分布式光纤传感器原理及在地震监测中的应用研究现状

孙艺玫，赵 雷，罗 斐，孙宏志，任 雪

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

随着地震学研究的深入，出现了多种类型的地震监测技术或者方式，但总体上可以归结为两种：一是利用地壳形变资料获取地震前兆信息，这个检测方式需要客观地理条件的配合，尤其需要考虑电磁干扰的因素；
二是通过研究地震波来探测地球内部结构进而进行地震预报[1]，这一领域的代表就是现代地震仪，这类装置都是通过探测地震波得到地震数据记录[2]。

后者是应用最为广泛的地震监测方式，地震仪的技术迭代可以简单归纳为两方面：客观方面，地震仪面临复杂的野外环境，夏季雷暴天气以及冬季的冰冻灾害对于地震仪都有较大的负面影响，所以有相应的防雷系统[3]或者恒温系统[4]来维护设备运行；
另一方面，地震仪自身的传感器是关键元器件，其传感特性对数据采集的质量有直接影响，进而会影响监测的效率和质量；
提升传感器的敏感度和稳定性一直是国内外理论研究和实际监测的重点[5]。

早期地震波监测主要采用的传感器有两种：压电陶瓷式和电磁感应式，基本的原理是将机械振动转换为电信号，但在在复杂的测量系统中，这两类传感器面临一定瓶颈[6]。如果将光纤传感技术应用于地震传感系统中，就可以打破许多早期传感器存在的瓶颈，为地震研究提供一种全新的监测和研究手段。

图1 地震监测传感器的技术发展路线图Fig.1 Technical development roadmap of seismic monitoring sensor

光纤传感器可以分为点式传感器、准分布式传感器、分布式光纤传感器，如图2所示，其中尤以“分布式光纤传感器DAS”影响最大（图2c）[7]。点式传感器的技术原理是通过识别某点的干涉效应的改变来探测信号[8]；
准分布式传感器（图2b）则是在点式传感器的基础上重复，实现多点同时探测[9]；
在设计理念上，DAS有其特殊性与上述两种技术完全不同，在分布式DAS传感中，整根光纤都可以作为传感器件，不限于在任何点检测信号，实现对参数的整体感知和光路测量[10]。

图2 光纤传感器种类Fig.2 Types of optical fiber sensors

DAS系统的基本原理是基于光纤的弹光效应[11]：介质中应力波的存在可改变介质的介电常数或光折射率，因而影响光在介质中的传播特性，由于介质存在不均匀性，当光通过介质时，它将向各个方向散射，这在光纤中也可以观察到[12]。激光沿光纤发射光脉冲，并在某一光点改变光纤的内部折射率，一些光以反向散射的形式与入射光在脉冲内发生干涉，干涉光反射回来以后，反向散射的干涉光回到信号处理装置，同时将光纤沿线振动声波信号带来信号处理装置，通过探测由弹光效应产生的光信号的相位、波长等参量，可以实现对地震波的监测。

当光波进入光纤中时，理论上会发生两种散射：弹性光散射和非弹性光散射两类[13]。其中，弹性散射是弹性波遇到非均匀材料时引起的，在传播过程中，表面上某一时刻的任何一点都可以看作是一个新的震源，非弹性光散射是光纤分子运动或热运动导致的散射，两者的区别是发生弹性散射的两个粒子没有发生能量的转移；
发生非弹性散射的两个粒子中，存在高能量粒子将部分能量传递给低能量粒子，前者的代表是瑞利散射，后者代表是布里渊散射、拉曼散射[14]。DAS系统可以通过检测激光脉冲在光纤中散射引起的相位变化来测量光纤的轴向应变，其结构包含两方面：光纤（即传输介质）和地表仪器系统（即发射脉冲与探测瑞利散射信号），其中光纤的每一小段都可以等同为一个单分量应变仪[15]，用于探测地震波场引起的应变，按照特定的程序和路径对光纤进行铺设（比如埋在井中，或者埋在浅层地表处）并接收地震信号，地表仪器系统与光纤相连，用于分析振动信号并将其转换为地震信号进行解释。

