基于数字增强干涉的超高灵敏度三维光纤地震测量方法研究

Facing the major livelihood needs of earthquake warning and disaster reduction, and the core scientific issues and key technical problems of developing new earthquake monitoring method, the project intends to develop an new fiber-optic seismic monitoring method with the measuring technology with the characteristics of three-dimension high sensitivity, low noise, wide bandwidth and large dynamic range. The project explores the new method of increasing the sensitivity in the fiber-optic seismic measurement, enhances and optimizes the key performance of sensitivity and volume in the measuring unit; based on code division multiplexing, the project develops a new demodulation method in fiber-optic seismic measurement, which overcome the problem of noise suppression in optical path, and improve the measured signal-to-noise ratio and dynamic range; in the project, an new digitally enhanced signal processing method is developed, the problem of the light source frequency noise suppression technology is overcome, the low-frequency measurement limit and the expansion of bandwidth is broke; three-dimension fiber-optic seismic measuring system based on code division multiplexing is built, which improves the key technical performance of sensitivity, noise, frequency band, dynamic range, and realizes an effective alternative to conventional seismic measurement method. The project will make a significant contribution to the practical process of fiber-optic seismic monitoring methods and technologies, lay the basis of the key technology and equipment for the acquirement of the earthquake precursors information and earthquake warning and disaster reduction, and provide an effective means of monitoring technology.

面向地震预警和防震减灾等国家重大民生需求，面对发展新型地震监测方法与手段的核心科学问题和关键技术难题，项目拟开展新型光纤地震监测方法的研究，发展一种高灵敏度、低噪声、宽频带、大动态范围的三维光纤地震测量技术,探索光纤地震测量的灵敏度倍增新机理和新方法，提升和优化测量单元的灵敏度、体积等关键性能；发展基于码分复用的光纤干涉地震测量的解调新方法，攻克光纤光路的噪声抑制技术，提升测量的信噪比和动态范围；发展基于数字增强的新型信号后处理方法，攻克光源频率噪声的抑制技术，突破光纤地震测量的低频测量极限、扩展频带宽度；构建基于码分复用三维光纤地震测量系统，突破灵敏度、噪声、频带、动态范围等光纤地震测量关键技术性能，实现对传统地震测量方法的有效替代。本项目将极大地促进光纤地震监测方法和技术的实用化进程，为地震前兆信息的获取和地震预警、防震减灾奠定了关键技术和设备的基础，提供一种有效的监测技术手段。

面对我国防震减灾的重大需求，发展高灵敏度、大动态范围、宽测量频带的地震监测仪器成为必然。目前，传统地震计在灵敏度、动态范围、测量频带方面的综合性能已经达到极限，但仍无法满足当前地震监测和地震测量发展的需要。课题组在国家自然科学基金的资助下，开展了新型光纤地震监测方法的研究，将光纤传感技术与数字信号处理技术相结合，发展了一种高灵敏度、低噪声、宽频带、大动态范围的三维光纤地震测量技术。主要研究成果包括三个方面：.1、深入分析研究了光纤地震测量单元灵敏度倍增的传感机理。.地球的地质振动与应变十分缓慢和微弱，需要灵敏度极高的监测设备进行信号捕获，但目前光纤地震测量系统的灵敏度较低，无法实现微弱振动信号的精确探测，因此课题组提出了采用多层缠绕测量光纤的灵敏度增敏方法。从多层光纤环与弹性元件复合区域选择、弹性元件尺寸、多层缠绕光纤类型三个方面开展了光纤地震测量单元的灵敏度增敏研究，建立了测量单元灵敏度倍增模型；开展了多层光纤缠绕与固定方法研究，攻克了多层光纤环与弹性元件复合固定的关键工艺，研制出了灵敏度优于6000 rad/g的光纤地震测量单元，有效实现了光纤地震测量单元灵敏度的提高；搭建了光纤地震测量单元灵敏度检测平台，完成了测量单元灵敏度检测方法研究。.2、提出了基于码分复用和数字增强技术的噪声抑制方法。.噪声是影响光纤地震测量系统性能的重要因素，极大地限制了系统的测量频带，尤其是对极低频信号的测量。课题组开展了光纤地震测量系统的噪声抑制方法研究，建立了测量系统噪声理论模型；完成了基于码分复用和数字增强技术的信号解调方法研究，编写了测量系统信号解调软件；完成了测量系统的信号解调硬件系统研究，研制了多路信号解调电路，并完成了自动光电转换增益可调功能、电路噪声抑制、电路功耗优化三方面研究。基于上述三方面研究，有效抑制了测量系统的噪声，拓展了测量系统的低频测量频带。.3、构建了基于码分复用的三维矢量化光纤地震测量系统。.由于地震波是一种矢量波，为实现地震波的探测需要三维矢量化光纤地震测量系统。课题组完成了光纤地震测量系统的多路复用结构的设计研究，构建了基于码分复用的三维矢量化光纤地震测量系统，研制出了三维矢量化光纤地震测量系统样机，并开展了外场地震监测试验，监测到了多次地震信号，验证了光纤地震测量系统的地震监测能力。.综上所述，本课题完成了任务书中所规定的的研究目标和研究内容。