光纤传感在地震预报中的应用

1、1光纤传感在地震预报中的应用2012年12月，桂林光纤传感在地震预报中的应用21 地震预报（Earthquake prediction）概述光纤传感在地震预报中的应用1 、地震预报（Earthquake prediction）概述2008年5月12日14时28分04秒，四川汶川、北川，8.0级强震猝然袭来，大地颤抖，山河移位，满目疮痍，生离死别西南处，国有殇。这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。此次地震重创约50万平方公里的中国大地！1 、地震预报（Earthquake prediction）概述在5月19日紧急召开的“四川汶川特大地震发生机理及后续灾情科学分析”的香山科学会

2、议上，许多学者都提出对地震进行“群测群防”的工作；同时应使用多学科综合前期预警整体思维预测地震的方法。1 、地震预报（Earthquake prediction）概述人类已经登上月球，探测火星等遥远星系时代异常的多解性、前兆的复杂性地震预报仍然是自然灾害预报问题中最为困难的难题之一地震的孕育、发展、发生规律尚不清楚地震前兆识别以及利用前兆对地震进行预测带来重重困难 1 、地震预报（Earthquake prediction）概述地震的板块运动论：地震的发生是由于板块相对运动而产生的地壳破裂，即地壳长期积累的应变能量被一瞬间急剧释放。地震的断层成因论：地下岩层突然发生断裂，在极短时间内释放出大量

3、的能量，产生了地面位移和错动并辐射出地震波。1 、地震预报（Earthquake prediction）概述7地 震 预 报次声波自然电场 氡气历史数据地应力1 、地震预报（Earthquake prediction）概述历 史 数 据地震前兆信息极其复杂，难以研究分析利用概率统计法对历史资料进行统计分析在确定时间中研究地震的非均匀空间分布在确定空间中研究地震的非均匀时间分布找出地震概率高的地区或发震概率高的阶段地 震 预 报著名地球物理学家、石油地质学家、知名预测论专家，翁文波先生提出了发震时间公式，十几年共预测五级以上地震85次，69次三要素基本对应，准确率达80%以上周总理在1966年河

4、北邢台地震发生后说，祖先留下了很丰富的地震记录资料，但没有留下经验。1 、地震预报（Earthquake prediction）概述次 声 波0.041Hz 次声波衰减小、传播远，是造成地震破坏的主要物理量七级以上地震在震前能观测到异常次声波信号次声波异常发生9天后发震，发震时间误差在4天以内，震级误差小于0.4级，不能预测震中位置动物能感测到次声波地 震 预 报1975年2月4日，辽东半岛海城市发生7.3级地震。地震发生在人口稠密、工业发达的地区，是该区有史以来最大的地震。地震由于地壳不发生剧烈的结构变化造成的，而这些变化所造成的震动并不能达到那么高频率，就像我们敲石头，是无论如何也发不出超

5、声波的。1975年2月，中国海城的动物观察员报告市政官员说，大量的蛇和蚯蚓纷纷在寒冷的冬季逃离温暖的冬眠洞穴，政府立即采取行动，下令大规模撤离居民。几个小时之后，一场大地震夷平了这座城市，但数千人得以幸存。 1 、地震预报（Earthquake prediction）概述自 然 电 场地下的一些岩石或矿石，可以由氧化还原作用、地下水渗透作用、扩散作用和岩石颗粒的吸附作用等自然形成的电场，称为自然电场震源地方微裂和预滑产生的电场，或者是调整单元流体位移产生的过滤电势地 震 预 报陆阳泉曾在华北和西北观测到良好的震例，从六级左右地震前异常到发震时间符合九倍律，即震前倍9天的日期出现前兆突跳日本及前

6、苏联学者最早用过我国钱复业在1966年邢台大地震用过，但因电极极化干扰而成效有限1 、地震预报（Earthquake prediction）概述氡 气氡是自然界唯一的天然放射性气体，由镭衰变产生。氡的半衰期只有 3.8 天，氡形成后很快衰变并产生一系列放射性产物，最终成为稳定元素铅。岩石和土壤氡的发射率为 2 10 -2 Bq m -2 S -1氡气突跳是大震前调整单元或调整场上的快速变形引起地层变动进而使氡气含量发生变化形成的地 震 预 报1964年前苏联学者在塔什干地震后总结发现的1978年日本伊豆-大岛七级地震前在震中附近观测到氡气突变异常，日本地震局震前一小时发出过地震预报，1 、地震

