張文濤，李慧聰，黃穩(wěn)柱，李正斌，李 麗，劉瑞豐

1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083

2.中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京100049

3.北京大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871

4.中國地震局地球物理研究所，北京100081

地震與地球物理科學(xué)的研究強(qiáng)烈地依賴于地震儀器的發(fā)展。近年來，隨著光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一批新型的光纖地震儀。它們具備傳感部分和信號(hào)傳輸鏈路無電子器件、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、適合分布式組網(wǎng)觀測(cè)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在地震與地球物理研究領(lǐng)域引起了國際上的重點(diǎn)關(guān)注。美國、英國、法國、意大利、日本、中國等國家紛紛投入這方面的研究[1-4]。

光纖地震儀的出現(xiàn)和應(yīng)用最早源于油氣勘探對(duì)地震檢波器的需求。國外著名的地球物理勘探公司（如美國Geospace Technologies 公司、法國CGG Sercel 公司、英國Stringray Geophysical 公司等）均開展了用于海洋油氣勘探的光纖海底地震儀的研發(fā)。這些面向勘探地球物理學(xué)的光纖地震儀工作頻帶較高，隨著研究的進(jìn)一步深入，越來越多的研究人員把目光轉(zhuǎn)向了面向天然地震科學(xué)研究的寬頻帶光纖地震儀。依據(jù)傳感結(jié)構(gòu)以及測(cè)量地震波的物理量來分類，光纖地震儀主要有加速度型、位移型、應(yīng)變型、旋轉(zhuǎn)型四種。其中，加速度型光纖地震儀工作頻帶較高，主要用于油氣勘探、微震、軌道交通安全監(jiān)測(cè)以及地下空間結(jié)構(gòu)成像[5-8]；位移型光纖地震儀可以獲得較寬的測(cè)量頻帶，低頻可以做到百秒量級(jí)甚至更低，噪聲水平接近地球新低噪聲模型（new low-noise model, NLNM）或全球地震臺(tái)網(wǎng)（global seismic network, GSN），有望逐步成為傳統(tǒng)電學(xué)寬頻帶地震儀的替代產(chǎn)品[9-11]；應(yīng)變型光纖地震儀作為一種新型的地震儀，可以獲得超寬的響應(yīng)頻帶（DC-1 kHz），其傳遞函數(shù)及其在地震科學(xué)研究中的應(yīng)用尚有待探索[12-15]；光纖旋轉(zhuǎn)地震儀是近年來興起的一種測(cè)量地震波旋轉(zhuǎn)分量的儀器，可為平移與轉(zhuǎn)動(dòng)分量聯(lián)合反演、無需走時(shí)參數(shù)的層析成像、地震工程學(xué)研究提供新的思路[16-18]。

經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展，各種類型光纖地震儀均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在拾振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)研究、噪聲水平抑制、頻帶拓寬等方面仍然有必要開展進(jìn)一步的研究。本文主要介紹加速度型、位移型、應(yīng)變型、旋轉(zhuǎn)型四種光纖地震儀的基本原理、面臨的問題以及國際上的典型案例，并在此基礎(chǔ)上探討各種類型光纖地震儀的發(fā)展方向。

1 加速度型光纖地震儀

1.1 加速度型光纖地震儀基本原理

加速度型光纖地震儀是最先發(fā)展起來的光纖地震儀，主要有光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating, FBG）和光纖干涉式這兩種類型。加速度型光纖地震儀一般由拾振結(jié)構(gòu)（地震計(jì)）和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)組成，拾振結(jié)構(gòu)含有慣性質(zhì)量塊、彈性元件或其他力傳遞結(jié)構(gòu)。圖1 為應(yīng)用于油氣勘探的加速度型光纖干涉地震儀的兩種典型結(jié)構(gòu)：盤片式和芯軸式結(jié)構(gòu)。盤片式地震儀，質(zhì)量塊在地震加速度作用下產(chǎn)生的慣性力使得盤片發(fā)生變形，引起纏繞在盤片的光纖發(fā)生應(yīng)變，使得輸出光信號(hào)的相位受地震加速度的調(diào)制。而芯軸式地震儀通過使力順體發(fā)生形變進(jìn)而使纏繞于力順體上的光纖產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而調(diào)制輸出光。

圖1 加速度型光纖干涉式地震儀的拾振結(jié)構(gòu)[5]Figure 1 Vibration picking structure of acceleration-type optical fiber interferometry seismograph

加速度型光纖地震儀作為一個(gè)二階振動(dòng)系統(tǒng)，在長(zhǎng)周期的響應(yīng)為

式中：X(ω) 為質(zhì)量塊位移的頻譜；ω2Z(ω) 為地震加速度的頻譜；ω0為光纖地震儀的固有頻率。因而，加速度型光纖地震儀要獲得地震加速度的線性響應(yīng)，測(cè)量的頻段應(yīng)小于地震儀本身的儀器固有頻率。

目前加速度型光纖地震儀主要用于油氣勘探、微震、軌道交通安全監(jiān)測(cè)以及地下空間結(jié)構(gòu)成像等領(lǐng)域，尤其在油氣勘探領(lǐng)域中取得了顯著成果，有望解決高溫油井、鉆孔、海洋等極端環(huán)境的勘探問題。近幾年，加速度型光纖地震儀在軌道交通安全監(jiān)測(cè)以及地下空間結(jié)構(gòu)成像也取得一定進(jìn)展和成果。

在地震觀測(cè)領(lǐng)域，由于地震加速度在空間長(zhǎng)距離傳輸時(shí)容易快速衰減，因而加速度型地震儀適合測(cè)量短距離的強(qiáng)震動(dòng)，對(duì)于長(zhǎng)距離觀測(cè)的能力有待提高。加速度型光纖地震儀拾振結(jié)構(gòu)的固有頻率較高、靈敏度較低、容易受溫度影響，因而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然地震的低頻低噪聲測(cè)量。降低頻帶下限、提高低頻測(cè)量精度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度的地震觀測(cè)和獲取更豐富的低頻勘探信號(hào)來說是有必要的。

1.2 加速度型光纖地震儀研究進(jìn)展

在國外，加速度型光纖地震儀在油氣勘探領(lǐng)域已經(jīng)有成熟的工程應(yīng)用以及商業(yè)產(chǎn)品。挪威Optoplan AS 公司的OptoWave 產(chǎn)品（已被法國CGG Sercel 公司收購）[19-22]、美國Paulsson 公司的OpticSeis[23-25]，均采用光纖光柵傳感技術(shù)，滿足油井場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)需求。Optoplan 的光纖光柵地震檢波儀器的噪聲水平為英國Stringray Geophysical 公司（現(xiàn)屬于美國TGS 公司）[26-29]和PGS 公司（現(xiàn)屬于美國Geospace Technologies 公司）[30-33]則是采用光纖干涉式傳感的方法。PGS 開發(fā)的OptoSeis光纖地震檢波器，測(cè)量頻帶為0.1～250.0 Hz，噪聲水平約為（相當(dāng)于系統(tǒng)相位噪聲，約為如圖2 所示。OptoSeis 的頻帶擴(kuò)展到0.1 Hz，這是目前在油氣勘探領(lǐng)域中的低頻極限，但也可以明顯看到低頻噪聲較高，高于地球新高噪聲模型（new high noise model, NHNM）。

