CN103033842A - 时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，系统使用超辐射宽普脉冲调制光源，利用基于光纤光栅的传感头阵列采集地震波信息，采用波导式非平衡M-Z解调系统对地震波信息进行实时解调，用光电探测器系统接收解调信号兵进行处理，得到地震波分量信息，并用OTDR系统对地震源进行定位。本发明具有精度高、动态范围大等优点，利用本方案可以实现对地震波的实时监测和高精度定位。

Description

时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统

技术领域

本发明涉及基于光纤光栅振动传感器技术领域，包括光纤光栅传感器波长解调技术领域及光纤定位系统技术领域，具体涉及一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统。

背景技术

 地震时一种突发性、破坏性极大的自然灾害，一次强烈的地震会在数秒或几分钟内造成建筑倒塌、设施损毁、交通堵塞、堤坝决口坍塌，强烈的地震不仅直接造成巨大破坏，同时还导致多种次生灾害，诸如火灾、水灾、山崩、海啸等，造成人员伤亡，给人类带来巨大的生命财产与经济损失，影响社会稳定发展。 地震的预报是十分困难的，地震预测方法与技术涉及到许多科技领域。目前所开展的地震前兆观测对象与方法有：地震活动性、地壳形变、地下水、地电、地磁、地应力应变、气象、诱发因子、生物与宏观异常等十几类近百种。地震波监测就属于地震活动性观测的重要内容之一，通过地震波监测可以确定地震源方位，离地深度，地震强度，地震波频率、相位及发生时间，进而反演地层结构以及掌握地震活动规律等。它不仅可以为地震预报提供决策依据，同时，通过对地震波的监测，为地震灾害预警提供几秒乃至几十秒的时间差，让受灾者能得到及时疏散，重大生命线工程可及时关闭。因此，对地震波的监测对于地震观测、地震预报及地震预警具有特别重要的意义。

光纤地震波监测是众多地震波监测方法之一，是近年发展起来的一项先进的光纤传感技术。比较于传统的变磁通式、变磁阻式、压电式和涡流式等加速度地震检波器乃至最近比较热门的基于MEMS的地震检波器以及其它光电地震波检波器（光栅数字地震波检波器，激光多普勒地震波检波器）来，光纤地震波传感器具有：（1）灵敏度高；（2）抗强电磁干扰、耐腐蚀、在易燃、易爆环境下安全可靠；(3)工作频带宽、动态范围大；（4）传感部分体积小，形状适应性强；（5）特别适于远距离测量与传感信息的通信组网等特点。

理论上，光纤振动传感器的灵敏度高于常规传感器两个以上数量级（如光纤水听器），频率响应范围0Hz～数十KHz，而经过解调后的动态范围可达到140dB以上，远优于传统检波器。用于振动与加速度测量的光纤传感器的研究自70年代起就早已开始，但专门针对地震波监测的光纤传感器的研究还是近20年的事情。目前，所研究的光纤地震波传感器主要有迈克尔逊干涉型、马赫－曾德尔干涉型光纤加速度地震检波器、萨克勒克(Sagnac)地震旋转波传感器，多普勒光纤速度地震传感器、光纤光栅地震检波器等。2005年波兰Jaroszewicz等报导了一种Sagnac光纤地震旋转波传感器，其灵敏度在振动频率为20Hz时达到4.27x10-8rad/s 。同年，美国Zang.Yan等报导了应用光纤Bragg光栅对地震波的测量。2007意大利 Laudati 等报导一种一维的 Bragg 光纤光栅地震传感器，低频响应达到0.1Hz。2007年马超等报导了光纤Bragg光栅地震检波器的初步研究,其波长解调采用了边缘滤波的方法。2010年乔学光等报道了基于光源滤波的高精度光纤光栅地震检波解调系统。目前，国内外应用光纤技术对于地震波监测的研究还未有大的突破，国内外所进行的研究大多还处于早期单元器件阶段，主要解决传感器的结构设计，进行实时、多点测量，如何提高灵敏度、选择适合的频响范围、拓宽动态范围。

