏檢測是水利工程安全檢測的重要組成部分之一,針對渠道堤壩這種需要進(jìn)行較大滲漏檢測規(guī)模的工程,發(fā)明了具有較高精度、較大檢測范圍、現(xiàn)場安裝方便的基于拉曼散射的分布式光纖測溫滲漏監(jiān)測技術(shù),利用DTS光纖測溫系統(tǒng)來準(zhǔn)確及時的判斷并反饋滲漏位置,為滲漏位置的修補工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.3 無人艦艇自動滅火

無人艇的輪機艙裝載燃油機、燃?xì)廨啓C等重要附屬設(shè)備,由于種種因素,使得輪機艙室發(fā)生火災(zāi)的概率大幅度增加,自動滅火裝置就顯得及其重要。

滅火系統(tǒng)以分布式光纖拉曼測溫技術(shù)原理為基礎(chǔ)實現(xiàn)了光纖沿路溫度場的測量工作,通過DTS光纖溫度傳感系統(tǒng)的優(yōu)秀性能,實現(xiàn)了通過溫度判斷火情并及時反饋給其他裝置。

3.4 管道損傷檢測

管道長期在高溫、高壓環(huán)境下使用,容易出現(xiàn)損傷且易被腐蝕,易引發(fā)重大安全事故。在分布式光纖傳感器中,基于布里淵光時域分析的基本原理,可以得到光纖頻移圖像,根據(jù)裂縫距離不同,所呈現(xiàn)出的光纖頻移特點不同,從而來確定管道損傷的位置及裂縫的寬度。

4 結(jié)束語

綜上所述,由于分布式光纖傳感的地震監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)自身的獨特優(yōu)勢,在地震監(jiān)測領(lǐng)域被越來越廣泛的重視。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖傳感器的類型及數(shù)量逐步增多,越來越多的光纖傳感器將會被應(yīng)用于防震抗災(zāi)、結(jié)構(gòu)檢測、油氣勘探等不同領(lǐng)域中,光纖地震監(jiān)測傳感技術(shù)是地震前兆檢測中較為關(guān)鍵性的技術(shù)之一,能夠最大程度地保證地震監(jiān)測的穩(wěn)定性和精確度,并及時有效地將信息傳輸給地面設(shè)備,可見研究光纖傳感器在地震檢測領(lǐng)域中的重要意義。