7、预报（Earthquake prediction）概述地 应 力地壳内各点的应力状态不尽相同地壳的应力应变是临震得直接性前兆信息。地应力的产生是由于地球加速度的变化及地球极移现象产生离心惯性力的切向分力、纬向惯性力引起大陆块滑动，地壳中的物质在惯性力作用下不断挤压产生地应力地 震 预 报测量地应力的方法很多，扁千斤顶法、刚性包体应力计、水压致裂法和声发射法、套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法、钻孔应变应力观测法等最早的地应力测量起始于20世纪30年代。1932年，美国人劳伦斯在胡佛坝下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量李四光教授是中国地应力测量的创始

8、人1 、地震预报（Earthquake prediction）概述地 震 预 报次声波自然电场 氡气历史数据地应力钻孔应变应力观测法1 、地震预报（Earthquake prediction）概述钻孔应变应力观测所反映的地震前兆异常，其曲线形态是出现“下降回升”或“上升下降”的趋势异常，以及距震中较近台站的观测值出现突跳性的短临异常变化。钻孔应变应力观测法1973年四川炉霍地震，从1972年5月中旬开始，位于鲜水河断裂带南端的泸定台N70W和N50E方向应力元件测值逐步下降，而N10W方向元件测值上升，当测值恢复到正常基线后发生了7.6级地震，异常时间达八个月。1 、地震预报（Earthqua

9、ke prediction）概述电应变-应力测量：钻孔应变应力观测法光纤应变-应力测量：162 光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势光纤传感在地震预报中的应用2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势传感器起源于仿生研究，传感技术应运而生并快速发展，其大体经历了3代历程。1、传感技术的起源与发展第1代结构型传感器：利用结构参量变化来感受和转化信号第2代固体传感器：由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料的某些特性如用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等第3代智能传感器：对外界信息具

10、有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势传感器(sensor)，最广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于 利用的电信号的器件。传感技术与信息学科紧密相关，它综合研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等各个方面。传感技术也是边缘技术，它涉及物理学、数学、化学等学科，是以研究自动检测系统中的信息获取、信息转换和信息处理的理论和技术为主要内容的一门技术性学科，与计算机、通信和自动控制技术一起构成一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。2、传感技术的含义2、光纤传感（

11、Optical fiber sensing ）特点与优势传感器主要完成2个方面的功能：检测和转换，因此传感器一般由敏感元件和转换元件组成 传感器通常输出信号较弱，还需要信号调节与转换电路(或称信号调理电路)将输出信号进行放大并转换为容易传输、处理、记录和显示的形式2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势3、传感技术的现状美国传感器研究水平较高，力图先解决研究上的难题，再转入生产，其特点是以“军”带“民”。欧洲在许多大学设立传感器研究中心，侧重于理论研究。日本是先占用民用产品市场，再向高水平发展“安徽基地”：力、光敏；“陕西基地”：电压敏、热敏；“黑龙江基地”：气

12、、湿敏。发展：网络化传感器(MEMS网络技术的结合)、纳米传感器等新一代传感器、光纤传感。2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势4、光纤特点光纤特点：传输损耗低，输频带宽，抗干扰性强，安全性能高，重量轻，机械性能好，通信容量大，容易实现信息复用。2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势5、光纤传感光纤传感器的特点：能量损耗小，化学性质稳定，且横截面小，防噪声能力强，不受电磁场干扰，无火花、无短路故障，能耐高温环境等光纤传感器分为两大类：一类是感受被测物理量而改变光纤本身的物理性质；另一类是利用光纤收集目标输送来的光强度信号的被动

13、型传感器技术。光纤传感技术自20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感技术的发展趋势，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。 2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势光纤传感无处不在2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势光纤传感技术包括调制与解调两方

14、面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）调制技术：强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势5、光纤传感分类（1）光纤F-P腔传感技术光纤F-P腔传感技术的基本工作原理是构成F-P腔的传感头感受到的温度、应变或压力，光纤F-P腔传感技术只能进行单点测量。目前主要应用于油井下的压力测量。2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势（2）干涉型光纤传感技术信噪比高，检测灵敏度高，缺点是对解调电路的要

15、求很高，用于光纤陀螺、光纤水听器。Sagnac光纤干涉技术Michelson光纤干涉技术双光束干涉，干涉输出大小只跟两臂光的总相位差有关，可用于水听器。Mach-Zehnder光纤干涉相位干涉的结构，灵敏度高，用于入侵监测安防应用。2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势（3）光纤光栅传感技术光纤光栅是一种光纤器件，它是利用光纤的紫外光敏性，用紫外光照射，使得在光纤纤芯折射率沿轴向呈周期性变化，在满足布拉格光栅条件的波长上全反射，而其余波长通过的一种全光纤陷波滤波器。光纤光栅可以广泛应用于应变、温度、压力及动态电磁场等的测量。2、光纤传感（ Optical fi