发明内容

本发明提出了一套基于光纤光栅的时分复用阵列式地震波实时监测系统，该系统具有精度高、动态范围大、分布式及实时性的特点，能够对地震波进行实时监测，实现地震预警。针对现有地震波检测系统技术的不足，包括精度不高、动态范围不大、不能定位及不具备实时性等。

本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：包括脉冲调制光源、用于采集地震波信息的光纤光栅传感器阵列、采用波导式非平衡M-Z解调系统对地震波信息进行实时解调的解调系统、对解调系统的解调信号进行接收并进行处理得到地震波分量信息的光电探测器、对地震源进行定位的OTDR系统、光纤环形器，所述光纤环形器的1端口连接脉冲调制光源，2端口连接光纤光栅的传感器阵列，3端口连接解调系统，所述解调系统连、光电探测器、OTDR系统、脉冲调制光源顺序连接。

上述方案中，脉冲调制光源采用超辐射宽普脉冲光源，包括分布式传感头部分，脉冲在整个系统中来回一次的时间约为0.1ms，连续发射的脉冲在系统中不发生重叠，将脉冲光源的脉冲周期设置为0.1ms，系统工作时，只有一个脉冲波在系统中传播，保证信号间无干扰，系统中所用光纤光栅传感器阵列的光纤光栅光谱范围为1525nm~1565nm，脉冲调制光源的中心波长为1550nm，谱宽大于20nm，脉冲峰值功率大于10mw。

上述方案中，所述传感器阵列采用光纤光栅传感器整列，所述传感器整列中光纤光栅的中心波长为1525 nm~1565 nm，系统中所用光纤光栅的谱宽小于0.8nm，峰值反射率大于80%。

上述方案中，所述解调系统采用波导式非平衡M-Z解调系统，系统的脉冲周期为0.1ms，脉冲周期等间隔分割为50个时隙，每个时隙为0.002ms，每个时隙对应一个布拉格反射谱峰，解调系统的解调速率大于0.5MHZ，光纤光栅传感器整列反射回来的信号经过解调系统，使得每个独立的布拉格谱的中心波长与解调系统的相位差线性相关，表现为解调后输出的信号强度的强弱。

上述方案中，光纤光栅传感器阵列反射回的光信号经过波导式非平衡M-Z解调系统后将波长解调为光强的强度信息，光电探测系统将解调出的光强度信息转变为电信号，当受到光纤光栅传感阵列收到地震动应力的影响，对应收到应力影响的光栅的反射谱便会发生漂移，表现为光纤光栅传感器反射谱中心波长的变化，经过解调系统，得到在应力下传感阵列的反射谱，通过解调系统和光电探测系统即可以得到每个光纤光栅传感器阵列的传感头在地震动应力作用下对应的波长漂移量，并将解调后检测到的信号作为探测信号，经光电转换后转化为电信号。

上述方案中，所述光电探测器系统将检测到的光强信号经光电转换后变为电信号，输入到信号处理系统进行处理，根据光电探测器检测到的波长漂移量信息，经过信号处理得到地震波信号的应力信息，应力信息包括地震波的振动幅度和振动频率等信息，脉冲调制光源的每次脉冲实现对地震波信息的一次采样，所述系统的解调系统对采样信息解调一次，得到地震波信息分量，经信号处理得到恢复的地震波信息，反射谱经解调后的强度信息叠加在了OTDR系统所采集到的信号中，通过解调后反射谱的强度变化的位置点，OTDR得到地震动产生应力导致轻度变化的位置信息，从而实现对地震波的定位。

因为本发明采用以上技术方案，所以具备以下有益效果：

本发明实现了将时分复用技术、分布式技术及光时域反射仪定位技术和非平衡M-Z波导解调技术，使得该系统具有动态范围大、精度高的优点，并且可以实现分布式测量和易于集成，而且具有实时性的特点。