根据光学原理和设计方案的不同，分布式光纤传感系统分为两种：一是散射型分布式光纤传感系统，利用光纤中的散射原理和光时域反射技术发展而来，主要是利用瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射这三种散射来对沿光缆分布的温度、应变、振动、声波等参量进行传感[16]；
另一种是干涉型分布式光纤传感技术，在上述理论基础上又利用了光学干涉理论，集成光纤干涉仪模块，根据实际需要实施不同的测量要求，它们对外部参数引起的相位变化高度敏感，主要的干涉仪主要有Michelson光纤干涉技术、MZ光纤干涉技术、Sagnac光纤干涉技术等[17]。

早在1986年，美国Los Alamos国家实验室采用单模光纤开始相关的地球应变仪项目研究，最终采用光学干涉式地球应变传感器的方式，观测地震前兆信号[18]。1999年，有日本学者改进了基于光纤光栅传感器的地球形变监测系统，通过与位移计进行对比来进行相关研究[19]，后续的一系列研究证明关键是提高测量精度。由于光纤受到不均匀应力的作用，光纤轴会产生微小不规则弯曲，其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗，美国Naval Research Laboratory基于此原理成功研制出一种超小型光纤加速度计[20]；
2005年，波兰的Z.Krajewski[21]和L.Jaroszewicz[22]利用Sagnac干涉原理制成光纤陀螺仪，经过理论分析与实验，证明了光纤陀螺仪可以应用于地震监测；
国内，白家疃北京国家地球观象台进行了一次DAS观测实验，通过落锤震源采集地震波信号，验证了DAS的可靠性[23]。

国内在认识到光纤布拉格光栅传感器对电压和应变监测的灵敏度不足的问题后，提出了一系列的解决思路：2005年，周振安等[24]从机械角度出发，刚性调整锚杆并主动连接到光纤光栅传感器以传输负载，通过改变刚性连杆的长度，实现了不同倍数的机械灵敏度效应，理论上可以将测量分辨率提高到10-9至10-10量级；
2008年，邓涛[25]设计出了一种新思路，该思想基于光纤干涉和光纤布拉格光栅传感器的结合，将光纤布拉格光栅的绝对波长测量和光纤干涉测量的高精度相对测量相结合，将光纤检测原理应用于地球变形测量，实现高测量精度，经过实际测试，系统精度可以达到1.27*10-10。

DAS率先在地震勘探领域中得到应用[26]，之后逐渐推广到其他地震学研究领域中[27-28]；
在世界范围内，地震学界开展了跨学科、跨领域、多层次的研究工作，共同探讨DAS在天然地震学研究[29]、浅层结构成像[30-31]、介质变化监测[32]等方面的应用，DAS的高观测密度优势在其他地震学研究领域中可以得到更好的应用[33]。

目前地震学领域有一种共识，当塑性岩石或蛇纹石被压入上地壳和下地壳的裂缝中时，地震经常发生，在此过程中会产生氢气，从而导致正常空气中的氢气浓度剧增，最多可达正常氢气含量的数万倍[34]，这就意味着，通过监测重点区域的氢气浓度异常现象可以提高地震预测的概率。光纤类氢气传感器是实现在线氢气浓度安全监测的较好选择[35]：美国的Butler采用马赫·曾德尔（Mach—Zehnder）干涉原理制作了光纤氢气传感器[36]，并于1991年提出了一种微镜型光纤氢气传感器[37]；
国内的杨明红等人也针对不同氢气浓度的条件提出来具体的实施方案，应用于高浓氢气监测的钯合金型光纤氢气传感器、应用于中低浓度氢气报警的掺铂三氧化钨型光纤氢气传感器、应用于超低浓度痕量监测的三氧化钨一钯一铂纳米复合薄膜型光纤氢气传感器[38]。

在微地震监测领域，尤其是非常规开采石油等特殊环境下，光纤振动传感器尤其是光纤布拉格光栅（FBG）振动加速度传感器受到更为广泛的关注[39]：Weng等人设计了一种U形悬臂梁结构的FBG振动加速度传感器，一方面通过U形悬臂梁放大振动信号，另一方面运用平膜片来减小传感器横向振动，极大地增强了横向抗干扰能力[40]；
刘钦朋等人设计一款双悬臂梁结构FBG振动加速度传感器，不仅有较强的方向抗干扰能力，还能有效的消除温度影响[41]，从这个角度看，光纤传感器的应用已经走出了传统的地震监测领域，空间和适用范围更为广大。

