超高分辨率光纤地壳应变张量检测关键技术研究

In this research project, we propose a crustal strain tensor measuring technique based on the development of a novel ultra-high-resolution, large measurement range, multiplexed optical fiber sensing technique, providing a new tool for the geophysical research field. This research project will investigate the structure of fiber sensor head so as to realize strain tensor measurement in three- dimensional space with a few optical fiber strain sensors, while the traditional strain gauge can only provide the horizontal strain information of the curst. To overcome the trade-off between measurement resolution and range of current optical fiber sensing technique in quasi-static domain, this project proposes a scheme consisting of a Fabry-Perot etalon and a phase-intensity dual modulation method to realize ultra-high resolution, large measurement range and the ability of multiplexed sensing. High precision variable laser wavelength tuning method will also be studied for quick sensing speed without the degradation of strain resolution. The research of this project will provide an opportunity to realize an ultra-high resolution, large measurement range, multiplexed and high speed interrogation method for optical fiber sensors in the quasi-static domain, and lay the foundation of optical fiber sensors based crustal strain tensor gauge. This research will be important and valuable in both high performance optical fiber sensing techniques and the geophysical research field.

本项目通过研究一种新的超高精度、超大量程、多点复用高速光纤准静态应变传感技术，提出一种测量地壳三维应变张量的方法，为地壳形变的观测乃至地震科学的研究提供了一种全新的技术手段。为克服现有地壳应变仪不能提供地壳应变张量信息的缺陷，本项目将研究光纤应变传感器的空间布设结构，以较少数量的传感器实现三维应变张量的检测；针对当前光纤应变传感技术在准静态领域内存在的应变分辨率与量程之间的矛盾，以及难以实现多点复用传感的问题，本项目提出利用F-P标准具参考源和相位-强度复合调制解调技术，实现传感器的超大量程、超高分辨率和多点复用；本项目还将研究半导体激光光源的高精度变速波长调谐技术，在实现超高应变分辨率的同时提高测量速度。 本项目的研究将为光纤地壳应变张量检测系统的实现奠定理论和技术基础，在高性能光纤传感技术领域和地球科学特别是地震研究领域都具有非常重要的意义。

地壳形变的观测是地震科学的研究基础，但是现有的观测技术和手段存在体积大、形变分辨率低、频率范围有限、不能实现三维形变观测等局限性。本项目通过研究新的超高精度、超大量程、多点复用高速光纤准静态应变传感技术，提出一种测量地壳三维应变张量的方法，为地壳形变的观测乃至地震科学的研究提供了一种全新的技术手段。本项目执行中已经发表/接收SCI期刊论文10篇，国际学术会议论文28篇，申请发明专利9项，其中2项已经获得授权。本项目取得的重要研究成果介绍如下：. 1)本项目的研究中，提出了基于双路锁定反馈方案的高速、超高精度光纤光栅应变传感器技术，实现了优于0.4纳应变的准静态形变分辨率，频率范围覆盖了地震科学研究所涉及的主要频段0.01Hz - 250Hz，动态范围达到140 dB；利用这一方案，一个传感器能够同时监测地壳的缓慢变形过程和地震波的动态形变信息，比现有的多种传感器分别监测方案具有更好的一致性和可靠性。. 2)利用标准气体吸收室和F-P 标准具，对分布式反馈式（DFB）半导体激光器进行绝对波长标定，在75GHz的波长调谐范围内，激光频率的测量精度达到MHz，实现了基于波分复用的高精度多点传感探测，在实验中获得0.4 mk的绝对温度测量。该方案可扩展为对任意可调谐激光光源进行大范围的高精度绝对频率标定，在光源技术开发及光传感领域具有广泛用途；. 3)首次实现了时分复用多点超高精度解调方案，用一个光源和光电探测器实现对多个相同波长光纤光栅阵列的探测，解调精度达到0.1纳应变，该技术为三维空间内应变张量的测量奠定了基础；. 4)推导了由多个不同方向布设的光纤光栅线应变数据计算得到三维空间内应变张量的表达式，提出两种用于三维应变测量的光纤光栅传感探头的设计方案；针对光纤光栅应变传感器长期稳定性方面的要求，提出了基于光纤光栅进行金属化加工和V型槽压制的封装方案，并在实验中总结出了各流程工艺的最优参数。上述成果解决了三维应变传感器探头设计中的最关键技术问题。