附图说明

图1是时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统

图2是系统中的传感头设计方案

图3是分布式传感头铺设方式

图4是波导式非平衡M-Z解调系统

图5是阵列式光纤光栅反射谱

图6是解调出的应力下光纤光栅反射谱

图7是信号处理系统的地震波采集曲线示意图

附图标示：图1中，SLD为超辐射宽普光源，R为光纤环形器，1、2、3为光纤环形器的三个端口，DM为波长解调系统，PD为光电探测系统；4为质量块，5为光纤光栅，6、7为弹簧，8、9为阻力系统；10为铺设的光纤光暖；图4（a）为波导式非平衡M-Z解调系统原理图，图4（b）为闭环工作原理。

具体实施方式

本发明提出了一套基于光纤光栅的时分复用阵列式地震波实时监测系统，该系统具有精度高、动态范围大、分布式及实时性的特点，能够对地震波进行实时监测，实现地震预警。针对现有地震波检测系统技术的不足，包括精度不高、动态范围不大、不能定位及不具备实时性等，本发明采用如下技术方案：

方案一：

如图1搭建一套本发明设计的地震波实时监测系统，为了采用时分复用技术，系统光源采用超辐射宽普脉冲光源（SLD），光源的光谱覆盖所有光纤光栅阵列的反射谱，脉冲周期相当于光波从光源发出经过光纤光栅（FBG）传感阵列后返回到信号处理系统的时间，光源的脉冲峰值功率要求较高的功率稳定性，这样可以减小由于光源的功率不稳定而造成的系统监测误差。

方案二：

如图2采用才有阻尼系统的传感头设计，传感头是基于光纤光栅的，将地震波信息以耦合方式传递给光纤光栅，转变为光纤光栅反射谱中心波长的漂移。本发明所设计的系统中的传感头设计中加入了经过详细分析分阻尼系统，可以增加传感系统的动态范围，能够更好的响应地震波信息。

方案三：

如图3设计由传感头组成的光纤光栅传感阵列，传感阵列中的每个传感头的中心波长均不同，并且反射谱没有重叠部分，所有传感头反射谱的叠加普范围不超过光源的光谱范围，该设计可以实现对地震波信息的分布式测量，且易于集成。

方案四：

如图4设计的光纤光栅波长解调系统，该解调系统是基于波导式非平衡M-Z系统，采用直流相位跟踪零差检测法，将零偏置点设置在π/2位置，并在闭环条件下工作，使得该系统具有更高的解调精度，并可以实现实时性解调。

方案五：

如图1本发明所设计的系统中，采用了光时域反射仪（OTDR）对地震波发生的位置进行定位，光纤光栅传感阵列的反射谱叠加在光时域反射仪的接收谱上，谱的变化可以反映出地震波发生的位置信息。

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述，具体步骤如下：

步骤一：

如图1搭建一套本发明设计的地震波实时监测系统，为了采用时分复用技术，系统光源采用超辐射宽普脉冲光源（SLD），光源的光谱覆盖所有光纤光栅阵列的反射谱，脉冲周期相当于光波从光源发出经过光纤光栅（FBG）传感阵列后返回到信号处理系统的时间，光源的脉冲峰值功率要求较高的功率稳定性，这样可以减小由于光源的功率不稳定而造成的系统监测误差。

如图1搭建本发明说设计的基于光纤光栅（FBG）的时分复用阵列式地震波实时监测系统，系统中光源使用超辐射宽普脉冲光源（SLD），根据所铺设的光纤路线总长度，包括分布式传感头部分（设为10km），则脉冲在整个系统中来回一次的时间约为0.1ms，要求连续发射的脉冲在系统中不发生重叠，将脉冲光源的脉冲周期设置为0.1ms，这样使得在系统工作时，只有一个脉冲波在系统中传播，保证信号间无干扰，从而实现时分复用。系统要求光源的光谱覆盖所有光栅阵列的叠加谱，且两个光栅反射谱之间无重叠，系统中所用光纤光栅光谱范围为1525nm~1565nm，所以要求宽普光源的中心波长为1550nm，谱宽大于20nm，脉冲峰值功率大于10mw。