圖2 PGS 公司光纖地震檢波系統(tǒng)及其加速度噪聲本底Figure 2 PGS’s optical fiber seismic geophone system and its acceleration noise floor

在國內(nèi)，中科院半導(dǎo)體所[34-35]、中科院聲學(xué)所[36-37]、清華大學(xué)[38]、吉林大學(xué)[39]、山東科學(xué)院激光研究所[40-41]等單位都開展了油氣勘探領(lǐng)域的加速度型光纖地震儀研究。就目前報(bào)道的結(jié)果來看，降低頻帶下限和低頻噪聲仍是有待解決的主要問題。半導(dǎo)體所報(bào)道的光纖干涉式地震儀[42]，其拾振結(jié)構(gòu)如圖3 所示，地震加速度使質(zhì)量塊在慣性力作用下帶動(dòng)金屬膜片變形，進(jìn)而使纏繞在結(jié)構(gòu)表面的光纖產(chǎn)生應(yīng)變，通過相位產(chǎn)生載波（phase generated carrier, PGC）技術(shù)解調(diào)相位變化以獲取地震加速度。該加速度型光纖干涉式地震儀的工作頻帶為5～500 Hz，相位噪聲為

圖3 光纖干涉式地震計(jì)Figure 3 Fiber optic interferometric seismometer

加速度型光纖地震儀在油氣勘探領(lǐng)域的應(yīng)用成果顯著，但由于其一直受限于工作頻帶和低頻高噪聲，在天然地震監(jiān)測(cè)方面一直難以取得突破性成果。近幾年，國內(nèi)外一些單位致力于將加速度型光纖地震儀往低頻方向擴(kuò)展，采用參考補(bǔ)償、鎖相等技術(shù)，作為對(duì)激光頻率波動(dòng)和環(huán)境溫度擾動(dòng)的抑制，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的低頻地震觀測(cè)。

為測(cè)量天然地震的低頻信號(hào)，吉林大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了超低頻干涉式地震儀和相位反饋控制回路[43]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振動(dòng)的高靈敏度探測(cè)。所設(shè)計(jì)的地震儀為一個(gè)推挽結(jié)構(gòu)，在力順體上纏繞光纖以形成光纖Michelson 干涉儀。參考臂的光纖長(zhǎng)度通過光纖干涉相位進(jìn)行調(diào)整，以將負(fù)反饋環(huán)路引入到地震儀中，實(shí)現(xiàn)相位反饋控制。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的光纖纏繞增加了傳感靈敏度，但也增加了彎曲損耗。相位反饋控制回路提高了低頻段的加速度靈敏度，改善了系統(tǒng)的噪聲水平，但系統(tǒng)的低頻噪聲水平與NLNM 還有一定的差距。究其原因，除了與光纖本身具有較高的溫度/應(yīng)變交叉靈敏度之外，還與光纖傳感系統(tǒng)光源低頻噪聲、載波調(diào)制光路引起的低頻噪聲等有直接關(guān)系，這是光纖干涉式地震傳感系統(tǒng)面臨的主要問題。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體所采用兩個(gè)高反射率（高于99.3%）的光柵構(gòu)成法布里-珀羅干涉儀（FBG based on Fabry-Perot interferometer, FBG-FP）作為敏感元件固定于光纖地震儀的質(zhì)量塊上[44]，如圖4 所示。當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ饔糜贔BG-FP 地震儀時(shí)，質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)使得膜片變形，進(jìn)而引起光纖拉伸，導(dǎo)致FBG-FP 的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過測(cè)量波長(zhǎng)偏移以記錄地震波信號(hào)。采用雙激光掃頻和拍頻法實(shí)現(xiàn)高分辨率超低波長(zhǎng)的詢問，且對(duì)兩個(gè)激光器進(jìn)行拍頻以用于波長(zhǎng)漂移補(bǔ)償。限制系統(tǒng)測(cè)量分辨率的主要因素是窄線寬可調(diào)諧光纖激光器檢測(cè)FBG-FP 諧振峰的波長(zhǎng)分辨率。該FBG-FP 的詢問系統(tǒng)在0.1～10.0 Hz 內(nèi)波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于地震儀在工作頻段0.01～10.00 Hz 范圍內(nèi)，其自噪聲水平低于NHNM。該FBG-FP 地震儀安裝在安徽金寨地震臺(tái)，2021年5 月記錄的青海果洛州瑪多縣7.4 級(jí)地震如圖5 所示。目前，加速度型地震儀具有測(cè)量近場(chǎng)微小地震和遠(yuǎn)區(qū)域大地震的能力，能測(cè)量近場(chǎng)高頻地震信號(hào)，但對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)低頻信號(hào)，其觀測(cè)能力仍有待提高。

圖4 FBG-FP 地震儀的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖Figure 4 Structure and picture of the FBG-FP seismograph

圖5 FBG-FP 地震儀記錄的青海7.4 級(jí)地震Figure 5 Recorded Qinghai M7.4 earthquake of the FBG-FP seismograph

2 位移型光纖地震儀

2.1 位移型光纖地震儀基本原理

加速度型光纖地震儀的工作頻帶較高，在低頻段靈敏度損失較大，難以用于測(cè)量寬頻帶的天然地震。為了提升低頻范圍的測(cè)量能力，需要研制位移型光纖地震儀。位移型光纖地震儀與加速度型光纖地震儀的不同之處在于通過光學(xué)方法測(cè)量拾振結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊位移，進(jìn)而解調(diào)出地震位移信號(hào)。圖6 是一個(gè)基于法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Perot interferometer, FPI）的拾振結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)卣鹱饔糜谠摰卣饍x時(shí)，質(zhì)量塊發(fā)生慣性運(yùn)動(dòng)，改變了準(zhǔn)直器和反射鏡所構(gòu)成的法布里-珀羅干涉儀的腔長(zhǎng)，使得干涉光束的相位發(fā)生變化，通過對(duì)相位進(jìn)行解調(diào)以獲得質(zhì)量位移的變化并得到地震信號(hào)。

圖6 基于雙膜片結(jié)構(gòu)的光纖F-P 地震儀Figure 6 Fiber F-P seismograph based on the double diaphragms structure