在VSP井中地震勘探领域[42-43]，国内相关学者开展了大量的DAS与常规仪器的测试对比分析工作，证明DAS初步具备井中地震勘探的能力，并达成一个共识，即DAS在VSP应用中最大的优点是一次布设、多次重复观测[44]；
2015年1月，饶云江等人研发一套分布式声波传感系统，开启了国内第一次VSP实验，试验结构现实可以清晰的看到一次反射波和二次反射波[45]；
2018年国内有学者在华北油田完成了DAS光纤井中地震与常规检波器的对比采集工作，结果显示DAS与常规检波器Z分量采集数据具有较好的一致性，可以部分替代常规检波器Z分量的采集工作，并且在实际生产中能有效地提高生产效率，降低施工成本[46]。

在应用领域，2015年，电子科技大学与中石油合作进行井下试验，通过第一代DAS设备采集到了3万多个地震信号；
之后双方又进行了第二代系统的相关试验，相比于第一代DAS，新机型进一步扩大了动态观测范围，灵敏度也有了很大的提升，可以清晰探测到地震直达波与反射波，此后在提升系统性能的基础上，双方进行了更多的试验，进一步提升了其工程实用性[47]。

在海上试验领域[48]，2002年8月有机构在渤海进行了一次光纤水听器阵列的海上试验，通过对比发现，光纤水听器与标准水听器在采集信号方面有相同的意义，具备有效性[49]；
2017年1月北京神州普惠公司研发的1024基元光纤水听器阵列探测系统在南海北部海域进行了海试，结果表明与传统海洋地震勘探相比，在浅层分辨率上优势明显，在经过适应性改进后完全能够满足海洋地震勘探的性能要求[50]。

以美国加州理工教授詹中文为首的团队，设想通过遍布海底的光纤电缆来辅助进行地震监测，研究中詹中文和谷歌使用一条名叫居里（Curie）的海底光缆，从美国洛杉矶延伸到智利瓦尔帕莱索，全程长达一万多公里，其检测技术可达到光学偏振干涉仪的灵敏度水平，这种新方法可初步检测到几十次地震，或将改善全球各地的地震海啸预警系统[51]。

国内外关于应用光纤传感技术地震计的研究和应用，充分证明了光纤传感技术地震计未来不可或缺的研究方向[52]，在未来，越来越多的光纤传感器将应用于防震，而光纤加速度传感器具有广阔的应用前景[53]。在传感器制作方面，不仅可以在结构方面进行改进优化，还可以从光纤的制备和弹性材料方向入手，两个研究方向都有重要的现实意义，监测精度的研究还将会继续深化[54]；
另一方面，DAS的应用领域也逐步扩散到其他地震学研究领域，研究领域的扩展必定会进一步深化DAS的应用，从而实现良性的互动。在这里同样有很多具体工程问题需要解决：

（1）不同设备使用的参数不同，而且在应变分辨能力方面有不小的差异，这就造成了不同的输出强度对光纤信号有不同的影响。比如，如果震源强度过大，光纤信号有可能出现波形畸变进而导致信号失真[55]；

（2）DAS采用双脉冲模式，系统中使用了两个声脉冲进行光脉冲调制。一些测试表明，调制稳定性决定了信号调制的质量，将光纤传感技术扩展到地震勘探领域时，系统获得的数据比传统的地震检波器差一个数量级[56]；

（3）当信号沿着光纤传播时，测得数据效果较好，但宽边带敏感性通常会很低，这是由于光纤测得的震动取决于声波扰动的入射角；
此外脉冲宽度不但影响DAS系统空间分辨率，还会影响信号质量[57]；

（4）在实际工程应用中，长距离的组网普遍存在，这样就存在功率损耗[58]，另外多传感器之间容易发生串扰。

这些问题是后期我们需要继续跟踪的研究重点，不过随着技术的进一步发展和突破，应用光纤传感技术的地震计最终会走向实用化和普遍化。