光纖光柵于地震檢波器方向的應用

陳梓藝

摘 要：該文闡述了光纖光柵用作地震檢波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系統。另外根據光纖光柵周期進行分類，分別闡明了光纖布拉格光柵及長周期光纖光柵地震檢波器的使用原理并分析了它們的優缺點，結合兩者討論了地震檢波器發展趨勢。

關鍵詞：光纖光柵 地震檢波器 光纖布拉格光柵 長周期光纖光柵

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震檢波器作為關鍵的環節，影響著勘探的準確性及進程。地震檢波器廣泛地用于石油工業、礦藏開發、地質、地熱等精細勘探之中。但過去的地震檢波器往往有靈敏度不夠高，易受干擾等缺點。

在20世紀80年代末，Morey發表用作傳感器的光纖光柵[1]受到各地工作者的關注并讓其于之后得到長足的發展。近年來，光纖光柵因抗電磁干擾能力強、抗腐蝕、尺寸小等優點，作為地震檢波器被研究應用于地震勘探中。可預見，光纖光柵傳感器作為地震檢波器將成為一大趨勢。

1 光纖光柵地震檢波器的工作原理

地震檢波器實質為振動傳感器，由光纖光柵構成的地震檢波器，其工作原理是利用光纖光柵對應力應變的敏感作用，把對應變物理量的測量轉化為對光學物理量的測量。完整的地震檢波系統，其組成如圖1所示，寬帶光源的光經耦合器輸入到檢波器后，對于光纖布拉格光柵中滿足布拉格條件的光將發射回來，其余的光則沿原光路繼續傳輸，由于反射光包含振動信息，因此，對反射光解調。而長周期光纖光柵因其透射性質，則需對透射光進行解調。解調系統利用光電檢測電路，把帶有外界信息的光信號轉化成電信號輸出，再經過放大器后送進計算機分析。

2 光纖光柵地震檢波器分類

根據光纖光柵的周期，可將應用作地震檢波器的光纖光柵分為兩類，分別是短周期光纖光柵，也就是光纖布拉格光柵及長周期光纖光柵。

2.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵的光柵周期以及折射率決定了光柵的反射光譜和透射光譜。當外界物理量改變這兩個參數時，會使波長發生漂移。因此，通過檢測光譜中的波長漂移即可獲取信息。

在引起光纖布拉格光柵波長漂移的外界因素中，最直接的為應變參量。因為無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都勢必導致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有彈光效應使得有效折射率也隨外界應力而發生變化[2]。

波長變化的量化公式可以表示為：

（1）

式中外界條件導致的波長漂移為、光柵周期、光柵有效折射率。而光柵周期以及有效折射率的變化分別為和。

應力應變對光纖布拉格光柵的影響可量化為：

（2）

其中為應變變化，為光纖材料的彈光系數，為應變引起的波長變化的靈敏度系數。

通過式（2）可知，借由光信號表征的物理量可至小波長量級的分辨率，這理論上表明了光纖布拉格光柵作為地震檢波器的高精度，實驗上通過模擬仿真也證明了其實用性[3]。

然而，光纖布拉格光柵也存在如反射光特性所導致的光源振蕩，器件比較脆弱、需要良好保護等缺點，而這些尚未能完全有效解決的問題亦是其商業化的阻礙。

2.2 長周期光纖光柵

長周期光纖光柵的理論是在光纖布拉格光柵理論的基礎上發展起來的，但其模式耦合屬于同向傳輸的纖芯基模和包層模之間的耦合[4]。

根據耦合模理論，長周期光纖光柵相位匹配條件[5]為：

（3）

其中，為芯內導模的有效折射率；為發生耦合的m階包層模的有效折射率；為光纖光柵周期；為導模耦合到m階包層模的波長。由式（3）可以看出，與芯層和包層的折射率有大關聯性。當外界條件如溫度或應力作用于光柵引起其纖芯和包層的有效折射率和光柵周期變化時，光柵的波長會產生變化，測得的大小可以確定外界溫度或應力的變化。通過對靈敏度分析，建立力學模型以及仿真，國內有黎芳等人驗證了長周期光纖光柵用于地震檢波器是可行的[5]。

