應用于火山活動監測的分布式 光纖光柵傳感技術

關 升劉國明顧國輝閆東晗

1）中國長春130117 中國地震局火山研究所

2）中國長春130117 吉林省地震局

光纖光柵傳感器作為一種新型的光纖傳感器，具有體積小、可靠性高、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、易于組建傳感網絡等優點，現已廣泛應用于航空航天、海洋探測、地質勘探等領域。已有學者將光纖傳感器技術應用于地震監測，并取得較理想的效果。文中介紹了光纖布拉格光柵傳感器（Fiber Bragg Grating，FBG）基本原理、火山活動監測系統組成簡介，以及分布式光纖光柵傳感系統在火山活動監測中需要解決的問題。

（1）光纖光柵傳感基本原理。利用光纖材料的光敏性，當外界入射光子和纖芯內鍺離子相互作用時，會引起纖芯內折射率的永久性變化，進而在纖芯內形成空間相位光柵，即光纖光柵。該作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。根據光耦合理論可知，光柵反射波的波長λB可以表示為光纖芯區有效折射率neff與光纖光柵周期Λ的乘積，公式如下

由于溫度和應變均會影響到neff和Λ，最終影響FBG 的λB，若二者同時發生改變，僅使用一根光纖光柵進行測量，將難以辨別其變化來源。為消除溫度對測量的干擾，通常在傳感器設計中，添加溫度補償結構。目前常用溫補方法為機械溫度補償法和參考光纖光柵法。

FBG 主要由光纖光柵傳感器和結構傳感封裝組成。通過改變傳感器的傳感結構和外部封裝方式，可間接將常見物理量轉化為溫度和應變的變化，通過分析傳感器的基本結構，可建立監測量和FBG 中心波長的關系式。在解調裝置獲得光纖波長的實時變化量ΔλB，利用建立的關系式反推，便可獲得物理量產生的變化量（應力、應變、壓力、位移、溫度、加速度等），從而豐富光纖光柵的監測功能。常見結構傳感有重力式、溶液壓強式和懸臂梁式。

（2）監測系統組成。基于光纖光柵分布式傳感器的監測系統主要包括光纖光柵采集系統、數據傳輸與保存系統及信號處理和分析系統3 個部分（圖1）。光纖光柵采集系統是火山活動監測的基礎部分，包括光纖光柵傳感器和解調設備。數據傳輸與保存系統將分布式傳感器采集的各種數據傳輸到控制及顯示平臺，并保存。信號處理和分析系統是火山監測系統的關鍵部分，通過對采集信號的處理和分析，確定物理參數大小，綜合分析研判是否達到預警觸發指標。

圖1 分布式光纖光柵傳感器監測系統組成Fig.1 Composition of the distributed optical fiber grating sensor monitoring system

（3）分布式光纖光柵傳感系統在火山活動監測中需要解決的問題。由于光纖光柵的獨特優點，使得基于光纖光柵的火山活動監測系統相比于傳統的火山監測系統，能提供更全面、更大范圍的狀態信息。分析認為，光纖光柵分布式傳感器可用于長白山天池火山活動監測，要解決如下關鍵技術問題：①外部傳感器設計需針對現有傳感器進行改進（結構/材料），進一步提升其靈敏度和測量范圍；②需考慮如何實現一個傳感器對多種物理量的監測；③構建火山預警智能專家系統，將傳統火山預警方法與現行神經網絡方法相結合，形成跨模態和跨時空的識別專家系統，智能識別火山活動狀態。