16、ber sensing ）特点与优势（4）基于反射光的分布式光纤传感技术R-OTDR是利用背向散射效应，主要用于油井测温，电缆测温和油气管道的侧漏等拉曼散射的R-OTDR布里渊散射的B-OTDR光纤中的应变、温度对布里渊散射光的频移和强度存在影响，可用于油气管道的检漏等布里渊散射（BOTDA）布里渊放大效应(即SBS)可应用于油气管道的检漏2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势（4）基于反射光的分布式光纤传感技术由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光的偏振态进行调制，能实现多个物理量的测量。目前没有成熟的产品问世。偏振光P-OTDR相位敏感-OTDR-OTD

17、R具有灵敏度高、定位精度高、数据处理简单等优点，非常适合于应用在安防系统中。光频域反射OFDROFDR结合光纤光栅可进行短距离大容量的应变测量，典型应用时大容量应变传感。303 光纤传感在地震预报中的应用光纤传感在地震预报中的应用3、光纤传感在地震预报中的应用地震微观前兆，就是地震孕育过程中所引起的地球基岩表面应力、应变和破裂强度的变化、基岩表面振动状态的变化，引力波和冲击波强度及传播速度的变化、基岩表面温度分布和地热温度分布的变化，基岩表面附近空间电磁场分布的变化，海洋生物活动状态的变化等。地震微观前兆：核心就是地应力及温度的变化3、光纤传感在地震预报中的应用利用光纤传感器来探测地震波是近年

18、来发展起来的一种新型地震波探测技术，它具有灵敏度高、抗雷击及电磁十扰、绝缘性好、组网能力强等优点，在地震预报、石油勘探和安全监测等领域具有重要的应用价值。各种类型的光纤传感器被用于地震波探测，目前已经取得了不少实验室成果及一些商业应用。按照其传感机理可以分为：强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型及分布型等。1、各类型光纤地震波探测技术现代地震仪虽然为地震观测提供了强有力的支持，但其固有的电学机制，还存在多方面的不足。将光纤传感技术引人到地震波监测领域，彻底解决传统地震仪供电、稳定性和抗雷击问题，提供全新的网络化探测手段。3、光纤传感在地震预报中的应用点式测量：强度调制型地震波引起光纤中传

19、输光强发生变化，通过检测出光强的变化就可以实现地震波探测。1990年，美国南加州大学报道了一种基于光纤微弯损耗原理的强度调制型光纤地震仪。2001年，美国海军实验室报道了一种基于光纤微弯损耗的超小型光纤加速度计，质量仅为18 g。2007年，美国加州大学尔湾分校报道了一种基于双光栅透射光强调制的光纤加速度计，其结构如图所示。3、光纤传感在地震预报中的应用点式测量：干涉型基于光纤干涉仪的地震检波器是目前发展最为型传感器。其反射光谱的中心波长随地震波引起的成熟、性能较好的一种光纤地震波探测技术。美国海军研究生院1987年率先报道了Michelson干涉仪的光纤地震检波器。日本海洋科技中心和OKI电

20、子公司研制出用于探测海底地震波的干涉式加速度传感器。清华大学廖延彪教授课题组于2004年报道了一种用于井下VSP系统的三分量光纤加速度计。芯轴式盘片式3、光纤传感在地震预报中的应用点式测量：光纤光栅型光纤布拉格光栅(FBG)传感器是一种波长调制型传感器。优势在于抗干扰性好，大规模组网能力强，而缺点是探测灵敏度难以达到干涉型地震检波器的水平。2006年，美国Stevens理工学院报道了基于改性悬臂粱结构的光纤光栅地震波传感器。2007年，意大利Laudati等研制一支有方向性的地震检波器，2008年，TGuo等报道了一种基于倾斜光纤光栅(TFBG)的光纤振动传感器3、光纤传感在地震预报中的应用分

21、布型充分发挥出了“传感合一”的优点，相位型光时域反射-OTDR原理是利用光纤中不同部位背向散射光信号之间发生的干涉，通过探测光功率变化来实现光纤扰动的定位。2005年，美国德州农机大学HFTaylor课题组报道了一种基于-OTDR的振动传感系统。2008年，加拿大渥太华大学课题组报道了一种基于偏振时域反射(POTDR)原理的分布式振动传感系统，光纤激光型以分布反馈(DFB)光纤激光器作为传感元件的地震传感器光纤激光型地震检波器既具有光纤光栅检波器波长编码、抗干扰能力强、探头尺寸小、于组网的优点，又具有干涉型检波器灵敏度极高的优点，因而具有极大的应用前景。2007年，美国GHAmes等报道了一种