長周期光纖光柵作為一種透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測量系統中不需隔離器，測量精度較高。但相對于光纖布拉格光纖，其也存在著溫度、應變等物理量間的交叉敏感等問題[4]，不利于實際的測量工作，需多個傳感器組合方可利于解決。

3 結語

對于光纖光柵以周期進行兩種分類，并分析知兩類光纖光柵在具有優點的同時，也有如脆弱，交叉敏感的缺點。不過光纖光柵檢波器相對傳統地震檢波器所具有的精度高，抗干擾能力強等優點，定會使其成為地震勘探中的重要研究方向并得到發展，逐漸成為主流的地震檢波器。

參考文獻

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 馬超，喬學光，賈振安，等.光纖布拉格光柵地震檢波器的研究與應用[J].地球物理學進展，2008，23（2）：622-626.

[3] 劉漢平，王健剛，崔洪亮，等.光纖光柵地震波檢波器[J].山東大學學報：工學版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饒云江.長周期光纖光柵研究現狀分析[J].電子科技大學學報，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，張緒國.基于長周期光纖光柵的新型地震檢波器[J].應用光學，2008（1）：101-104.endprint

摘 要：該文闡述了光纖光柵用作地震檢波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系統。另外根據光纖光柵周期進行分類，分別闡明了光纖布拉格光柵及長周期光纖光柵地震檢波器的使用原理并分析了它們的優缺點，結合兩者討論了地震檢波器發展趨勢。

關鍵詞：光纖光柵 地震檢波器 光纖布拉格光柵 長周期光纖光柵

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震檢波器作為關鍵的環節，影響著勘探的準確性及進程。地震檢波器廣泛地用于石油工業、礦藏開發、地質、地熱等精細勘探之中。但過去的地震檢波器往往有靈敏度不夠高，易受干擾等缺點。

在20世紀80年代末，Morey發表用作傳感器的光纖光柵[1]受到各地工作者的關注并讓其于之后得到長足的發展。近年來，光纖光柵因抗電磁干擾能力強、抗腐蝕、尺寸小等優點，作為地震檢波器被研究應用于地震勘探中。可預見，光纖光柵傳感器作為地震檢波器將成為一大趨勢。

1 光纖光柵地震檢波器的工作原理

地震檢波器實質為振動傳感器，由光纖光柵構成的地震檢波器，其工作原理是利用光纖光柵對應力應變的敏感作用，把對應變物理量的測量轉化為對光學物理量的測量。完整的地震檢波系統，其組成如圖1所示，寬帶光源的光經耦合器輸入到檢波器后，對于光纖布拉格光柵中滿足布拉格條件的光將發射回來，其余的光則沿原光路繼續傳輸，由于反射光包含振動信息，因此，對反射光解調。而長周期光纖光柵因其透射性質，則需對透射光進行解調。解調系統利用光電檢測電路，把帶有外界信息的光信號轉化成電信號輸出，再經過放大器后送進計算機分析。

2 光纖光柵地震檢波器分類

根據光纖光柵的周期，可將應用作地震檢波器的光纖光柵分為兩類，分別是短周期光纖光柵，也就是光纖布拉格光柵及長周期光纖光柵。

2.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵的光柵周期以及折射率決定了光柵的反射光譜和透射光譜。當外界物理量改變這兩個參數時，會使波長發生漂移。因此，通過檢測光譜中的波長漂移即可獲取信息。

在引起光纖布拉格光柵波長漂移的外界因素中，最直接的為應變參量。因為無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都勢必導致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有彈光效應使得有效折射率也隨外界應力而發生變化[2]。

