基于复合光纤干涉仪传感机理的高灵敏度六维地震波测量方法研究

In order to meet the urgent needs of information acquisition for deep-focus or near-field seismic, and solve the core scientific problems and key technical problems in developing the methods for simultaneously monitoring and measuring the six-dimension seismic wave based on fiber optics, the project intends to carry out researches on measurement methods and techniques for six-dimension seismic wave based on composite fiber optic interferometers and multi-parameter sensing mechanism. Specific contents of the project are as follow: exploring the new mechanism of multi-parameter measurement based on optical fiber for seismic wave, which is to verify the feasibility of multi-parameter measurement of composite optical fiber interferometer for seismic wave; developing the noise and cross sensitive suppression techniques that involve in the swept-wavelength interferometry, the temperature-insensitive double polarization fiber optical path, and the signal demodulation using pseudo-random coding, which is to suppress the noise, enhance the temperature stability, and extract the signal accurately for the fiber seismic wave measurement system, and improve the system performance on the overall measurement; constructing the six-dimension vector fiber seismic measurement system and realizing full dimension information monitoring for six-dimension seismic wave with high sensitivity, which is to explore the inherent laws between different dimensions of the six-dimension seismic wave. This project will make a significant contribution to the utility process of fiber-optic seismic monitoring methods and techniques, and provide a monitoring method for deep-focus or near-field seismic. In addition, it provides an effective monitoring technique for seismic precursor information acquisition and seismic prediction.

面向深源地震和近场地震信息获取的迫切需求，面对发展光纤六维地震波同时监测方法与测量手段的核心科学问题和关键技术难题，项目拟开展基于复合光纤干涉仪多参量传感机理的六维地震波测量方法与技术研究。探索光纤地震波多参量测量新机理，验证复合光纤干涉仪地震波多参量测量的可行性；发展基于频率扫描干涉臂长差检测技术、双偏振光纤光路温度稳定性技术和伪随机码信号解调技术的噪声与交叉敏感抑制技术，实现光纤地震波测量系统的噪声抑制、温度稳定性提高和信号精确提取，提升系统的整体测量性能；构建六维矢量化光纤地震测量系统，实现六维地震波全维度信息的高灵敏度监测，探索六维地震波各维度波形的内在规律。本项目将促进光纤地震监测方法和技术的实用化进程，为深源地震及近场地震监测提供一种监测方法，同时为地震前兆信息获取和地震预报提供一种有效的监测技术手段。

面向深源地震和近场地震信息获取的迫切需求，发展六维地震波监测方法与测量技术成为必然。目前，传统线性地震计由于综合性能受限和拾震机理问题，无法实现六维地震波同时和精确观测。课题组在国家自然科学基金的资助下，开展了基于复合光纤干涉仪传感机理的六维地震波测量方法与技术研究。主要研究成果包括三个方面：.1、深入分析研究了光纤地震波多参量的高灵敏测量机理。.地震波作为矢量波，为实现全维度信息的精确测量，需对其平动分量与旋转分量进行同时测量，且受限于旋转分量量阶太小，需要灵敏度极高的监测设备进行信号捕获，因此课题组提出了基于复合光纤干涉仪的光纤传感测量方法，用于光纤地震波多参量的高灵敏度测量。从复合光纤干涉仪的结构选择与优化、精确理论模型建立两个方面开展了复合光纤干涉仪嵌套组合方法研究，完成了MI-S和MZ-S复合光纤干涉仪的结构搭建与性能对比，建立了双偏振复合光纤干涉仪光路理论模型；完成了复合光纤干涉仪灵敏度理论模型研究，建立了传感光纤与测量结构应变传递模型及地震波多参量灵敏度理论仿真模型；构建了复合光纤干涉仪增敏测量结构，研制了高灵敏度复合光纤干涉仪传感光路，有效实现了复合光纤干涉仪灵敏度的提高。.2、完成了光纤地震波多参量测量的噪声与交叉敏感抑制研究。.噪声、温度、信号解调精度是影响光纤地震测量系统性能的重要因素，课题组完成了地震波多参量测量的噪声抑制方法研究，建立了光源相位噪声、光路系统中的热噪声、系统综合噪声的理论噪声模型；完成了基于双偏振光路的温度稳定性方法研究，建立了温度稳定性理论模型，并构建了基于双偏振光路的干涉仪结构进行实验研究，实现了相位时域连续10h漂移0.7rad的研究结果，有效提升了测量系统的温度稳定性；完成了基于伪随机码的信号解调方法研究，研制了基于Xilinx高性能SoC的高速信号解调与处理硬件电路，有效提升了测量系统解调精度，并抑制了解调硬件噪声。.3、完成了六维地震波测量方法与应用研究。.由于地震波是一种矢量波，为实现地震波的探测需要六维光纤地震测量系统。课题组完成了六维光纤地震测量系统制备方法研究，构建了六维矢量化光纤地震计样机，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研究目标和研究内容。