步骤二：

宽普光源发出的脉冲光经过传输光纤由图1中的端口1进入环形器，由端口2出射到达基于光纤光栅的传感器阵列，传感器阵列分布如图3，传感器阵列中光纤光栅的中心波长从1525 nm~1565 nm（设所铺设的光纤为10 km，以200 m为间隔，铺设51个传感头组成的阵列），从第一个传感光栅开始，每个光纤光栅的中心波长为λ_i=1525nm+0.8×i nm（i=0、1、2…50，表示光纤光栅序列号），系统中所用光纤光栅的谱宽小于0.8nm（一般商用光纤光栅3dB带宽为0.2 nm~0.5 nm），峰值反射率大于80%。传感头设计时增加了阻尼系统，其响应频率可以达到10Hz~200Hz，基本覆盖了地震动的频率波动范围。

步骤三：

脉冲光从第一个传感头开始，依次到达每一个传感头，并在每个传感头形成反射，反射回一部分脉冲光，在无应力作用下整个传感阵列叠加的反射谱可以表示为图5的形式，每个独立的布拉格反射谱的谱形几乎相同，具有几乎相同的谱宽，只有中心波长不同，叠加普表现为一排连续的、无重叠的布拉格反射谱。

步骤四：

由光纤光栅传感阵列反射回的光信号经过传输光纤经端口2到达环形器，并由端口3出射到达波长解调系统，本发明所设计的系统中采用的波长解调方案是基于波导式非平衡M-Z解调系统，与光纤式非平衡M-Z解调系统相比，波导式具有稳定的分束比、传输的信号稳定性更高、具有高的耦合效率并且有小的非线性效应，从而使得输出的干涉信号更加稳定，减小系统本身造成的噪声误差，更重要的是波导式的M-Z系统具有更高解调速率，本系统的脉冲周期为0.1ms，被等间隔分割为50个时隙，每个时隙为0.002ms，每个时隙对应一个布拉格反射谱峰，要求解调系统的解调速率大于0.5MHZ（波导式M-Z解调器的解调速率可以达到40GHZ以上），一般的波导式非平衡M-Z解调系统即可以满足。反射回来的信号经过解调系统，使得每个独立的布拉格谱的中心波长与解调系统的相位差线性相关，表现为解调后输出的信号强度的强弱。

步骤五：

反射回的光信号经过解调系统后将波长解调为光强的强度信息，后由光电探测系统将解调出的光强度信息转变为便于处理的电信号，并采集输出，图5给出了传感阵列在无应力下的反射叠加普，当光纤光栅传感阵列收到地震动应力的影响，对应收到应力影响的光栅的反射谱便会发生漂移，表现为中心波长的变化，经过解调系统，可以得到在应力下传感阵列的反射叠加普如图6所示，λ_i ^'为对应的光纤光栅传感头在应力影响下的布拉格波长，通过解调系统和光电探测系统即可以得到每个传感头在地震动应力作用下对应的波长漂移量，并将解调后检测到的信号作为探测信号做进一步处理。

步骤六：

光电探测器检测的信号输入到信号处理系统，由于光纤光栅的布拉格波长漂移量与地震波所产生的应力大小为线性关系，即可以根据光电探测器检测到的波长漂移量信息，经过信号处理得到地震波信号的应力信息，包括地震波的振动幅度和振动频率等信息。如若地震波的频率为100HZ，则其周期为10ms，而光源的脉冲周期为0.1ms，即在一个地震动周期内有100个光脉冲，所以一个地震周期内信号采样100次，每采样一次并有系统解调一次，得到采样信号的解调出的地震波信息分量，经信号处理可以得到恢复的地震波信息，包括地震波的振幅信息和频率信息，采样与恢复样式如图7，t为采样周期（t=0.1mms），T为地震波周期（T=10ms）。而信号处理系统中包含了OTDR系统，反射谱经解调后的强度信息叠加在了OTDR系统所采集到的信号中，通过解调后反射谱的强度变化的位置点，有OTDR可以得到地震动产生应力导致轻度变化的位置信息，从而实现对地震波的定位。