位移型光纖地震儀的研制，主要優(yōu)勢(shì)在于對(duì)天然地震低頻信號(hào)的探測(cè)，特別是超低頻信號(hào)的探測(cè)，如0.01～50.00 Hz 的信號(hào)，這就要求位移型光纖地震儀在低頻以下的自身噪聲應(yīng)小于NLNM 或GSN。由于光纖地震儀本身沒有反饋電路，要實(shí)現(xiàn)對(duì)低噪聲的低頻地震觀測(cè)，對(duì)拾振結(jié)構(gòu)和光學(xué)解調(diào)系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的要求。在拾振結(jié)構(gòu)方面，一般要求其拾振結(jié)構(gòu)的固有頻率基本在1～2 Hz 或更小。在光學(xué)解調(diào)方面，要求解調(diào)系統(tǒng)具有較高的噪聲抑制能力和測(cè)量精度。而低固有頻率的實(shí)現(xiàn)一般需要精細(xì)且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且現(xiàn)有對(duì)位移型光纖地震儀傳遞函數(shù)的研究尚不能從理論上對(duì)拾振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供充分的指導(dǎo)。特別在測(cè)量質(zhì)量位移的探頭設(shè)計(jì)上，現(xiàn)有的報(bào)道大都沒有實(shí)現(xiàn)全光纖的光路，通常的方案是激光從光纖出射后經(jīng)過拾振結(jié)構(gòu)的空間光路，再耦合回光纖中。這不僅增加了安裝困難，空間光器件也容易遭損壞而影響測(cè)量精度。在信號(hào)解調(diào)方面，現(xiàn)有位移型光纖地震計(jì)基本是采用激光干涉式測(cè)量質(zhì)量塊位移以獲取地震信號(hào)，具有較高的噪聲抑制能力和測(cè)量精度，但激光頻率噪聲、溫度波動(dòng)噪聲、探測(cè)器噪聲等仍不可避免。因而，要在所期望的低頻帶內(nèi)具有高靈敏響應(yīng)、獲得小于NLNM的自噪聲，低固有頻率的拾振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和低噪聲寬頻帶的光學(xué)解調(diào)系統(tǒng)是必要解決的問題。

2.2 位移型光纖地震儀研究進(jìn)展

在低頻地震觀測(cè)中，要獲取足夠豐富的低頻信息（0.01 Hz 甚至更低），不僅要求位移型光纖地震儀具有低噪聲寬頻帶的探測(cè)能力，也要求質(zhì)量塊的位移能正確反映地震運(yùn)動(dòng)通常引起地面的大幅度運(yùn)動(dòng)，避免發(fā)生限幅。

加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員利用STS1 垂直型地震儀性能優(yōu)異的擺結(jié)構(gòu)，移除STS1 的電子器件并安裝光學(xué)元件形成Michelson 干涉儀，以對(duì)拾振結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊位移的詢問檢測(cè)[9]，該地震儀稱為iSTS1。通過在一個(gè)干涉臂上安裝λ/8 波片，配合偏振分束器（polarization beam splitter, PBS）產(chǎn)生含有質(zhì)量塊位移信息的正余弦干涉信號(hào)。當(dāng)?shù)卣饍x受到地震作用時(shí)，質(zhì)量塊因葉簧和絞結(jié)樞軸的限制，發(fā)生上下振動(dòng)，使得安裝在質(zhì)量塊上的角錐棱鏡發(fā)生移動(dòng)以改變Michelson 干涉儀的臂長(zhǎng)。質(zhì)量塊位移和地震信號(hào)的傳遞函數(shù)關(guān)系可以寫為

式中：X(ω) 為質(zhì)量塊位置的頻譜；ω2Z(ω) 為地震加速度的頻譜；G=mr1r2/I為結(jié)構(gòu)增益因子；ω0為地震儀的固有角頻率；Q為諧振品質(zhì)因子；r1為擺質(zhì)心到絞結(jié)樞軸的距離；r2為角錐棱鏡到絞結(jié)樞軸的距離；I為擺絞結(jié)樞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為擺的質(zhì)量。結(jié)合橢圓的最小二乘擬合方式，對(duì)正交條紋信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)計(jì)算光學(xué)相位，以獲取質(zhì)量位移和地震信息。通過測(cè)量潮汐信號(hào)對(duì)iSTS1 的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，其儀器固有頻率為5.15 s。iSTS1 具有極為優(yōu)異的低頻噪聲觀測(cè)能力，可測(cè)量的質(zhì)量位移的均方根噪聲為4×10?12m @ 0.001 Hz～4×10?13m@ 1 Hz，提供180 dB 的動(dòng)態(tài)范圍。在10?6～10?1Hz 的超低頻范圍，iSTS1 的自噪聲十分接近GSN 的噪聲水平，甚至在10?6～10?5Hz 展現(xiàn)出比STS1 還優(yōu)異的觀測(cè)能力[45]。

為了在鉆孔中部署地震儀以實(shí)現(xiàn)天然地震監(jiān)測(cè)和大地測(cè)量，加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員在2018年報(bào)告了新的三分量光學(xué)地震儀[46]，如圖7(a) 所示。其水平分量，由鎢塊和剛性鋁臂構(gòu)成鐘擺，并懸掛在絞結(jié)上以形成一個(gè)地震擺。其垂直分量采用鈷鉻鎳合金制成的葉片彈簧以控制質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)，葉片彈簧一端固定在地震儀框架，另一端連接可移動(dòng)的質(zhì)量塊。該懸架理論上可提供無限自由周期，這對(duì)于低頻地震觀測(cè)是極其重要的。此地震儀的兩個(gè)水平分量可以分別提供1.15 s 和1.27 s 的自由周期，垂直分量提供5.00 s 的自由周期。采用Michelson 干涉儀跟蹤測(cè)量質(zhì)量位移，測(cè)量精度優(yōu)于10?12m。三分量光學(xué)地震儀的觀測(cè)能力如圖7(b) 所示，光學(xué)地震儀的各分量在測(cè)量頻段內(nèi)和KS-54000 井下地震計(jì)各分量基本一致，并接近GSN 最小噪聲。三分量光學(xué)地震儀在0.001～0.100 Hz 頻段內(nèi)，性能可媲美KS-54000，在天然地震的低頻觀測(cè)甚至超低頻觀測(cè)中顯示出可觀的潛力。

圖7 三分量光學(xué)地震儀的類型和功率譜密度[46]Figure 7 Types and power spectral density of tri-component optical seismograph

比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)[47-48]、法國原子能委員會(huì)[49]和歐洲核研究中心[50]等單位，也設(shè)計(jì)有不同拾振結(jié)構(gòu)的光纖地震儀，搭配高精度的光學(xué)解調(diào)方法以獲取質(zhì)量位移信息。

