BOB半岛:地震监测的新方案分布式光纤传感器的研究现状及制备

　　2023年8月6日2时33分，山东省德州市平原县发生5.5级地震。全国人民的视线聚焦在山东，那是否有什么技术能准确预警到地震的到来？

　　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，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。

　　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或者恒温 系统来维护设备运行；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。

　　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。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。

　　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。

　　DAS 率先在地震勘探领域中得到应用，之后逐渐推广到其他地震学研究领域中；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、浅层结构成像、介质变化监测等方面的应用，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。

　　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：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；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，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，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；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；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。

　　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。在海上试验领域，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；

　　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。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。

　　光纤传感器的制备也是这项技术密不可分的关键点，上海津镭光电推出的飞秒激光直写光纤光栅设备可以制备多种光纤传感器件，助力于这项技术的发展。