上面已结合附图对本发明所设计的基于光纤光栅的时分复用阵列式地震波实时监测系统进行了详细的说明，并给出了具体的实施方案与技术细节，显然本发明不限于此，在本发明范围内进行的各种改型均没有超出本发明的保护范围。 

Claims (6)

1. 一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：包括脉冲调制光源、用于采集地震波信息的光纤光栅传感器阵列、采用波导式非平衡M-Z解调系统对地震波信息进行实时解调的解调系统、对解调系统的解调信号进行接收并进行处理得到地震波分量信息的光电探测器、对地震源进行定位的OTDR系统、光纤环形器，所述光纤环形器的1端口连接脉冲调制光源，2端口连接光纤光栅的传感器阵列，3端口连接解调系统，所述解调系统连、光电探测器、OTDR系统、脉冲调制光源顺序连接。

2.根据权利要求1所述的时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：脉冲调制光源采用超辐射宽普脉冲光源，包括分布式传感头部分，脉冲在整个系统中来回一次的时间约为0.1ms，连续发射的脉冲在系统中不发生重叠，将脉冲光源的脉冲周期设置为0.1ms，系统工作时，只有一个脉冲波在系统中传播，保证信号间无干扰，系统中所用光纤光栅传感器阵列的光纤光栅光谱范围为1525nm~1565nm，脉冲调制光源的中心波长为1550nm，谱宽大于20nm，脉冲峰值功率大于10mw。

3. 根据权利要求1所述的时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：所述传感器阵列采用光纤光栅传感器整列，所述传感器整列中光纤光栅的中心波长为1525 nm~1565 nm，系统中所用光纤光栅的谱宽小于0.8nm，峰值反射率大于80%。

4.根据权利要求1所述的时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：所述解调系统采用波导式非平衡M-Z解调系统，系统的脉冲周期为0.1ms，脉冲周期等间隔分割为50个时隙，每个时隙为0.002ms，每个时隙对应一个布拉格反射谱峰，解调系统的解调速率大于0.5MHZ，光纤光栅传感器阵列反射回来的信号经过解调系统，使得每个独立的布拉格谱的中心波长与解调系统的相位差线性相关，表现为解调后输出的信号强度的强弱。

5.根据权利要求4所述一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：光纤光栅传感器阵列反射回的光信号经过波导式非平衡M-Z解调系统后将波长解调为光强的强度信息，光电探测系统将解调出的光强度信息转变为电信号，当受到光纤光栅传感阵列收到地震动应力的影响，对应收到应力影响的光栅的反射谱便会发生漂移，表现为光纤光栅传感器反射谱中心波长的变化，经过解调系统，得到在应力下传感阵列的反射谱，通过解调系统和光电探测系统即可以得到每个光纤光栅传感器阵列的传感头在地震动应力作用下对应的波长漂移量，并将解调后检测到的信号作为探测信号，经光电转换后转化为电信号。

6.根据权利要5所述的一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：所述光电探测器系统将检测到的光强信号经光电转换后变为电信号，信号处理系统进行处理，根据光电探测器检测到的波长漂移量信息，经过信号处理得到地震波信号的应力信息，应力信息包括地震波的振动幅度和振动频率等信息，脉冲调制光源的每次脉冲实现对地震波信息的一次采样，所述系统的解调系统对采样信息解调一次，得到地震波信息分量，经信号处理得到恢复的地震波信息，反射谱经解调后的强度信息叠加在了OTDR系统所采集到的信号中，通过解调后反射谱的强度变化的位置点，OTDR得到地震动产生应力导致轻度变化的位置信息，从而实现对地震波的定位。

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