波長變化的量化公式可以表示為：

（1）

式中外界條件導致的波長漂移為、光柵周期、光柵有效折射率。而光柵周期以及有效折射率的變化分別為和。

應力應變對光纖布拉格光柵的影響可量化為：

（2）

其中為應變變化，為光纖材料的彈光系數，為應變引起的波長變化的靈敏度系數。

通過式（2）可知，借由光信號表征的物理量可至小波長量級的分辨率，這理論上表明了光纖布拉格光柵作為地震檢波器的高精度，實驗上通過模擬仿真也證明了其實用性[3]。

然而，光纖布拉格光柵也存在如反射光特性所導致的光源振蕩，器件比較脆弱、需要良好保護等缺點，而這些尚未能完全有效解決的問題亦是其商業化的阻礙。

2.2 長周期光纖光柵

長周期光纖光柵的理論是在光纖布拉格光柵理論的基礎上發展起來的，但其模式耦合屬于同向傳輸的纖芯基模和包層模之間的耦合[4]。

根據耦合模理論，長周期光纖光柵相位匹配條件[5]為：

（3）

其中，為芯內導模的有效折射率；為發生耦合的m階包層模的有效折射率；為光纖光柵周期；為導模耦合到m階包層模的波長。由式（3）可以看出，與芯層和包層的折射率有大關聯性。當外界條件如溫度或應力作用于光柵引起其纖芯和包層的有效折射率和光柵周期變化時，光柵的波長會產生變化，測得的大小可以確定外界溫度或應力的變化。通過對靈敏度分析，建立力學模型以及仿真，國內有黎芳等人驗證了長周期光纖光柵用于地震檢波器是可行的[5]。

長周期光纖光柵作為一種透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測量系統中不需隔離器，測量精度較高。但相對于光纖布拉格光纖，其也存在著溫度、應變等物理量間的交叉敏感等問題[4]，不利于實際的測量工作，需多個傳感器組合方可利于解決。

3 結語

對于光纖光柵以周期進行兩種分類，并分析知兩類光纖光柵在具有優點的同時，也有如脆弱，交叉敏感的缺點。不過光纖光柵檢波器相對傳統地震檢波器所具有的精度高，抗干擾能力強等優點，定會使其成為地震勘探中的重要研究方向并得到發展，逐漸成為主流的地震檢波器。

參考文獻

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 馬超，喬學光，賈振安，等.光纖布拉格光柵地震檢波器的研究與應用[J].地球物理學進展，2008，23（2）：622-626.

[3] 劉漢平，王健剛，崔洪亮，等.光纖光柵地震波檢波器[J].山東大學學報：工學版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饒云江.長周期光纖光柵研究現狀分析[J].電子科技大學學報，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，張緒國.基于長周期光纖光柵的新型地震檢波器[J].應用光學，2008（1）：101-104.endprint

摘 要：該文闡述了光纖光柵用作地震檢波器的基本原理及描述其在地震勘探用途上的系統。另外根據光纖光柵周期進行分類，分別闡明了光纖布拉格光柵及長周期光纖光柵地震檢波器的使用原理并分析了它們的優缺點，結合兩者討論了地震檢波器發展趨勢。

關鍵詞：光纖光柵 地震檢波器 光纖布拉格光柵 長周期光纖光柵

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0068-01

在地震勘探中，地震檢波器作為關鍵的環節，影響著勘探的準確性及進程。地震檢波器廣泛地用于石油工業、礦藏開發、地質、地熱等精細勘探之中。但過去的地震檢波器往往有靈敏度不夠高，易受干擾等缺點。

在20世紀80年代末，Morey發表用作傳感器的光纖光柵[1]受到各地工作者的關注并讓其于之后得到長足的發展。近年來，光纖光柵因抗電磁干擾能力強、抗腐蝕、尺寸小等優點，作為地震檢波器被研究應用于地震勘探中。可預見，光纖光柵傳感器作為地震檢波器將成為一大趨勢。

1 光纖光柵地震檢波器的工作原理

地震檢波器實質為振動傳感器，由光纖光柵構成的地震檢波器，其工作原理是利用光纖光柵對應力應變的敏感作用，把對應變物理量的測量轉化為對光學物理量的測量。完整的地震檢波系統，其組成如圖1所示，寬帶光源的光經耦合器輸入到檢波器后，對于光纖布拉格光柵中滿足布拉格條件的光將發射回來，其余的光則沿原光路繼續傳輸，由于反射光包含振動信息，因此，對反射光解調。而長周期光纖光柵因其透射性質，則需對透射光進行解調。解調系統利用光電檢測電路，把帶有外界信息的光信號轉化成電信號輸出，再經過放大器后送進計算機分析。