為保證光纖地震儀可以適用滑坡、活火山、斷裂帶等極端環(huán)境的布設(shè)，法國巴黎地球物理研究所聯(lián)合ESEO 集團(tuán)等單位，提出了激光干涉式測(cè)量地球應(yīng)變（laser interferometry for earth strain, LINES）[10,51]項(xiàng)目，開發(fā)了光纖干涉式地震儀（interferometry seismograph,iSISMO）。如圖8 所示，在Sercel 的L22 檢波器上，貼上鏡子和光纖準(zhǔn)直器構(gòu)成一個(gè)FPI，整體的固有頻率為2.4 Hz。當(dāng)受到地震作用時(shí)，由于L22 的核心和外殼通過夾具與光纖準(zhǔn)直器的底座固定，因而質(zhì)量移動(dòng)改變FP 腔長(zhǎng)，調(diào)制干涉信號(hào)。干涉信號(hào)通過同步正交解調(diào)方式，提取兩路正交信號(hào)，并通過卡爾曼濾波和橢圓最小二乘擬合以提取干涉相位信息，進(jìn)而解調(diào)出地震信號(hào)。iSISMO 的質(zhì)量位移噪聲為64 pm @ 2 mHz～100 mHz 和124 pm @ 1 mHz～50 Hz，其最大位移測(cè)量極限為5 mm。iSISMO 的單分量版本安裝在法國南部地下低噪聲實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)測(cè)試其噪聲在0.3～5.0 Hz 內(nèi)小于在0.15～20.00 Hz 內(nèi)小于并解決了6 s 低頻測(cè)量的問題，如圖10 所示。iSISMO 在2012年觀測(cè)到的蘇門答臘8.7 級(jí)地震顯示其可以觀測(cè)到250 s 的低頻噪聲，觀測(cè)能力媲美STS2 GAS。該地震儀的三分量版本已安裝在近海地區(qū)，并在布列塔尼海上試驗(yàn)基地進(jìn)行海試。近幾年的地震觀測(cè)記錄均表明其能觀測(cè)遠(yuǎn)震和區(qū)域性地震。

圖8 光纖非本征Fabry-Perot 干涉地震儀的結(jié)構(gòu)及其噪聲本底Figure 8 Fiber-optic extrinsic Fabry-Perot interferometer’s structure and its noise floor

LINES 項(xiàng)目中的ESEO 集團(tuán)在2020年報(bào)道將光纖干涉式地震儀用于觀測(cè)瓜德羅普島的蘇弗雷火山，通過近實(shí)時(shí)的地震觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)火山活動(dòng)的長(zhǎng)期精確監(jiān)測(cè)[52]。該地震儀的單分量結(jié)構(gòu)和光學(xué)詢問測(cè)量方法如同iSISMO。該地震儀由3 個(gè)10 Hz 的無源檢波器作為傳感器，并安裝有參考終端。該地震儀安裝在靠近火山口的CSC 基站，且附近布置了不同類型的傳感器，形成一個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。由其觀測(cè)記錄表明，CSC 中的光纖地震儀具有和參考儀器Trillium 匹配的地震觀測(cè)能力，可以測(cè)量P 波到達(dá)之前的微地震背景噪聲。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所為解決位移型光纖地震儀固有頻率和低頻地震觀測(cè)的噪聲極限問題，提出采用質(zhì)量位移譜對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估[11]。將NLNM 作為地震儀加速度觀測(cè)的噪聲極限，通過拾振結(jié)構(gòu)傳遞為質(zhì)量塊的位移為

式中：XNLNM為NLNM 對(duì)應(yīng)的質(zhì)量位移；aNLNM為NLNM 的加速度噪聲；ω0為光纖地震儀的固有角頻率；ω為地震觀測(cè)的頻率；ξ為光纖地震儀的阻尼比；λ為激光器的激光波長(zhǎng)。通過與解調(diào)系統(tǒng)的噪聲估計(jì)，設(shè)計(jì)滿足工作頻率內(nèi)的NLNM 和解調(diào)系統(tǒng)的光纖地震儀結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。根據(jù)質(zhì)量位移譜所分析的對(duì)固有頻率的要求，設(shè)計(jì)矩形膜片-質(zhì)量塊拾振結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并使用光纖準(zhǔn)直器和反射鏡以設(shè)計(jì)光纖F-P 干涉儀，搭配PGC 解調(diào)技術(shù)優(yōu)化光路噪聲。所設(shè)計(jì)的光纖FP 地震計(jì)，其自噪聲水平在0.16～50.00 Hz 范圍內(nèi)低于NHNM，平均自噪聲水平為

圖9 質(zhì)量位移譜和F-P 地震儀的結(jié)構(gòu)[11]Figure 9 Mass displacement spectrum and the F-P seismograph’s structure

在位移型光纖地震儀的研究中，拾振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要十分精巧，以通過各種精巧的力學(xué)傳遞方式獲得較低的固有頻率，這也給設(shè)計(jì)和加工帶來了許多困難。為了實(shí)現(xiàn)低頻的地震觀測(cè)，正如加州大學(xué)圣地亞哥分校的iSTS1 和法國LINES 項(xiàng)目的iSISMO 地震儀，利用一些傳統(tǒng)的電學(xué)反饋地震計(jì)的固有頻率低的地震擺或其他類型的拾振結(jié)構(gòu)，從中移除電子元件，使用光學(xué)元件替換，從而通過光學(xué)測(cè)量質(zhì)量塊位移。因而，改造或設(shè)計(jì)傳統(tǒng)地震儀的擺結(jié)構(gòu)，再搭配低噪聲寬頻帶的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，是位移型光纖地震儀發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3 應(yīng)變型光纖地震儀

3.1 應(yīng)變型光纖地震儀基本原理及面臨的問題

地震觀測(cè)中不僅需要加速度型和位移型光纖地震儀監(jiān)測(cè)地震事件、測(cè)量大地介質(zhì)的地震波信號(hào)，也需要應(yīng)變型光纖地震儀測(cè)量地殼形變、應(yīng)力、固體潮。應(yīng)變型光纖地震儀的發(fā)展，對(duì)地震監(jiān)測(cè)、地震前兆觀測(cè)、大地測(cè)量等領(lǐng)域都具有重要的意義。應(yīng)變型地震儀主要包括光纖光柵型、光纖干涉型和分布式光纖型等三種類型。應(yīng)變型地震儀一般通過剛性殼與基巖固定，如圖10 所示的高精度光纖光柵應(yīng)變型地震儀所示。當(dāng)?shù)貧?yīng)變發(fā)生變化時(shí)可耦合作用到應(yīng)變儀上，引起光纖拉伸或壓縮，光纖光柵波長(zhǎng)發(fā)生改變，通過高精度解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)以獲得應(yīng)變信號(hào)。為保證測(cè)量精度，溫度參考補(bǔ)償是應(yīng)變型光纖地震儀必須考慮的。現(xiàn)有的高精度解調(diào)系統(tǒng)技術(shù)有掃頻探測(cè)、Pound-Drever-Hall（PDH）、閉環(huán)輪詢式探測(cè)技術(shù)等[14,53]。

圖10 光纖布拉格光柵應(yīng)變儀和溫度傳感器的結(jié)構(gòu)原理[54]Figure 10 Structure principle of the FBG strainmeter and temperature sensor

