高速光纤光栅在地震波检测中的应用

随着光纤传感技术的不断发展，光纤布拉格光栅（FBG）因其高灵敏度、抗电磁干扰、长寿命和宽频带等优点，逐渐成为地震波测量领域的重要工具。FBG传感器在地震勘探、地震监测、结构健康监测等领域展现出巨大的应用潜力。特别是在地震波的高精度、高分辨率测量方面，FBG技术具有显著优势。

近年来，随着高速动态测量技术的发展，FBG在地震波测量中的应用进一步拓展，尤其是在高速动态响应和高精度解调技术的支持下，FBG在地震波测量中的应用日益广泛。

一、光纤光栅振动传感器介绍

光纤光栅振动传感器是利用弹性元件，将待测振动引起的位移转换为光纤光栅的应变，从而实现波长调制，弹性元件能否准确传递振动信号至关重要。根据弹性元件结构不同，可以将光纤光栅振动传感器分为梁式、弹片式、铰链式等。

图1 梁式光纤光栅振动传感器封装示意图

如图1所示，梁式光纤光栅振动传感器一般由一段悬臂梁和配重块组成，在悬臂梁上粘贴光纤光栅，当外界有振动时，配重块由于惯性作用带动悬臂梁变形，通过测试出光纤光栅的应变实现振动测量。该种封装方式的振动传感器结构简单，适用于低频振动测量，由于是粘贴式测量应变，会受温度影响较大，因此需要进行温度补偿设计。

图2 铰链式光纤光栅振动传感器封装示意图

如图2所示，铰链式光纤光栅振动传感器封装结构中，光纤光栅悬空粘贴在柔性铰链两端，其测试振动原理和梁式光纤光栅振动传感器一致。通过在铰链上下悬空位置粘贴两个光纤光栅，可以做到相互补偿的作用，该种结构有着无摩擦、精度高、不受温度影响的特点。

二、高速光纤光栅测试地震波

1. 井下地震波测量

对井下振动信号的探测开展研究工作，使用光纤光栅地震波检测器进行一系列的测试试验，取得该研究领域的突破进展。研制的光纤光栅地震波检测器具有较高的探测精度，其工作频带在5Hz∼1000Hz，将井下光纤光栅地震波检测器与地震波动圈检波器固定在一起，放置井下数百米深，通过记录陆地上放炮信号来对两种检波器的性能进行对比。

图3 光纤光栅振动传感器在井下地震波检测

由图3（a）（b）可以看出，光纤光栅地震波检测器与地震波动圈检波器都可以清晰地记录到放炮直达波和深层反射波振动信号，并且动圈检波器发生了限幅，而光纤光栅振动地震检波器因具有较大的动态范围未发生限幅现象。结果证明光纤光栅振动地震检测波器对井下振动信号检测结果的准确性，且优于传统电学检测方式，为光纤光栅振动传感器在井下地震波信号的检测打下基础。

2. 水下地震波测量

对试验水库开展了野外主动源(气枪激发)地震波探测实验，实验中将光纤光栅海底地震仪和电学海底地震仪固定在一起，放置于距离气枪发射点约1km处水下(水深20m左右)，光纤光栅海底地震仪通过一个400m长的铠装光缆与岸基的光纤信号解调仪相连。

图 4

测试结果如图4所示，光纤光栅海底地震仪与电学海底地震仪都可以清晰地记录到气枪激发的直达波、面波，并且其时域波形具有较高的相关性，相关度达到 0.9897。本次试验为光纤光栅海底地震仪的海底应用打下了基础，在海底地震波勘探或地震观测、海啸监测、水声监测、高精度压力和温度监测等方面将具有很大的应用前景。

三、结论与展望

高速FBG在地震波测量中的应用具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰等优势，使其在地震勘探、地震监测、地震波检测等领域具有广泛应用。未来，随着高速动态测量技术的发展和FBG解调技术的不断进步，FBG在地震波测量中的应用将进一步拓展，为地震波测量提供更加高精度、高分辨率的解决方案。