简析光纤传感技术在地震监测中的应用

简析光纤传感技术在地震监测中的应用

摘要：光纤传感器是一种近年来新出现的地震监测新手段，光纤传感器本身具

有精度较高且能够抗电磁干扰等特点，应用在地震检测中，能够得出较为准确的

结果。因此需要利用光纤传感器本身的抗干扰能力等优秀性能，推动光纤传感设

备在地震监测中的应用，基于此，本文阐述了光纤传感器的传感原理及特点以及

光纤传感器在地震前兆观测中的主要技术，对光纤传感器在地震监测中的应用进

行了简要分析，旨在提高地震监测水平。

关键词：光纤传感器；传感原理；特点；技术；地震监测；应用

我国作为地震多发国家，目前对地震监测研究逐渐深入，利用光纤传感器

是其重要环节之一。近年来光纤传感技术被广泛地应用于地形变观测、地震波探测、水文地球化学观测和地磁探测等众多领域并取得了大量研究成果。以下就光

纤传感器在地震监测中的应用进行了探讨分析。

一、光纤传感器的传感原理及特点

光纤传感器可以按照传感原理分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、

波长调制光纤传感器等。具体表现为：

1、强度调制光纤传感器。强度调制光纤传感器通过感知外界环境导致的光

纤传输光强度变化来检测相应的物理量。光纤法珀传感器是一类典型的强度调制

光纤传感器。它是历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器。

光纤法珀传感器是光纤传感器中的重要一员。光纤法珀传感器的核心敏感元件是

法珀腔，所有被测物理量的变化都会直接或间接地反映在法珀腔长的改变上，根

据光纤珐珀腔的结构不同，光纤法珀传感器可以分为本征型（EFPI），非本征型（IFPI）和在线复合型（ILFP）。非本征型光纤法珀传感器是目前光纤法珀传感器

中应用最广泛、研究最多的一种光纤法珀传感器，常见的非本征型光纤法珀传感

器有毛细管型非本征光纤法珀传感器和膜片式微加工型光纤法珀传感器。

2、相位调制光纤传感器。相位调制光纤传感器通过敏感部件感知光纤折射

率或传播常数的变化从而对被测物理量进行探测。这类传感器需要采用干涉技术

将相位信息转化为强度信息来进行检测。

3、波长调制光纤传感器。波长调制光纤传感器主要指光纤光栅传感器，这

类传感器利用待测物理量调制传输光波长信息，通过探测波长信息的变化即可对

待测量进行检测。光纤光栅传感器是一类典型的波长调制光纤传感器。光纤光栅

不仅尺寸很小、重量相对轻、还具有带宽宽、灵敏度很高、耐腐蚀能力强和抗电

磁干扰能力强等的优点，由于其固有特性，能够实现对波长的绝对编码、集传感

与传输于一体、且可以不受光功率波动的影响、相对易于制作封装及埋入材料的

内部。在测量领域能对结构的应力、应变进行高精度的绝对检测。同时，也能够

采用准分布式的方式多点测量外界温度、应力场作用下的大量待测目标的时间和

空间特征。

二、光纤传感器在地震前兆观测中的主要技术分析

1、基于光纤光栅的高精度低壳形变观测技术。首先是光纤光栅的观测技术，在光纤光栅穿高技术之前，一直使用干涉式测量系统进行短期测量，虽然精度可

以向上发展，但是发展的同时，因其本身测量是相对的，不能进行绝对测量，造

成其不适应长期的地形观测。反之光纤光栅传感技术虽然能够进行绝对测量，能

够应用在长期的地形变化检测中，但是本身的测量精度较低，通过干涉式测量系

统以及光纤光栅系统的精度的对比，可以发现，干涉式光纤的精度可以达到10-9

量级以上，而光纤光栅可以达到10-6量级。

2、分布反馈技术分析。除了光纤光栅传感技术，分布反馈技术也得到了一

定的应用，其中分布反馈应用到了光纤激激光传感器中，形成了具有高功率、超

低噪声等优秀性能，和波长解调技术进行有机结合们能够实现灵敏度较高的动态

微弱信号探测，这个方面的优势让分布反馈光纤激光传感器的市场应用前景极为

广阔。但是在实际应用中，具有较高的低频噪声，需要进行控制。此外，还有大

规模组网技术以及长距离传感技术也存在一些问题需要得到具体的解决，从而让

光纤传感器在地震前兆检测中得到更加完善的应用。

三、光纤传感器在地震监测中的应用分析

光纤传感器中的光纤光栅传感器和光纤激光传感器这两种传感器的应用极

为广泛，尤其是在对地形变观测以及地震波探测中，具体表现为：

1、地壳形变观测。目前在观测地壳形变的过程中主要有两种仪器，第一种为测

量基线的长度，第二种为测量钻孔变形的钻孔应变仪，其中光纤传感器在地形变

观测中主要是采用第一种仪器应用原理，其本身的原理也就是将光纤传感器应用

在对基线长度变化的测量上，而这种基线的长度变化来自于岩体本身的形变。而

在对地壳形变观测中使用的光纤传感器有高精度的光纤干涉式测量方法以及光纤

光栅绝对测量。早在上世纪八十年代，美国就已经开始研究光纤钻井地球应变仪

的研究，而中国在地壳应力的研究上起步较晚，而到近年来更是将研究重点转移

到提高光纤光栅传感器提高灵敏度的研究问题上，提出了一种技术思路，结合光

纤光栅传感器和光纤干涉方法中的特点，形成一种高精度地形变测量中的新方法。采用硐体测量方法，通过上述两个技术组合而成。比如，在实际应用的过程中，

传感器的光源至于硐体内，因为硐体本身的温度变化较小，因此能够更加敏感的

感受到地壳的形变。但是在实际应用过程中必须保证传感器的光源要在硐体的基

石上。采用这种方法进行测量后发现整体精度达到了1.27x10-10，满足对地壳形

变观测的精度需求。

2、地震波探测。地震波探测工作是预测地震最为有效的手段之一，光纤技

术的应用也不能够忽略，其中光纤地震检波器的应用较为广泛。而在光纤地震检

波器中光纤的干涉技术以及基于干涉技术形成的干涉式光纤地震检波器较为成熟，而光纤光栅地震检波器的性能也较为优越，其中应用最为广泛的光纤激光型地震

检波器中因为结合了光纤光栅型以及干涉式检波器的双重特点市场前景极为广泛。国家在2010年时提出了一种双模片式的光纤光栅地震检波器，最大程度的限制

了检波器的横向响应，从根本上提高了检波器的灵敏度，在实际应用的过程中，

该检波器的灵敏度最高可以达到50pm/g。而近年来随着信息技术不断的发展，

微型、数字、智能化已经成为光纤传感器的主要发展方向，在这过程中，光纤传

感器和智能材料相结合，比如，国家的饶云江课题组就提出了复用方法的大容量

光纤传感器网络，在传统普通的普通光纤传感器进行改造，最终形成能够复用1000个以上的光纤传感器网络，解决了光纤传感器复用能力较差的问题。不止如此，光子晶体光纤传感技术也到了充分的利用，和光学以及通讯技术结合的，进

一步提高光纤传感技术的性能，在实际应用中体现出来的灵敏度以及抗干扰性，

都让其在地震波观测中得到具体的应用效果。长周期的光栅传感技术也是未来地

震波检测的新方向，这种利用新型纤芯折射率的光纤光栅，是一种透射型材料，

在使用过程中操作简单，在基因工程中对环境感应能力较强。

结束语

综上所述，随着光纤传感技术的发展，光纤传感器的类型逐渐增加，而光