22、基于DFB光纤激光器的加速度计，该传感器尺寸仅为83 mmx8 mmx6 mIn，工作频段为105000 Hz，最小可探i贝0的加速度能达到125 ngHzl kHz。3、光纤传感在地震预报中的应用2、光纤地震波探测的应用美国加州大学圣地亚哥分校MZumberge等研制出了基于Michelson干涉仪的光纤地震仪。该研究小组在标准STS一1地震仪的基础上，用光纤干涉技术替换传统的电学测量手段，实现了高达5x10-13m的位移测试精度，带宽为10-415 Hz。3、光纤传感在地震预报中的应用日本NTT公司开发了基于光纤光栅的海底地震和海啸预警系统。地震检波器和海啸传感器均采用光纤光栅。每支地震检

23、波器由3个方向的光纤光栅加速度计构成，能够对日本东海、东南海及南海的海底地震、海啸进行监测，探测距离能够达到100 km以上。3、光纤传感在地震预报中的应用光纤地震波探测在该领域的一款具有重大意义的产品是Weatherford公司的井下VSP系统Clarion在一根光纤上利用波分复用技术串联起来，其信号处理系统放置在地面，完成控制和数据采集，大大降低了信号处理的难度，并解决了数据传输、供电、绝缘等瓶颈问题。由于每次采集检波器的位置不变，因此地震数据可以累加起来，由这种方法采集到的地震数据处理的结果要比其他地面地震采集的结果更加清晰。3、光纤传感在地震预报中的应用光纤光栅型地震检波器。该FBG检

24、波器采用如图所示的活塞式结构当传感器受到振动时，质量块在惯性作用下产生位移偏离平衡位置，从而使FBG所受到的应变发生相应变化，进而改变其布拉格波长3、光纤传感在地震预报中的应用3、光纤地震波探测中存在的问题用于特殊环境的三维无源地震检波器光纤及光缆本身能够适用于恶劣环境，但是在检波器设计及制作的过程中还有材料选择、机械结构、封装工艺等诸多环节需要考虑环境的影响光纤传感器具有无源工作的特点，探头无供电，如何实现理想的无源阻尼，也是其设计难点。现代检波器通常还需要获取三维地震波信息，因此，如何实现特殊环境下的三维换能，及其长期可靠性，都是光纤地震检波器需要解决的关键技术问题。超低频地震波的高分辨率

25、探测技术地震波具有丰富的低频信息，尤其在地震学领域，需要探测频率低达001 Hz的信号。而光纤传感系统中通常采用激光光源，其频率噪声的功率谱密度满足1f关系(f为探测频率)，即具有较高的低频噪声，这制约了系统对地震波信号低频分量的探测分辨率。根据功率谱1f关系计算得到：在低频(001 Hz)处，系统对信号幅度的探测分辨率将低于高频(1 kHz)处近3个数量级。为了实现超低频地震波的高分辨率探测，首先需要对光源的低频噪声加以控制。3、光纤传感在地震预报中的应用对于大规模光纤地震波探测网络，各通道传感器之间的串扰抑制、功率均衡及相位一致性都还是有待深人研究的课题大规模组网中的串扰抑制、功率均衡、相

26、位一致性通道间的串扰会对其他信道引入噪声，恶化其信噪比，必须加以抑制对于光功率，如果过大则会导致光饱和，而过小将不足以实现探测所需的分辨率，因此必须由功率均衡技术来保证传感网络中的每一节点都能正常工作。在地震波探测器网络中，需要利用多个通道的数据来分析震源的强度和位置。而目前大多数阵列信号处理算法要求各通道直接具有高度的相位一致性，以达到良好的波束形成效果和准确的定位要求。光纤地震检波器的相位一致性、解调设备的相位延迟、数据传输的同步性等问题都将影响到系统的相位一致性。434 光纤传感在地震预报中的关键技术光纤传感在地震预报中的应用4、光纤传感在地震预报中的关键技术地震预报的难点在于能否实时地、准确地跟踪地震孕育过程中的所有可能信息(即微观前兆)。利用现代最先进的传感器网络技术，传感器数据智能融合技术，信号和信息处理技术，对所得信号和信息进行处理，做出决策判断，借助宽带通信网络发送到政策性决策中心，做出最后处理。4、光纤传感在地