由于地震形成過程的地殼形變信息一般為低頻信號(hào)或靜態(tài)信號(hào)，因而應(yīng)變型光纖地震儀要實(shí)現(xiàn)低頻或準(zhǔn)靜態(tài)的高精度應(yīng)變測(cè)量，要求應(yīng)變分辨率至少要達(dá)到甚至優(yōu)于10?9ε[55]。同時(shí)，應(yīng)變型光纖地震儀作為地殼應(yīng)變測(cè)量的儀器，在測(cè)量地震波上也展現(xiàn)出其觀測(cè)能力，因而研究應(yīng)變地震儀與地震波的傳遞函數(shù)關(guān)系是很重要的[56]。但目前關(guān)于應(yīng)變型光纖地震儀的研究，未涉及與地震波之間的傳遞函數(shù)。在地殼形變觀測(cè)中，應(yīng)變型光纖地震儀對(duì)環(huán)境干擾敏感，一般可將其放置于安靜的山洞或埋入鉆孔中進(jìn)行觀測(cè)。提高應(yīng)變型光纖地震儀的環(huán)境適應(yīng)性，也是非常重要的。除此之外，溫度和激光器頻率漂移引入的噪聲，會(huì)干擾應(yīng)變分辨率和測(cè)量精度。故設(shè)計(jì)高精度的溫度和激光頻率波動(dòng)的參考補(bǔ)償方案、擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)所、研究光纖應(yīng)變地震儀和地震波的傳遞函數(shù)，是應(yīng)變型光纖地震儀發(fā)展中所關(guān)注的問題和方向。

3.2 應(yīng)變型光纖地震儀研究進(jìn)展

光纖干涉儀最早用于地殼形變觀測(cè)，美國加州大學(xué)自20 世紀(jì)80年代起，一直研發(fā)干涉式的應(yīng)變型光纖地震儀。1988年，首次采用百m 量級(jí)的單模光纖干涉儀結(jié)合干涉式相位解調(diào)技術(shù)測(cè)到了地球潮汐信號(hào)[57]，應(yīng)變測(cè)量噪聲水平約為10?7ε@ mHz 量級(jí)、測(cè)量頻帶可達(dá)μHz。由于光纖本身的溫度敏感性，其折射率溫度系數(shù)為10?5/?C，容易在低頻發(fā)生漂移，引起低頻應(yīng)變誤差。該團(tuán)隊(duì)給出了溫度/應(yīng)變交叉響應(yīng)模型并分析了激光光源、溫度波動(dòng)、最大應(yīng)變率的相關(guān)影響[58]，其采用Michelson 干涉儀發(fā)展的正交條紋解調(diào)技術(shù)，解決偏振和調(diào)制深度等擾動(dòng)引起的非線性問題。2013年和2015年所報(bào)道的250 m 干涉式鉆孔應(yīng)變儀，應(yīng)變測(cè)量噪聲為10?8ε@ mHz、10?11ε@ 1 Hz 量級(jí)[12,59]。2018年，采用不同溫度系數(shù)的光纖搭建兩對(duì)等臂Michelson 干涉儀，并結(jié)合正交條紋解調(diào)技術(shù)用于記錄傳感光纖長(zhǎng)度的雙向變化[60]，如圖11 所示。不同溫度系數(shù)的光纖具有相同的應(yīng)變響應(yīng)和不同的熱響應(yīng)，因而可以實(shí)現(xiàn)溫度的參考補(bǔ)償。該干涉式的應(yīng)變型光纖地震儀安裝在卡斯卡迪亞俯沖帶的1 900 m 深處，在潮汐頻率下應(yīng)變與靜水壓力的響應(yīng)系數(shù)為?101 nε/m，其具備作為海洋大地傳感器的潛力。然而，在海底俯沖帶錨定光纖位置，要保證與環(huán)境的充分耦合，也要防止水流等噪音。環(huán)境噪聲是限制其觀測(cè)精度的主要因素。

圖11 光纖應(yīng)變儀[60]Figure 11 Optical fiber strainmeter

為了提高低頻的應(yīng)變測(cè)量極限，意大利光學(xué)研究所利用頻率超穩(wěn)的光學(xué)頻率梳（optical frequency comb, OFC）和氣體室來降低PDH 鎖頻光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)變?cè)肼曀絒4]，如圖12 所示。該技術(shù)大大降低了由激光頻率/相位噪聲引起的系統(tǒng)噪聲，獲得的超低應(yīng)變?cè)肼曀?。但隨著測(cè)量頻率的降低，由于達(dá)到熱噪聲極限的影響，其mHz 以下低頻噪聲水平并不佳。該技術(shù)突破了一般應(yīng)變測(cè)量的量級(jí)水平，將應(yīng)變測(cè)量精度提高到fε量級(jí)，且具備大規(guī)模組網(wǎng)能力。

圖12 基于光頻梳的低噪聲光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)及其噪聲[4]Figure 12 Low noise fiber Bragg grating strain sensing system based on optical frequency comb and its noise

法國格勒諾布爾大學(xué)[61]、日本東京大學(xué)[62]、法國圖盧茲國立理工學(xué)院[63]等單位也分別采用穩(wěn)態(tài)波積分傅里葉變換光譜儀、PDH 鎖頻傳感、鎖相環(huán)解調(diào)和自適應(yīng)濾波橢圓非線性校正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的應(yīng)變傳感研究。

上海交通大學(xué)和中科院半導(dǎo)體研究所在高精度光纖光柵的應(yīng)變地震傳感方面提出了多種解決方案，結(jié)合PDH 鎖頻、光學(xué)抑制載波單邊帶（suppressed carrier single sideband,SSB-SC）調(diào)制器、光纖隨機(jī)激光器等方式，抑制激光器低頻頻率噪聲并補(bǔ)償環(huán)境溫度影響，均可實(shí)現(xiàn)10?9ε量級(jí)的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量[64-70]。

2015年，上海交通大學(xué)研究人員報(bào)道使用π-FBG 作為應(yīng)變傳感元件，使用光纖環(huán)作為參考元件[71]。將π-FBG 固接在兩個(gè)插在基巖上的不銹鋼錨之間，光纖環(huán)放置于π-FBG 附近。使用PDH 技術(shù)對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行傳感詢問，并結(jié)合強(qiáng)度調(diào)制邊帶探測(cè)的解調(diào)方式獲得地殼應(yīng)變信息?；讦?FBG 的光纖應(yīng)變地震儀可以測(cè)得潮汐信號(hào)，與伸縮應(yīng)變計(jì)一樣所測(cè)的應(yīng)變具有相同變化趨勢(shì)，但由于兩者基線長(zhǎng)度不一致，因而出現(xiàn)幅度差異。伸縮應(yīng)變計(jì)的基線長(zhǎng)度為38 m，而光纖應(yīng)變地震儀的基線長(zhǎng)度為1 m，表明光纖應(yīng)變地震儀具有高精度的應(yīng)變測(cè)量能力。

2015—2021年，中科院半導(dǎo)體所用FBG 研制高精度光纖光柵應(yīng)變地震傳感器用于地震前兆觀測(cè)中[69-70,72]。傳感FBG 通過不銹鋼外殼與基巖耦合，感知地殼變形和溫度變化。作為溫度測(cè)量的FBG 放置于傳感FBG 附近作為溫度補(bǔ)償。通過對(duì)波長(zhǎng)偏移進(jìn)行解調(diào)，獲得地殼的應(yīng)變信息。其觀測(cè)記錄如圖13 所示，該應(yīng)變地震儀可以記錄固體潮信號(hào)，具有較高的采樣率和應(yīng)變分辨率。此外，還可以記錄地震信號(hào)，通過主波、震動(dòng)波和面波可以精確判斷時(shí)間差以確定震源的距離。

