一、概述
地震是人类面临的最大自然灾害之一。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。其中，2011年日本“3.11”大地震，引发了海啸以及核电站泄漏，史无前例，触目惊心，凸显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。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。
在国家基金委重大科研仪器设备研制专项下“面向地壳形变检测的超高精度应变场检测仪”项目的资助下，上海交通大学牵头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，实现了准静态、超高精度（10-10）的极微弱应变测量；提出了高精度、低成本的应变传感阵列与网络的结构和解调方法，实现了地壳微弱应变张量的实时精确检测。
该项目研制成功URS-350系列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，满足地壳形变场感测要求，在四川省甘孜藏族自治州康定县的燕子沟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、超高精度光纤应变场检测仪原理
本项目研制的URS-350系列超高精度光纤应变场检测仪专为长期地壳形变监测场景设计，同时具有静态和动态应变信号观测能力。该系统利用是基于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。
三、URS-350系列超高精度光纤应变场检测仪结构与参数
1. 系统构成
URS-350系列超高精度光纤应变场检测仪的整套系统由以下部分构成：
URS-350解调仪主机（1台）
UDCA-1510时分复用附机（最多支持8台）
光纤传感探头（最多支持40路）
主机与附机间传输光缆
2. 主要参数指标
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
3. URS-350解调仪主机
基本信息
尺寸与重量：H 8.9cm × W 43.2cm × D 38.5cm / 6.5kg
供电电压与功耗：176-264VAC[1] 47-63Hz/80W
支持的显示方式：HDMI视频输出
支持的通信方式：100M/1000M以太网/USB3.0/USB2.0
前面板功能区
①仪器电源开关
②USB3.0/USB2.0接口
③主机空分通道光纤接口（FC/APC×8）
后面板功能区
④HDMI显示输出接口
⑤以太网接口
⑥散热风扇排风出口
⑦交流电源接口
⑧交流电源开关
4. UDCA-1510时分复用附机
基本信息
尺寸与重量：H 4.5cm × W 43.2cm × D 33.5cm / 2.0kg
前面板功能区
⑨附机空分通道光纤接口（FC/APC）
⑩附机时分通道光纤接口（FC/APC×5）[2]
5. 光纤传感探头与传输光缆
光纤传感探头为单端带有FC/APC连接头的经封装的光纤F-P干涉仪；传输光缆为双端带有FC/APC连接头的光缆。光纤传感探头与传输光缆所选用的光纤类型须为1550nm波段熊猫型单模保偏光纤。
6. 系统连接示意图
[1] 可通过内部开关切换至85-132VAC
[2] 编号为“R”的附机时分通道光纤接口为保留接口，未与内部光路连接
