一、研究背景
地震是人类面临的最大自然灾害之一，即使在科技与经济高速发展的今天，人类仍然面临着遭受重大地震灾害袭击的严重威胁。据统计，仅本世纪以来全球所发生的一系列巨大地震灾难，就已造成70多万人丧生，例如2008年汶川地震、2011年日本大地震，都造成了严重的人员伤亡与财产损失。我国位于全球强震频发区域，是世界上大陆地震发生最多的国家。以2008年新疆于田地震、四川汶川地震和2010年青海玉树地震为标志，中国大陆已经进入一个新的地震活跃期。积极面对防震减灾中的重大科学问题，开展面向孕震过程信息获取的基础科学研究，建立有效的孕震过程检测技术和仪器，是关系到国计民生的重大需求。
地震预测预报是地震学界的重要目标，同时也是世界性难题。经过几十年的努力，相关的研究探索取得了一些成果和进步，但是没有突破性的进展。其重要原因在于，人们对地震孕育和发生的物理过程的认识还很有限或不完整。而制约人们认识地震演化规律的最根本原因在于，对孕震环境的探测及地震孕育过程的观测能力在某些关键环节存在严重不足。由于构造地震都发生在地壳内部的断层或断层带上，地震发生的物理本质就是断层发生破裂错动释放大量的弹性应变能，因而获取孕震断层附近应变场（应变分布）的震前动态变化对捕获地震孕育过程信息尤为重要。在对地震孕育过程的研究中，特别需要测量和研究主要地震带和地震断层附近的应变场变化，必须努力实现对地面附近应变场变化的观测，要从对地面附近点应变变化的观测发展到对局部和区域应变场变化的观测。
近年来以光学纤维为传感和传输介质的光纤传感技术在国内外都取得了长足的发展。光纤传感器具有体积小，重量轻的特点，适合于对体积和重量有严格要求的应用场合。光纤传感器适合于恶劣环境，抗电磁干扰，绝缘，无电火花，抗雷击，已经应用于电力、化工、石油等产业用途。另外，用于飞行器导航用的光纤陀螺、用于水声探测的光纤水听器等光纤传感器都达成了其他技术难以实现的性能。由于与光纤通信技术的天然的融合性，光纤传感技术特别适合于分布式的布阵组网应用。在原理上，人们可以把一个所需要的被测量的值，作为沿着光纤的位置的函数而加以确定，而且，这个分布函数的时间变化也可以同时获得。这种独特的功能，开辟了为传统的测量技术所无法提供的无穷无尽的科学和产业应用的可能性。
在国家基金委重点国际合作项目 “超高精度光纤传感网及其在地壳形变测量中的应用”项目的资助下，上海交通大学牵头，与日本东京大学的研究团队合作开展了基于光纤传感技术的地壳应变观测技术研究，建立了光纤感知微弱应变作用的物理模型，根据传感器的噪声理论确定了微弱应变的光纤传感极限，提出了地壳微弱应变光纤测量与信号检测的方法，开发出超高精度光纤应变场检测仪，解决了光纤应变传感单元封装设计、现场安装、高效应变耦合、现场标定等关键科学和技术问题，在四川省甘孜藏族自治州康定县的燕子沟地震台站和云南丽江地震台站建立了地壳基岩应变张量的实时监测系统，实现对地震断层应变张量的实时监测，清晰记录下地壳基岩的固体潮和地震波信号，验证了超高精度光纤应变场检测仪用于捕捉孕震断层近场应变场动态信息的可行性。
二、基于光纤的超高精度应变传感机理
本项目开发的超高精度光纤传感网技术，利用了F-P干涉仪的暂态响应特征。光纤F-P干涉的暂态响应指激光脉冲探测F-P干涉仪时，在探测光到达后F-P后，部分光波进入F-P干涉仪并在其中振荡，在探测光的持续时间内F-P干涉仪内逐渐建立起光场的过程，以及探测光脉冲结束后，腔内光场逐渐消逝的过程。图1为F-P干涉仪暂态响应过程中的反射光强的变化，其中表示探测光在F-P往返一周时的相位变化量，当
为2π的整数倍时，即探测光频率等于F-P干涉仪的谐振频率时，反射光强快速衰减，而探测光频率偏离F-P干涉仪谐振频率时，反射光强衰减较慢且呈现振荡特征。当采用短脉冲探测时，通过检测脉冲被F-P干涉仪反射回的功率变化，即可判断探测光的频率与F-P干涉仪谐振频率的偏移量，进而实现对F-P干涉仪谐振频率的探测。该探测原理采用脉冲进行探测，不需要等待F-P干涉仪进入稳态状态，尤其适合于时分复用的多通道高精度检测。
图1：F-P干涉仪的典型暂态响应曲线