圖13 基于FBG 的光纖應(yīng)變地震儀地震記錄Figure 13 Recorded earthquake using fiber strain seismograph based on FBG

在地震前兆觀測(cè)中，由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，單一應(yīng)變測(cè)量已經(jīng)不能滿足觀測(cè)的需要。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在應(yīng)變型光纖地震儀的研究基礎(chǔ)上，提出了多參量地震綜合觀測(cè)技術(shù)[15,73]，通過光纖光柵諧振腔的不同封裝，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)應(yīng)變、地震、溫度的多參量同步測(cè)量，可以同時(shí)記錄固體潮、地震波以及環(huán)境溫度擾動(dòng)。

近幾年，分布式應(yīng)變型光纖地震儀也用于天然地震監(jiān)測(cè)，如美國加州州立大學(xué)研究人員使用分布式聲傳感（distributed acoustic sensing, DAS）監(jiān)測(cè)光纖中反向散射光的變化，以獲取應(yīng)變和地震信號(hào)。2017年，他們使用DAS 測(cè)量了鉆孔中mHz 以下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，并測(cè)量了振幅小于1 nm 的鉆孔裂縫位移[74]。2019年，他們利用DAS 在深部鉆孔中測(cè)量地球潮汐，實(shí)現(xiàn)了μHz 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量[75]。德國地球科學(xué)研究中心將DAS 應(yīng)用于觀測(cè)斷層和裂谷的結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)時(shí)空上的密集觀測(cè)[76]。該系統(tǒng)還可以探測(cè)天然地震和人工震源的地震信號(hào)，性能可媲美寬頻帶地震儀，響應(yīng)頻段為0.10～100.00 Hz。美國加州大學(xué)伯克利分校將DAS 和現(xiàn)有海底光纜結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋和地球的觀測(cè)[1,77]。

由于光學(xué)損耗的存在，DAS 探測(cè)范圍受限于百km。因此，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室使用頻率計(jì)量技術(shù)，提出了利用現(xiàn)有海底電信光纖實(shí)現(xiàn)超過萬km 的光纖地震探測(cè)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)水下地震實(shí)時(shí)檢測(cè)的全球地震網(wǎng)絡(luò)[3]，如圖14(a) 所示。使用計(jì)量級(jí)激光器產(chǎn)生相位穩(wěn)定的激光，并將其注入由一對(duì)光纖組成的標(biāo)準(zhǔn)地面或海底光纖鏈路中，不同的光纖用于不同的傳播方向。光纖在鏈路的遠(yuǎn)端連接形成環(huán)路，使光在往返后返回發(fā)射機(jī)。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，會(huì)誘發(fā)反射光信號(hào)相位變化。將注入和返回的光信號(hào)結(jié)合到一個(gè)光電探測(cè)器上，并測(cè)量它們的相位差，可以探測(cè)到當(dāng)?shù)睾瓦b遠(yuǎn)的地震。實(shí)驗(yàn)布置了79 km 的UK-L1 鏈路、75 km 的UK-L2 鏈路、535 km 的IT-L1 鏈路，記錄的地震信號(hào)如圖14(b) 所示?？梢姡陬l率計(jì)量技術(shù)的分布式應(yīng)變型地震傳感系統(tǒng)，具有使用萬km 的光纖鏈路進(jìn)行觀測(cè)的潛力。

圖14 用于地面和海底光纜地震探測(cè)的基于超穩(wěn)定激光干涉技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)[3]Figure 14 Network based on ultrastable laser interferometry for earthquake detection with terrestrial and submarine cables

中國在分布式應(yīng)變型光纖地震儀的研究甚少，尤其是超低頻DAS 傳感技術(shù)的應(yīng)用研究尚不多見。由于背向散射激光相位測(cè)量技術(shù)本身的限制以及光纜對(duì)溫度的敏感性，目前DAS 系統(tǒng)在短期內(nèi)還很難將低頻噪聲做到與現(xiàn)有光纖干涉式和光纖光柵式相當(dāng)?shù)乃健?/p>

4 光纖旋轉(zhuǎn)地震儀

4.1 旋轉(zhuǎn)地震學(xué)的發(fā)展

在地震學(xué)中，地震波在地層介質(zhì)中傳播包括：平移運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和應(yīng)變[78]。線性彈性地震學(xué)在基于小變形和線性形變的假設(shè)下，忽略了幅值相對(duì)較小的地震旋轉(zhuǎn)量，僅考慮了幅值較大的地震平移分量。但事實(shí)是，地震的旋轉(zhuǎn)特性客觀存在，在過去幾個(gè)世紀(jì)中一直有人在研究地震的旋轉(zhuǎn)特性。1783年在意大利Calabria 的地震中，兩根方尖塔柱的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象是目前已知最早的旋轉(zhuǎn)地震記錄[79]。1969年，Kharin 和Simonov[80-81]基于該原理制造了一個(gè)雙擺系統(tǒng)，并在一次強(qiáng)震中記錄下地震的平移運(yùn)動(dòng)分量和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分量。此后又有學(xué)者對(duì)地震近場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)分量比經(jīng)典彈性理論估計(jì)的幅值高出1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)[82]。建成于2001年10 月5 日的環(huán)形激光陀螺儀G-ring 位于德國Bavaria 的Wettzell 大地觀測(cè)站，捕獲到2003年9 月25 日發(fā)生于日本北海道的Tokachi-oki 地震(M 8.1)，研究者們對(duì)地震的平移分量和旋轉(zhuǎn)分量進(jìn)行了對(duì)比，這是首次報(bào)道有關(guān)由遠(yuǎn)處大地震引起的繞垂直軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與平移運(yùn)動(dòng)形態(tài)一致的觀測(cè)記錄[83]。Hudnut 和Evans 等于2006年2 月16 日組織召開了一個(gè)關(guān)于旋轉(zhuǎn)地震學(xué)的小型研討會(huì)。研討會(huì)后，Evans 和Lee 與幾個(gè)國家積極研究旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的小組成立了國際旋轉(zhuǎn)地震學(xué)工作組（international working group on rotational seismology, IWGoRS）,以促進(jìn)研究旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及其應(yīng)用, 并分享了基于公開網(wǎng)的環(huán)境下所得的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)、軟件和結(jié)果等[84]。在眾多學(xué)者的共同努力下，旋轉(zhuǎn)地震的研究進(jìn)一步向前推進(jìn)，并被廣泛運(yùn)用于地震學(xué)、地震工程學(xué)和大地測(cè)量學(xué)等領(lǐng)域。

4.2 光纖旋轉(zhuǎn)地震儀基本原理及面臨的問題

目前絕大部分光纖旋轉(zhuǎn)地震儀是由光纖陀螺改進(jìn)而成的，由于光纖陀螺具有僅對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)敏感、無運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子、頻譜響應(yīng)平坦、便攜可靠等特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢(shì)。基于光纖陀螺的光纖旋轉(zhuǎn)地震儀的原理是基于Sagnac 效應(yīng)，即同一束光波經(jīng)過分束/合束器后在光纖回路中相向傳輸，再經(jīng)過分束/合束器形成干涉。其中兩束光的干涉相位差與旋轉(zhuǎn)角速率存在以下關(guān)系：