2 光纖光柵地震檢波器分類

根據光纖光柵的周期，可將應用作地震檢波器的光纖光柵分為兩類，分別是短周期光纖光柵，也就是光纖布拉格光柵及長周期光纖光柵。

2.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵的光柵周期以及折射率決定了光柵的反射光譜和透射光譜。當外界物理量改變這兩個參數時，會使波長發生漂移。因此，通過檢測光譜中的波長漂移即可獲取信息。

在引起光纖布拉格光柵波長漂移的外界因素中，最直接的為應變參量。因為無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都勢必導致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有彈光效應使得有效折射率也隨外界應力而發生變化[2]。

波長變化的量化公式可以表示為：

（1）

式中外界條件導致的波長漂移為、光柵周期、光柵有效折射率。而光柵周期以及有效折射率的變化分別為和。

應力應變對光纖布拉格光柵的影響可量化為：

（2）

其中為應變變化，為光纖材料的彈光系數，為應變引起的波長變化的靈敏度系數。

通過式（2）可知，借由光信號表征的物理量可至小波長量級的分辨率，這理論上表明了光纖布拉格光柵作為地震檢波器的高精度，實驗上通過模擬仿真也證明了其實用性[3]。

然而，光纖布拉格光柵也存在如反射光特性所導致的光源振蕩，器件比較脆弱、需要良好保護等缺點，而這些尚未能完全有效解決的問題亦是其商業化的阻礙。

2.2 長周期光纖光柵

長周期光纖光柵的理論是在光纖布拉格光柵理論的基礎上發展起來的，但其模式耦合屬于同向傳輸的纖芯基模和包層模之間的耦合[4]。

根據耦合模理論，長周期光纖光柵相位匹配條件[5]為：

（3）

其中，為芯內導模的有效折射率；為發生耦合的m階包層模的有效折射率；為光纖光柵周期；為導模耦合到m階包層模的波長。由式（3）可以看出，與芯層和包層的折射率有大關聯性。當外界條件如溫度或應力作用于光柵引起其纖芯和包層的有效折射率和光柵周期變化時，光柵的波長會產生變化，測得的大小可以確定外界溫度或應力的變化。通過對靈敏度分析，建立力學模型以及仿真，國內有黎芳等人驗證了長周期光纖光柵用于地震檢波器是可行的[5]。

長周期光纖光柵作為一種透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測量系統中不需隔離器，測量精度較高。但相對于光纖布拉格光纖，其也存在著溫度、應變等物理量間的交叉敏感等問題[4]，不利于實際的測量工作，需多個傳感器組合方可利于解決。

3 結語

對于光纖光柵以周期進行兩種分類，并分析知兩類光纖光柵在具有優點的同時，也有如脆弱，交叉敏感的缺點。不過光纖光柵檢波器相對傳統地震檢波器所具有的精度高，抗干擾能力強等優點，定會使其成為地震勘探中的重要研究方向并得到發展，逐漸成為主流的地震檢波器。

參考文獻

[1] Morey W W， Meltz G， Glenn W H.Fiber optic Bragg grating sensors[C]//OE/FIBERS'89. International Society for Optics and Photonics.1990：98-107.

[2] 馬超，喬學光，賈振安，等.光纖布拉格光柵地震檢波器的研究與應用[J].地球物理學進展，2008，23（2）：622-626.

[3] 劉漢平，王健剛，崔洪亮，等.光纖光柵地震波檢波器[J].山東大學學報：工學版，2007，37（2）：89-92.

[4] 饒云江.長周期光纖光柵研究現狀分析[J].電子科技大學學報，2005（S1）.

[5] 黎芳，江月松，張緒國.基于長周期光纖光柵的新型地震檢波器[J].應用光學，2008（1）：101-104.endprint