基于频率扫描的一系列光脉冲能够得到整个谐振曲线，从而得知谐振中心频率，但实际上仅需要两个不同频率的探测脉冲即可获得有效的谐振中心频率偏移信息，即差频脉冲对鉴频技术，其原理示意如图2所示。当两个不同频率的探测激光脉冲先后入射至光纤F-P干涉仪时，若两探测脉冲频率的平均值接近谐振中心频率，则两脉冲的反射信号中均会产生明显的暂态效应。假设前一个探测脉冲频率的光频率小于后一个探测脉冲。则当脉冲对的频率均值小于谐振中心频率时，前一个入射脉冲光频率相对于谐振中心频率的频率偏移的差值将大于后者的频率偏移，此时前一个反射脉冲携带的总能量将大于后一个反射脉冲携带的光能量，两者能量的差值为正；同理，脉冲对的频率均值大于谐振中心频率时，两反射脉冲携带能量的差值（前者减后者）为负。当脉冲对频率均值恰好等于谐振中心频率时，两反射脉冲能量相等，差值为零。因此可通过测得的反射电脉冲能量差值来确定探测光与传感元件谐振峰的频率偏差，从而完成谐振频率的快速鉴频。
图2：光纤光栅F-P干涉仪暂态响应的差频脉冲对鉴频技术原理示意图
三、超高精度光纤应变传感网的样机化
项目开发的超高精度光纤应变传感系统采用由FBG构成的光纤F-P干涉仪（FFPI）作为应变和温度敏感元件。1个延时耦合分光箱、4个应变传感FFPI单元和1个参考FFPI单元构成一组光纤传感单元阵列。其中，4个应变传感FFPI角度依次相差45°，呈米字形布设在地壳基岩上，构成四分量应变传感，当地壳基岩发生微弱形变时，各个光纤F-P干涉仪的谐振波长也会相应地变化。解调系统精确测定光纤F-P干涉仪的谐振波长，得到地壳应变张量信息。考虑到高精度应变信号观测中，各传感单元的谐振波长所受到温度的影响将影响实际观测结果，每个光纤传感单元阵列中包含1个额外的未与基岩耦合的FFPI，作为参考单元。每一组光纤传感单元阵列均占用1个空分通道。解调主机支持8路空分复用通道，各传感单元与参考单元同时作为系统的测量通道，由解调主机对所有测量通道进行持续探测，最终获取40通道（空分8通道×时分5通道）的高精度的静态应变张量信息。
解调主机中采用经过稳频的窄线宽激光器作为光源，由直接数字频率合成器驱动的声光调制器和基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的实时控制装置，对各个FFPI传感探头进行探测。激光器输出的窄线宽激光信号经过声光调制器移频并生成探测激光脉冲。每个光纤传感单元阵列中的各个FFPI传感单元距解调主机端的光程不同，其反射信号组成可区分且不重叠的时域脉冲串，从而实现各个通道的时分复用；各个光纤传感单元阵列在空间上占用不同的光纤传输通路，由双向光开关进行快速切换，以实现各个传感单元阵列的空分复用。解调主机的高速数字控制系统执行信号接收、信号解调、复用解复用等一系列流程，实现所有FFPI传感单元上应变/温度信息的获取。
基于上述方案，解调系统可以同时探测多达40通道具有相同波长的F-P干涉仪探头。在一个地点布设多个方向的传感探头构成的一组光纤传感单元阵列可以实现应变张量的观测；在多达8个地点布设8组光纤传感单元阵列，可以实现对地壳形变场的准分布式测量。由于光纤对光的损耗很小，各个传感单元阵列可以间隔很远，一台解调仪主机就可以数十平方公里的测量范围；由于光纤主要由二氧化硅制成，不包含导电部件，不会受到雷击，不但适合野外测量地壳的形变，也能够在井下等高温、高压、潮湿的恶劣环境下工作。
图3：超高精度多通道光纤应变场解调仪（左）和时分复用箱（右）
该超高精度光纤应变传感网的主要参数指标如下：
- 测量分辨率：优于10-10ε
- 测量范围：10-3 ε
- 采样率：250 Sa/s
- 信号频响范围：DC-100Hz
- 传感通道数：最高支持40通道（含参考温度测量通道） 参考温度测量分辨率：优于0.01 ˚C
四、地壳应变的现场观测
项目组与中国地震局合作开展了地壳形变的实际观测实验，分别在四川省泸定县燕子沟地震台站、云南丽江地震台站开展了地壳应变场的观测工作，探索并完成了光纤应变传感系统的整体布设方案，进行了相应的施工改造、仪器安装、调试及运行工作，成功观测到固体潮应变信号以及地震波形，验证了所提出光学技术方案与应用场景实施方案的可行性，为地球科学研究提供了有力的技术手段。
图4：地壳固体潮现场观测实验现场选址
图5：四川省泸定县燕子沟地震台站测得的固体潮信号
图6：云南省丽江市地震台站及观测到的地震波信号（570km，M6.0）