式中：L為光纖長(zhǎng)度；R為光纖環(huán)的半徑；λ為光源的波長(zhǎng)；c為真空中的光速。

為了使干涉相位差僅包含Sagnac 相移，需要讓兩束光以同樣的傳播模式在相同光路中傳輸，并以相同的偏振態(tài)進(jìn)行干涉。因此光纖陀螺需要滿足單?；ヒ仔浴Ⅰ詈掀骰ヒ仔院推窕ヒ仔詶l件。其中單?；ヒ仔钥刹捎脝文９饫w繞制光纖環(huán)，耦合器互易性可采用環(huán)形器或者雙耦合器結(jié)構(gòu)解決。

偏振互易性，是指光纖制作不完美、環(huán)境擾動(dòng)等情況所導(dǎo)致兩束光會(huì)受到偏振耦合誤差的影響。目前絕大部分光纖陀螺采用保偏或消偏的經(jīng)典最小互易結(jié)構(gòu)，以此減小偏振串?dāng)_誤差的影響。但這兩種單偏振光纖陀螺結(jié)構(gòu)，本質(zhì)是對(duì)光進(jìn)行偏振濾波。在高精度化的過程中，對(duì)光波偏振態(tài)的濾波純凈化愈發(fā)嚴(yán)格，這就對(duì)偏振態(tài)的控制提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

光纖旋轉(zhuǎn)地震儀還面臨著環(huán)境適應(yīng)性難題。光纖是一種對(duì)環(huán)境十分敏感的波導(dǎo)器件，光纖折射率、偏振等性質(zhì)易受到環(huán)境磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力應(yīng)變等影響，基于傳統(tǒng)最小互易結(jié)構(gòu)的單偏振光纖陀螺不得不對(duì)環(huán)境適應(yīng)性做出一系列的屏蔽或補(bǔ)償措施。針對(duì)環(huán)境溫度的變化，光纖陀螺將光纖環(huán)采取對(duì)稱的繞制方式，如四級(jí)對(duì)稱、八級(jí)對(duì)稱等。對(duì)稱級(jí)數(shù)越高即相向傳輸?shù)墓饨?jīng)歷的耦合作用更加互易，可以有效抑制溫度變化引起的Shupe 效應(yīng)等噪聲。但這種多級(jí)對(duì)稱繞制過程中會(huì)引入更多光纖間的扭、拉、壓等狀態(tài)，產(chǎn)生更多的應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)。因此基于傳統(tǒng)最小互易結(jié)構(gòu)的單偏振光纖陀螺面臨著環(huán)境適應(yīng)性的巨大難題。另外對(duì)于磁場(chǎng)，目前的措施主要是施加磁屏蔽保護(hù)罩，但這又會(huì)加大光纖陀螺儀的成本與體積。

4.3 光纖旋轉(zhuǎn)地震儀研究進(jìn)展

Bernauer 等[85]和Sollberger、Igel 等[86]提出應(yīng)用于地震學(xué)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器必須對(duì)平移運(yùn)動(dòng)不敏感、對(duì)溫度變化和磁場(chǎng)變化不敏感，且在頻段0.001～100.000 Hz 內(nèi)可測(cè)量到10?9rad/s 的旋轉(zhuǎn)信號(hào)；而在工程應(yīng)用領(lǐng)域，則需要在頻段0.01～100.00 Hz 內(nèi)量程達(dá)到1 rad/s 的量級(jí)[87]。這對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)地震儀的研究提出了指導(dǎo)方向。

目前國外光纖旋轉(zhuǎn)地震儀的研發(fā)主要集中在法國iXblue 公司、波蘭軍事技術(shù)學(xué)院、俄羅斯Fizoptika 公司。2016年iXblue 公司發(fā)布了三分量光纖地震儀BlueSeis-3A，這是首款面向旋轉(zhuǎn)地震方向的商用光纖陀螺儀，如圖15 所示。BlueSeis-3A 基于閉環(huán)保偏光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)，在安靜環(huán)境下測(cè)試得到其頻譜響應(yīng)在頻段0.001～50.000 Hz 范圍內(nèi)保持平坦，自噪聲水平為角度隨機(jī)游走為2019年發(fā)布的單分量光纖地震儀BlueSeis-1C，在10?3～102Hz 頻帶內(nèi)自噪聲達(dá)另外在其官網(wǎng)(http//www.blueseis.com/) 展示中的BlueSeis-1X 產(chǎn)品性能上更進(jìn)一步，在10?2～102Hz 范圍內(nèi)自噪聲可達(dá)

圖15 iXblue 公司的光纖旋轉(zhuǎn)地震儀Figure 15 Fiber optic rotational seismographs from iXblue

2012年，波蘭軍事技術(shù)學(xué)院Jaroszewicz 等[88]研制出了專門測(cè)量地面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的光纖旋轉(zhuǎn)地震儀AFORS-1，如圖16(a) 所示，其直徑為63 cm，實(shí)驗(yàn)證明了其精度可達(dá)5×10?9～5×10?8rad/s，測(cè)量帶寬為0.83～106.15 Hz。2018年新推出的FOSREM 系列[89]，見圖16(b)。其體積約為470 mm×360 mm×230 mm，光纖長(zhǎng)度為5 km，旋轉(zhuǎn)量測(cè)量范圍達(dá)2×10?8～1×101rad/s，測(cè)量頻帶擴(kuò)展為0.001～328.120 Hz。所采用的是基于補(bǔ)償相位測(cè)量方法和特定電子系統(tǒng)的閉環(huán)配置，該產(chǎn)品成熟度較高，十分適用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的直接測(cè)量。

圖16 Jaroszewicz 等研制的光纖旋轉(zhuǎn)地震儀Figure 16 Fiber optic rotations seismographs by Jaroszewicz et al.

國內(nèi)研究光纖陀螺的高校和研究所較多，主要研發(fā)單位有北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、航天科工集團(tuán)三院33 所、浙江大學(xué)、航空618 所、中科院西安光機(jī)所、北京大學(xué)等，分別為光纖陀螺領(lǐng)域貢獻(xiàn)了各自的研究力量。但針對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)地震儀的研究機(jī)構(gòu)則相對(duì)較少，北京大學(xué)在該領(lǐng)域開展了較多工作。

北京大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)[90]提出的基于雙偏振光纖陀螺的旋轉(zhuǎn)地震儀，如圖17 所示，通過多功能光集成芯片（MIOC）完成對(duì)光的起偏、分束和調(diào)制，然后利用偏振分束/合束器（PBS/C）將兩個(gè)偏振態(tài)的光合束形成雙偏振光。雙偏振光進(jìn)入光纖環(huán)傳輸后再由PBS/C 和MIOC 將偏振態(tài)恢復(fù)，在光電探測(cè)器PD1 和PD2 中分別獲得兩個(gè)正交單偏振態(tài)的干涉光強(qiáng)輸出?？梢钥闯?，雙偏振結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是將兩個(gè)偏振模式都加以利用。該研究發(fā)現(xiàn)了其中的偏振耦合誤差互補(bǔ)效應(yīng)，打破了最小互易結(jié)構(gòu)的束縛，是在光纖陀螺理論上的一項(xiàng)創(chuàng)新。雙偏振光纖陀螺中將兩種偏振態(tài)都加以利用，并且由于兩種偏振模式的光學(xué)偏振耦合誤差互補(bǔ)效應(yīng)，使光路中的偏振耦合誤差可以由兩個(gè)偏振態(tài)的輸出疊加進(jìn)行抵消，因此在噪聲抑制方面具有很多優(yōu)異的特性。

圖17 基于雙偏振光纖陀螺結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)地震儀Figure 17 Rotational seismograph based on dual polarization fiber optic gyroscopes

2017年，羅榮亞等[91]針對(duì)雙偏振光纖陀螺中的溫度誤差及其補(bǔ)償開展了進(jìn)一步研究。該研究從微觀的角度分析了熱致應(yīng)力引入的偏振非互易誤差，研究了光纖傳播常數(shù)和偏振交叉耦合系數(shù)與溫度變化之間的關(guān)系。該工作研究對(duì)比了基于保偏和單模環(huán)的雙偏振光纖陀螺，分析了熱致應(yīng)力與環(huán)內(nèi)預(yù)應(yīng)力的疊加在強(qiáng)耦合環(huán)與弱耦合環(huán)中的區(qū)別，得出了溫度變化與熱致偏振非互易誤差之間的物理過程。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱致應(yīng)力引起的偏振非互易誤差在強(qiáng)耦合環(huán)和弱耦合環(huán)中都能有效補(bǔ)償，如圖18(a) 所示。2017年，劉攀等[92]研究了沿光纖徑向的磁場(chǎng)引起的偏振非互易誤差可以通過雙偏振光纖陀螺的光學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18(b) 所示，結(jié)果表明，雙偏振結(jié)構(gòu)的光學(xué)補(bǔ)償機(jī)制能夠顯著降低磁致非互易相位誤差。針對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的誤差，光纖陀螺需要實(shí)現(xiàn)其性能對(duì)環(huán)境的不敏感度。特別地，雙偏振光纖陀螺對(duì)于溫度和磁場(chǎng)的敏感度大大減小，意味著雙偏振光纖陀螺在環(huán)境擾動(dòng)中有更穩(wěn)定的輸出性能表現(xiàn)。

圖18 雙偏振光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 18 Experimental results of environmental adaptability of dual polarization fiber optic gyroscopes

除此之外，雙偏振光纖陀螺兩個(gè)偏振態(tài)的輸出互為參考信號(hào)，在消除光源相對(duì)強(qiáng)度噪聲方面也具有天然的去噪優(yōu)勢(shì)。2020年，何動(dòng)等[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在8 h 的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，雙偏振陀螺的角度隨機(jī)游走和自噪聲都降低到原有水平的八分之一左右。如圖19 所示，兩個(gè)偏振態(tài)單獨(dú)的輸出PD1 和PD2 即為傳統(tǒng)單偏振陀螺的輸出，由兩個(gè)偏振態(tài)的耦合關(guān)系可知，進(jìn)行雙偏振補(bǔ)償后噪聲得到了明顯抑制。

圖19 雙偏振光纖陀螺結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的抑制Figure 19 Noise suppression by dual-polarization fiber optic gyroscopes

不同類型的地震儀具有各自的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)、存在問題以及應(yīng)用領(lǐng)域。表1 總結(jié)了加速度型、位移型、應(yīng)變型、旋轉(zhuǎn)型四種光纖地震儀。

表1 各類光纖地震儀的對(duì)比Table 1 Comparison of various optical fiber seismographs

5 結(jié) 語

光纖地震儀是光纖傳感技術(shù)在地震觀測(cè)和地球物理領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，其傳感結(jié)構(gòu)和傳輸鏈路中均不包含電子器件，可作為滑坡、深井、火山等極端環(huán)境的新型地震觀測(cè)儀器。然而，光纖地震儀在地球物理勘探和地震觀測(cè)的應(yīng)用上，仍存在拾振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)研究、噪聲水平抑制、頻帶拓寬等方面的問題。本文綜述了加速度型、位移型、應(yīng)變型、旋轉(zhuǎn)型四種光纖地震儀，包括其基本原理、進(jìn)展情況以及面臨的問題。

加速度型光纖地震儀在油氣勘探應(yīng)用中有成熟的產(chǎn)品、并獲得了成功的應(yīng)用，然而在天然地震波觀測(cè)中其低頻性能尚有待進(jìn)一步提升，寬頻帶加速度型光纖地震儀的研發(fā)是重要發(fā)展方向；同時(shí)，加速度型光纖地震儀還在軌道交通安全監(jiān)測(cè)與高分辨率地下空間結(jié)構(gòu)成像等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有位移型地震儀普遍借鑒傳統(tǒng)電學(xué)地震儀的擺來實(shí)現(xiàn)低頻高靈敏度響應(yīng)，這對(duì)低固有頻率的拾振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有啟發(fā)意義。因而，利用傳統(tǒng)的地震擺，結(jié)合低噪聲寬頻帶的光學(xué)解調(diào)系統(tǒng)，位移型光纖地震儀有望實(shí)現(xiàn)低頻低噪聲地震波探測(cè)，自噪聲水平可以達(dá)到甚至低于NLNM 或GSN。應(yīng)變型光纖地震儀測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)形變儀相當(dāng)水平，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性是有待攻克的重點(diǎn)內(nèi)容；同時(shí)，應(yīng)變型光纖地震儀作為一種新型地震儀，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)尚不清晰，這也是這類儀器走向應(yīng)用所面向的重要理論問題。分布式應(yīng)變型光纖地震儀適用于高密度極端環(huán)境的地震監(jiān)測(cè)，趨向于往監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。光纖旋轉(zhuǎn)地震儀的結(jié)構(gòu)大多是基于光纖陀螺的設(shè)計(jì)，存在偏振態(tài)控制、溫度補(bǔ)償、磁屏蔽等問題?；陔p偏振光纖陀螺的光纖旋轉(zhuǎn)地震儀不僅打破最小互易結(jié)構(gòu)的束縛，還具有抵抗環(huán)境擾動(dòng)的穩(wěn)定輸出能力，在噪聲抑制、溫度補(bǔ)償、抗磁干擾等展現(xiàn)出優(yōu)異性能；在未來的發(fā)展中，其將逐步用來對(duì)旋轉(zhuǎn)地震進(jìn)行探測(cè)，甚至走向工程化研究與應(yīng)用。因而，低成本、高精度、高靈敏度是光纖旋轉(zhuǎn)地震儀的未來發(fā)展方向。特別地，旋轉(zhuǎn)分量與平動(dòng)分量結(jié)合的六分量地震觀測(cè)儀器是地震科學(xué)研究的重要發(fā)展方向。